CN114406213A - 一种气封式连铸结晶器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气封式连铸结晶器装置，结晶器包括两个宽面结晶器和两个窄面结晶器，窄面结晶器的内侧面为钢水接触面，钢水接触面由上向下分别形成初始面、中间面和末端面，初始面和末端面的横断面呈弧形，窄面结晶器靠近顶部及底部处厚度逐渐变小，初始面、末端面与中间面连接处平滑过渡；窄面结晶器内部设有弧形冷却槽，弧形冷却槽靠近钢水接触面设置，且弧形冷却槽的投影曲线与钢水接触面投影曲线相同；弧形冷却槽下端连接冷却水进口、上端连接冷却水出口；钢水接触面相邻的两面为侧面，窄面结晶器的两个侧面上开设有长条状的出气缝，窄面结晶器的内部设有气体腔，所述气体腔与出气缝连通；窄面结晶器的外侧面上还设有与气体腔连通的进气口。

Description

一种气封式连铸结晶器装置

技术领域

本发明属于钢铁生产设备技术领域，具体涉及一种连铸板坯生产设备，更具体地，涉及一种气封式连铸结晶器装置。

背景技术

连铸机薄板坯结晶器上部区域为漏斗型，下部区域铜板内腔工作表面为平直面，当锥度过高时，该区域的凝固壳会受到来自于窄面铜板宽度方向上的挤压应力，凝固壳将向钢液内部的方向发生凹下变形，铜壁与凝固壳之间的气隙增大，凝固壳在下移过程中其厚度减小；凝固壳脱离结晶器以后，受到的钢水静压力大于凝固收缩力，凝固壳将出现鼓肚变形现象，凝固壳在结晶器内先凹下、出结晶器后又凸起的变形现象容易引起表面中心纵裂纹的产生。

连铸机薄板坯结晶器上部区域为漏斗型，下部区域铜板内腔工作表面为平直面，当锥度过高时，在漏斗区中部的凝固壳将向铜壁方向变形，坯壳与铜壁的接触更加紧密，热像图上的因锥度过低引起的中心“冷齿”现象（即局部低温区）能够得到消除，表面中心纵裂不易发生，但是在漏斗区和边部平面区交界的区域附近，锥度过高时凝固壳在该位置会受到挤压应力而出现局部凹下现象。在结晶器高度方向上，漏斗区和边部平面区交界区域附近的凝固壳在下移过程中，也会发生结晶器内先凹下、出结晶器后又凸起的变形行为，造成宽度方向1/4位置附近表面纵裂纹的发生。

另外，锥度过高时，窄面坯壳与结晶器窄面铜壁之间的接触压力将会增大，铸坯窄面与结晶器壁间的摩擦力增大，在拉坯方向上，这种摩擦力对坯壳产生纵向拉伸和热撕裂的破坏作用，这会导致坯壳窄面横裂纹的产生，此外，锥度过高时铜板下部的磨损速度将会迅速加快，尤其是在铜板下部的边角部位置，这降低了铜板的使用寿命。

结晶器的冷却配合连铸机工艺及拉速的匹配也较为关键，尤其结晶器内部冷却效果不良，导致产品出现质量缺陷。

随着新品种的不断研发，产品用途越来越广，产品也逐步走向高端，客户对产品质量要求也随之更加严格。目前所生产的大部钢种均含有 Nb、V、Cu、Cr、Ti、Mn 等合金元素，裂纹敏感性强，主要表现为边角部横向裂纹和表面纵向裂纹，在轧制表现为热轧卷板的边裂、烂边缺陷以及纵裂缺陷，控制难度极大，一直是薄板连铸的一技术瓶颈。且边裂、烂边对于后道工序的生产也造成一定的影响，尤其是酸轧遇到边裂、烂边容易造成断边、切月牙导致切损量上升。因此，为提高钢种质量，迫切需要提高结晶器性能。

发明内容

本发明提供了一种气封式连铸结晶器装置，目的在于改进现有结晶器结构，以提高钢种质量。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种气封式连铸结晶器装置，所述结晶器包括两个宽面结晶器和两个窄面结晶器，两宽面结晶器位于结晶器前后两侧，两窄面结晶器位于结晶器左右两侧，两个宽面结晶器和两个窄面结晶器内腔形成钢水浇铸腔，所述两宽面结晶器结构相同，两窄面结晶器结构相同；

所述窄面结晶器的内侧面为钢水接触面，钢水接触面由上向下分别形成初始面、中间面和末端面，初始面和末端面的横断面呈弧形，窄面结晶器靠近顶部及底部处厚度逐渐变小，初始面、末端面与中间面连接处平滑过渡；

所述窄面结晶器内部设有弧形冷却槽，弧形冷却槽靠近钢水接触面设置，且弧形冷却槽的投影曲线与钢水接触面投影曲线相同；弧形冷却槽下端连接冷却水进口、上端连接冷却水出口；

所述钢水接触面相邻的两面为侧面，窄面结晶器的两个侧面上开设有长条状的出气缝，窄面结晶器的内部设有气体腔，所述气体腔与出气缝连通；窄面结晶器的外侧面上还设有与气体腔连通的进气口。

进一步地，所述出气缝与窄面结晶器侧面之间的夹角为30-60°，出气缝前端朝向窄面结晶器内侧面一端。

进一步地，所述初始面和末端面相对于窄面结晶器的中心对称设置。

进一步地，所述中间面的长度大于1/2窄面结晶器的长度。

进一步地，所述窄面结晶器的上下两端设有固定螺栓孔。

进一步地，所述窄面结晶器的顶部和底部为平面。

结合结晶器外形的改变，对结晶器冷却槽内部冷却槽根据外部形状而改变，提高窄侧结晶器与铸坯接触面上的冷却效果能够保证，设计结构为弧形冷却槽满足结晶器冷却的要求。结构设计的原则是确保结晶器局部锥度的变化与钢的凝固收缩量相一致，如此可保证凝固坯壳与铜板之间的渣膜厚度均匀，坯壳受力最小，冷却效果充分保证，切实提高铸坯的质量。

窄侧结晶器的内部分为两个狭长的风道，密封气体从窄侧结晶器的两侧缝隙喷出，喷向前后宽面结晶器，收到宽面结晶器的阻碍，气流吹响铸坯，通过冷却气流的作用具有两个作用，阻止钢水未凝固前进入宽窄结晶器的缝隙中，利用气体的压力迫使钢水无法进入结晶器之间的缝隙当中，同时也对铸坯的边部进行强制冷却，同时也对于颗粒物吹掉。

窄侧结晶器内的气封气体可以优选的使用氩气或氮气，氩气的使用有利于防止钢水增氮，氮气的使用具有较强的冷却作用，气体的选择不限于这两种气体，主要取决于生产工艺及生产钢种的不同选择不同的气体，在气体输入端可提供多种气体作为本发明的气源。

初始面为逐渐收缩的弧形接触面，配合弧形冷却水槽，解决薄板坯漏斗形结晶器内坯壳受力的特性形状，坯壳从弯月面位置开始运行至漏斗区域结束，坯壳一直处于受压缩状态，这导致两个方面的问题，一是窄侧边角部位坯壳与窄侧铜板之间的保护渣渣膜厚度减小，润滑传热条件恶化，容易生产粗大的奥氏体晶粒，且角部极其容易过冷，在二冷前段角部温度进入600℃~900℃的第一脆性区，受力则产生横向裂纹；二是坯壳靠近边角部受到拉应力，改变为弧形接触面降低受力的风险。

末端面采用弧形收缩尺寸配合弧形冷却水槽是为了在生产微合金化的钢种对裂纹敏感度，降低结晶器内的摩擦力，在结晶器内，振动的结晶器表面和凝固壳表面之间的摩擦将会造成凝固壳内产生轴向应力。当结晶器相对凝固壳向上运动时，这种摩擦形成了拉应力，反之当结晶器相对凝固壳向下进行负滑脱运动时，就形成压应力。根据坯壳凝固收缩曲线设计窄侧铜板末端面的弧形接触面形状。

中间面设计成不带角度的直线通过模式和直线冷却水槽，是为了钢液在连铸机内完成凝固的过程中，由于不断受到来自于结晶器冷却，在铸坯厚度方向上不可避免地具有一定的温度梯度，由此形成横截面上的环向热应力，在板坯表面表现为拉伸性，在凝固前沿附近则有压缩性，但是当铸坯表面温度由于冷却速率突然降低而出现回升时，这种应力特征有时候也会正好相反。钢液在凝固成型的过程中至少发生着两次相变，一是从液态进入两相区，另一是δ铁素体到γ奥氏体的相变，两次相变都将发生较大的体积收缩，改善引起相变应力产生的影响。

本发明的有益效果在于：

通过改变连铸窄侧结晶器的外观形状和内部冷却水槽的结构，提高结晶器的冷却效果并降低结晶器磨损，保证设备在高可靠度的情况下得到符合工艺要求和性能的铸坯，为后续的工艺生产提供优质的原材料。连铸薄板坯结晶器使用三段优化模式，即液态接触弧形初始面、冷却凝固中间面、固态成型末端面，钢水浇铸到由前后两个宽面结晶器和左右两个窄侧结晶器组成的浇铸腔内，钢水首先接触到弧形初始面，经过结晶器冷却水的作用，钢水与结晶器接触面开始凝固形成坯壳，随着结晶器振动台的不断振动，初步形成坯壳的铸坯向下移动，经过冷却凝固中间面的再一次冷却，提高坯壳的厚度，坯壳厚度向铸坯中间液芯方向增加，同时铸坯受到结晶器的强制挤压下得到满足工艺要求的产品尺寸，为防止铸坯过冷在铸坯边部形成鼓肚、裂纹等缺陷，逐渐降低冷却效果，保证产品外形符合工艺要求。对板坯结晶器冷却结构的弧形优化和设计提高结晶器使用寿命，提高设备利用率，降低生产消耗。

附图说明

图1是气封式连铸结晶器装置在线主视图；

图2是气封式连铸结晶器装置在线俯视图；

图3是气封式连铸结晶器装置在线侧视图；

图4是气封式连铸结晶器装置在线轴侧图；

图5是气封式连铸结晶器装置轴侧图；

图6是气封式连铸结晶器装置主视图；

图7是气封式连铸结晶器装置俯视图；

图8是气封式连铸结晶器装置侧视图；

图9是气封式连铸结晶器装置局部放大示意图；

图10是连铸薄板坯结晶器结构示意图；

图中：

1右窄面结晶器；

101初始面；

102中间面；

103末端面；

104弧形冷却槽；

1041冷却水进口；

1042冷却水出口；

105结晶器气封喷嘴；

1051左狭缝式喷嘴；

10511左气体腔；

10512左气体进气分路；

1052右狭缝式喷嘴；

10521右气体腔；

10522右气体进气分路；

106固定螺栓孔；

107结晶器顶部；

108结晶器底部；

2 左窄面结晶器；

3 前宽面结晶器；

4 后宽面结晶器；

5 钢水浇铸腔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：

参考图1-3气封式连铸结晶器装置在线三视图及图4气封式连铸结晶器装置在线轴侧图所示，前宽面结晶器3和后宽面结晶器4组成薄板坯厚度方向的约束，右窄面结晶器1和左窄面结晶器2保证薄板坯宽度方向的约束，是一个完全对称的结构，最终形成一个钢水浇铸腔5，通过调整这四个活动部件得到所需的连铸板坯，右窄面结晶器1和左窄面结晶器2从外观来看是一个平行于铸坯边部的结晶器，相对于前宽面结晶器3和后宽面结晶器4尺寸较小，铸坯边部的质量主要还是通过右窄面结晶器1和左窄面结晶器2的工艺调整和外形结构及冷却效果来保证。

图5是气封式连铸结晶器装置轴侧图，主要通过右窄面结晶器1的特征表述与左窄面结晶器2相同的功能原理，初始面101处于右窄面结晶器1的最上方，中间面102处于中间位置，初始面101和中间面102具有微小的过渡，防止过渡角度太大产生较大的压应力，末端面103处于结晶器的中间面102的下方，中间面102和末端面103之间同样采用微过渡的结构。

为了更进一步的说明内部结构参考图6-8气封式连铸结晶器装置三视图以及图9气封式连铸结晶器装置局部放大示意图所示，右窄面结晶器1是一个直立的条状外形，主要用来控制铸坯的宽度尺寸的保证，同时也是铸坯边部质量的控制关键设备，右窄面结晶器1是通过两个或两个以上的固定螺栓孔106来固定到所需的驱动机构（本发明省略）上的，固定螺栓孔106平行于铸坯的厚度方向，结晶器顶部107为的顶端，上部空置，初始面101、中间面102、末端面103分别是右窄面结晶器1的钢水和铸坯接触面，也是铸坯边部冷却形成坯壳的重要受力面，弧形冷却槽104是一个与铸坯接触面形状投影曲线相同的内部冷却水导流槽，冷却水从冷却水进口1041输入到右窄面结晶器1的内部，通过弧形冷却槽104的导流从冷却水出口1042流出，形成一个整体的冷却过程，结晶器气封喷嘴105设计于窄侧结晶器的双侧，喷出气体作用于铸坯厚度方向的面，结晶器底部108是右窄面结晶器1的最底端。

参考图4所示，气封气体从冷却水进口1041进入到右窄面结晶器1的内部，冷却水和气体均是分为两路从进口进入，冷却水经过导流槽冷却水出口1042流出，气封气体进入到结晶器内部后分为两路分别供向左气体进气分路10512和右气体进气分路10522,左气体进气分路10512流向左气体腔10511内聚集恒压后通过左狭缝式喷嘴1051喷出，作用到宽窄结晶器狭缝中气体密封。右气体进气分路10522流向右气体腔10521内聚集恒压后通过右狭缝式喷嘴1052喷出，作用到宽窄结晶器狭缝中气体密封。

右窄面结晶器1外形的弧形设计配合弧形冷却槽104，对弧形冷却槽104内部冷却槽根据外部形状而改变，提高窄侧右窄面结晶器1与铸坯接触面初始面101、中间面102、末端面103上的冷却效果能够保证，设计结构为弧形冷却槽满足结晶器冷却的要求。结构设计的原则是确保结晶器局部锥度的变化与钢的凝固收缩量相一致，如此可保证凝固坯壳与铜板之间的渣膜厚度均匀，坯壳受力最小，冷却效果充分保证，切实提高铸坯的质量。

初始面101为逐渐收缩的弧形接触面，配合弧形冷却槽104，解决薄板坯漏斗形结晶器内坯壳受力的特性形状，坯壳从弯月面位置开始运行至漏斗区域结束，坯壳一直处于受压缩状态，这导致两个方面的问题，一是窄侧结晶器边角部位坯壳与结晶器之间的保护渣渣膜厚度减小，润滑传热条件恶化，容易生产粗大的奥氏体晶粒，且角部极其容易过冷，在二冷前段角部温度进入600℃~900℃的第一脆性区，受力则产生横向裂纹；二是坯壳靠近边角部受到拉应力，改变为初始面弧形接触面降低受力的风险。

末端面103采用弧形收缩尺寸配合弧形冷却水槽是为了在生产微合金化的钢种对裂纹敏感度，降低结晶器内的摩擦力，在结晶器内，振动的结晶器表面和凝固壳表面之间的摩擦将会造成凝固壳内产生轴向应力。当结晶器相对凝固壳向上运动时，这种摩擦形成了拉应力，反之当结晶器相对凝固壳向下进行负滑脱运动时，就形成压应力。根据坯壳凝固收缩曲线设计窄侧铜板末端面的弧形接触面形状。

中间面102设计成不带角度的直线通过模式和直线冷却水槽，是为了解决钢液在连铸机内完成凝固的过程中，由于不断受到来自于结晶器冷却，在铸坯厚度方向上不可避免地具有一定的温度梯度，由此形成横截面上的环向热应力，在板坯表面表现为拉伸性，在凝固前沿附近则有压缩性，当铸坯表面温度由于冷却速率突然降低而出现回升时，这种应力特征有时候也会正好相反。

Claims (6)

1.一种气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述结晶器包括两个宽面结晶器和两个窄面结晶器，两宽面结晶器位于结晶器前后两侧，两窄面结晶器位于结晶器左右两侧，两个宽面结晶器和两个窄面结晶器内腔形成钢水浇铸腔，所述两宽面结晶器结构相同，两窄面结晶器结构相同；

所述窄面结晶器的内侧面为钢水接触面，钢水接触面由上向下分别形成初始面、中间面和末端面，初始面和末端面的横断面呈弧形，窄面结晶器靠近顶部及底部处厚度逐渐变小，初始面、末端面与中间面连接处平滑过渡；

所述窄面结晶器内部设有弧形冷却槽，弧形冷却槽靠近钢水接触面设置，且弧形冷却槽的投影曲线与钢水接触面投影曲线相同；弧形冷却槽下端连接冷却水进口、上端连接冷却水出口；

所述钢水接触面相邻的两面为侧面，窄面结晶器的两个侧面上开设有长条状的出气缝，窄面结晶器的内部设有气体腔，所述气体腔与出气缝连通；窄面结晶器的外侧面上还设有与气体腔连通的进气口。

2.根据权利要求1所述的气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述出气缝与窄面结晶器侧面之间的夹角为30-60°，出气缝前端朝向窄面结晶器内侧面一端。

3.根据权利要求1所述的气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述初始面和末端面相对于窄面结晶器的中心对称设置。

4.根据权利要求3所述的气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述中间面的长度大于1/2窄面结晶器的长度。

5.根据权利要求1所述的气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述窄面结晶器的上下两端设有固定螺栓孔。

6.根据权利要求1所述的气封式连铸结晶器装置，其特征在于，所述窄面结晶器的顶部和底部为平面。

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