CN116117087B - 一种结晶器、连铸装置及测定固液界面位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有色金属加工领域，尤其涉及一种结晶器、连铸装置及测定固液界面位置的方法。本发明的使坯料在结晶器内腔中沿拉出方向的横截面大小逐渐增大，根据坯料形成的横截面大小与该横截面大小所处位置至结晶器出口端面的距离之间的对应关系，判断固液界面在结晶器内腔的位置。由于结晶器的内腔横截大小沿坯料拉出方向逐渐增大，坯料在拉出的过程中熔体逐渐凝固，因而在不同位置凝固的凸起的横截面大小不同，可以直观判断熔体凝固时所处的位置，进而获得可靠精确的固液界面的位置，从而解决固液界面位置无法测定的难题；也有利于进一步优化工艺参数，保证连铸质量和工艺稳定性。

Description

一种结晶器、连铸装置及测定固液界面位置的方法

技术领域

本发明涉及一种结晶器、连铸装置及测定固液界面位置的方法，属于有色金属加工领域。

背景技术

连铸技术是生产金属杆坯的常用工艺，区别于模铸法，连铸过程中，金属熔体通过结晶器，在结晶器中迅速凝固结晶，通过牵引装置将结晶器内凝固的杆坯拉出，是一种高效连续的生产工艺。以热型水平连铸技术为例，该技术将连续铸造和定向凝固结合，采用加热结晶器铸型代替传统冷却铸型，金属熔体通过结晶器时温度仍在熔点之上，固液界面位于结晶器末端，使得晶粒在结晶器出口处形核，并且能够建立沿连铸方向较大的温度梯度，从而获得连续单向凝固的单晶或柱状晶，其伸长率远高于普通冷型连续铸造多晶组织的合金铸杆，且铸坯中缺陷问题减少，可获得表面质量光滑的铸坯，铸杆的塑性加工性能大幅提高。

如图1所示，热型水平连铸过程中，结晶器1内固液界面M1位置，即固液界面M1距离结晶器出口端面M2的距离L是影响工艺稳定性和连铸杆坯质量的关键：固液界面M1位置距离结晶器出口过远，坯料2在结晶器1内凝固结壳，易在表层形成多晶组织，同时坯料2与结晶器1摩擦力增加，导致表面粗糙，甚至拉断；固液界面M1位置距离结晶器1出口过近，在熔体3自重作用下，结晶器出口处易出现拉漏现象。

因此，如何有效追踪固液界面位置是水平连铸过程中工艺控制的关键。由于凝固过程和固液界面均在结晶器内部，难以直接确定位置。传统追踪固液界面位置的方法主要是数值模拟法。数值模拟法是指综合材料、工艺等参数，利用软件来模拟预测固液界面位置，但模拟准确性难以验证，无法确定模拟结果的可靠性。

因而，亟需提供一种有效的方法以确定水平连铸过程中的固液界面位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结晶器，用于测定固液界面位置。本发明的目的还在于提供一种连铸装置，用于测定固液界面位置的实现。本发明的目的还在于提供一种测定固液界面位置的方法，用于有效测定水平连铸过程中的固液界面位置，以解决现有技术中模拟准确性难以验证、无法确定模拟结果可靠性的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的测定固液界面位置的方法采用如下技术方案：

结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大，以使坯料在结晶器内腔中沿拉出方向的横截面大小逐渐增大，根据坯料形成的横截面大小与该横截面大小所处位置至结晶器出口端面的距离之间的对应关系，判断固液界面在结晶器内腔的位置。

上述技术方案的有益效果在于：本发明提供的测定固液界面位置的方法在坯料拉出结晶器内腔的过程中熔体逐渐凝固，使坯料沿拉出方向的横截面大小逐渐增大，因而在不同位置凝固的凸起的横截面大小不同，从而可直观判断熔体凝固时所处的位置，进而可依据凸起横截面大小所处位置至结晶器出口端面的距离之间的关系获得可靠而精确的固液界面的位置，从而解决固液界面位置无法测定的难题；也有利于进一步优化工艺参数，保证连铸质量和工艺稳定性。

进一步地，所述横截面大小呈阶梯形逐渐增大。

上述技术方案的有益效果在于：有助于坯料在拉出过程中凝固形成凸起从而为判断固液界面位置提供依据，也有利于坯料在形成凸起后拉出结晶器。

进一步地，所述阶梯至少有三级。

上述技术方案的有益效果在于：形成的凸起的级数随着阶梯层级的增多而增加，能够更精准的判断固液界面位置。

为实现上述目的，本发明所提供的结晶器采用如下技术方案：

所述结晶器内腔的横截面形状不变，且结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大。

上述技术方案的有益效果在于：在结晶器内腔的横截面形状不变的情况下，结晶器内腔横截面大小沿着坯料拉出方向逐渐增大，坯料在拉出的过程中熔体逐渐凝固，便于在不同位置凝固形成不同横截面大小的凸起，从而依据凸起位置判断固液界面位置。

进一步地，所述结晶器内腔沿轴向呈阶梯状或喇叭状逐渐增大，所述阶梯至少有三级。

上述技术方案的有益效果在于：阶梯状或喇叭状的内腔沿坯料拉出方向设置，容易在坯料表面上形成横截面逐渐增大的凸起，为判断固液界面位置提供依据，也有利于坯料在形成凸起后拉出结晶器。

进一步地，所述结晶器的内腔截面形状为圆形或多边形。

上述技术方案的有益效果在于：圆形或多边形的结晶器内腔有利于结晶器的加工制造，也有助于坯料形成凸起后横截面大小的的测量。

进一步地，所述结晶器的外廓等径。

上述技术方案的有益效果在于：等径的结晶器外廓使得结晶器形状不随内腔横截面形状的变化而变化，便于结晶器的通用化设计和规模化生产。

为实现上述目的，本发明所提供的连铸装置采用如下技术方案：

连铸装置，包括结晶器，所述结晶器内腔的横截面形状不变，且结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大。

上述技术方案的有益效果在于：在结晶器内腔的横截面形状不变的情况下，结晶器内腔横截面大小沿着坯料拉出方向逐渐增大，坯料在拉出的过程中熔体逐渐凝固，便于在不同位置凝固形成不同横截面大小的凸起，从而依据凸起位置判断固液界面位置。

进一步地，所述结晶器内腔沿轴向呈阶梯状或喇叭状逐渐增大，所述阶梯至少有三级。

上述技术方案的有益效果在于：阶梯状或喇叭状的内腔沿坯料拉出方向设置，容易在坯料表面上形成横截面逐渐增大的凸起，为判断固液界面位置提供依据，也有利于坯料在形成凸起后拉出结晶器。

进一步地，所述结晶器的内腔截面形状为圆形或多边形。

上述技术方案的有益效果在于：圆形或多边形的结晶器内腔有利于结晶器的加工制造，也有助于坯料形成凸起后横截面大小的的测量。

进一步地，所述结晶器的外廓等径。

上述技术方案的有益效果在于：等径的结晶器外廓使得结晶器形状不随内腔横截面形状的变化而变化，便于结晶器的通用化设计和规模化生产。

附图说明

图1为热型水平连铸示意图；

图2为本发明结晶器实施例1的轴向剖视图；

图3为本发明结晶器实施例2的轴向剖视图。

图中：1、结晶器；2、坯料；3、熔体；41、入口段；42、变径段；42A、第一变径段；42B、第二变径段；43、出口段；M1、固液界面；M2、结晶器出口端面；L、固液界面与结晶器出口端面的距离。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。

本发明结晶器的实施例1：

如图2所示，结晶器1的内腔包括沿坯料拉出方向依次相连的入口段41、变径段42、出口段43，其中，变径段42包括横截面积或直径依次增大的N段阶梯状内腔，其中N为不小于2的整数，相邻阶梯状内腔段之间为均匀的高差。具体地，本实施例中的的结晶器1的内腔横截面为圆形，变径段42包括与入口段41依次相连的第一变径段42A、第二变径段42B，其中第二变径段42B的横截面或直径大于第一变径段42A。沿坯料拉出方向，由于结晶器的内腔沿坯料拉出方向设置为阶梯状逐渐增大，易于结晶器内腔的加工成型，也便于坯料的成型后拉出结晶器，同时也容易在坯料表面上形成横截面积或直径不同的凸起，方便对凸起横截面积或直径的测量，以便精准的判断熔体凝固时所处的位置。相对应地，结晶器1的外径在各内腔段相应位置保持一致，即结晶器1的外廓形状不随内腔形状的变化而变化，便于结晶器的通用化设计和规模化生产。

本发明结晶器的实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，结晶器1的变径段42设置为横截面积或直径依次增大的阶梯状。本实施例中，沿坯料拉出方向，变径段42的横截面积或直径依次增大，该段结晶器1的内腔表面为线性平面形式，可视作阶梯状高差无限缩小而形成平滑的直线；沿坯料拉出方向来看，其呈现上小下大的喇叭形状，出口段的横截面积或直径大于入口段的横截面积或直径。由于结晶器的内腔表面沿坯料拉出方向呈平滑的直线，在方便结晶器内腔加工的同时，也易于坯料的成型，同时有助于在坯料表面上形成更紧凑的横截面积或直径不同的凸起，方便对凸起横截面积或直径的测量，以能够更精确的判断熔体凝固时所处的位置。

本发明结晶器的实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，结晶器的内腔横截面为圆形。本实施例中，结晶器的内腔横截面为方形。在其他实施例中，结晶器的内腔横截面可以为其他易于加工制造并方便形成坯料凸起的形状，如六边形等。

本发明结晶器的实施例4：

本实施例与实施例2的区别在于，实施例2中，结晶器的内腔横截面为圆形。本实施例中，结晶器的内腔横截面为方形。

本发明结晶器的实施例5：

本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，结晶器的外廓形状保持不变。本实施例中，结晶器的外廓形状随内腔形状变化而变化。

本发明连铸装置的实施例：

本实施例中，连铸装置包括上述的结晶器的实施例中所描述的结晶器。

本实施例提供的连铸装置，其包括上述结晶器实施例4至7中的结晶器，具有与上述结晶器一致的有益效果，不再赘述。

本发明测定固液界面位置的方法的实施例：

如图1~2所示，在连铸过程中，熔体3进入结晶器1后通过入口段41进入变径段42，并最终通过出口段43拉出成型的坯料。由于坯料在结晶器1的内腔沿拉出方向的直径逐渐增大，即沿坯料拉出方向在结晶器1内腔设置的阶梯状变径段段42，在熔体凝固成型拉出形成坯料2的过程中，在经过不同的直径段时会在坯料表面形成与结晶器1内腔的直径相同的凸起，通过测量坯料表面最外侧的凸起的直径，判断结晶器1的内腔的直径在对应直径下所处位置至结晶器出口端面M2的距离，此距离即为固液界面与结晶器出口端面的距离L，即获得与固液界面M1在结晶器1内腔的位置。进一步，可以通过提前建立结晶器内腔直径与该直径所处位置至结晶器出口端面M2的距离关系表，在获得凸起的直径尺寸信息后通过查表即可快速获得固液界面M1的位置。

本实施例中，若熔体3在进入入口段41后开始凝固，坯料2在拉出后其表面不会产生凸起痕迹，此时的固液界面M1位于入口段41内的某处位置；若熔体3在进入第一变径段42A开始凝固，坯料2在拉出后其表面则会形成与第一变径段42A直径相同的凸起，此时的固液界面M1位于第一变径段42A；若熔体3在进入第二变径段42B开始凝固，坯料2在拉出后其表面则会形成与第一变径段42A和第二变径段42B的直径相同的阶梯状凸起痕迹，此时表明固液界面M1位于第二变径段42B；若熔体3在进入出口段43开始凝固，坯料2在拉出后其表面会形成与第一变径段42A、第二变径段42B、出口段43的直径相同的阶梯状凸起痕迹，此时表明固液界面M1位于出口段43。

本发明测定固液界面位置的方法的实施例2：

如图1和图3所示，由于结晶器1具有沿坯料拉出方向逐渐增大的内腔，内腔整体呈喇叭状。由于坯料在结晶器1的内腔中沿拉出方向的直径逐渐增大，因而根据坯料表面形成的凸起的直径（结晶器1内腔的直径）在对应直径下所处位置至结晶器出口端面M2的距离，判断固液界面M1在结晶器1内腔的位置。具体地，若熔体3在进入入口段41后开始凝固，坯料2在拉出后其表面不会产生凸起痕迹，此时的固液界面M1位于入口段41内的某处位置；若熔体3进入变径段42开始凝固，则会形成连续的且表面平滑的凸起，通过测量该凸起直径，进而通过查询凸起直径在对应直径下所处位置至结晶器出口端面M2的距离关系表即可获得出固液界面M1精确的位置；若熔体3在进入出口段43开始凝固，坯料2在拉出后其表面会形成与变径段42A、出口段43的直径相同的凸起，此时表明固液界面M1位于出口段43。由于结晶器的变径段的直径是逐渐增大的，则在熔体凝固成型拉出形成坯料的过程中，形成的连续且表面平滑的凸起痕迹，进而容易获得更为精确的固液界面位置。

本发明测定固液界面位置的方法的实施例3：

本实实施例与实施例1的区别在于，实施例1中，结晶器内腔的横截面为圆形，通过测量坯料拉出后在坯料表面最外侧凸起的直径，进而通过查询凸起直径在对应直径下所处位置至结晶器出口端面M2的距离关系即可获得固液界面的位置。本实施例中，结晶器的内腔为方形，此时通过测算坯料拉出后在坯料表面最外侧凸起的横截面积，进而通过查询凸起的横截面积在对应横截面积下所处位置至结晶器出口端面的距离关系获得固液界面的位置。

本发明测定固液界面位置的方法的实施例4：

本实实施例与实施例3的区别在于，实施例3中，通过测算坯料拉出后在坯料表面最外侧凸起的横截面积，进而通过查询凸起的横截面积在对应横截面积下所处位置至结晶器出口端面的距离关系获得固液界面的位置。本实施例中，通过测算坯料拉出后在坯料表面最外侧凸起的外周长，进而通过查询凸起的外周长在对应周长下所处位置至结晶器出口端的距离关系获得固液界面的位置。

本发明测定固液界面位置的方法的其他实施例：

测定固液界面位置的方法的其他实施例中，测定固液界面位置的方法使用上述的结晶器的实施例3至5中所描述的结晶器，不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种测定固液界面位置的方法，其特征在于，结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大，以使坯料在结晶器内腔中沿拉出方向的横截面大小逐渐增大，根据坯料形成的横截面大小与该横截面大小所处位置至结晶器出口端面的距离之间的对应关系，判断固液界面在结晶器内腔的位置，所述横截面大小呈阶梯形或喇叭形逐渐增大，所述阶梯至少有三级。

2.一种结晶器，其特征在于，所述结晶器内腔的横截面形状不变，且结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大，所述结晶器内腔沿轴向呈阶梯状或喇叭状逐渐增大，所述阶梯至少有三级。

3.根据权利要求2所述的结晶器，其特征在于，所述结晶器内腔截面形状为圆形或多边形。

4.根据权利要求2或3所述的结晶器，其特征在于，所述结晶器的外廓等径。

5.一种连铸装置，包括结晶器，其特征在于，所述结晶器内腔的横截面形状不变，且结晶器内腔横截面大小沿坯料拉出方向逐渐增大，所述结晶器内腔沿轴向呈阶梯状或喇叭状逐渐增大，所述阶梯至少有三级。

6.根据权利要求5所述的连铸装置，其特征在于，所述结晶器内腔截面形状为圆形或多边形。

7.根据权利要求5或6所述的连铸装置，其特征在于，所述结晶器的外廓等径。