CN201543784U - 低应力变异双锥圆坯连铸结晶器 - Google Patents

Abstract

低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，该结晶器具有一个从金属熔体浇入端到铸坯出口端的中空圆管型腔，型腔的纵向切面内壁为上大下小的变异双锥度曲线；型腔的横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区。本实用新型连铸结晶器可以更好地拟合连铸过程中坯壳的纵向凝固收缩，增强结晶器冷却强度；同时，充分考虑并降低铸坯在结晶器内的凝固应力应变。

Description

低应力变异双锥圆坯连铸结晶器

技术领域

本实用新型涉及一种连铸结晶器，尤其涉及一种低应力变异双锥圆坯连铸结晶器。

背景技术

随着国民经济的发展，无缝管材越来越重要，近几年呈现蓬勃发展的势头，并开始大规模替代国外进口产品。无缝管的传统生产技术是利用方形连铸坯，经过热态轧制成圆形管坯，然后再进行穿管制成管材。而直接采用圆形连铸坯穿管生产，可以节省一道方坯轧圆的工序，节能效果巨大，因而无缝管坯的连铸化技术快速发展起来，国内圆坯连铸机也从2002年不足40流发展到今天至少170流以上，增长400％之多。伴随圆坯连铸技术的发展，迫切需要开发新型圆坯连铸结晶器。

与板坯连铸、小方坯连铸一样，圆坯连铸结晶器的型腔，尤其是型腔的锥度形式对连铸的生产顺行起到至关重要的作用。从国内外各种形式的连铸结晶器看，其型腔的锥度主要有单锥度、双锥度、三锥度或多锥度、抛物线锥度或称连续锥度等形式。针对圆坯连铸结晶器，从现有技术和生产实践看，结晶器型腔的单锥度形式基本不能适应钢液在结晶器内的凝固收缩，容易造成坯壳冷却强度不足，产生漏钢等生产问题，目前单锥度形式对圆坯结晶器而言已基本不使用。而其它锥度形式的圆坯结晶器都有成功应用的生产实例，具体哪一种形式最好，说法不一，各有优缺点。现有技术中，以下几种圆坯结晶器较为典型。

意大利DANIELI公司是老牌的连铸机提供商，其圆坯连铸结晶器绝大多数采用线性双锥度形式，结晶器长度为780mm，从结晶器入口至300mm的地方为上段锥度，一般在1.5～2.5％/m之间，而结晶器从300～780mm段锥度一般在0.6～1.5％/m之间。这种连铸结晶器的型腔锥度，尤其是型腔300mm以下的锥度比较符合钢水的实际收缩，但这种结晶器一旦增长，线性双锥度形式显得很不适应，生产很不稳定，易于产生漏钢或铸坯拉阻力过大的问题，同时，该结晶器生产的铸坯椭圆度往往超差，铸坯表面致密度较差。1996年DANIELI公司也开发一种自适应高效连铸结晶器，其基本特点是减薄结晶器铜壁，采用喷淋及水压调节结晶器壁的变形，使其紧贴坯壳，达到消除气隙，提高传热效率，从而提高连铸连铸的拉速的作用。自适应结晶器结构复杂，装配不便，目前基本不再推广使用。

瑞士CONCAST公司于1991年开发出一种凸边形结晶器(CONVEXtechnology)，其美国专利号5360053，中国专利号92100838.4。该结晶器的技术特点是在结晶器长度方向上分成2段不同的型腔，结晶器上部型腔沿截面周线有四个向外凸起的弧形，弧形凸起从上到下逐步过渡成圆形，构成结晶器下部型腔。该结晶器在德国蒂森公司试用成功后，目前在全世界应用比较广泛，尤其是方坯的用途最广。该结晶器生产的铸坯存在明显的压缩变形效果，铸坯致密度高，但存在拉坯阻力过大以及铸坯凝固应力过高的问题。

1996年澳钢联VAI开发成功DIAMOLD高速连铸结晶器，中国专利号96190354.6，其特点是在结晶器长度上分段，并采用抛物线形锥度，能够较好的拟合坯壳的凝固收缩，在结晶器入口300～400mm以下段采用零锥度或负锥度，以减少拉坯阻力。该结晶器只能应用在方坯上，圆坯应用负锥度易于产生漏钢事故。

中国专利97236875.2也公开了一种类似CONCAST的结晶器，该结晶器有效长度上采用抛物线锥度，并在结晶器纵向上设置过渡压缩变形区，以提高铸坯致密度。该结晶器设计复杂，加工精度难以保证，过渡区对铸坯的压缩变形往往产生铸坯表面裂纹，尤其对钢种繁多的连铸生产，易产生生产问题。

以上专利技术涉及到的圆坯连铸结晶器，都有应用实例，虽然在一定程度上说满足连铸生产的要求，但都存在这样那样的问题，比如，DANIELIE公司的线性双锥度结晶器，一旦需要增长以提高连铸拉速，其生产的稳定性下降，易于产生漏钢或拉坯问题；CONCAST公司的凸边形结晶器有利于防止漏钢，但拉坯过程中拉坯阻力较大，对诸如不锈钢或轴承钢之类的钢种，就会产生拉漏或拉不动的生产难题。对于圆坯连铸结晶器而言，其内部冷却状况远没有想象中那么均匀，铸坯凝固中反而更容易产生椭圆变形，造成铸坯断面应力拉压变化，产生铸坯表面缺陷等问题。以上现有专利技术中往往仅从结晶器纵向锥度层面考虑，而忽略了铸坯横断面的应力释放。

通过大量理论和生产实践研究发现，从连铸过程中坯壳的收缩曲线可以看出，从钢液弯月面0～150mm长度内，坯壳以液态收缩为主，收缩量相对比较小；在150mm～400mm范围内，凝固坯壳形成开始大量收缩，之后收缩量逐步减小并开始呈现锥度线性化。这种坯壳的收缩曲线与传统结晶器的抛物线锥度存在很大不同，即锥度曲线在结晶器长度上呈现分段的特性，而又和传统线性双锥度曲线存在明显不同，即结晶器上段的锥度呈现内凹曲线的特点。现有技术中，有针对这样的曲线划分为三段锥度或多段锥度的形式，但发明人充分考虑现代连铸技术，比如结晶器电磁搅拌技术的影响后发现，结晶器锥度在长度方向上划分两段更具技术优势，即采用变异双锥度的形式，从结晶器弯月面至以下200～300mm范围内采用内凹多项式锥度曲线，而非传统的线性锥度或抛物线锥度，并在结晶器的下段长度上仍采用线性锥度形式。生产实践表明，采用变异后的双锥度曲线，能最大程度地拟合钢液的凝固收缩，减少气隙热阻，对提高结晶器冷却强度以及防止漏钢、提高拉速等有良好作用。

以上现有技术中均未充分考虑弧形连铸机本身的技术特点，由于圆坯结晶器内部仍存在水冷不均的问题，铸坯的不规则应力应变时常发生，从而造成铸坯横截面不圆度超差，甚至出现应力裂纹等缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，为克服上述现有技术中的不足，更好地拟合连铸过程中坯壳的纵向凝固收缩，增强结晶器冷却强度；同时，充分考虑并降低铸坯在结晶器内的凝固应力应变。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是，

一种低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，它是一个从金属熔体浇入端到铸坯出口端的中空圆管型腔，型腔的某一纵向切面内壁为上大下小的变异双锥度曲线；型腔的某一横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区。

所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其型腔内壁变异双锥曲线，是在结晶器长度方向上划分为2段，结晶器上口至其长度40％～60％的位置为上段，锥度形式为一象限3次多项式曲线；结晶器长度的其余部分为下段，锥度仍采用传统结晶器的单一线性锥度形式。

所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其型腔内壁变异双锥曲线为上段和下段锥度圆滑过渡连接而成。

所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其型腔变异双锥曲线的上段锥度为3次多项式曲线，表示方程为y＝ax³+bx²+cx+d，x代表结晶器长度尺寸，y代表结晶器径向尺寸。

所述的3次多项式曲线方程的常系数a在5e^-08至7e^-08之间；b在-3e-05至-5e^-05之间；c在千分之0.5至2.5之间；d由包含收缩率的铸坯的尺寸。

所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其型腔变异双锥曲线的下段锥度仍采用传统结晶器的单一线性锥度值，即在0.5～2％/m之间。

所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其型腔的某一横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区，可根据铸坯尺寸大小和铸机弧形半径圆周均布设置3～12个，优选数目为4～8个。

所述的应力释放区由结晶器横截面上向内鼓出的圆弧构成，该圆弧径向鼓出高度为结晶器径向尺寸的0～3％之间；该圆弧周向长度为结晶器截面周长度的0.5～4％之间。

所述的应力释放区，其鼓出圆弧与结晶器横截面壁面光滑过渡连接。

所述的应力释放区，在结晶器横截面上均布设置在结晶器上口至总长度40～60％的位置，其鼓出圆弧的径向高度从上至下逐渐减小，直至变异双锥曲线的下段锥度起点，以保证获得精确的铸坯表面形状。

所述应力释放区在整个结晶器长度上采用略微上大下小的单一线性锥度或零锥度曲线，进一步降低拉坯阻力以提高拉速。

附图说明

图1为本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器型腔俯视图；

图2为本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器型腔纵向剖面图；

图3为本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器的应力释放区锥度曲线；

图4为本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器另一实施例型腔俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

参见图1、图2，本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，它包括一个金属熔体浇入端1和铸坯出口端2的中空圆管型腔3。结晶器纵切壁4的内壁为一变异双锥曲线5，并由分割面6在结晶器长度方向上分成上下两段51和52。

变异双锥曲线5是这样形成的，通过对传统双锥度结晶器的上段锥度7进行变异设计，改变成具有内凹特点的曲线51，且使变异后的锥度曲线51在整个结晶器长度上占40～60％的比例；而结晶器下段锥度52仍保留线性锥度形式。变异双锥曲线5形成的圆坯结晶器型腔3能够最大程度的拟合钢液在弯月面以下200～300mm的凝固收缩，对减小气隙热阻，增强结晶器冷却强度有显著效果。

在结晶器制造加工过程中，所述的变异锥度曲线5的上段51和下段52，在结晶器分割面6处保持光滑过渡连接。

所述变异锥度曲线5的上段曲线51，由一象限3次多项式曲线方程y＝ax³+bx²+cx+d确定，x代表结晶器长度尺寸，y代表结晶器径向尺寸。所述3次多项式曲线方程的常系数a在5e^-08至7e^-08之间；b在-3e^-05至-5e^-05之间；c在千分之0.5至2.5之间；d由包含收缩率的铸坯的尺寸来确定，其现有常规技术，不再赘述。

连铸实际生产中，圆坯结晶器内部仍存在水冷不均的问题，铸坯凝固中时常发生不规则的应力应变，从而可能造成铸坯不圆度超差，甚至出现表面应力裂纹等缺陷。发明人在大量理论和生产实践研究的基础上，发现在圆坯连铸结晶器型腔的横断面上设置应力释放区，对解决以上问题有良好作用。结合本实用新型一种低应力变异双锥圆坯连铸结晶器的俯视图，如图3和图4所示，进一步说明本实用新型的实施方式。

所述的结晶器由钢液浇入端1、铸坯出口端2和结晶器纵壁4包围形成结晶器圆管型腔3。从结晶器上口开始，型腔3内圆周均布设置3～12个应力释放区8，优选的数据为4～6个，本实施例图1和图4所示的应力释放区数量分别为4个和6个。

所述的应力释放区8为结晶器纵壁4上向内鼓出的圆弧构成，该圆弧径向鼓出高度为结晶器径向尺寸的0～3％之间，优选的数据为0.5～1.5％；该圆弧周向长度为结晶器截面周长度的0.5～4％，优选的数据为0.5～1.5％之间。

所述的应力释放区8与结晶器型腔内壁4之间圆弧光滑过渡连接。

所述的应力释放区8，仅在结晶器上口至总长度40～60％的位置，其鼓出圆弧的径向高度从上至下逐渐减小，直至变异双锥曲线的下段锥度起点，以保证获得精确的铸坯表面形状和尺寸。

所述应力释放区8采取与结晶器纵壁4完全不同的锥度形式，即在整个结晶器长度上采用如图4所示的略微上大下小的单一线性锥度或零锥度曲线9，以进一步降低拉坯阻力来提高拉速。

通过理论研究和生产实践表明，本实用新型低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，能充分拟合连铸过程中坯壳的凝固收缩，有效的克服了由于不良的坯壳收缩造成的气隙热阻，对提高坯壳冷却强度和连铸拉速有明显效益；同时，本实用新型改善了圆坯结晶器铸坯凝固中的应力应变作用，对消除铸坯不圆度变形和表面裂纹有良好作用。因而，本实用新型有着较高的应用和推广价值。

Claims (10)

1.低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，该结晶器具有一个从金属熔体浇入端到铸坯出口端的中空圆管型腔，型腔的纵向切面内壁为上大下小的变异双锥度曲线；型腔的横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区。

2.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔内壁变异双锥曲线，在结晶器长度方向上划分为2段，结晶器上端口至其长度40％～60％的位置为上段，锥度形式为一象限3次多项式曲线；结晶器长度的其余部分为下段，锥度仍采用传统结晶器的单一线性锥度形式。

3.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔内壁变异双锥曲线为上段和下段锥度圆滑过渡连接而成。

4.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔变异双锥曲线的上段锥度为3次多项式曲线，表示方程为y＝ax³+bx²+cx+d，其中，x代表结晶器长度尺寸，y代表结晶器径向尺寸，常系数a在5e^-08至7e^-08之间；b在-3e^-05至-5e^-05之间；c在千分之0.5至2.5之间；d由包含收缩率的铸坯的尺寸。

5.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔变异双锥曲线的下段锥度采用传统结晶器的单一线性锥度值，即在0.5～2％/m之间。

6.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔的横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区沿圆周均布设置3～12个。

7.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔的横截面上分布若干个坯壳凝固的应力释放区沿圆周均布优选设置4～8个。

8.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔应力释放区由结晶器横截面上向内鼓出的圆弧构成，该圆弧径向鼓出高度为结晶器型腔内径的径向尺寸的0～3％之间，圆弧周向长度为结晶器截面周长度的0.5～4％之间。

9.如权利要求1或8所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔应力释放区鼓出的圆弧与结晶器横截面壁面光滑过渡连接。

10.如权利要求1所述的低应力变异双锥圆坯连铸结晶器，其特征是，所述的型腔应力释放区在结晶器横截面上均布设置在结晶器上端口至总长度40～60％的位置，其鼓出圆弧的径向高度从上至下逐渐减小，直至变异双锥曲线的下段锥度起点。

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