CN216461641U - 一种铜及铜合金水平连铸结晶器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及金属材料加工技术领域，具体为一种铜及铜合金水平连铸结晶器；包括铜套、结晶器内筒、结晶器壳体；结晶器内筒设置在结晶器壳体内并套装铜套的外侧，铜套两端的外侧均与结晶器壳体密封设置，结晶器内筒的内壁设有螺旋形的分隔筋，分隔筋与铜套外壁之间形成两条以上平行分布并呈螺旋形的冷却水道，分隔筋与铜套外壁过渡配合；在分隔筋上，与水接触的两侧均匀分布有凸型结构；本实用新型的有益技术效果是：通过单一进水和单一出水的独立水道设计，限定了冷却水行进的路线，有利于获得具有轴向均匀组织的的铸坯；通过凸型结构的扰流作用，使得流动由层流转为紊流，大幅提高结晶器的冷却效果。

Description

一种铜及铜合金水平连铸结晶器

技术领域

本实用新型涉及金属材料加工技术领域，具体为一种铜及铜合金水平连铸结晶器。

背景技术

铜管材被用于社会的方方面面，如空调、建筑工程、电子计算机等领域。目前，制备铜管的主要手段有水平连铸法和挤压法。水平连铸法因其具备低成本和高效率的优势在铜及铜合金管材制备过程中被广泛应用。在铜管的水平连铸过程中，金属液在结晶器内由液态转变为固态，结晶器的冷却效果是否优良决定了铸坯质量的好坏。水平连铸生产时，与金属液直接接触的石墨模具通过热装的方式与水冷铜套连接到一起。铜套和结晶器利用压板法兰连接到一起，铜套和结晶器内筒形成一个空间，冷却水在这个空间流动，主要通过热对流和热传导的方式将铜液凝固时产生的热量导出，完成铜管材或棒材的结晶过程。实际使用过程中，结晶器大多采用后部（远离铸造炉方向）上下两根进水，前部（接近铸造炉方向）两根出水的方式，整个过程进水口压力0.5 MPa -0.7MPa。因进水压力较大，冷却水会产生喷射现象，使得在冷却空腔中流动的冷却水发生类似短路的现象，造成冷却水与铜套之间的换热不均匀的现象，进而导致铸坯圆周方向冷却的不均与，造成铸坯的晶粒组织不均匀，生产合金时还容易造成铸坯成分的偏析，造成铸坯质量的不稳定甚至报废。

为了解决上述问题，专利CN203076546U提出了一种水平连铸结晶器，其将结晶器与铜套之间的冷却腔设计为梯形，且呈螺旋状排列。这样冷却水就可以按照固定的水流通道流动，可以在一定程度上防止原有结晶器的水流短路现象，实现铸坯冷却均匀。但是，该结晶器采用两进两回的方式，两个进水之间会发生干扰，造成冷却水流速降低，从而降低了冷却水与铜套之间的换热效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种铜及铜合金水平连铸结晶器，它能够避免水流短路以及冷却水道之间发生干扰的现象，并使得水流运动状态由层流转为紊流，有利于提高冷却水与铜套之间的换热效率。

为实现上述目的，提出以下技术方案：

一种铜及铜合金水平连铸结晶器，包括铜套、结晶器内筒、结晶器壳体；结晶器内筒设置在结晶器壳体内并套装铜套的外侧，铜套两端的外侧均与结晶器壳体密封设置，结晶器内筒的内壁设有螺旋形的分隔筋，分隔筋与铜套外壁之间形成两条以上平行分布并呈螺旋形的冷却水道，分隔筋与铜套外壁过渡配合；在分隔筋上，与水接触的两侧均匀分布有凸型结构；结晶器壳体内部分别设有环绕结晶器内筒的进水通道和出水通道，结晶器壳体外侧分别设有连通进水通道的进水口和连接出水通道的出水口，进水通道和出水通道之间通过冷却水道连通，进水通道和出水通道分别与冷却水道的进水端和出水端连通。

较优的，凸型结构的高度h与冷却水道的宽度d之间的比值为0.1-0.25。

较优的，凸型结构为锯齿形、山字形、梯形中的一个或几种的组合。

较优的，冷却水道的中心线与牵引方向之间的夹角θ为70-87度。

较优的，分隔筋的厚度为1-2mm。

较优的，分隔筋的断面形状为矩形或等腰梯形。

本实用新型工作原理和使用原理为：紊流和层流均为流体的一种流动形态，根据换热原理，紊流的对流换热系数大，层流的换热系数小。冷却水流从结晶器壳体外侧的进水口进入进水通道，进水通道的水在水压下顺着冷却水道在铜套外表面流动，再进入出水通道由出水口排出。通过热传导的方式将铜液凝固时产生的热量导出。本方案中水从由单一的进水口进入，经过两条以上的冷却水道，最后从单一的出水口流出，在此过程中，冷却水道之间不发生干扰和水流短路现象，避免造成冷却水流速降低，进而降低冷却水与铜套之间的换热效率。通过凸型结构的扰流作用，使得水流运动状态由层流转为紊流，提高结晶器的冷却效果，使得整个结晶器的各个断面冷却均匀，有利于降低铸坯的偏析，形成周向组织均匀一致的铸坯。

本实用新型的有益技术效果是：

1、通过单一进水和单一出水的独立水道设计，限定了冷却水行进的路线，防止因水流短路以及冷却水道之间的干涉造成的铸坯冷却不均，有利于获得具有轴向均匀组织的的铸坯。

2、水道内壁与冷却水接触的部位具有凸型结构，水平连铸时，冷却水从进水口进入进水通道后只能沿着设计好的冷却水道流动，通过凸型结构的扰流作用，使得流动由层流转为紊流，大幅提高结晶器的冷却效果。

3、采用本方案的结晶器，进水口的进水流量较现有技术降低10-20%，大幅节约冷却水的使用量。

附图说明

附图1为本实用新型铜及铜合金水平连铸结晶器的一种剖切结构示意图。

附图2 图1中A处的放大图。

图中：1、铜套；2、结晶器内筒；3、结晶器壳体；4、分隔筋；5、凸型结构；6、冷却水道；7、进水通道；8、出水通道；9、进水口；10、出水口；11、上压板；12、下压板；13、密封圈；14、连接腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型一种铜及铜合金水平连铸结晶器进一步说明。

本方案中铜及铜合金主要指无氧铜、紫铜、白铜和黄铜。

如图1、图2所示，一种铜及铜合金水平连铸结晶器，包括铜套1、结晶器内筒2、结晶器壳体3；结晶器内筒2设置在结晶器壳体3内并套装铜套1的外侧，铜套1两端的外侧均与结晶器壳体3密封设置，结晶器内筒2的内壁设有螺旋形的分隔筋4，分隔筋4与铜套1外壁之间形成两条以上平行分布并呈螺旋形的冷却水道6，分隔筋4与铜套1外壁过渡配合；在分隔筋4上，与水接触的两侧均匀分布有凸型结构5；结晶器壳体3内部分别设有环绕结晶器内筒2的进水通道7和出水通道8，结晶器壳体3外侧分别设有连通进水通道7的进水口9和连接出水通道8的出水口10，进水通道7和出水通道8之间通过冷却水道6连通，进水通道7和出水通道8分别与冷却水道6的进水端和出水端连通。

紊流和层流均为流体的一种流动形态。根据换热原理，紊流的对流换热系数大，层流的换热系数小。冷却水流从结晶器壳体3外侧的进水口9进入进水通道7，进水通道7的水在水压下顺着冷却水道6在铜套1外表面流动，再进入出水通道8由出水口10排出。通过热传导的方式将铜液凝固时产生的热量导出。本方案中水从由单一的进水口9进入，经过两条以上的冷却水道6，最后从单一的出水口10流出，在此过程中，冷却水道6之间不发生干扰和水流短路现象，避免造成冷却水流速降低，进而降低冷却水与铜套1之间的换热效率。通过凸型结构5的扰流作用，使得水流运动状态由层流转为紊流，提高结晶器的冷却效果，使得整个结晶器的各个断面冷却均匀，有利于降低铸坯的偏析，形成周向组织均匀一致的铸坯。凸型结构5可以通过机械加工而成也可以通过焊接和胶黏等方式与分隔筋4的侧壁相连接。在本实施例中，分隔筋4与结晶器内筒2、凸型结构5为一体成型结构。

进一步地，如图1所示，还包括用于将结晶器内筒2和铜套1限位在结晶器壳体3上的上压板11和下压板12。上压板11和下压板12的中部分别设有可供铜套1两端穿过并与铜套1两端形状相匹配的通孔。结晶器内筒2从结晶器壳体3的一端伸入并套装在结晶器壳体3内，然后通过下压板12将结晶器内筒2限位在结晶器壳体3上，通过螺栓将下压板12固定在结晶器壳体3上。在下压板12通孔内侧的内端，设有环绕铜套1并连通进水通道7和冷却水道6进水端的连接腔14。连接腔14的底部与铜套1之间设有密封圈13。铜套1从结晶器壳体3的另一端伸入并套装在结晶器内筒2内，然后通过上压板11将铜套1限位在结晶器壳体3上，并通过螺栓将上压板11固定在结晶器壳体3上，同时起到密封作用。通过上压板11、下压板12以及密封圈13的作用，使得冷却水只能在连接腔14、冷却水道6、进水通道7、出水通道8内流动，避免冷却水进入铜套1内圈或从铜套1与结晶器壳体3之间的连接处向外溢出。通过拆卸上压板11和下压板12，也方便对铜套1和结晶器内筒2进行更换维修。

进一步地，，如图2所示，凸型结构5的高度h与冷却水道6的宽度d之间的比值为0.1-0.25。避免凸型结构5的高度过高，对冷却水产生分割效果，影响换热效果。

进一步地，凸型结构5为锯齿形、山字形、梯形中的一个或几种的组合。在本实施例中，如图2所示，凸型结构5均为锯齿形，有利于保证各冷却水道6内的水流速度均匀一致，另外锯齿形设计与冷却水的接触面积大，换热效果更好。

进一步地，如图2所示，冷却水道6的中心线与牵引方向之间的夹角θ为70-87度。在该角度范围内，冷却水所受阻力较小，水流速度相对较快，能够带有更多的热量。当小于70度时，冷却水所受阻力相对较大，水流速度慢。当大于87度时，存在着加工难度大，冷却水道6数量要求高的问题。在本实施例中，θ为83度。

进一步地，分隔筋4的厚度为1-2mm。冷却水在单一流道中运行时其主要在流道边界层中运动，若压力和水流速控制不当，会造成水主要在冷却水道6的边部流动，这样就无法填充整个水道，铜套1部分表面无水通过的现象，造成冷却的不均匀，冷却水道6的设计以及通过限制冷却水道6的尺寸可以强迫冷却水流必须从冷却水道6流动，减少因边界层的存在而造成的水道心部与边部冷却水流速不一致的现象，确保冷却水与铜套1的外壁平面充分接触，实现铸坯的各个断面冷却均匀，有利于形成周向组织均匀一致的铸坯。在本实施例中，分隔筋4的厚度为1mm。

进一步地，分隔筋4的断面形状为矩形或等腰梯形。在本实施例中，分隔筋4的断面形状为矩形。分隔筋4的断面形状有助于螺旋通道与铜套1之间保持过渡配合，保证冷却水与铜套1之间的良好接触和换热，限定了冷却水行进的路线，可以确保冷却水道6的每个通道内冷却水都是满溢状态，防止因水流短路造成的铸坯冷却不均。

进一步地，如图1所示，冷却水道6的数量为2-10个。在本实施例中，冷却水道6的数量为10个。

Claims (8)

1.一种铜及铜合金水平连铸结晶器，包括铜套（1）、结晶器内筒（2）、结晶器壳体（3）；结晶器内筒（2）设置在结晶器壳体（3）内并套装铜套（1）的外侧，铜套（1）两端的外侧均与结晶器壳体（3）密封设置，其特征在于，结晶器内筒（2）的内壁设有螺旋形的分隔筋（4），分隔筋（4）与铜套（1）外壁之间形成两条以上平行分布并呈螺旋形的冷却水道（6），分隔筋（4）与铜套（1）外壁过渡配合；在分隔筋（4）上，与水接触的两侧均匀分布有凸型结构（5）；结晶器壳体（3）内部分别设有环绕结晶器内筒（2）的进水通道（7）和出水通道（8），结晶器壳体（3）外侧分别设有连通进水通道（7）的进水口（9）和连接出水通道（8）的出水口（10），进水通道（7）和出水通道（8）之间通过冷却水道（6）连通，进水通道（7）和出水通道（8）分别与冷却水道（6）的进水端和出水端连通。

2.如权利要求1所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，凸型结构（5）的高度h与冷却水道（6）的宽度d之间的比值为0.1-0.25。

3.如权利要求1或2所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，凸型结构（5）为锯齿形、山字形、梯形中的一个或几种的组合。

4.如权利要求1或2所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，冷却水道（6）的中心线与牵引方向之间的夹角θ为70-87度。

5.如权利要求3所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，冷却水道（6）的中心线与牵引方向之间的夹角θ为70-87度。

6.如权利要求1、2或5所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，分隔筋（4）的厚度为1-2mm。

7.如权利要求3所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，分隔筋（4）的厚度为1-2mm。

8.如权利要求4所述的铜及铜合金水平连铸结晶器，其特征在于，分隔筋（4）的厚度为1-2mm。

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