CN2304490Y - 一种用于连铸钢及有色金属坯料的结晶器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于钢及有色金属连铸方坯、矩形坯、板坯及圆坯结晶器,其型腔(3)的浇入端(1)与出口端(2)形状不同,型腔中上部有一与坯形相同的过渡面(8),过滤面(8)以上型腔由角弧面(11)、基本曲面(9)通过连接弧面(12)连接形成压缩变形区;过渡面(8)以下型腔角部凸出,角弧面11、基本曲面(9)通过连接曲面(13)连接形成收缩容让区。型腔在液面波动区采用直筒或小锥度段,以减小振痕;波动区以下为抛物线型。该结晶器对温度、成分及拉速度变化较为适应。

Description

一种用于连铸钢及有色金属坯料的结晶器

本实用新型涉及一种用于钢的方坯连铸、板坯连铸、多边形坯及圆形坯连铸的结晶器，亦可用于铜、铝及其他有色金属的连续铸锭，该结晶器具有一个两端开口、断面形状不同的型腔。

从连铸技术进行工业化生产以来，采用了各种型式的结晶器。目前普遍采用的是筒单直锥筒形中空结晶器，其锥度按经验选定，计算公式为： $T=\frac{B_1-B_0}{B_1\×L}\×100=0.7~1.0\%/m$

式中T为锥度，B₁为入口宽度，B₀为出口宽度，L为结晶器管腔长度，单位为米。该公式适用于长度为0.7～0.8m的结晶器。这种结晶器由于锥度计算不能完整反映钢及有色金属在结晶器内凝固及温降过程中的收缩实质，因此在实际运用中，为避免锥度过大，导致凝固面两侧对结晶器相邻两侧壁的过大压力，从而形成过大的拉坯阻力，引起拉漏，因此通常实用的结晶器锥度往往比金属实际收缩值略小。这样在凝固过程中，随坯壳增厚和表面温度降低，面部收缩先将坯壳角部拉离结晶器角部型腔形成角部气隙，进一步冷却将使面部离开结晶器冷却面，铸坯周围形成环形气隙，使传热条件恶化，金属的凝固系数急剧下降。对用于钢坯连铸的结晶器，综合凝固系数只有 $18~20\mathrm{mm}/\sqrt{\min }$ 。 同时造成凝固层厚度不均匀，在离开角部10～20mm处坯壳最薄。当拉坯阻力过大时，该处往往是漏钢的危险点。在弧形连铸中由于重力的作用。结晶器出口处铸坯靠向外弧，由于设备安装位置偏差及运行条件的变化，如辊子倾斜移位、振动不平衡、铸坯跑偏等原因，使得铸坯靠近结晶器一角，由于结晶器两个交接面的夹持，引起摩擦阻力在该处急剧增加，严重时会造成角部拉漏。这也是引起铸坯菱变、近角部凹槽等的原因。

为防止坯壳角部过早离开结晶器，形成角部气隙，加大结晶器上部的收缩量，将单锥度的结晶器改为多锥度的结晶器，最后发展成抛物线形锥度的结晶器。这种改进可在一定程序上提高结晶器的综合凝固系数，从而有限度地提高拉坯速度。但是不同钢种、不同成份的有色金属其收缩率是不同的，很难模拟出适应不同钢种的抛物面。其次，要在单面进出口差仅0.4～0.6mm，长度0.7～1.0m的范围内加工出要求精度较高的抛物面，难度较大；同时，加工铜管时的误差也很难保证抛物面的准确性。

瑞士CONCAST股份公司于1991年开发出型腔在浇入端和坯料出口端具有不同形状的结晶器(中国专利号92100838.4)。这种铸型的上部型腔有一凸起，凸起部为弧形，其入口端最大内部宽度比出口端大5～15％；下部长度为结晶器的长度～50％一段，为常规直锥形收缩。

1996年5月奥地利VAI公司开发了被称为DIAMOLD的高速结晶器，其面部采用较大的锥度，在距入口300～400mm以下降低锥度并在两角间通过面部中心形成一凹弧面，它的纵剖面为抛物线。

1996年意大利达涅利公司在达涅利新闻上公布“自适应”结晶器方法。主要特点是减薄结晶器器壁，提高结晶器冷却水压，利用水压使器壁向内发生变形，使其紧贴坯面，达到消除气隙，提高传热效率，增大综合凝固系数的效果。

发明人认为：这些改进型的结晶，虽然在一定程度上能改善铸坯的质量和提高铸坯的拉速，但由于对钢及有色金属在整个凝固过程中的凝固收缩实质分析不够充分，因而有各自的局限性，在浇铸过程中易导致铸坯凝壳厚度不均，产生较大的凝固应力，增大产生裂纹和拉漏的可能性或对拉速变化的适应性差，引起过大的拉坯阻力。

本实用新型的目的是提供一种用于钢及有色金属连铸的方坯、矩形坯、多边形坯、板坯及圆形坯结晶器，它能较好地反映钢及有色金属在凝固和温降过程中的凝固收缩实质，进一步提高结晶器的综合凝固系数和拉速；同时能适应不同钢种及金属成分的变化，并有效地减小拉漏的可能性。

本实用新型的目的是这样实现的：这种用于钢及有色金属连铸的方坯、矩形坯、多边形坯、板坯及圆坯结晶器，它是一个从浇入端至出口端的中空型腔，沿着型腔的周边具有数个曲面，在型腔的中上部有一过渡面。其结构要点是：在方坯、矩形坯、多边形坯、板坯结晶器中，沿着型腔的周边间隔分布4个或4个以上的基本曲面，型腔的每一角部还具有一固定半径的角弧面，在过渡面以上部分，每一角弧面与其相邻两边的基本曲面通过连接弧面相连接，形成一个压缩变形区，在过渡面以下部分，角弧面与基本曲面通过与角弧面相切的连接曲面连接形成收缩容让区，相对于容让区而向内凹进的基本曲面成为铸坯导向台。对于所述的园坯结晶器，沿着型腔的周边间隔分布3-8个园弧基本曲面，在过渡面以上部分，相邻的园弧基本曲面通过与其相切的连接曲面相连接，形成压缩变形区，连接曲面从上至下逐渐减小，至过渡面时减至为零，过渡面为一个园环面，各园弧基本曲面的横切轮廓线的园弧半径等于过渡面的园半径；从过渡面开始，向下在相对于上部每一个园弧基本曲面的中间位置开一个缺口，形成凸出的收缩容让区，园弧基本曲面向内收缩形成向内凸出的导向台。

型腔纵切面轮廓线从浇入端到液面以下50-100mm处平面的区间为竖直线或小锥度斜线，即这一段采用竖直筒形或只具有拔模斜度的小锥度筒形，以下的型腔纵切面轮廓线为抛物线，上下不同锥面间的连接平滑过渡；过渡面至出口端的长度占型腔从液面到出口端的有效长度的55-75％，过渡面形状与铸坯形状相同。

在方坯、矩形坯、多边形坯和板坯结晶器中，基本曲面、连接弧面及连接曲面可以是单方向曲面，也可以是双方向曲面，其中基本曲面也可以是平面。基本曲面、连接弧面的横切轮廓线为直线或弧线；连接弧面的横切轮廓线的长度从上至下逐渐缩小，至过渡面时为零，其弧半径约为坯厚的0～2.0倍；过渡面以下的连接曲面的横切轮廓线为角弧面的切线。

在园坯结晶器中，过渡面与出口坯壳园弧面形成同心圆，过渡面以上的连接曲面的横切轮廓线为其相邻两个园弧基本曲面的公切线，所开的缺口从过渡面开始随园弧基本曲面向内的收缩而逐渐加宽，至型腔出口端处缺口宽度约为10～40mm。

由于本实用新型在方坯、矩形坯、多边形坯、板坯结晶器中是通过对型腔的上部进行角部变形处理，缩短对角线长度形成压缩变形区，对过渡面以下即型腔的下部则使角部突出形成收缩容让区；对园坯结晶器型腔的上部园周进行分割处理并用切线相连形成压缩变形区，对过渡面以下的型腔下部开缺口进行分割处理形式突出的收缩容让区，因此结晶器型腔的形状沿着整个长度变化，这种变化符合铸坯收缩凝固的规律，因为在压缩变化区，坯壳相对薄弱，通过对坯壳面部的压缩和弯曲，使坯壳紧贴型腔壁面和角部，避免裂纹的早期发生，提高了传热效果，防止了角部气隙的生成，又由于双向传热，角部坯壳将比面部要厚一些，因无角部气隙存在，近角部的结壳薄弱部分可望消除。另外，从入口到液面以下50～100mm处为液面波动区，由于采用竖直筒形或只具有拔摸斜度的小锥度筒形，能减小振痕。在过渡面以下的收缩容让区，角部突出形成角部气隙，其作用在于：减缓角部冷却强度，消除上部快速冷却导致的厚度不均及所产生的凝固应力，同时使面部与角部结壳层厚度趋于均匀；角部气隙还是不同收缩率的金属的收缩容让空间。当金属成分不同、金属液相温度不同，冷却水参数——温度、压力、流量发生波动时，以及其他条件影响，导致出口处坯壳表面温度发生波动，结晶器内坯壳收缩量亦会相应变化，因此出口处坯壳周长将在一定范围内变化。这部分变化利用此空间于以容纳。出口处坯壳四角大约有0.1～0.3mm的突起。这点突起对下部工序的加工，如轧制及锻造是可以接受的；此角部空隙的形成，使结晶器面部成为铸坯导向滑轨，对铸坯进行导向防止铸坯偏移，起到消除型腔两侧角部对坯面的挤压作用，从而减少拉坯阻力，提高铸坯拉速，并能消除结晶器内发生的菱形变形。

正是因为铸坯在通过结晶器型腔的过程中，由于型腔形状符合铸坯凝固收缩的规律，坯壳始终与型腔壁紧贴，从而增大了传热面积，提高了综合凝固系数和拉速。而且过渡面以下角部凸出而形成的收缩容让区，能容让不同收缩率金属收缩量的变化，所以能适应不同拉速和不同成分金属的浇铸。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为方坯、矩形坯、多边形坯及板坯结晶器型腔俯视图；

图2为图1所示结晶器型腔一个面的纵向剖视图，该图的左视图为型腔中心纵剖面图。

图3为园坯结晶器型腔俯视图。

图1和图2所示出的一种用于钢及有色金属连铸的方坯、矩形坯、多边形坯及板坯结晶器，该结晶器是一个包括浇入端1和出口端2的中空型腔3，该型腔3的浇入端1具有一种断面形状，其坯料出口端2具有另一种形状。长度4示出从液面6到出口端2的结晶器有效长度，部分长度5占结晶器有效长度4的55～75％，最好取中、上限值，部分长度5起点处的型腔断面为过渡面8。图1清楚地示出，在该结晶器中，沿着型腔3周边间隔分布4个或4个以上的基本曲面9，在型腔3的每一角部还具有一固定半径的角弧面11，在过渡面8以上部分，角弧面11与其相邻两边的基本曲面9通过连接弧面12相连接，形成压缩变形区。在压缩变化区，连接弧面12的弧长从上至下逐渐缩小，至过渡面8时为零，其弧半径约为坯厚的0～2.0倍；基本曲面9与连接弧面12的连接点的相贯线16以及角弧面11与连接弧面12的连接点的相贯线15从上到下是移动的；角弧园心线14最好为垂直线，亦可用斜线或抛物线。在过渡面8以下部分，角弧园心不再内移，角弧园心线14为竖直线；基本曲面9与角弧面11通过与角弧面11相切的连接曲面13连接形成一角部凸出的收缩容让区，相对容让区而向内凹进的基本曲面9即成为铸坯导向台。在收缩容让区，基本曲面9的宽度不变，基本曲面9与连接曲面13的连接点的相贯线17是一条竖直线，连接曲面13的横切轮廓线为角弧面11的切线。

在该结晶器型腔3中，基本曲面9、连接弧面12及连接曲面13可以是单方向曲面，也可以是双方向曲面，基本曲面9还可以是平面；基本曲面9、连接弧面12的横切轮廓线为直线或弧线；过渡面8是一个与铸坯形状相同的正多边形，如四边形、六边形和八边形，相应的该多边形角弧面的园心角为90°、120°和135°；在过渡面8以上，角弧面11的园心角从上至下逐渐增大，至过渡面8时，该园心角等于坯型的顶角，过渡面8以下园心角继续增大。

为减小振痕，从浇入端1到液面6以下50～100mm处平面7的区间，即入口端曲面10这一段采用竖直筒形或只具有拔摸斜度的小锥度筒形；从平面7至过渡面8为压缩变形段，其周长的收缩率略低于在浇铸条件下坯壳的自然收缩率，在坯壳内形成弹性压缩应力，避免裂纹早期发生；过渡面8以下至出口端2占型腔3有效长度4的55～75％为收缩容让段，该段的角部凸出，利用该凸出部分所形成的角部气隙作为铸坯成分、温度、凝壳厚度变化时所产生的不同收缩量的容让区，同时可减轻角部双向传热引起让局部结壳厚度不均的效果。

从图2的左视图可以看出，在入口端曲面10这一段型腔3纵切面轮廓线为竖直线或小锥度斜线；平面7以下部分型腔3纵切面轮廊线为抛物线。上段直锥面与下段抛物面的连接作平滑过渡。

图3所示的园坯结晶器中，过渡面08与出口端02坯壳园弧形成同心园。在过渡面08以上部分，沿着型腔03周边间隔分布3～8个园弧基本曲面09，相邻的园弧基本曲面09通过与其相切的连接曲面012连接，形成压缩变形区。连接曲面012从上至下逐渐减小，至过渡面08时减至为零，过渡面08形成一个完整的园环面；各园弧基本曲面09的横切轮廓线的园弧半径等于过渡面08的园半径；连接曲面012的横切轮廓线为其相邻园弧基本曲面09的公切线。从过渡面08开始，相对于上部每一园弧基本曲面09的中间位置各开一个缺口011，形成凸出的收缩容让区，该缺口011从过渡面08随园弧基本曲面09向内的收缩而逐渐加宽，至型腔03出口端处缺口011宽度约10～40mm。园弧基本曲面09向内收缩形成向内凸出的铸坯导向台；缺口011弧的半径约为出口端02园弧半径的5～15％。

园坯结晶器在纵向的变化与方坯、矩形坯、多边形坯及板坯结晶器在纵向的变化相同，即园坯结晶器型腔03的纵剖面形状与图2示出的方坯、矩形坯、多边形坯及板坯结晶器型腔3的纵剖面形状相似。

在此还要说明坯壳的降温收缩表现为周长的线收缩。其收缩量只与液面和出口周长、坯壳表面温度及凝壳厚度等有关，是一个与结晶器长度无关的参数，其收缩率可以用下式表达。

εx=(S_x-S_x-1)×100/Sx

或总收缩率

ε∑=S_L×100/S_O

式中：ε：收缩率，％

S_x：设定截面周长

Sx-1：设定截面下相邻截面周长

S_L：液面周长

S_o：出口坯面周长

结晶器型腔周长应与该截面坯壳周长相适应。

以上是按直结晶器进行描述，如果用于弧形结晶器时，将型腔中心线按弧形连铸机参数，以出口中心处为起点弯曲成相应的圆弧形，型腔通过圆弧中心的断面尺寸相同于直结晶器中心相应高度断面的尺寸。

本实用新型的型腔(3、03)形状能较好地反映钢及有色金属在凝固和温降过程中的凝固收缩实质。新建连铸机结晶器有效长度可达1000mm，比旧有连铸结晶器600mm增长67％，由于传热面积的扩大，综合凝固系数有可能提高30-40％，在几乎相同的通过时间下，拉速有可能比传统长700mm的结晶器提高100-120％。本实用新型的结晶器适于总长1100mm以下的各种长度结晶器，不同长度结晶器型腔的液面与出口端大小相同，与结晶器长度无关，所以能适应不同拉速的连铸机及适应不同种类金属的浇铸。

Claims (8)

1、一种用于钢及有色金属连铸的方坯、矩形坯、多边形坯、板坯及园坯结晶器，它是一个从浇入端(1、01)至出口端(2、02)的中空型腔(3、03)，沿着型腔(3、03)周边具有数个曲面，在型腔(3、03)的中上部有一过渡面(8、08)，其结构特征在于：在所述方坯、矩形坯、多边形坯、板坯结晶器，沿着型腔(3)周边间隔分布4个或4个以上的基本曲面(9)，型腔(3)的每一角部还具有一固定半径的角弧面(11)，在过渡面(8)以上部分，每一角弧面(11)与其相邻两边的基本曲面(9)通过连接弧面(12)相连接，形成一个压缩变形区，在过渡面(8)以下部分，角弧面(11)与基本曲面(9)通过与角弧面(11)相切的连接曲面(13)连接形成收缩容让区，相对于容让区而向内凹进的基本曲面(9)成为铸坯导向台；对于所述的园坯结晶器，沿着型腔(03)的周边间隔分布3-8个园弧基本曲面(09)，在过渡面(08)以上部分，相邻的园弧基本曲面(09)通过与其相切的连接曲面(012)相连接，形成压缩变形区，连接曲面(012)从上至下逐渐减小，至过渡面(08)时减至为零，过渡面(08)为一个园环面，各园弧基本曲面(09)的横切轮廓线的园弧半径等于过渡面(08)的园半径，从过渡面(08)开始，向下在相对于上部每一个园弧基本曲面(09)的中间位置开一个缺口(011)，形成凸出的收缩容让区，园弧基本曲面(09)向内收缩形成向内凸出的导向台。

2、根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：所述型腔(3、03)纵切面轮廓线从浇入端(1、01)到液面(6、06)以下50～100mm处平面(7、07)的区间为竖直线或小锥度斜线，平面(7、07)至坯料出口端的纵切面轮廓线为抛物线或直线。

3、根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：所述过渡面(8、08)至坯料出口端(2、02)的局部长度(5)占型腔(3、03)从液面至坯料出口端有效长度(4)的55～75％，该局部长度(5)最好取中、上限值。

4、根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：在所述方坯、矩形坯、多边形坯和板坯结晶器中，基本曲面(9)、连接弧面(12)及连接曲面(13)可以是单方向曲面，也可以是双方向曲面，基本曲面(9)还可以是平面；基本曲面(9)、连接弧面(12)的横切轮廓线为直线或弧线；连接弧面(12)的横切轮廓线的长度从上至下逐渐缩小，至过渡面(8)时为零，其弧半径约为坯厚的0～2.0倍；过渡面(8)以下的连接曲面(13)的横切轮廓线为角弧面(11)的切线。

5、根据权利要求1、4所述的结晶器，其特征在于：在所述方坯、矩形坯、多边形坯和板坯结晶器中，基本曲面(9)与连接弧面(12)的连接点的相贯线(16)、以及角弧面(11)与连接弧面(12)的连接点相贯线(15)从上到下是移动的；在过渡面(8)以上，角弧面(11)的园心角从上到下逐渐增大，至过渡面(8)时，该园心角等于坯型的顶角，过渡面(8)以下园心角继续增大；角弧园心线(14)在过渡面(8)以上最好为垂直线，亦可用斜线或抛物线，过渡面(8)以下角弧园心线(14)为竖直线，基本曲面(9)与连接曲面(13)连接点的相贯线(17)亦为竖直线。

6、根据权利要求1、3所述的结晶器，其特征在于：在方坯、矩形坯、多边形坯、板坯结晶器中，所述的过渡面(8)是一个与铸坯形状相同的正多边形，如四边形、六边形和八边形，相应的该多边形角弧面(11)的园心角为90°、120°和135°；对所述园坯结晶器，其过渡面(08)与坯料出口端(02)处坯壳园弧面形成同心园。

7、根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：在所述园坯结晶器中，过渡面(08)以上的连接曲面(012)的横切轮廓线为其相邻两个园弧基本曲面(09)的公切线；所述缺口(011)从过渡面(08)开始随园弧基本曲面(09)向内的收缩而逐渐加宽，至型腔(03)出口端(02)处缺口(011)宽度约10～40mm。

8、根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于：所述结晶器型腔(3、03)的长度与液面和坯料出口端的大小无关，不同长度结晶器型腔的液面与出口端周长相同。

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