CN1237120A - 经过改进的用于高速连续浇铸薄的优质扁钢锭的设备的装置 - Google Patents

Abstract

用于连续浇铸扁钢锭的设备的装置,特别是适合于以高速度来浇铸小厚度的扁钢锭,它包括一个铸模(1),该铸模(1)通过一个潜铸口(2)来进行送料并且与一个振动装置(3)连接在一起,该振动装置(3)由一个液压伺服控制机构来驱动,其中下面的几何关系是成立的,该几何关系与铸模及潜铸口的形状以及它们之间的布置有关:(A1/S1)/(A2/S2)=0.9÷1.1并且,最好A1/S1=A2/S2,其中,A1是在弯月形表面的高度位置处的铸模水平截面上,在潜铸口和铸模的较大一侧之间所包围起来的面积,A2是在该截面上其余部分的面积,是位于潜铸口和铸模的较小一侧之间,S1和S2分别是相应于上述两个面积的铸模周边长度的总和。进一步的,至少在弯月形表面的高度位置处的铸模水平截面中,潜铸口和构成铸模侧壁的铜板之间的距离保持为常数。

Description

经过改进的用于高速连续浇铸薄的 优质扁钢锭的设备的装置

本发明涉及一种经过改进的用于高速连续浇铸薄的优质扁钢锭的设备的装置。

所谓“薄的扁钢锭”，其厚度在80mm以下，迄今为止，连续浇铸这种“薄的扁钢锭”会遇到一些质量问题，特别是以高速度进行浇铸时，比如说浇铸速度在4.5m/min以上时尤其如此。

这些质量问题会导致在扁钢锭的表面上出现一些裂缝，扁钢锭的表面就是我们通常所说的外壳，该外壳是在铸模内形成的：--由于把铸型粉料包裹起来而形成纵向的裂纹；--由于缺少润滑以及由所谓“熔渣”形成的隔离膜而形成纵向和横向的裂纹，其中“熔渣”这个术语是指铸型粉料在熔化并重新固化后所得到的产物；--由于热应力而形成的纵向裂纹；以及--由于铜冷却表面是不连续的从而形成纵向的裂纹。

这些质量问题主要影响到特殊的钢材，并且通过降低浇铸速度至少可以部分地解决这些质量问题，不过这样会导致生产率的降低并且由此会使工厂的经济效益下降。另一种可能的解决方案是使用一种叫作“EMBR”(电磁制动尺)的电磁装置，通过降低钢水波动的高度，该种装置能够整平钢水的波动，而这种钢水的波动使得在铸模内的弯月形表面成为波纹形，但是这样一种电磁装置是很昂贵的，并且只能部分地解决上述的问题。而且由于在铸模内的几何条件和流动情况而导致的其它问题可能会使铸口(该铸口浸入在液态金属之下，通常称为“潜铸口”)的寿命缩短，并且还会对工艺效率造成有害的影响。

由此可以清楚地看到，独立地对铸模、潜铸口以及铸模振动装置采取措施不能够令人满意地并且系统地解决上述问题。这三个部分彼此之间紧密地相互联系，形成了一个实际的“铸锭装置”，并且这三个部分对连续浇铸起作用，从而只有把整套装置作为一个整体来采取措施才可能找到一种有效的解决方案。

本发明的目的是提供一种铸造装置，当以高速度来浇铸薄的扁钢锭时，该种铸造装置能够克服上述的不足。

根据本发明提出的经过改进的各铸造部分的总成通常具有如权利要求1所述的特征，同时根据本发明的各特殊方面，各铸造部分的总成还具有在各从属权利要求中所描述的附加特征。

以下将对本发明的一个优先实施例进行详细地描述，该描述是参考附图以非限定性举例的方式来进行的，从这些描述中，根据本发明而提出的铸造装置的这些以及其它的目的、优点和特征将会变得更加明显，在所附的图中：

图1是表示根据本发明而提出的铸造装置的一个侧视简图；图2是表示沿图1中所示的箭头Ⅱ的方向观察所得到的铸模本身的上部及潜铸口的一个视图；图3a、3b、3c是表示沿图2中Ⅲ-Ⅲ线所得到的同一横截面的简图，其中Ⅲ-Ⅲ线是处于弯月形表面的高度位置，这些横截面的简图是为了详细地表示出在几何关系中所考虑的多个部分，根据本发明而提出的铸锭装置中的铸模和潜铸口必须满足该几何关系；图4是表示同一铸模的平面图，在笛卡尔三轴坐标系中简要地表示出了该铸模；图5a和5b是表示图4中所示的铸模的两个简图，其中通过平行于图4中的Y轴和Z轴的一个平面图在纵向截面中表示出了冷却系统管道的外包络面，并且还通过沿图5a中的B-B线所得到的截面图表示出了冷却系统管道的外包络面。

参考各附图，图1是根据本发明的铸造装置的一个简图，其中具有铸模1、浸入液面下的铸口2和振动装置3，在下文中常把浸入液面下的铸口2称为“潜铸口”，而根据本实施例，振动装置3是液压驱动的并且与铸模本体连接固定起来，很明显，这样可以不妨碍铸造流程。图1中也示出了钢水在潜铸口2和沿铜的侧壁形成的外壳之间流过的断面，即形成了两个“通道”4。

至于铸模，相对于传统的铸造装置来说，当浇铸薄的扁钢锭时，所产生的主要问题是熔化的钢水其流动速率是相同的，减小扁钢锭的厚度将会增加在单位时间内与铸模壁相接触的钢锭表面，从而就增加了对润滑“熔渣”的需要，关于“熔渣”在前面已经进行了定义。事实上，T1、W1、V1是一个通常厚度的扁钢锭的厚度、宽度以及平均浇铸速度，而对于一个薄的扁钢锭，相应的参数是T2=T1/a(a＞1)、W2=W1以及V2＞＞V1，钢水的流动速率是相同的，则有：

T2·W2·V2=T1·W1·V1    (Ⅰ)

于是，单位时间内浇铸的薄钢锭的面积是：

2·(T2+W2)·V2，如果相对于其宽度来说，薄钢锭的厚度可以忽略，则2·(T2+W2)·V2大致等于2·W2·V2。用从等式(Ⅰ)中导出的值来代替W2,V2，则有：

2·W2·V2=2·(T1/T2)·W1·V1=a·(2·W1·V1)    (Ⅱ)

由于a＞1，上面的等式(Ⅱ)清楚的表明了形成润滑熔渣来覆盖单位时间内钢锭与铸模之间相接触的表面的重要性，钢锭与铸模之间相接触的表面与钢锭的厚度成反比，钢锭越薄则单位时间内钢锭与铸模之间相接触的表面就越大。相反的，由于厚度很小以及在中间区域由于潜铸口的存在，在铸模内，在弯月形表面区域，熔化钢水与铸型粉料之间的界面只具有较小的面积，上述熔渣正是在这一界面处形成的。

尽管通过使用能够增强熔渣的形成的铸型粉料能够部分地解决这一问题，在已知的构造形式中，还是不得不考虑到潜铸口不能在所有的弯月形表面区域都保持熔化的熔渣和所消耗的熔渣之间的平衡，其中熔化的熔渣是由于铸型粉料熔化而形成的，而熔渣的消耗是由于它渗入到弯月形表面和内壁之间。

根据本发明，薄的铸模能够容纳下一个牢固可靠的潜铸口，也就是说能够容纳下一个足够厚的潜铸口，在上述弯月形表面的高度位置周围，在水平面内，铸模的大铜板其轮廓与同一水平面内潜铸口的外形轮廓精确地匹配，从而使得潜铸口和内壁之间的距离在中央区域中的每一处都保持为常数。参见图3a、3b和3c，选择上述的这一距离的值使得比率A1/S1与A2/S2大致相同，A1/S1是与铸型粉料之间界面的面积和潜铸口周围的扁钢锭的面积的比率，其中与铸型粉料之间界面的面积实际上和熔渣的形成成正比，潜铸口周围的扁钢锭的面积实际上和熔渣的消耗成正比(见图2)，比率A2/S2是在潜铸口区域之外进行计量的(见图3c)。从而要求满足的等式是：

(A1/S1)/(A2/S2)=0.9÷1.1，并且最好=1

例如，对于一个具有300mm宽的潜铸口(如在图3b和图3c中所表示的，具有60mm的可靠的厚度)的1300×65mm的铸模来说，最佳的比率是A1/S1=A2/S2等于30mm。例如，一旦潜铸口的尺寸和较小的一侧的厚度确定之后，这一比率就可用来确定位于弯月形表面的高度位置处的水平面内的铸模轮廓的形状，或者，若已知铸模轮廓的尺寸，这一比率可以用来确定潜铸口的轮廓形状，这样做的目的同样是为了保证沿着整个铸模轮廓的润滑熔渣的量的良好平衡。

这一几何形状对于在弯月形表面区域内熔化钢水的流动也是重要的，这是因为前述“通道”将会足够的大以防止由于从铸模较小的一侧汇聚到中央的液流的加速度而形成的涡流，在弯月形表面区域，这些涡流常常使铸型粉料被包裹起来而导致出现上述的缺陷，其中上述“通道”在图1中用标号4来表示，是由潜铸口和贴着铜质内壁而形成的外壳之间的区域来构成的。

应该注意的是在根据本发明的铸造装置中使用的铸模在其纵向最好是具有变化的弯曲度，这是本申请人的欧洲专利0705152的主题内容，为了更好地安置潜铸口，在该铸模的上部区域具有几乎是无限大的弯曲半径，同时，已经在铸模内部形成的弯曲钢锭有一个出口，该出口设置在一个圆弧形的而不是竖直的铸造引导部分上，这样可以很有利地减小铸造装置的高度并且相应的减小钢水静压力和钢锭隆起的危险。根据前面提到的专利申请，从铸模入口处的无限大的半径到对应于铸造引导部分的弯曲半径Ro，铸模的弯曲度是以一种渐进的和均匀的方式来分布的(图1)，这样就既避免了在固化了的钢锭的外壳上出现过度的应力，也避免了与铸模的铜质内壁接触不完好的可能性。

为了解决所涉及的技术问题，用来冷却铸模板的装置是特别重要的，该冷却装置必须能够承受对于薄的扁钢锭来说是很常见的高的热通量(在整个铸模的冷却表面上其平均值可高达3MW/m²)，在弯月形表面区域，该冷却装置具有增强了的冷却效果以防止铜的开裂，然而，为了防止所成形的钢锭的热应力，铸模周围的冷却效果还是足够均匀的。

参见图4，当考虑浇铸件的表面和铸模之间的额定比热通量(dq_n)时，应有：

dq_n=dq/dA[W/m²]

该热通量也是铜板的热的表面上的局部表面温度的函数，而该局部表面温度又依赖于和冷却管之间的距离，冷却水就在该冷却管中流动。

正如在图3中可以看到的，采用笛卡尔坐标系X、Y、Z，其中Z轴朝向下方或者说朝向铸模的底部，并且还考虑到由满足f(x,y,z)=0的铸模而构成的复杂表面，则局部表面温度按t=t[f(x,y,z)]局部的变化。

因为沿在铸模表面上的一条水平线(其中Z=Z₀)都必须尽可能的使热通量dq_n保持为一常数，即实际上沿这样一条水平线温度t必须被保持为一常数，从而：

t=t[f(x,y,z₀)]=t₀

根据本发明，这一点是通过使热的铜质表面上的每一点与所有冷却管W的端部的理想包络面E(图5a,5b)之间的距离保持为一相同的垂直距离Nd，其中Nd是垂直于热的表面来进行计量的。于是必须有Nd=常数，并且为了使冷却系统满足前面提到的条件，通过实验可以发现，该常数的最佳的值必须是在10到25mm的范围内。

至于潜铸口，除了前面提到的它相对于铸模的尺寸条件外，它必须被设计为使熔化钢水的流动情况达到最优，同时也要考虑到外壳的逐渐形成以及潜铸口其自身的寿命。实际上，已知道，当减小扁钢锭的厚度时，与铸模内液体的运动有关的问题便增加了，这可能会导致在弯月形表面区域形成驻波从而会导致液态熔渣的厚度产生局部减小，如此会对润滑以及正在固化的扁钢锭的外壳的隔离作用产生不利的影响。

用于薄的扁钢锭的潜铸口是本申请人的专利申请PCT/IT-97/00135的主题内容，除了在铸模内具有改进了的液位控制功能，该用于薄的扁钢锭的潜铸口具有一些几何特征从而使得浇铸在出口处具有低的能量而在扁钢锭的液态部分内部具有高的功耗概率，这样借助于潜入部分的侧壁形状的引导，改善了流动情况(从而防止了涡流的形成以及包裹铸型粉料)。进一步的，送料是稳定的，因为氧化物的沉积是可以忽略的，所以液流大致上以两股液流流出并且潜铸口内部的起始表面被保护起来了；并且那些良好的流动条件使得在弯月形表面区域的外部机械侵蚀作用的程度降低了。

根据本发明，除了前面提到的条件，对于铸模-潜铸口装置的最优的设计是使得驻波的高度(峰到峰以mm来计量)与浇铸速度之间的比率不超过5，其平均值是3.3，其中浇铸速度以m/min来计量。

进一步的，对于铸模液位(ML)的采样信号，测量所得的标准偏差用Std DEV(ML)来表示，其值通常在如下的范围内：

Std DEV(ML)=0.7-1.5mm

最后，对于钢锭的表面质量和连续浇铸过程的稳定性来说，铸锭设备中的第三个部件也就是振动装置3也必须作为一个关键因素来考虑。参见图1，振动装置可由一个机架3a来构成，该机架3a铰接在地面上并由一个液压伺服控制机构5来驱动。机架3a也与铸模支承3b铰接在一起，从而形成一种四边形结构，并且在其两端固定有一套弹簧。

控制的柔性是通过可编程逻辑控制来获得的，该种可编程逻辑控制可以改变与波形有关的振动参数，波动的振幅是在±2和±10mm之间，振动程序也同样是如此。控制系统连续地记录浇铸速度的实际值，从而在先前参数的基础上控制振动频率。由于整个动力系统的第一固有频率是16.7Hz，振动频率的最大值高达480～520次往复/分钟。上述柔性就是使得对于每一种质量的钢材来说，能够把最佳的润滑作用和表面质量作为铸造速度的函数，通过调节振动参数来获得。

用另一种方法，振动装置可以是所谓的“共振”型，铸模直接安装在弯簧上，设有位置系统(Without no lever system)，通过一个液压伺服控制机构使之以接近于弹性系统的固有频率的频率振动，设有间隙从而沿着非常精确的路径动作。

在不超出本发明范围的情况下，那些在本技术领域内有经验的人可能会对上述的有图解说明的实施例进行一些添加及/或改动。特别是，只要遵守前述的几何关系，在竖直平面内铸模本身可以具有其它的轮廓而不是在欧洲专利0705152中所描述的轮廓，而且潜铸口也可以与在专利申请PCT/IT-97/00135中所公开和要求保护的潜铸口不同。

Claims (7)

1．一种用于连续浇铸扁钢锭的设备的装置，特别适合于小的厚度和高速度，包括一个用于连续浇铸的铸模(1)，一个具有潜出口或潜铸口(2)的送料出口以及一个由液压伺服控制机构来驱动的振动装置(3)，其中铸模(1)在其较大的一侧是由铜板的侧壁来限定的，其特征在于至少在位于弯月形表面的高度位置处的铸模水平截面的中间区域内，潜铸口(2)和铜板之间的距离保持为常数；并且，面积(A1)与相应于该面积(A1)的铸模外围长度的总和(S1)之间的比率是面积(A2)与相应于该面积(A2)的铸模周边长度的总和(S2)之间的比率的0.9÷1.1倍，其中面积(A1)相应于在弯月形表面高度位置处的铸模水平截面的中间部分，该面积是在铸模的较大一侧与潜铸口(2)之间所包围起来的面积，而面积(A2)是在弯月形表面高度位置处的铸模(1)水平截面的其余部分的面积；进一步的，其中铸模内壁表面上的每一点与各冷却管(W)的所有端部的理想包络面(E)之间的垂直距离(Nd)是常数。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于上述比率A1/S1和A2/S2是基本相等的。

3．如权利要求1或2所述的装置，其特征在于上述的恒定值Nd其范围是10到25mm。

4．如权利要求1或3所述的装置，其特征在于铸模中在弯月形表面上所形成的驻波的高度与铸造速度的比值不会超过5，其平均值是3.3，其中驻波的高度是从峰到峰以mm来计量的，铸造速度是以m/min来计量的。

5．如权利要求4所述的装置，其特征在于对铸模液位的采样信号测量所得的标准偏差其数值范围在0.7到1.5mm之间。

6．如前面权利要求中任一项所述的装置，其特征在于振动装置(3)由四连杆系统(3a,3b,3c)构成，该振动装置(3)具有液压伺服控制机构(5)，该液压伺服控制机构(5)能够在±2和±10mm之间改变振动波动的幅度。

7．如权利要求1-5中任何一项所述的装置，其特征在于振动装置(3)是共振型的，其中铸模(1)没有间隙地直接安装在弯簧上，通过一个液压伺服控制机构以接近于弹性系统的固有频率的频率进行驱动。

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