CN201922005U

CN201922005U - 金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器

Info

Publication number: CN201922005U
Application number: CN2010201841711U
Authority: CN
Inventors: 雷作胜; 金小礼; 邓康; 任忠鸣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-05-06

Abstract

本实用新型为一种改善结晶器振动过程中金属初始凝固区域传热的连铸结晶器，属金属连铸设备领域。主要由结晶器铜板(4)、与结晶器铜板(4)相连接的冷却水套(8)、结晶器振动装置(6)组成，冷却水套(8)的腔室一侧为结晶器铜板(4)的水冷侧面，冷却水套(8)有冷却水出口(3)和冷却水入口(5)，结晶器铜板(4)的水冷侧具有横向刻槽，横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域，横向刻槽沿结晶器铜板(4)水冷侧均匀平行分布。通过对与初生坯壳接触的结晶器铜板冷面进行刻槽，可减小负滑脱期传热，加快正滑脱期的传热，从而均匀整个过程中的传热，提高铸坯质量，特别是减轻表面振痕。

Description

金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器

技术领域

本实用新型涉及一种改善结晶器振动过程中金属初始凝固区域传热的连铸结晶器，属金属连铸设备领域。

背景技术

采用结晶器振动技术，有助于铸坯的脱模，极大地提高了劳动生产率，因此结晶器振动技术得到广泛使用，已成为连铸生产的标准操作。

结晶器振动有助于脱模的关键在于，振动过程中存在负滑脱期。在负滑脱期，结晶器振动速度超过了拉坯速度，导致结晶器相对于铸坯向下运动，促进铸坯脱模。随着科学技术的进步，人们对材料的性能和要求越来越高，结晶器振动对铸坯质量的影响也得到了广泛的关注。铸坯缺陷如表面振痕，表面裂纹，内部裂纹等对铸坯质量的影响极大，而这些缺陷源于初始凝固，因此初始凝固对铸坯质量有极为重要影响。

冶金研究者对弯月面处初始凝固区域的传热，流动，凝固等进行了大量研究，提出了一些振痕形成机理。

Brimacombe小组通过研究，提出了结晶器变形与坯壳机械作用机理。认为由于弯月面附近区域热流较大，导致此处结晶器受热膨胀变形，在弯月面上部产生一倒锥度。在结晶器向下振动的负滑脱期间，结晶器壁将初生坯壳向里向下推动，使初生坯壳变形。在结晶器向上振动的正滑脱期间，若凝固坯壳强度较低，在钢液静压力的作用下，坯壳被回推向结晶器壁，形成凹陷状的振痕；当初生坯壳强度较高时，钢液静压力不足以推回初生坯壳，钢液就溢过初始坯壳，形成带钩状的振痕。通过数学模型计算以及实验，结晶器在弯月面处产生的倒锥度变形已经得到证实。但是，在一些采用极难变形结晶器(比如强度较大的结晶器铜板，铜板背面采用加强筋等)的连铸时，仍然会产生较深的振痕，这是这一机理不能解释的。

近来有研究者提出结晶器振动过程中，弯月面处初始凝固点温度波动是振痕形成的一个重要原因。认为结晶器振动过程中，在负滑脱期，与保护渣接触的结晶器铜板相对铸坯向下运动，其温度较低，加剧了对初始凝固区域的冷却；在正滑脱期，与铸坯接触的结晶器铜板相对铸坯向上运动，温度较高，对初始凝固区域的冷却减弱。因此在结晶器振动过程中弯月面初始凝固区域受到周期性冷却，导致振痕的形成，较好的解释了皱褶型振痕和溢流型振痕的形成。

可见结晶器振动过程中，弯月面初始凝固区域的传热是不均匀的，周期性的冷却产生了不均匀的坯壳厚度和热应力，使铸坯出现表面和内部缺陷。为了均匀初始凝固区域传热，改善铸坯表面质量，研究者们提出了多种措施，如改变结晶器振动方式，改变结晶器材质和结构，选用不同性能的保护渣，或者施加电磁场等。由于这些工艺或技术的采用，增加了工艺操作或设备加工的难度，使得工艺要求提高。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的缺陷，提供一种金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，主要由结晶器铜板、与结晶器铜板相连接的冷却水套、结晶器振动装置组成，冷却水套的腔室一侧为结晶器铜板的水冷侧面，冷却水套有冷却水出口和冷却水入口。结晶器铜板的水冷侧具有横向刻槽，横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域，横向刻槽沿结晶器铜板水冷侧均匀平行分布，相邻横向刻槽的间距为结晶器在振动一个周期内负滑脱期相对于铸坯发生的位移SN，相邻横向刻槽中心线间距为结晶器在振动一个周期内的铸坯相对于结晶器发生的位移ST，横向刻槽的宽度为结晶器在振动一个周期内的正滑脱期相对于铸坯发生的位移SC，SC可通过SC＝ST-SN计算求得。本实用新型的技术方案通过改变初始凝固区域结晶器铜板水冷面结构，使铸坯初始凝固区域在结晶器振动过程中负滑脱期传热减弱，正滑脱期传热加快，从而得到生长相对均匀的铸坯。

为达到上述目的，本实用新型采用在结晶器铜板水冷面进行横向刻槽的槽宽与结晶器在振动一个周期内的正滑脱期相对于铸坯发生的位移值相等，槽形状视结晶器振动方式，可采用方形、半园形，三角形和梯形等。根据结晶器振动频率f、振动幅度A和拉坯速度V_cast设计弯月面处初始凝固区域结晶器铜板水冷面的刻槽位置、刻槽宽度和深度。可根据结晶器振动方式不同选用不同形状的刻槽，使在正滑脱期时，与初始凝固区域接触的铜板进行刻槽，传热加快；负滑脱期与初始凝固区域接触的铜板厚度保持不变。这样在整个结晶器振动周期，初始凝固区域的传热变得均匀些，有利于得到较好的铸坯表面质量。

根据结晶器振动频率f和振动幅度A，若以向下为正方向，则在一个振动周期内：

结晶器振动过程的位移曲线为：S＝Asin(2πft) (1)

则结晶器振动速度为：V_mold＝2πfAcos(2πft) (2)

式中，t为时间变量。

若拉坯速度为V_cast，则结晶器振动过程中，铸坯相对于结晶器发生的位移为：

S_cast＝V_castt-S＝V_castt-Asin(2πft) (3)

当V_mold-V_cast＝0时，结晶器速度与铸坯速度相同，则2πfAcos(2πft)-V_cast＝0 (4)解该方程求得负滑脱期起始时间t₁和结束时间t₂，分别算出在t₁和t₂结晶器相对于铸坯的位移S_cast1和S_cast2，两位移之差即为负滑脱期结晶器相对于铸坯向下运动的距离S_N：

S_N＝S_cast2-S_cast1 (5)

一个周期内，铸坯相对于结晶器发生的位移为：

负滑脱期内铸坯相对于结晶器发生的位移为-ΔS，因此在一个振动周期内：

铸坯正滑脱期发生的位移为：S_P＝S_T+ΔS (7)

因为在负滑脱期，由于结晶器向下运动加剧了初始凝固区域的冷却，因此保持在负滑脱期时结晶器铜板厚度以降低其传热速率；在正滑脱期，由于结晶器相对铸坯向上运动，下部铜板区域温度较高，传热速率降低，，减小铜板厚度以加快传热速率。可通过对结晶器铜板水冷面横向刻槽来均匀振动过程中初始凝固区域的传热，刻槽宽度S_C取一个周期内，铸坯相对结晶器发生的位移S_T与负滑脱期结晶器发生的位移S_N之差，

即：S_c＝S_T-S_N (8)

槽的形状可视结晶器振动方式选用方形、半圆形、三角形和梯形等，刻槽位置和各部分尺寸将在实施方式中详述。

本实用新型的优点是：通过对正滑脱期初生坯壳与结晶器接触的铜板水冷侧进行横向刻槽，从而均匀振动过程中的传热，用来控制连铸过程的初始凝固，改善铸坯表面质量，特别是减轻甚至消除振痕。

附图说明

图1为带有本实用新型连铸结晶器的连铸生产示意图。

图2为本实用新型连铸结晶器的结构示意图。

图3为本实用新型连铸结晶器的铜板水冷侧横向刻槽部分结构放大图。

图4为本实用新型连铸结晶器的四种不同断面形状的结晶器铜板水冷侧横向刻槽。

具体实施方式

实施例一：图2、图3为对应本实用新型的实施例一，本实施例中的金属初始凝固区域均匀传热连铸结晶器，主要由结晶器铜板4、与结晶器铜板4相连接的冷却水套8、结晶器振动装置6组成，所述冷却水套8的腔室一侧为结晶器铜板4的水冷侧面，所述冷却水套8有冷却水出口3和冷却水入口5，其特征在于：所述结晶器铜板4的水冷侧具有横向刻槽，所述横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域，所述横向刻槽沿结晶器铜板4水冷侧均匀平行分布，相邻横向刻槽的间距为结晶器在振动一个周期内负滑脱期相对于铸坯发生的位移S_N，相邻横向刻槽中心线间距为结晶器在振动一个周期内的铸坯相对于结晶器发生的位移S_T，所述横向刻槽的宽度为结晶器在振动一个周期内的正滑脱期相对于铸坯发生的位移S_C，S_C可计算求得，即：

S_C＝S_T-S_N

本实用新型的连铸结晶器铜板的水冷侧横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域为结晶器顶部开始向下0～500mm范围。

参见附图1，其中1为中间包，2为水口，7为引锭杆。中间包1中的钢水通过浸入式水口流入本实用新型的结晶器中，凝固成一定强度和厚度的铸坯后，开动振动装置，铸坯通过引锭杆拉出。

实施例二：作为优化的技术方案，本实用新型连铸结晶器的横向刻槽的深度为结晶器铜板4厚度的一半；横向刻槽宽度为0～20mm，所述横向刻槽深度为0～20mm。可以更加有效地提高本实用新型连铸结晶器的均匀传热效果，并使结晶器保持了一定的强度，保证热应力冲击和机械振动对结晶器铜板4产生的变形处于合理范围。

下面以结晶器振动频率f＝1HZ，振幅A＝±10mm，拉坯速度V_cast＝1.44m/min，结晶器铜板厚度20mm为例说明结晶器铜板水冷侧横向刻槽结构。

根据给出的参数：将其代入式(4)，求解该方程可得t₁＝0.1876s，t₂＝0.8124s。分析可知，一个周期内，结晶器开始振动就进入负滑脱期，在t₁＝0.1876s时负滑脱结束；t₂＝0.8124s时再次进入负滑脱期，直到该周期结束。为了分析的方便，将相位角差

则得到连续的负滑脱期，

时开始进入负滑脱，此时铸坯相对结晶器发生的位移为

时，负滑脱期结束，相对铸坯发生的位移为

。由式(5)算得结晶器在负滑脱期发生的位移S_N＝-9.4mm。正滑脱期发生的位移可由式(7)算得S_p＝33.4mm。由(8)式可得，刻槽宽度S_c＝14.6mm，刻槽深度d为结晶器铜板厚度一半d＝10mm。如图4，在本实施例的该连铸结晶器中，刻槽断面形状为方形，可视结晶器振动方式采用方形，半圆形，三角形，梯形等刻槽。

在这过程中结晶器处于周期性振动，振动开始后，结晶器进入负滑脱期，此时与保护渣相接触的结晶器部分向下运动，其温度相对较低，与初生坯壳接触后会加快冷却，保持结晶器铜板厚度有助于减慢传热速率；当负滑脱期结束，进入正滑脱期，原先与铸坯接触的结晶器区域向上运动，与初生坯壳接触，其温度相对较高，相对负滑脱期冷却速率降低，由于结晶器铜板水冷面刻槽，铜板厚度减小，从而加快了传热速率。因此在整个振动周期，传热保持相对均匀，使得铸坯凝固较为均匀，从而提高铸坯质量。

Claims

1.一种金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，主要由结晶器铜板(4)、与结晶器铜板(4)相连接的冷却水套(8)、结晶器振动装置(6)组成，所述冷却水套(8)的腔室一侧为结晶器铜板(4)的水冷侧面，所述冷却水套(8)有冷却水出口(3)和冷却水入口(5)，其特征在于：所述结晶器铜板(4)的水冷侧具有横向刻槽，所述横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域，所述横向刻槽沿结晶器铜板(4)水冷侧均匀平行分布。

2.如权利要求1所述的金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，其特征在于所述横向刻槽所在位置主要对应金属初始凝固区域为结晶器顶部开始向下0～500mm范围。

3.如权利要求2所述的金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，其特征在于所述横向刻槽的深度为结晶器铜板(4)厚度的一半。

4.如权利要求1、2或3所述的金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，其特征在于所述横向刻槽宽度为0～20mm，所述横向刻槽深度为0～20mm。

5.如权利要求1、2或3所述的金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，其特征在于所述横向刻槽的断面形状为方形、半圆形、三角形或梯形。

6.如权利要求4所述的金属初始凝固区域均匀传热的连铸结晶器，其特征在于所述横向刻槽的断面形状为方形、半圆形、三角形或梯形。