一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器及設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于方坯連鑄生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器及設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的結(jié)晶器具有四個(gè)上口倒角和四個(gè)下口倒角，沿著結(jié)晶器內(nèi)壁高度方向，從上口倒角至下口倒角，倒角角度按照鑄坯角部熱收縮規(guī)律逐漸增大，上口倒角與下口倒角之間形成的倒角面為漸變弧型面，漸變弧型面邊界的過渡弧長按氣隙生長規(guī)律遞增，上口倒角位于倒角面上的斜邊為直線或弧線，下口倒角位于倒角面上的斜邊也為直線或弧線。本發(fā)明的結(jié)晶器，通過特有的弧型倒角結(jié)構(gòu)有效抑制氣隙，改善方坯角部傳熱，均勻坯殼生長，通過增強(qiáng)倒角區(qū)域水冷結(jié)構(gòu)，顯著提高結(jié)晶器角部冷速，細(xì)化了倒角接觸面晶粒，抑制了邊角缺陷的產(chǎn)生。
【專利說明】一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器及設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于方坯連鑄生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角 結(jié)晶器及設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 進(jìn)入21世紀(jì)10年來，隨著我國交通運(yùn)輸、石油化工、重型機(jī)械和海洋工程等行業(yè) 的技術(shù)進(jìn)步和迅猛發(fā)展，對鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、規(guī)格和尺寸等提出了更高的技術(shù)要求， 從而大力推動(dòng)了連鑄工藝裝備技術(shù)的發(fā)展。連鑄能夠替代傳統(tǒng)模鑄，生產(chǎn)對軋制壓縮比要 求嚴(yán)格的鑄坯，其金屬收得率可提高10%以上，噸鋼能耗可降低25%以上，且具有成分均 勻穩(wěn)定和表面質(zhì)量良好等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高大規(guī)格鑄坯產(chǎn)品的性能。
[0003] 方坯連鑄多以生產(chǎn)中、高碳合金鋼為主，其坯殼凝固收縮系數(shù)較大。由于結(jié)晶器內(nèi) 大方坯角部坯殼較薄弱，鋼水靜壓力易聚集在結(jié)晶器角部，從而誘發(fā)方坯表面出現(xiàn)裂紋和 凹陷等缺陷。與此同時(shí)，為改善鑄述內(nèi)部質(zhì)量，降低鑄述中心偏析與疏松缺陷，方述連鑄機(jī) 多配備有凝固末端壓下功能，因此在方坯凝固末端壓下與矯直過程中會(huì)造成鑄坯表面機(jī)械 應(yīng)力激增，同時(shí)由于角部二維傳熱導(dǎo)致其與鑄坯表面中心區(qū)域溫差較大，熱應(yīng)力也易集中 在邊角區(qū)域，因此在熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的雙重作用下，裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展，造成嚴(yán)重的鑄坯 表面質(zhì)量缺陷。
[0004] 為解決這一問題，連鑄結(jié)晶器多配備有倒角面，即在結(jié)晶器角部增加內(nèi)凹圓倒角 面或平倒角面以改善結(jié)晶器角部傳熱，降低結(jié)晶器角部磨損，以提高冷卻均勻性；同時(shí)，結(jié) 晶器倒角可使鑄坯原有的直角變成兩個(gè)鈍角，以改善應(yīng)力集中。
[0005] 與方坯連鑄機(jī)相比，由于板坯寬窄比較大，坯殼收縮更為顯著且保護(hù)渣分布更不 均勻，因此研究者們對其進(jìn)行了大量研究，首鋼等提出了了通過倒角結(jié)晶器減少角部橫裂 紋的機(jī)制（鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012,24(9)，21-26)。專利CN102642000A、CN201410379418、 CN201410066528、CN201320350661、CN103286285A、CN102896284A等提出了不同類型的板坯 結(jié)晶器倒角及窄邊銅板結(jié)構(gòu)。
[0006] 目前在方坯上使用的倒角結(jié)晶器多為直倒角，即從結(jié)晶器上口至結(jié)晶器下口倒角 不發(fā)生變化。這種設(shè)計(jì)方法不能充分考慮到結(jié)晶器角部的熱收縮，造成保護(hù)渣膜與氣隙分 布不均勻，從而導(dǎo)致坯殼不均勻生長，產(chǎn)生邊角裂紋缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角 結(jié)晶器及設(shè)計(jì)方法，目的是通過特有的弧型倒角結(jié)構(gòu)有效抑制氣隙，防止保護(hù)渣堆積，從而 改善方坯角部傳熱，均勻坯殼生長，同時(shí)，通過增強(qiáng)倒角區(qū)域水冷結(jié)構(gòu)，顯著提高結(jié)晶器角 部冷速，細(xì)化倒角接觸面晶粒，抑制邊角缺陷的產(chǎn)生。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，具有四個(gè)上口倒角 和四個(gè)下口倒角，沿著結(jié)晶器內(nèi)壁高度方向，從上口倒角至下口倒角，倒角角度按照鑄坯角 部熱收縮規(guī)律逐漸增大，上口倒角與下口倒角之間形成的倒角面為漸變弧型面，漸變弧型 面邊界的過渡弧長按氣隙生長規(guī)律遞增，上口倒角位于倒角面上的斜邊為直線或弧線，下 口倒角位于倒角面上的斜邊也為直線或弧線。
[0009] 所述的結(jié)晶器上口倒角在結(jié)晶器寬面或窄面上的邊長為5-25mm;結(jié)晶器倒角面 上距結(jié)晶器上口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與上口內(nèi)角頂點(diǎn)的距離為3. 5-17. 5mm，結(jié)晶器下口倒角 在結(jié)晶器寬面或窄面上的邊長為8-35mm;結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶器下口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的 點(diǎn)與下口內(nèi)角頂點(diǎn)的距離為2. 1-24. 7mm。
[0010] 當(dāng)所述的結(jié)晶器為管式結(jié)構(gòu)結(jié)晶器時(shí)，沿結(jié)晶器外壁高度方向，結(jié)晶器的直角外 角被切除，形成八個(gè)鈍角面，其中結(jié)晶器上口切角邊長為2-15mm，結(jié)晶器下口切角邊長為 2-20mm，結(jié)晶器上、下口間切角邊長連續(xù)、線性增加。
[0011] 當(dāng)所述的結(jié)晶器是組合式結(jié)晶器時(shí)，與結(jié)晶器倒角位置相對應(yīng)處的冷水槽深度1 =VO. 5XC，其中L為普通水槽長度，C為結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶器內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與 內(nèi)角頂點(diǎn)的距離。
[0012] 本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器的設(shè)計(jì)方法，按照以下步驟進(jìn) 行：
[0013] (1)針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度和不同冷速下的熱收縮系數(shù)；
[0014] (2)根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu)與鑄坯尺寸及測定得到的具體鋼種熱收縮系數(shù)，建立 以1/4坯殼-結(jié)晶器橫截面系統(tǒng)為計(jì)算對象的二維瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算模型，通過模型計(jì)算 可得到工作拉速下，鑄坯角部在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量；
[0015] (3)根據(jù)鑄坯尺寸確定結(jié)晶器上口倒角和下口倒角在結(jié)晶器寬面或窄面上的邊長 尺寸，根據(jù)步驟（2)中鑄坯角部在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量計(jì)算結(jié)果，由結(jié) 晶器上口至下口的倒角逐漸增大以補(bǔ)償鑄坯的收縮與變形量；
[0016] (4)對于管式結(jié)晶器，根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，將倒角直接加工在結(jié)晶器銅管內(nèi)側(cè)，同 時(shí)切除結(jié)晶器外壁的直角外角形成八個(gè)鈍角面，其中結(jié)晶器上口切角邊長為2-15mm，結(jié)晶 器下口切角邊長為2-20mm，結(jié)晶器上、下口間切角邊長連續(xù)、線性增加；對于組合式結(jié)晶 器，根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，將倒角直接加工在銅板面上，并延伸其背板對應(yīng)位置的冷水槽深 度，倒角面對應(yīng)位置處水槽長度1 = 1〇+〇. 5XC，其中L為普通水槽長度，C為結(jié)晶器倒角面 上距結(jié)晶器內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與內(nèi)角頂點(diǎn)的距離，得到本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn) 弧型倒角結(jié)晶器。
[0017] 本發(fā)明采用的熱收縮系數(shù)為實(shí)測值，能顯著提高模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0018] 本發(fā)明提出的漸進(jìn)弧型倒角方坯連鑄結(jié)晶器適用于150_X150mm斷面尺寸以上 方坯連鑄生產(chǎn)過程，適應(yīng)鋼種為中、高碳鋼與中、高碳合金鋼。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是：
[0020] 本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，在倒角縱截面上，自結(jié)晶器 上口至結(jié)晶器出口倒角大小按鑄坯角部熱收縮規(guī)律逐漸增大，倒角的確定是基于連鑄坯自 結(jié)晶器液面至結(jié)晶器出口逐漸收縮，如果倒角補(bǔ)償量過大，將造成倒角面磨損嚴(yán)重，同時(shí)撕 裂鑄坯；如果倒角補(bǔ)償過小，無法充分補(bǔ)償凝固收縮，殘存氣隙仍會(huì)增加熱阻，惡化角部傳 熱效果。因此只有倒角漸變弧度才能需滿足鑄坯熱收縮規(guī)律才能真正達(dá)到補(bǔ)償凝固收縮的 工藝效果，而這樣的倒角結(jié)構(gòu)也能增強(qiáng)倒角區(qū)的水冷速度。
[0021] 在結(jié)晶器上部，鋼液與結(jié)晶器在彎月面處接觸后迅速凝固，該區(qū)域內(nèi)鋼液溫降迅 速，坯殼收縮較快，但由于此時(shí)坯殼較薄，其在鋼水靜壓力作用下坯殼反而會(huì)貼向結(jié)晶器， 因此在此區(qū)域內(nèi)結(jié)晶器倒角基本保持不變；在結(jié)晶器中間區(qū)域，坯殼溫度逐漸降低，坯殼逐 漸收縮且具有了一定的強(qiáng)度，此區(qū)域內(nèi)結(jié)晶器倒角應(yīng)逐漸增大；在結(jié)晶器下部，坯殼溫度降 低速度變緩，坯殼收縮速度也趨于平緩，在此區(qū)域內(nèi)結(jié)晶器倒角基本保持不變；為了確保結(jié) 晶器高度方向上倒角的連續(xù)、穩(wěn)定、漸增的變化，設(shè)計(jì)結(jié)晶器倒角面為漸變弧型面，漸變弧 型面邊界的過渡弧長按氣隙生長規(guī)律遞增。
[0022] 本發(fā)明還通過切除結(jié)晶器的外角直角提高倒角面的冷卻強(qiáng)度，自結(jié)晶器入口至出 口，切角邊長線性增加以保證整個(gè)倒角面上冷卻的穩(wěn)定性。
[0023] 對于組合式結(jié)晶器而言，其倒角直接加工在銅板面上，應(yīng)延伸其背板對應(yīng)位置水 槽深度。
[0024] 本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，通過特有的弧型倒角結(jié)構(gòu)有 效抑制氣隙，防止保護(hù)渣堆積，從而改善方坯角部傳熱，均勻坯殼生長，通過增強(qiáng)倒角區(qū)域 水冷結(jié)構(gòu)，顯著提高結(jié)晶器角部冷速，細(xì)化了倒角接觸面晶粒，抑制了邊角缺陷的產(chǎn)生。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器的內(nèi)壁角部示意圖；
[0026] 其中：1 :結(jié)晶器內(nèi)壁；2 :上口倒角；3 :下口倒角；4 :倒角面；5 :過渡?。? :上口倒 角位于倒角面上的斜邊；7 :下口倒角位于倒角面上的斜邊；
[0027] 圖2是圖1中的倒角面圖；
[0028] 圖3是圖2中倒角的橫截面圖；
[0029] 其中：4_1橫截面對應(yīng)的截面圖為4-1圖；4-2橫截面對應(yīng)的截面圖為4-2圖；4-3 橫截面對應(yīng)的截面圖為4-3圖；
[0030] 圖4是圖1中的倒角面的縱截面圖；
[0031] 圖5是圖1中上口倒角的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 其中夂是結(jié)晶器寬面的上口倒角邊長；8:是結(jié)晶器窄面的上口倒角邊長心是結(jié) 晶器倒角面上距結(jié)晶器上口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與上口內(nèi)角頂點(diǎn)的長度；
[0033] 圖6是圖1中下口倒角的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 其中：A2是結(jié)晶器寬面的下口倒角邊長；82是結(jié)晶器窄面的下口倒角邊長；C2是結(jié) 晶器倒角面上距結(jié)晶器下口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與下口內(nèi)角頂點(diǎn)的長度；
[0035] 圖7是本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角管式結(jié)晶器的外壁的鈍角切 面示意圖之一；
[0036] 其中：&1是被切除的直角頂角沿結(jié)晶器寬面的邊長屯是被切除的直角頂角沿結(jié) 晶器窄面的邊長；
[0037] 圖8是本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角管式結(jié)晶器的外壁的鈍角切 面示意圖之二；
[0038] 其中：a2是被切除的直角底角沿結(jié)晶器寬面的邊長；b2是被切除的直角頂角沿結(jié) 晶器窄面的邊長；
[0039] 圖9是本發(fā)明具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角組合式結(jié)晶器和與之對應(yīng)的水 冷槽示意圖；
[0040] 其中：8 :冷水槽；9 :與結(jié)晶器倒角位置相對應(yīng)處的冷水槽山為普通水槽長度；1 為倒角面對應(yīng)位置處水槽長度；
[0041] 圖10是本發(fā)明實(shí)施例1中的軸承鋼GCr15熱收縮系數(shù)測定結(jié)果；
[0042] 圖11是本發(fā)明實(shí)施例1中的鑄坯角部在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量 分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 實(shí)施例1
[0044] 本發(fā)明實(shí)施例在某鋼廠280mmX325mm大方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器上應(yīng)用，結(jié)晶器長度 800_，是管式結(jié)晶器，主要生產(chǎn)軸承鋼、簾線鋼等高碳合金鋼。
[0045] 本實(shí)施例結(jié)晶器的設(shè)計(jì)方法是：
[0046] (1)以軸承鋼GCrl5為主要生產(chǎn)鋼種對象，軸承鋼GCrl5在不同的冷卻速率下從 1300°C冷卻到500°C時(shí)的熱收縮系數(shù)測定結(jié)果如圖10所示；
[0047] (2)根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu)與鑄坯尺寸及測定得到的具體鋼種熱收縮系數(shù)，建立 以1/4坯殼-結(jié)晶器橫截面系統(tǒng)為計(jì)算對象的二維瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算模型，具體步驟是：
[0048] 步驟1.根據(jù)連鑄機(jī)所連鑄主流鋼種中C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr與A1主要成分的含 量，確定所連鑄鋼種的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及熱收縮系數(shù)，為坯殼-結(jié)晶器系統(tǒng)熱/力耦 合有限元數(shù)值計(jì)算模型建立提供坯殼凝固的高溫物性參數(shù)；
[0049] ①密度
[0050] 由于鋼的密度主要與溫度和C含量有關(guān)，其固相密度Ps由式（1)所確定：

【權(quán)利要求】
1. 一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，其特征在于具有四個(gè)上口倒角和四 個(gè)下口倒角，沿著結(jié)晶器內(nèi)壁高度方向，從上口倒角至下口倒角，倒角角度按照鑄坯角部熱 收縮規(guī)律逐漸增大，上口倒角與下口倒角之間形成的倒角面為漸變弧型面，漸變弧型面邊 界的過渡弧長按氣隙生長規(guī)律遞增，上口倒角位于倒角面上的斜邊為直線或弧線，下口倒 角位于倒角面上的斜邊也為直線或弧線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，其特征在于 所述的結(jié)晶器上口倒角在結(jié)晶器寬面或窄面上的邊長為5-25mm ;結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶 器上口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與上口內(nèi)角頂點(diǎn)的距離為3. 5-17. 5mm，結(jié)晶器下口倒角在結(jié)晶器 寬面或窄面上的邊長為8-35mm;結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶器下口內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與下口 內(nèi)角頂點(diǎn)的距離為2. 1-24. 7mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，其特征在于 當(dāng)所述的結(jié)晶器為管式結(jié)構(gòu)結(jié)晶器時(shí)，沿結(jié)晶器外壁高度方向，結(jié)晶器的直角外角被切除， 形成八個(gè)鈍角面，其中結(jié)晶器上口切角邊長為2-15mm，結(jié)晶器下口切角邊長為2-20mm，結(jié) 晶器上、下口間切角邊長連續(xù)、線性增加。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器，其特 征在于當(dāng)所述的結(jié)晶器是組合式結(jié)晶器時(shí)，與結(jié)晶器倒角位置相對應(yīng)處的冷水槽深度 /=4+0. 5XC，其中A為普通水槽長度，C為結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶器內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與 內(nèi)角頂點(diǎn)的距離。
5. 權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié)晶器的設(shè)計(jì)方法，其特征在 于按照以下步驟進(jìn)行： (1) 針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度和不同冷速下的熱收縮系數(shù)； (2) 根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu)與鑄坯尺寸及測定得到的具體鋼種熱收縮系數(shù)，建立以1/4 坯殼-結(jié)晶器橫截面系統(tǒng)為計(jì)算對象的二維瞬態(tài)熱力耦合計(jì)算模型，通過模型計(jì)算可得到 工作拉速下，鑄坯角部在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量； (3) 根據(jù)鑄坯尺寸確定結(jié)晶器上口倒角和下口倒角在結(jié)晶器寬面或窄面上的邊長尺 寸，根據(jù)步驟（2)中鑄坯角部在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量計(jì)算結(jié)果，由結(jié)晶器 上口至下口的倒角逐漸增大以補(bǔ)償鑄坯的收縮與變形量； (4) 對于管式結(jié)晶器，根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，將倒角直接加工在結(jié)晶器銅管內(nèi)側(cè)，同時(shí)切 除結(jié)晶器外壁的直角外角形成八個(gè)鈍角面，其中結(jié)晶器上口切角邊長為2-15mm，結(jié)晶器下 口切角邊長為2-20mm，結(jié)晶器上、下口間切角邊長連續(xù)、線性增加；對于組合式結(jié)晶器，根 據(jù)計(jì)算好的參數(shù)，將倒角直接加工在銅板面上，并延伸其背板對應(yīng)位置的水槽深度，倒角面 對應(yīng)位置處水槽長度7=4+0. 5XC，其中人為普通水槽長度，C為結(jié)晶器倒角面上距結(jié)晶器 內(nèi)角頂點(diǎn)最近的點(diǎn)與內(nèi)角頂點(diǎn)的距離，得到本發(fā)明的具有增強(qiáng)水冷結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)弧型倒角結(jié) 晶器。
【文檔編號】B22D11/057GK104399917SQ201410707132
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】祭程, 朱苗勇, 蔡兆鎮(zhèn) 申請人:東北大學(xué)