专利名称：薄带连铸结晶辊加热方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属薄板(带)连铸用结晶辊加热技术和氧燃料加热技术。
背景技术：
金属薄带(板)的连铸技术具有高效、低耗、低成本的特性，是近年来世界各国争相发展的新技术和新工艺。其中结晶辊是薄带(板)连铸机械设备中的关键部件之一。其基本原理是钢水通过布流器进入有两个反向旋转的结晶辊和侧封板组成的熔池，液态金属经快速冷却在结晶辊表面凝固成具有一定厚度的坯壳，经轧合后形成薄带(板)。结晶辊的基本结构主要由辊芯、辊套组成。其结晶辊辊套材料大都采用铜合金材料制造，其辊芯通常采用不锈钢制造。辊芯和辊套通过机械的方式或焊接的方式连接在一起。
双辊铸造一直较为成功地应用于冷却时能迅速固化的有色金属如铝。但是黑色金属的固化速率要慢得多，为使连铸能够满意地进行，在铸造表面实现均匀的冷却和固化就成了关键的问题。但这是很难实现的，尤其是在铸造刚刚开始的时候。一般需要使熔融金属通过在金属输送注口中由耐火材料和结晶辊构成的金属熔池。由于在平稳工作段结晶辊辊面与融熔金属直接接触，融熔金属的热值高，所以热传导性能是结晶辊套材料的最重要要求。但是在薄带连铸开浇时的最初阶段，由于结晶辊辊套以及内部的冷却液均处于相对较低的温度状态下，因此结晶辊的冷却效率高于平稳工作段时的冷却效率，所以造成了融熔金属冷却速度过快，经过结晶辊后发生断带，影响生产的正常进行。虽然在铸造开浇之前金属往往经过预热，但是由于结晶辊温度低，对融熔金属的冷却能力较强，仍可能使熔融金属过早固化，尤其是刚刚开始浇铸且浇铸为薄带时，此现象可能更加显著。因此一直需要在比熔融金属液相线温度高许多的温度下向注口输送熔融金属，以便保证在其流过注口或在结晶辊熔池内不会过早固化。为了实现这一点，需要进行热补偿，所以采用结晶辊浇注前的熔融金属需要超过正常浇铸温度100℃以上的温度。
目前为了提高结晶辊在开浇前的温度，美国专利4,645,534号对熔融金属通过浇口盘和浸入式浇口流向连铸模时，通过对金属提供补充加热的方式来防止过早固化，做法是使电流从加热装置如等离子电弧炬通过熔融金属。加热装置可以应用于浇口盘中的金属，使电流通过流向浇口盘下游的浸入式浇口流向连铸模中的金属。日本专利第J91018979-B(公开号J59202142)也描述了当熔融金属从浇口盘通过浸入式浇口流向连铸模时，使来自浇口盘中的等离子电弧炬的电流流向连接于浸入式浇口的阳极，从而加热熔融金属。这两个专利所描述的技术方案并不是直接用于薄板双辊铸造的。在铸造过程中通过瞬间加热的方式并不能克服初始阶段在输送系统中的熔融金属过早固化问题，这是因为不可能以足够大的速率使热量进入金属，或者也不可能将热传递控制在一个足够大的程度以便保持温度，从而保持通过输送系统的流动通道的流动速率。专利公开号CN1100978A提供了一种先在铸池内加入过热熔融金属的方法，使熔融金属在初始阶段以较高的温度送到输送口，铸造中其它时间以较低的温度送至输送浇口。但这种方法过热熔融金属的量和温度都难以控制，尤其是在薄带生产条件下仍易因此而产生断带。
以上专利都需要采用过热的金属，但将大量的熔融金属加热至上述温度需要消耗大量的能源，而且在浇铸薄带时会在开始浇铸时产生断带，这都将严重影响到生产成本。并且高温也限制了铸机的生产率，而降低熔融金属的温度，可以获得更高的固化速率，即达到高的生产率。
发明内容本发明的目的在于提供一种薄带连铸结晶辊加热方法和装置，是利用燃气与助燃气体形成氧燃料焰幕墙的加热技术，对结晶辊先行加热，当结晶辊的工作状态接近或达到实际浇铸平稳工作段时，再开始金属的浇铸，从而解决了薄带连铸开始浇铸时的熔融金属过早固化问题。
本发明是这样实现的一种薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是对结晶辊进行加热，其加热技术可以模拟薄带连铸的平稳工作段时实际热输入过程，当结晶辊的工作状态接近或达到实际浇铸平稳工作段时，再开始金属的浇铸，使金属浇铸过程直接开始于正常平稳工作段。
上述的薄带连铸结晶辊加热方法，所述加热技术为氧燃料火焰幕墙式，助燃气体与气体或液体燃料通过各自的喷嘴喷出后相互切割形成混合，经发散式的氧焰炬点火，多个氧焰炬火焰相互交织形成火焰幕墙加热薄带连铸结晶辊。
上述的薄带连铸结晶辊加热方法，所述熔融金属开始浇铸后切断加热技术的燃料和助燃气体供气管道，切换至冷却气体，实现对结晶辊的冷却。
上述的薄带连铸结晶辊加热方法，所述氧焰炬嘴可以由单个嘴交错排列方式形成、短狭缝形成网格形成，长狭缝平行排列形成，也可以由燃料喷孔形成网孔板形成，也可以由多个喷孔形成的喷孔板形成。
一种薄带连铸结晶辊加热装置，其特征是采用氧燃料焰幕墙加热，其包括幕墙底板、幕墙基板、氧焰炬嘴、点火器、两个主气体管路，幕墙底板上装有幕墙基板构成加热区，幕墙基板上排列着多个氧焰炬嘴，氧焰炬嘴相互交错排列，加热区外围的氧焰炬嘴间设有点火器；幕墙基板由两个相互对称的上、下腔体组成，腔体由上、下封板、中间板、两侧封板构成，中间板一端顶部弯折成上顶，另一端顶部弯折成下压，使上、下腔体包括一个粗方口管部和一个窄平板部，粗方口管部和窄平板部两者相通且连通处成圆角；粗方口管部通主气体管路，上腔体通燃料，下腔体通助燃气；中间板靠近下腔体一侧开有导气锥和氧气喷嘴，靠近上腔体一侧开有螺孔，螺孔与氧气喷嘴相通，且螺孔上旋装氧焰炬嘴的混合管，螺孔的数目与基板上安装的氧焰炬嘴的数目一致；混合管外部有凸肩且开有外螺纹，混合管下部旋接在中间板螺孔上，上部穿过上封板孔道旋接于氧焰炬嘴的氧焰炬帽内螺纹，凸肩上开有喷嘴使上腔体内的燃料进入到混合管内，凸肩经氧焰炬帽压紧对中间板和上封板进行密封，氧焰炬帽顶部开有喷孔。所述氧焰炬帽顶部的喷孔为一个中心喷孔，在中心喷孔四周均匀分布其它喷孔，其它喷孔与中心喷孔呈一定的角度。
上述的薄带连铸结晶辊加热装置，所述二个主气体管路分别装有两个支路，一个主气体管路的二个支路分别接燃料和惰性保护冷却气体，另一个主气体管路的二个支路分别接助燃气体和惰性保护冷却气体，每个支路都装有反向气体截止阀。燃料和助燃气体支路中还装有流量传感器，在主气体管路的两侧装有压力传感器。
本发明与以往技术的区别在于以往的技术专注于加热熔融金属，通过提高熔融金属的温度而补偿浇铸初始阶段的热损失；本发明技术是采用加热结晶辊的技术，加热技术可以模拟薄带连铸的平稳工作段时实际热输入过程，当结晶的工作状态接近或达到实际浇铸平稳工作段时，再开始金属的浇铸，使金属浇铸过程直接开始于正常平稳工作段，避免了初始阶段的熔融金属过早固化问题。或者缩小烧铸初始阶段与正常平稳工作段之间的温度差。本发明采用氧燃料火焰幕墙式加热技术，通过加热结晶辊表面，以达到与薄带连铸的实际连铸过程相同或相近的热输入，使结晶辊提前达到工作稳定状态，消除浇铸初始阶段的熔融金属经受冷态连铸辊的激冷而出现过早凝固问题。开始浇铸后切断燃料和助燃气体，切换至冷却气体，可实现结晶辊冷却的目的。
本发明加热技术的氧燃料焰幕墙可采用多种方法形成。例如由氧和燃料在燃炬嘴形成高温高热的氧焰，多个氧燃料焰嘴形成火焰排，再由另一个火焰排在一定的距离处排列填充其间隙，多排焰炬嘴交错式排列，火焰炬在一定距离处相互部分重叠，多个火焰排形成一个均匀的火焰幕墙从而达到均匀高效加热结晶辊表面的目的；也可以由扁平火焰狭缝形成，也可以由狭缝形成网格；也可以由燃料喷孔形成网孔板形成，长狭缝平行排列形成，也可以由多个喷孔形成的喷孔板形成。氧燃料焰幕墙装置也带有冷却气体切换阀门，可对结晶辊进行冷却。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为本发明氧燃料焰幕墙结构示意图；图2为氧燃料焰幕墙基板横截面结构示意图；图3为氧燃料焰幕墙基板内中间板及氧焰炬嘴结构示意图。
图中1幕墙底板，2点火器，3氧焰炬嘴，4支路，5截止阀，6气体压力表，7主气体管路，8幕墙基板，9下封板，10中间板，11上封板，12氧气喷嘴，13混合管，14燃料喷嘴，15氧焰炬帽，16喷孔，17上腔体，18下腔体。
具体实施方式
参见图1、图2、图3，一种薄带连铸结晶辊加热装置，是采用氧燃料焰幕墙加热技术，其包括幕墙底板1、幕墙基板8、氧焰炬嘴3、点火器2、两个主气体管路7。氧燃料焰幕墙结构以幕墙底板1为基础，氧焰炬嘴3以一定的方式均匀分布在底板的加热区内，氧焰炬嘴3间距为3cm，相互交错排列，加热区为图1中底板1内的方框区，即为幕墙基板8。加热区外围的氧焰炬嘴3均设有点火器2，保证点火的有效性。氧燃料焰幕墙设有两个主气体管路7，每个主气体管路分别装有两个支路4。其中一个主气体管路7的两个支路4分别通燃料和惰性保护冷却气体；另一个主气体管路7的两个支路4分别通助燃气体和惰性保护冷却气体。在每个支路4中都装有反向气体截止阀5，防止气体的反向流动及幕墙的回火，在燃料和助燃气体支路4中还装有流量传感器。在主气体管路7的两侧装有压力传感器6。以便于控制幕墙内燃料和助燃气体比例。
参见图2，氧燃料焰幕墙基板8结构由两个相互对称的上、下腔体17、18构成。腔体由上封板11、下封板9、中间板10、两侧封板组成，中间板10一端顶部弯折成上顶，另一端顶部弯折成下压，使上、下腔体17、18包括一个粗方口管部和一个窄平板部，粗方口管部和窄平板部是相通的，相连通处制备成圆角，以便于气体或燃料通过而没有压力的损失。粗方口管部为氧气或燃料源，而窄平板部用于分配氧焰炬嘴3的位置并制备喷气孔或氧焰炬嘴3安装孔。其中上腔体17为燃料的供应源，粗方口管部起到稳定燃料和分配燃料的作用，所有的氧焰炬嘴3都安装在上腔体17的窄平板部。下腔体18为助燃气体源，粗方口管部起到集气区稳定压力和分配氧气的双重作用。上下腔体17、18被中间板10分隔开，中间板10的作用为导通氧气和安装氧焰炬嘴3的作用。
参见图3，氧燃料焰幕墙基板8内下封板9为单一结构。中间板10结构较为复杂，在靠近下腔体8的一侧开有导气椎和氧气喷嘴12，下腔体18内的氧气是通过喷嘴12进入氧焰炬嘴3内部的；在靠近上腔体17的一侧开有螺孔用于安装氧焰炬嘴3的混合管13，并起到密封燃料的作用；螺孔与氧气喷嘴12相通。中间板10上制备的这种结构的数目与基板8上安装的氧焰炬嘴3的数目相一致。
混合管13外部有凸肩且开有外螺纹，混合管13下部旋接在中间板10螺孔上，上部穿过上封板11孔道旋接于氧焰炬嘴3的氧焰炬帽15内螺纹，凸肩上开有燃料喷嘴14使上腔体17内的燃料进入到混合管13内，凸肩经氧焰炬帽15压紧对中间板10和上封板11进行密封，用以隔绝外界空气。
氧焰炬帽15具有内螺纹与混合管13的上螺纹配合，在顶部开有喷孔16。喷孔16的结构为具有一个中心的喷孔，在中心喷孔的四周均匀分布其它的喷孔，这些喷孔与中心喷孔呈一定的角度，起到发散性火焰均匀加热的作用。
本发明采用氧气与燃料在焰炬内通过两种物质的喷射流相互切割交织的混合方法，提高混合效率，混合区小且适用于多种燃料。由此得到的火焰特征是发散型火焰，而火焰的加热也以发散的形式，不是聚焦束也不是平行束。
下面对氧燃料焰幕墙的几个结构特征进行具体说明。
1、氧焰炬嘴的结构。根据结晶辊的具体工作要求选择不同的氧焰嘴。燃料可选择氢气、天然气、乙醇、丙酮、乙炔、煤油等，最佳气体为氢气、天然气和乙醇等碳含量较低的气体或液体燃料；助燃气体采用氧气或压缩空气，最佳助燃气体为氧气。焰嘴的结构可选择燃料与助燃气体分别喷出的方式，也可以采用燃料与助燃气体先混合然后共同喷出的方式。最佳方式为燃料与助燃气体分别喷射出后混合的方式，可有效降低气流的速度并采用焰嘴的结构分散火焰，使火焰加热面积大、温度均匀、温度降低速度小。
2、焰嘴的排列。焰嘴的排列为交错式排列，可有效填充各焰嘴之间的间隙，使焰幕的加热效果更加均匀。焰嘴排列的间距密度为火焰直径的1.5倍至2.0倍。狭缝式结构中狭缝长度可以与结晶辊长度相同，也可以短于结晶辊长度。网孔式结构与焰嘴式结构相同。
3、焰幕的长度和宽度。焰幕的长度与结晶辊的工作面长度相同；焰幕的宽度与融熔金属接触面的宽度相近或相同。
4、火焰的长度。火焰的长度为20mm至100mm之间，可保证气流的速度、火焰的直径以及防止加热器自身温度过高。
5、焰幕的弧度。根据火焰的长度和火焰均匀性要求，焰幕可制备成与结晶辊辊面相匹配的弧形，焰幕的弧度保持与结晶辊表面的弧度一致，因此焰幕内曲面的半径要大于结晶辊表面半径50mm至100mm。
6、焰幕的温度。根据结晶辊的实际工作要求，焰幕的最高温度为开浇时融熔金属的温度(约1700℃)，焰幕的温度范围选择800℃至开浇时融熔金属温度，最佳范围为开浇时融熔金属温度(约1700℃)至这一温度以下300℃范围内。
7、焰幕的加热功率。结晶辊平稳工作段时的冷却功率为焰幕的最高加热功率。功率范围选择为结晶辊平稳工作段时的冷却功率的20％以上，最佳范围为结晶辊平稳工作段时功率的40％至60％。
8、燃料比。根据不同的燃料和助燃气体，助燃气体与燃料的比要略低于化学配比，形成略呈还原性的气氛，防止焰幕对结晶辊表面形成氧化损伤。
9、辅助功能。当结晶辊正常开浇后焰幕迅速关闭，并切换到惰性保护气体，加热幕墙由加热功能迅速转到冷却功能，起冷却和保护结晶辊表面的作用。
本发明加热技术具有如下特征
1、火焰温度高且可控可调节。本发明中焰幕中的焰嘴可以根据不同的燃料用助燃气体及不同的比例获得不同的火焰温度，火焰温度可以在500℃至1500℃之间选择和控制。
2、加热效率高。本发明中焰幕的焰嘴数目、密度以及焰帽结构可根据加热工艺要求进行调整，并配合适当的火焰温度，热效率高。
3、适用面广适用性强。本发明中焰幕的参数可根据不同的使用要求进行调整。可适用于各种不同金属的连铸工艺要求。
4、加热宽度不受限制。本发明技术的加热装置可根据要求增加或减少焰嘴的数目和排数，因此加热宽度不受限制。
5、不对结晶辊表面形成损伤。本发明采用还原性的气氛进行加热，不会对结晶辊表面形成氧化损伤。
6、开关方便。本发明采用燃气进行加热，加热开关非常方便，操作简单。
7、具有多种功能。本发明可在加热后迅速切换到冷却功能，实现加热和冷却的双重效果。
实施例1采用氢气作为燃气，氧气作为助燃气体。氢气与氧气的流量比例为化学反应比1∶0.95，氢气的压力为30PSI。所得到的火焰幕墙的火焰长度为30mm，火焰的温度为1200℃；当氢气的压力升高为50PSI，所得到的火焰幕墙的火焰长度为50mm，火焰的温度为1600℃。本发明加热技术所形成的火焰幕墙的所有火焰强度及长度相近，温度场均匀。加热效果好。
实施例2采用天然气作为燃气，氧气作为助燃气体。天然气与氧气的流量比例为化学反应比1∶1，天然气的压力为45PSI。所得到的火焰幕墙的火焰长度为50mm，火焰的温度为700℃；当氢气的压力升高为50PSI，所得到的火焰幕墙的火焰长度为80mm，火焰的温度为1000℃。本发明加热技术所形成的火焰幕墙的所有火焰强度及长度相近，但火焰的长度比氢氧焰的长度大。火焰幕墙的温度场均匀，加热效果好。
实施例3采用乙醇作为燃料，空气作为助燃气体。乙醇与空气的流量比例为化学反应比1∶0.9，考虑到乙醇为液体燃料，采用了液压泵作为动力源，乙醇的压力为2.0kg/cm2。以乙醇的流量为依据控制压缩空气的流量，形成化学反应比为1∶0.9-1∶0.98。所得到的火焰幕墙的火焰长度为80mm，火焰的温度为700℃；当乙醇的压力升高为3.0kg/cm2，所得到的火焰幕墙的火焰长度为150mm，火焰的温度为1000℃。本发明加热技术所形成的火焰幕墙的所有火焰强度及长度相近，但火焰的长度较长。火焰幕墙的温度场均匀，加热效果好。
实施例4采用丙酮作为燃料，压缩空气作为助燃气体。丙酮与空气的流量比例为化学反应比1∶0.9，考虑到丙酮为液体燃料，采用了液压泵作为动力源，丙酮的压力为2.0kg/cm2。以丙酮的流量为依据控制压缩空气的流量，形成化学反应比为1∶0.9-1∶1。所得到的火焰幕墙的火焰长度为60mm，火焰的温度为800℃；当丙酮的压力升高为2.5kg/cm2，所得到的火焰幕墙的火焰长度为80mm，火焰的温度为1200℃。本发明加热技术所形成的火焰幕墙的所有火焰强度及长度相近，且火焰长度较小，丙酮与压缩空气在喷嘴内的混合比较充分。火焰幕墙的温度场均匀，加热效果好。
实施例5采用乙炔作为燃气，氧气作为助燃气体。乙炔与氧气的流量比例为化学反应比1∶1，乙炔的压力为45PSI。所得到的火焰幕墙的火焰长度为75mm，火焰的温度为800℃；当氢气的压力升高为50PSI，所得到的火焰幕墙的火焰长度为120mm，火焰的温度为1250℃。本发明加热技术所形成的火焰幕墙的所有火焰强度及长度相近，但火焰的长度比氢氧焰的长度大。当氧气的量低于化学反应比1∶0.85时火焰易形成黑烟，氧气的量过量(高于1∶1.15)则火焰的温度超高，在0.85-1.15之间时火焰幕墙的温度场均匀，加热效果好。
权利要求
1.一种薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是对结晶辊进行加热，其加热技术可以模拟薄带连铸的平稳工作段时实际热输入过程，当结晶辊的工作状态接近或达到实际浇铸平稳工作段时，再开始金属的浇铸，使金属浇铸过程直接开始于正常平稳工作段。
2.根据权利要求1所述的薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是加热技术为氧燃料火焰幕墙式，助燃气体与气体或液体燃料通过各自的喷嘴喷出后相互切割形成混合，经发散式的氧焰炬点火，多个氧焰炬火焰相互交织形成火焰幕墙加热薄带连铸结晶辊。
3.根据权利要求1或2所述的薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是熔融金属开始浇铸后切断加热技术的燃料和助燃气体供气管道，切换至冷却气体，实现对结晶辊的冷却。
4.根据权利要求2所述的薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是氧焰炬嘴可以由单个嘴交错排列方式形成、短狭缝形成网格形成，长狭缝平行排列形成，也可以由燃料喷孔形成网孔板形成，也可以由多个喷孔形成的喷孔板形成。
5.一种薄带连铸结晶辊加热装置，其特征是采用氧燃料焰幕墙加热，其包括幕墙底板、幕墙基板、氧焰炬嘴、点火器、两个主气体管路，幕墙底板上装有幕墙基板构成加热区，幕墙基板上排列着多个氧焰炬嘴，氧焰炬嘴相互交错排列，加热区外围的氧焰炬嘴间设有点火器；幕墙基板由两个相互对称的上、下腔体组成，腔体由上、下封板、中间板、两侧封板构成，中间板一端顶部弯折成上顶，另一端顶部弯折成下压，使上、下腔体包括一个粗方口管部和一个窄平板部，粗方口管部和窄平板部两者相通且连通处成圆角；粗方口管部通主气体管路，上腔体通燃料，下腔体通助燃气；中间板靠近下腔体一侧开有导气锥和氧气喷嘴，靠近上腔体一侧开有螺孔，螺孔与氧气喷嘴相通，且螺孔上旋装氧焰炬嘴的混合管，螺孔的数目与基板上安装的氧焰炬嘴的数目一致；混合管外部有凸肩且开有外螺纹，混合管下部旋接在中间板螺孔上，上部穿过上封板孔道旋接于氧焰炬嘴的氧焰炬帽内螺纹，凸肩上开有喷嘴使上腔体内的燃料进入到混合管内，凸肩经氧焰炬帽压紧对中间板和上封板进行密封，氧焰炬帽顶部开有喷孔。
6.根据权利要求5所述的薄带连铸结晶辊加热装置，其特征是氧焰炬帽顶部的喷孔为一个中心喷孔，在中心喷孔四周均匀分布其它喷孔，其它喷孔与中心喷孔呈一定的角度。
7.根据权利要求5所述的薄带连铸结晶辊加热装置，其特征是二个主气体管路分别装有两个支路，一个主气体管路的二个支路分别接燃料和惰性保护冷却气体，另一个主气体管路的二个支路分别接助燃气体和惰性保护冷却气体，每个支路都装有反向气体截止阀。
8.根据权利要求7所述的薄带连铸结晶辊加热装置，其特征是燃料和助燃气体支路中还装有流量传感器，在主气体管路的两侧装有压力传感器。
全文摘要
本发明涉及金属薄板(带)连铸用结晶辊加热技术和氧燃料加热技术。一种薄带连铸结晶辊加热方法，其特征是对结晶辊进行加热，其加热技术可以模拟薄带连铸的平稳工作段时实际热输入过程，当结晶辊的工作状态接近或达到实际浇铸平稳工作段时，再开始金属的浇铸，使金属浇铸过程直接开始于正常平稳工作段。加热技术为氧燃料火焰幕墙式，助燃气体与气体或液体燃料通过各自的喷嘴喷出后相互切割形成混合，经发散式的氧焰炬点火，多个氧焰炬火焰相互交织形成火焰幕墙加热薄带连铸结晶辊。本发明解决了薄带连铸开始浇铸时的熔融金属过早固化问题。
文档编号B22D11/16GK1939620SQ20051003020
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月29日 优先权日2005年9月29日
发明者张俊宝, 方园, 史弼 申请人:宝山钢铁股份有限公司