一体式连铸结晶器部件的制作方法

本实用新型涉及一种一体式连铸结晶器部件。

背景技术：

结晶器是连铸机非常重要的部件，是一个强制水冷的无底钢锭模，以使钢水快速冷凝成形，称之为连铸设备的“心脏”。大型连铸机，特别是板坯连铸机广泛采用装配式结晶器，如图1和图2所示，通常装配式结晶器是由四块复合壁板的部件11构成，每块部件11又由铜板12和背板13(水箱)组成，两部分由多个双头螺栓14连接，中间增加密封圈15保证冷却水密闭性，冷却水道4分布在铜板12上，钢液16经结晶器部件围成的腔体冷凝成形。

目前大多结晶器的铜板原材料一般选用真空熔炼后锻造的铜合金板坯，为保证铜板的强度其熔炼锻造的工艺复杂且要求很高，国内生产的锻铜坯性能普遍达不到要求，目前大部分结晶器铜板锻坯均依赖进口，价格高且周期长。锻铜坯后续再按技术要求机械加工成结晶器铜板，在冷却水道加工和基面加工过程均采用减料加工方法，即通过刨削或铣削毛坯形成冷却水道及螺纹孔等，大量的铜材需被加工掉；结晶器背板的加工与结晶器铜板的加工工序相似，均为减料加工方法，导致大量材料的浪费。

从连铸结晶器应用的失效形式来看，由于目前的背板与铜板采用双头螺栓和密封圈连接组装的方式，如果铜板在使用过程中有一个螺纹孔偏移或变形即会造成整块铜板失效报废；同时连铸结晶器在浇铸过程密封圈失效也是造成结晶器下线的一个原因。

因此从整体来看，采用目前的结晶器制造工艺存在材料浪费、工艺复杂、使用过程中易失效等诸多缺点，迫切需要研发新的产品及制造工艺。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种一体式连铸结晶器部件，本结晶器部件克服传统铜板与背板结晶器的缺陷，本结晶器部件为异种材料复合的一体式结构，确保了结晶器的应用性能，提高了使用寿命，避免材料浪费，有效提高制备效率。

为解决上述技术问题，本实用新型一体式连铸结晶器部件包括钢基板、铜基板和工作涂层，所述钢基板与铜基板之间冶金结合，所述铜基板与工作涂层之间冶金结合或机械结合，所述钢基板与铜基板冶金结合构成的整体结构内设有若干冷却水道。

进一步，所述若干冷却水道设于所述钢基板内并且贴近所述铜基板、铜基板内、铜基板内并且贴近所述钢基板或钢基板与铜基板的结合面之间。

进一步，所述钢基板为不锈钢板或碳素结构钢板，所述铜基板为紫铜板或铜合金板，所述工作涂层为镍基合金涂层、钴基合金涂层、镍基金属陶瓷复合涂层或钴基金属陶瓷复合涂层。

进一步，所述钢基板的厚度为70～90mm，所述铜基板的厚度为15～25mm，所述工作涂层的厚度为0.3～2mm。

进一步，所述冷却水道的截面形状为圆形或长腰形，所述长腰形冷却水道的长度为10～15mm、宽度为4～8mm、弧顶直径为4～8mm，所述若干冷却水道间距为15～30mm。

由于本实用新型一体式连铸结晶器部件采用了上述技术方案，即本结晶器部件的钢基板与铜基板之间冶金结合，铜基板与工作涂层之间冶金结合或机械结合，钢基板与铜基板冶金结合构成的整体结构内设有若干冷却水道。本结晶器部件为异种材料复合的一体式结构，确保了结晶器的应用性能，提高了使用寿命，避免材料浪费，有效提高制备效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为传统组合式连铸结晶器结构示意图；

图2为传统组合式连铸结晶器部件中铜板与背板的连接示意图；

图3为本实用新型一体式连铸结晶器部件的结构示意图；

图4为本结晶器部件中冷却水道设于钢基板内并贴近铜基板的结构示意图；

图5为本结晶器部件中冷却水道设于铜基板内并贴近钢基板的结构示意图；

图6为本结晶器部件中冷却水道设于铜基板内的结构示意图；

图7为本结晶器部件中冷却水道设于钢基板与铜基板之间的结构示意图。

具体实施方式

实施例如图3所示，本实用新型一体式连铸结晶器部件包括钢基板1、铜基板2和工作涂层3，所述钢基板1与铜基板2之间冶金结合，所述铜基板2与工作涂层3之间冶金结合或机械结合，所述钢基板1与铜基板2冶金结合构成的整体结构内设有若干冷却水道。

如图4、图5、图6和图7所示，优选的，所述若干冷却水道4设于所述钢基板1内并且贴近所述铜基板2、铜基板2内、铜基板2内并且贴近所述钢基板1或钢基板1与铜基板2的结合面之间。

优选的，所述钢基板1为不锈钢板或碳素结构钢板，所述铜基板2为紫铜板或铜合金板，所述工作涂层3为镍基合金涂层、钴基合金涂层、镍基金属陶瓷复合涂层或钴基金属陶瓷复合涂层。

优选的，所述钢基板1的厚度为70～90mm，所述铜基板2的厚度为15～25mm，所述工作涂层3的厚度为0.3～2mm。

优选的，所述冷却水道4的截面形状为圆形或长腰形，所述长腰形冷却水道的长度为10～15mm、宽度为4～8mm、弧顶直径为4～8mm，所述若干冷却水道4均布并且间距为15～30mm。

本一体式连铸结晶器部件可通过下述方法制得，钢基板和/或铜基板通过金属增材打印构建实体，并且打印过程在钢基板和/或铜基板内预留若干冷却水道，钢基板与铜基板之间通过金属熔融沉积构成冶金结合，工作涂层通过金属增材打印、电镀或喷涂于铜基板表面，整体机械加工至产品要求尺寸，最终形成一体式结晶器部件。

优选的，在打印床上预制钢基板和铜基板的一体式三维结构模型并且进行二维切片，根据钢基板的二维切片熔融沉积钢基材料，增材打印创建钢基板实体，更换打印材料，根据铜基板的二维切片在钢基板实体上继续熔融沉积铜基材料，增材打印创建铜基板实体，钢基板与铜基板之间形成冶金结合。

优选的，采用钢板按工艺要求机加工成钢基板，钢基板设于打印床上，预制铜基板的三维结构模型并且进行二维切片，根据铜基板的二维切片在钢基板上熔融沉积铜基材料，增材打印创建铜基板实体，钢基板与铜基板之间形成冶金结合。

优选的，按工艺要求锻造或轧制铜基板，铜基板设于打印床上，预制钢基板的三维结构模型并且进行二维切片，根据钢基板的二维切片在铜基板上熔融沉积钢基材料，增材打印创建钢基板实体，钢基板与铜基板之间形成冶金结合。

优选的，熔融沉积采用激光或电子高能束作为扫描热源，将金属粉末材料或金属丝材根据二维切片逐层熔融打印叠加而形成钢基板和/或铜基板实体。其中：熔融打印的金属增材制造工艺可采用选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、激光近净成型（LENS）或电子束熔化技术（EBM、EBSFF）。

本结晶器部件中的钢基板主要起结构支撑作用，对应原装配式结晶器的背板结构功能；铜基板因铜基材质具有良好的导热性能，该部分主要起到快速导热冷却作用，对应于原装配式结晶器的铜板结构功能；工作涂层为结晶器的工作层，其与钢水和初生坯壳接触，主要起到耐磨耐蚀抗高温的作用。

本结晶器部件与传统装配式结晶器结构相比具有显著优势，由于铜基板与钢基板是冶金结合连为一体的，这样就能解决传统装配式结晶器制造及应用中面临的许多难题。比如传统装配式结晶器制造中铜板与背板通过螺栓连接，需要先在铜板背面加工上百螺孔，因铜板强度低还需在这上百螺孔中镶入不锈钢螺纹套，给加工及后期维护增加了很大的难度；铜板背部需加工水槽，通过铜板贴合于背板上从而形成冷却水道，为保证铜板与背板的紧密贴合，上百螺栓紧固必须一致且稳定可靠；此外为防止铜板与背板贴合不好导致漏水的情况，必须在铜板与背板结合面最外圈设计密封结构，而在使用过程中因使用工况恶劣密封圈很容易失效，需经常更换而导致频繁拆装，甚至有时会在使用过程中因密封失效而漏水，造成生产安全事故。本一体式结晶器部件结构没有了传统结晶器复杂的螺纹装配结构，结构简单，且无需密封结构，避免了传统装配式结晶器使用过程中因密封失效漏水的重大难题，并简化了制造工艺。

冷却水道形式可参照传统装配式结晶器冷却结构，但与传统装配式结晶器结构相比具有明显的改变。传统装配式结晶器的铜板与背板通过螺栓紧固于一起在结合面处形成的冷却水道，因铜板上螺纹套的存在，原冷却水道在铜板上的分布必须避开螺纹套位置，从而导致整个铜板表面工作时的同一高度上的温度场分布不均匀，有时甚至会存在10～20℃的温差，严重影响结晶器的冷却效果，进而导致连铸坯表面出现缺陷，影响连铸坯产品质量。而本一体式结晶器部件因铜基板和钢基板为一体冶金结合，故无需螺栓连接，冷却水道也不存在避开螺纹套位置的问题，冷却水道的分布可以更合理设计，从而获得更加均匀的温度场分布。

本一体式结晶器部件采用的制备方法与传统装配式结晶器制作方法和路线完全不同，传统装配式结晶器是由背板和带工作涂层的铜板由螺栓装配于一体形成，其制作方法是先分别将背板和铜板加工成各自的结构，其中背板加工主要包括背板的平面加工、孔加工及密封槽加工等；铜板加工主要包括铜板平面加工、背面水槽及螺孔加工等，然后在铜板正面制备工作涂层并将工作涂层机加工至要求尺寸；最后铜板与背板间安置密封条后螺栓紧固装配于一体形成产品。

本结晶器部件的冷却水道分布位置可以在铜基板内部，也可在铜基板与钢基板的结合面、靠铜基板侧或靠钢基板侧，也可是以上几种情况的组合。冷却水道可以通过金属增材打印制造过程直接打印，这正是本一体式结晶器部件与传统结晶器制造的重要区别之一。通过增材制造方法直接打印出冷却水道从而摆脱了传统机械加工的限制，冷却水道可以根据生产工况需求，任意设计冷却水道的位置、形状及分布，这样可以获得比传统设计更均匀的冷却温度场和更强的冷却能力，更适应于目前的高效高速连铸线的生产应用。此外，由于本一体式结晶器部件通过增材打印获得，无需螺栓连接，以及冷却水道的柔性化设计可获得冷却能力更强、温度分布更均匀，从而可大大降低传统结晶器的铜板厚度，在节省更多铜材的同时，还有利于带电磁搅拌的连铸机型，有利于提高钢铁产品的质量。

本结晶器相比传统装配式结晶器的制造方法更为简便，通过增材打印完成钢基板、铜基板、工作涂层三部分异种材质的复合整体式结构构建，然后再进行整体加工，避免了传统装配式结晶器各零部件间的装配复杂、精度保障困难的问题。

综上所述，本实用新型提出的一体式结晶器部件克服了传统结晶器制造及应用中存在的诸多问题，如传统结晶器为保证铜板与背板连接需加工大量螺孔造成的加工难度以及在应用中容易因铜板变形螺孔错位而导致无法装配报废的问题；因螺孔的存在需采用大厚度铜板造成的铜材大量浪费的问题；因铜板与背板通过螺栓连接形成冷却水道、周边密封圈因恶劣工况失效漏水造成安全事故的问题，具有重要的应用价值及推广意义。

作为本结晶器的具体实施例之一，可采用304不锈钢板作为一体式结晶器部件的钢基板，不锈钢板厚90mm，预加工出入水孔道等局部结构，表面喷砂毛化，去除表面氧化皮，置于打印床上作为打印基底；在不锈钢板表面采用紫铜粉末材料作为增材打印粉末，粉末粒度45～65μm，金属增材打印工艺选择激光选区熔化（SLM）技术，根据铜基板的二维切片实施增材打印，构建铜基板实体，铜基板内包括冷却水道，铜基板实体的厚度为25mm；在该铜基板上继续实施工作涂层的增材打印，只需更换增材打印粉末，选用镍基合金Ni30作为工作涂层材料，工作涂层打印厚度1mm；整体结构制作完成后清理冷却水道内粉末，并对整体结构进行退火消应力处理；最后对整体结构进行机械加工至要求尺寸，包括冷却水道的带砂高压水加工处理，从而形成最终的一体式结晶器部件产品。

上述实施例只是作为本方法的一种具体应用，以上描述不应该被视为对本方法的限制。