一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺及装置

本发明属于金属冶炼制造领域，特别涉及一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺及装置。

背景技术：

金属冶炼制造是从矿物中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属材料加工成具有一定性能的金属零件的过程和工艺。在金属冶炼完成之后，接下来的就是将金属铸造成形并加工成各种形状的零件，铸造是金属加工成形的第一步，也是最重要的一步，其铸造质量的好坏直接影响着后续工序的加工质量，因此，提高金属铸造质量有着非常重要的意义。

合金管是无缝钢管的一种，其性能比一般的无缝钢管高很多，由于添加了微量的锰、铬或锆等元素，其硬度、抗高温高压、耐腐蚀和耐磨性能是其他无缝钢管比不上的，所以合金管被广泛应用于石油、航天、化工、电力、锅炉、军工等行业。

合金管水平连铸是铸轧法生产的首道工序，对后续其他工序有着重要的影响，合金管成品质量的优劣更是可以在铸坯品质中体现。在合金管坯水平连铸过程中，合金液在结晶器内凝固成管坯，合金液与管坯间的区域称为固液结合面，固液结合面在结晶器铅垂方向的对称面上显示为与结晶器轴向成一定夹角的曲线，该曲线称为液穴线，液穴线左侧合金液温度高于管坯的熔点，液穴线右侧管坯的温度低于管坯的熔点。合金液在液穴线附近开始凝固成坯壳，坯壳具有一定的厚度和强度，结晶器也存在一定的锥度，在拉坯运动和结晶器震动过程中，由于液穴线两侧合金液与结晶器内表面的摩擦系数不同，液穴线附近结晶器内表面的磨损是结晶器内表面上最严重的，所以必然改变结晶器内表面固液结合点的发生位置，避免每次固液结合点发生在相同位置，最终减缓结晶器内表面的磨损，提高结晶器使用寿命。由于合金管坯外表面与结晶器内表面直接接触，所以结晶器内表面磨损程度直接影响到合金管坯外表面质量。在后续的磨面工序中，由于合金管具有较高的耐磨性能，如果合金管坯外表面质量较差，则其磨面深度将会比外表面质量较好的合金管坯大许多，在磨面工序中不仅费时费力，而且还造成了不必要的浪费。所以，减小结晶器内表面的磨损对提高结晶器的使用寿命和合金管生产有着非常重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺及装置，目的在于通过不断改变结晶器内固液结合点的位置，从而在合金管冶炼制造过程中延缓结晶器内表面磨损，提高结晶器使用寿命及合金管坯表面质量，减小合金管坯磨面深度。

本发明的一个方式的提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺，其包括如下步骤：

步骤1，保持冷却水套各腔室内冷却水流速稳定且相同，开始管坯水平连铸，以合适稳定的拉坯速度进行管坯生产；

步骤2，通过预埋的多个热电偶对结晶器内表面的温度进行测量，确定结晶器内表面上固液结合点的位置，具体步骤为：

步骤21、确定管坯的原料熔点温度；

步骤22、通过预埋的多个热电偶对结晶器内表面的温度进行测量，得到多个测量值；

步骤23、将测量值分别与熔点温度进行比较，确定结晶器内表面上固液结合点的位置为测量值高于熔点温度的热电偶到测量值低于熔点温度的热电偶之间；

步骤3，控制器发出指令，提高固液结合点当前位置腔室及其左右相邻腔室的冷却水流量，使固液结合点向结晶器入口方向移动；

步骤4，重复执行步骤2及步骤3，直至固液结合点移动至结晶器入口限位；

步骤5，控制器发出指令，降低固液结合点当前位置腔室及其左右相邻腔室的冷却水流量，使固液结合点向结晶器出口方向移动；

步骤6，重复执行步骤2及步骤5，直至固液结合点移动至结晶器出口限位；

步骤7，返回执行步骤3，令固液结合点在结晶器入口限位及出口限位间反复移动，直至结晶器内表面磨损严重、导致合金管磨面深度达到限定值，冶炼结束。

进一步地，所述管坯为合金管坯。

进一步地，所述步骤2中热电偶的测量温度通过温度采集装置发送到信息处理装置进行判断。

进一步地，所述步骤3中控制器通过信息处理装置得到判断结果并发出指令。

一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造装置，其具备结晶器、结晶器进液装置和结晶器冷却装置；

所述结晶器内部设有热电偶、径向测温孔和导线通道；

所述结晶器进液装置包括进液腔、进液管和进液口，进液腔通过结晶器进液管与结晶器连接；

所述结晶器冷却装置包括冷却水套、冷却水管道、冷却水降温循环系统、温度采集装置、信息处理装置和控制器；所述冷却水套套设在所述结晶器外部，其内部沿结晶器轴向和周向均匀开设有多个中空的冷却腔室，所述冷却腔室的两端分别设有冷却水套入口和冷却水套出口；所述冷却水管道包括纵向水管、横向水管、入水分流管和出水分流管；所述纵向水管的第一端与所述横向水管连通，所述纵向水管的第二端与所述冷却水降温循环系统连通；所述横向水管包括第一横向水管和第二横向水管，所述第一横向水管与多个入水分流管的第一端连通，所述入水分流管的第二端分别与多个冷却水套入口连接，所述入水分流管上设有流量控制阀；所述第二横向水管与多个出水分流管的第一端连通，所述出水分流管的第二端分别与多个冷却水套出口连接；

所述结晶器内表面上均匀埋设有多个所述热电偶，所述热电偶的埋设位置与所述冷却腔室一一对应；所述多个热电偶分别与温度采集装置连接。

本发明的效果如下：

1、基于分段冷却的原理，将冷却水套在轴向和周向划分成多个冷却腔室，通过改变冷却腔室内冷却水流量影响结晶器内合金液的冷却，改变结晶器内固液结合点的位置，提高了结晶器的使用寿命、延缓了结晶器内表面磨损，保证了合金管坯表面质量，减小了磨面工序的磨面深度。

2、基于冷却水量动态调整的原理，利用信息处理装置将温度采集装置采集的信息进行处理，通过控制器根据实际生产调整不同冷却腔室内冷却水流量，保证了合金管坯水平连铸生产的稳定，满足了不同成分合金管、不同拉坯速度、不同结晶器结构参数等的合金管生产需求，减少了资源浪费，降低了成本。

附图说明

图1是本发明一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺的流程框图；

图2是本发明提高结晶器使用寿命的冶炼制造装置的立体装配示意图；

图3是本发明实施例1提供的冶炼制造装置的侧视剖面示意图；

图4是本发明实施例1固液结合点向结晶器入口方向移动前的位置示意简图；

图5是本发明实施例1固液结合点向结晶器入口方向移动后的位置示意简图；

图6是本发明实施例2提供的冶炼制造装置的侧视剖面示意图；

图7是本发明实施例2固液结合点向结晶器入口方向移动前的位置示意简图；

图8是本发明实施例2固液结合点向结晶器入口方向移动后的位置示意简图；

图中：

1—结晶器，2—结晶器进液装置，3—结晶器冷却装置，4—合金液，5—固液结合面，6—合金管坯，11—热电偶，12-径向测温孔，13-导线通道，21—进液腔，22—进液管，23—进液口，31—冷却水套，32—冷却水管道，33—冷却水降温循环系统，34—温度采集装置，35—信息处理装置，36—控制器，121—结晶器入口限位，122—结晶器出口限位，311—冷却腔室，312—冷却水套入口，313—冷却水套出口，321—纵向水管，322—横向水管，323—入水分流管，324—出水分流管，325—流量控制阀。

具体实施方式

下面结合附图1-8和实施例对本发明作进一步阐述。

合金管水平连铸是铸轧法生产的首道工序，对后续其他工序有着重要的影响，合金管成品质量的优劣更是可以在铸坯品质中体现。在合金管坯水平连铸过程中，合金液在结晶器内凝固成管坯，合金液与管坯间的区域称为固液结合面，固液结合面在结晶器铅垂方向的对称面上显示为与结晶器轴向成一定夹角的曲线，该曲线称为液穴线，液穴线左侧合金液温度高于管坯的熔点，液穴线右侧管坯的温度低于管坯的熔点。合金液在液穴线附近开始凝固成坯壳，坯壳具有一定的厚度和强度，结晶器也存在一定的锥度，在拉坯运动和结晶器震动过程中，由于液穴线两侧合金液与结晶器内表面的摩擦系数不同，液穴线附近结晶器内表面的磨损是结晶器内表面上最严重的，所以必然改变结晶器内表面固液结合点的发生位置，避免每次固液结合点发生在相同位置，最终减缓结晶器内表面的磨损，提高结晶器使用寿命。由于合金管坯外表面与结晶器内表面直接接触，所以结晶器内表面磨损程度直接影响到合金管坯外表面质量。在后续的磨面工序中，由于合金管具有较高的耐磨性能，如果合金管坯外表面质量较差，则其磨面深度将会比外表面质量较好的合金管坯大许多，在磨面工序中不仅费时费力，而且还造成了不必要的浪费。所以，减小结晶器内表面的磨损对提高结晶器的使用寿命和合金管生产有着非常重要的意义。

本发明提供一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造生产工艺，包括如下步骤：

步骤1、保持冷却水套31各腔室内冷却水流速稳定且相同，开始管坯水平连铸，以合适稳定的拉坯速度进行管坯生产；

步骤2、通过预埋的多个热电偶11对结晶器1内表面的温度进行测量，确定结晶器1内表面上固液结合点的位置，具体步骤为：

步骤21、确定合金管坯6的原料熔点温度；

步骤22、通过预埋的多个热电偶11对结晶器1内表面的温度进行测量，得到多个测量值；

步骤23、将测量值分别与熔点温度进行比较，确定结晶器1内表面上固液结合点的位置为测量值高于熔点温度的热电偶11到测量值低于熔点温度的热电偶11之间；

热电偶11的测量温度通过温度采集装置34发送到信息处理装置35进行判断。

步骤3，控制器36发出指令，提高固液结合点当前位置腔室及其左右相邻腔室的冷却水流量，使固液结合点向结晶器1入口方向移动；

控制器36通过信息处理装置35得到判断结果并发出指令。

步骤4，重复执行步骤2及步骤3，直至固液结合点移动至结晶器入口限位121；

步骤5，控制器36发出指令，降低固液结合点当前位置腔室及其左右相邻腔室的冷却水流量，使固液结合点向结晶器1出口方向移动；

步骤6，重复执行步骤2及步骤5，直至固液结合点移动至结晶器出口限位122；

步骤7，返回执行步骤3，令固液结合点在结晶器入口限位121及结晶器出口限位122间反复移动，直至结晶器1内表面磨损严重、导致合金管磨面深度达到限定值，冶炼结束。

一种提高结晶器使用寿命的冶炼制造装置，具备结晶器1、结晶器进液装置2和结晶器冷却装置3；

结晶器1内设有热电偶11、径向测温孔12和导线通道13；结晶器进液装置2包括进液腔21、进液管22和进液口23，进液腔21通过结晶器1进液管22与结晶器1连接，结晶器冷却装置3包括冷却水套31、冷却水管道32、冷却水降温循环系统33、温度采集装置34、信息处理装置35和控制器36；冷却水套31设有冷却腔室311、冷却水套入口312和冷却水套出口313；冷却水管道32包括纵向水管321、横向水管322、入水分流管323、出水分流管324和流量控制阀325。

冷却水套31套设在结晶器1外部，其内部沿结晶器1轴向和周向均匀开设有多个中空的冷却腔室311，冷却腔室311的两端分别设有冷却水套入口312和冷却水套出口313。

冷却水管道32包括纵向水管321、横向水管322、入水分流管323和出水分流管324；纵向水管321(为增加水流量，可以设置为多条)的第一端与横向水管322连通，纵向水管321的第二端与冷却水降温循环系统33连通；横向水管322包括第一横向水管和第二横向水管，第一横向水管与多个入水分流管323的第一端连通，入水分流管323的第二端分别与多个冷却水套入口312连接，入水分流管323上设有流量控制阀325；第二横向水管与多个出水分流管324的第一端连通，出水分流管324的第二端分别与多个冷却水套出口313连接。

冷却水降温循环系统33可降低高温冷却水温度并将冷却水循环利用，冷却水降温循环系统33中设有不锈钢多级离心泵，离心泵向连接有第一横向水管的纵向水管321内压入冷却水，冷却水经由纵向水管321、第一横向水管、入水分流管323流入冷却腔室311的一端，对结晶器1进行冷却后，由冷却腔室311的另一端流入出水分流管324，并经由第二横向水管、纵向水管321，流入冷却水降温循环系统33进行循环利用。

结晶器1内表面上均匀埋设有多个热电偶11，热电偶11的埋设位置与冷却腔室311一一对应；多个热电偶11分别通过补偿导线与温度采集装置34连接。在结晶器1内表面的浅表层内设有多行径向测温孔12，热电偶11预埋在径向测温孔12内，径向测温孔12的直径为4mm。结晶器1内表面内部设有容纳热电偶11补偿导线的导线通道13，其轴线离结晶器1内表面的距离也为5mm，导线通道13全高为2mm，然后在第一行径向测温孔12内从结晶器1出口到结晶器1入口的方向上与冷却腔室311一一对应地等距离安装多个热电偶11，相邻两热电偶11之间的距离为13mm，然后实时记录各热电偶11测得的温度数据。信息处理装置35与温度采集装置34接口连接，控制器36与信息处理装置35接口连接，控制器36通过控制流量控制阀325开口大小控制冷却水流量。

实施例1：

使用本发明的装置和方法生产φ外92.1mm×φ内39.6mm的硬铝(铝铜镁)合金管坯6，其装置的工作过程大致如下：

如图3到图5所示，在周向上将冷却水套31内冷却腔室311从右上顺时针依次记为ⅰ、ⅱ、ⅲ，在轴向上将冷却水套31内的冷却腔室311从结晶器1出口到结晶器1入口依次记为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15，则冷却水套31内共计45个冷却腔室311。在结晶器1内设置与ⅰ、ⅱ、ⅲ区域冷却腔室311一一对应的三行径向测温孔12，然后在第一行径向测温孔12内从结晶器1出口到结晶器1入口的方向上等距离安装c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14、c15共十五个热电偶11，在第二行径向测温孔12内从结晶器1出口到结晶器1入口的方向上等距离安装d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11、d12、d13、d14、d15十五个热电偶11，在第三行径向测温孔12内从结晶器1出口到结晶器1入口的方向上等距离安装e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11、e12、e13、e14、e15十五个热电偶11，相邻两热电偶11之间的距离为13mm，结晶器1开始工作前，将结晶器1内热电偶11接口、温度采集装置34、信息处理装置35和控制器36依次连接并开始运行，控制器36控制流量控制阀325开口，使冷却水套31内各冷却腔室311冷却水以60l/h的流量对结晶器1进行冷却。合金管坯6水平连铸开始时，进液腔21内的合金液4通过结晶器1进液口23进入结晶器1内，以270mm/min的拉坯速度进行合金管坯6生产，在结晶器1内凝固成合金管坯6，固液结合面5处于合金液4和合金管坯6之间。同时，温度采集装置34采集结晶器1内预埋热电偶11测得的温度，在本实施例中,硬铝(铝铜镁)的熔点为641℃，当管坯水平连铸稳定时,将结晶器1铅垂方向的对称面内固液结合面5与结晶器1内表面的交点从上到下依次记为a、b、j,由于c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14、c15号热电偶11测得的温度高于硬铝管的熔点641℃,c1、c2、c3、c4、c5、c6号热电偶11测得的温度低于硬铝管的熔点641℃；d7、d8、d9、d10、d11、d12、d13、d14、d15号热电偶11测得的温度高于硬铝管的熔点641℃,d1、d2、d3、d4、d5、d6号热电偶11测得的温度低于硬铝管的熔点641℃,e7、e8、e9、e10、e11、e12、e13、e14、e15号热电偶11测得的温度高于硬铝管的熔点641℃,e1、e2、e3、e4、e5、e6号热电偶11测得的温度低于硬铝管的熔点641℃,

则由此可以确定交点a左右热电偶11的编号依次分别是:c6、c7,交点b左右热电偶11的编号依次分别是:d6、d7,交点j左右热电偶11的编号依次分别是:e6、e7,因此确定固液结合面5与结晶器1内表面交点的位置范围为6号热电偶11到7号热电偶11之间，分析出固液结合面5位于第7号冷却腔室311的位置，随后通过控制器36发出指令，将第7、8号冷却腔室311相连接的流量控制阀325开口扩大，将第7、8号冷却腔室311的冷却水流量各提高10l/h，此时结晶器1内固液结合面5的位置开始向结晶器1入口方向移动，后续每轮次水平连铸，重复执行上述调整步骤，将固液结合面5向结晶器1入口方向移动，直至结晶器1内固液结合面5移动至结晶器入口限位121；当固液结合面5发生在结晶器入口限位121，此后的调整使结晶器1内固液结合面5开始向结晶器1出口处移动；重复上述移动固液结合面5的操作，直至结晶器1内表面磨损严重导致合金管磨面深度达到限定值0.5mm。

经实际检验证明，用水平连铸生产φ外92.1mm×φ内39.6mm的硬铝合金管坯6，采用传统一体连通式冷却水套31对结晶器1进行冷却时，不仅增加了保证合金管坯6表面质量的难度，且在后续的磨面工序中需要磨去0.95mm的厚度，浪费了材料，成材率也仅有94.99％。使用本发明的装置与方法生产φ外92.1mm×φ内39.6mm的合金管坯6，合金管坯6的质量得到了提高，成材率提高到了97.35％，结晶器1使用寿命可提高12％，从而减少结晶器1更换的次数，降低了生产成本。

实施例2：

使用本发明的装置和方法生产φ外92.0mm×φ内35.0mm的黄铜h80合金管坯6，其装置的工作过程大致如下：

如图6到图8所示，在周向上将冷却水套31内冷却腔室311从右上顺时针依次记为ⅰ、ⅱ、ⅲ，在轴向上将冷却水套31从结晶器1出口到结晶器1入口依次记为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15，冷却水套31共计45个冷却腔室311。结晶器1开始工作前，将结晶器1内热电偶11接口、温度采集装置34、信息处理装置35和控制器36依次连接并开始运行，控制器36控制流量控制阀325开口，使冷却水套31内各冷却腔室311冷却水以80l/h的流量对结晶器1进行冷却。合金管坯6水平连铸开始时，进液腔21内的合金液4通过结晶器1进液口23进入结晶器1内，以304.2mm/min的拉坯速度进行合金管坯6生产，在结晶器1内凝固成合金管坯6，固液结合面5处于合金液4和合金管坯6之间。同时，温度采集装置34采集结晶器1内预埋热电偶11测得的温度，在本实施例中,黄铜h80的熔点为967℃，当管坯水平连铸稳定时,将结晶器1铅垂方向的对称面内固液结合面5与结晶器1内表面的交点从上到下依次记为a、b、j,由于c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14、c15号热电偶11测得的温度高于黄铜h80合金管的熔点967℃,c1、c2、c3、c4、c5号热电偶11测得的温度低于黄铜h80合金管的熔点967℃；d6、d7、d8、d9、d10、d11、d12、d13、d14、d15号热电偶11测得的温度高于黄铜h80合金管的熔点967℃,d1、d2、d3、d4、d5号热电偶11测得的温度低于黄铜h80合金管的熔点967℃,e6、e7、e8、e9、e10、e11、e12、e13、e14、e15号热电偶11测得的温度高于黄铜h80合金管的熔点967℃,e1、e2、e3、e4、e5号热电偶11测得的温度低于黄铜h80合金管的熔点967℃,则由此可以确定交点a左右热电偶11的编号依次分别是:c5、c6,交点b左右热电偶11的编号依次分别是:d5、d6,交点j左右热电偶11的编号依次分别是:e5、e6,因此确定固液结合面5与结晶器1内表面交点的位置范围为5号热电偶11到6号热电偶11之间，分析出固液结合面5位于第6号冷却腔室311的位置，通过控制器36发出指令，将第5、6号冷却腔室311相连接的流量控制阀325开口扩大，将第5、6号冷却腔室311的冷却水流量各提高15l/h，此时结晶器1内固液结合面5的位置开始向结晶器1入口方向移动，后续每轮次水平连铸，重复执行上述调整步骤，将固液结合面5向结晶器1入口方向移动，直至结晶器1内固液结合面5移动至结晶器入口限位121；当固液结合面5发生在结晶器入口限位121，此后的调整使结晶器1内固液结合面5开始向结晶器1出口处移动；重复上述移动固液结合面5的操作，直至结晶器1内表面磨损严重导致合金管磨面深度达到限定值0.55mm。

经实际检验证明，，用水平连铸生产φ外92.0mm×φ内35.0mm的黄铜h80合金管坯6，采用传统一体连通式冷却水套31对结晶器1进行冷却时，不仅增加了保证合金管坯6表面质量的难度，且在后续的磨面工序中需要磨去0.96mm的厚度，浪费了材料，成材率也仅有95.17％。使用本发明的装置与方法生产φ外92.0mm×φ内35.0mm的合金管坯6，合金管坯6的质量得到了提高，成材率提高到了97.22％，结晶器1使用寿命可提高15％，从而减少结晶器1更换的次数，降低了生产成本。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。