专利名称：薄板坯连铸结晶器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及连续铸钢技术，特别涉及薄板坯连铸结晶器。
“连续铸造薄板坯的结晶器”则是薄板坯的连续铸钢生产中的关键部件，其主要作用是将液态钢水快速冷却、凝固成具有一定凝固层厚度、断面形状带有很大宽厚比的薄板坯壳。
薄板坯连铸结晶器通常是由四块水冷铜板构成，其中两块窄的以下简称窄侧壁，两块宽的以下简称宽侧壁。两块窄侧壁的位置是可调的，结晶器底部两者间距它决定了板坯的宽度；两块宽侧壁位置基本上是固定的，结晶器底部两者间距它决定了板坯出结晶器时的厚度。
现有的薄板坯连铸结晶器通常可分为两类，一类为平板形结晶器，如专利88103709、94101396、PCT.JP95/01504 95.7.27中国专利号95190694等；另一类为漏斗形结晶器，如专利DE-OS3400220中国专利号85101082、93119688、91108427等。
平板形结晶器的两个宽侧壁基本上是平行的。为浇铸薄板坯，有的平板形结晶器的宽侧壁间距很窄。对于此类平板形结晶器，为保证浸入式水口不与两个宽侧壁接触且有一定的间距，在不减小浸入式水口内径的前提下，只能通过减小水口壁厚和将水口做成薄片状来解决，结果致使浸入式水口成本升高而寿命降低。即使如此，仍存在着钢水铸流对宽面凝固坯壳冲刷严重的问题。此外，由于宽侧壁间距窄，结晶器上部浇注区域的容积较小，在浸入式水口通钢量较大的情况下，钢水液面波动很大，这将对坯质量及生产顺行造成不利的影响。为解决上述问题，有的平板形结晶器适当增加了宽侧壁的间距，但出结晶器时铸坯厚度也相应增加了，已经不再是真正意义上的薄板坯连铸结晶器了。
漏斗形结晶器的两个宽侧壁并非平面，在插浸入式水口的中间部分向内，凹两宽侧壁之间距比边部大，使其成为一个漏斗状的浇注区。该区域自上而下逐渐收缩，或者在结晶器底部收缩为最终厚度；或者使铸坯在出结晶器下口时仍带有凸度，通过随后的数对具有相应渐变曲面的足辊将铸坯碾平为最终厚度。
漏斗形结晶器的设计，使得浸入式水口壁厚可以有所增加，水口与宽侧壁之间距也能有所加大。相对于平板型结晶器而言，此类结晶器由于增大了结晶器上部浇注区域的容积，带来了一些冶金工艺方面的益处，如可以在一定程度上减少液面波动、改善保护渣在结晶器钢水弯月面上熔融状况等。但随之而来又因“漏斗区”锥度的增大，导致铸坯坯壳与宽侧壁摩擦力增加，产生结晶器使用寿命降低、发生粘结性漏钢的倾向增大等不足。
上述两类薄板坯结晶器共同的特点是只有一个浇注区，还有以下共同的不足①不适合浇铸宽厚比很大的宽薄板坯。随着板坯宽度增加，在上述两类薄板坯结晶器中，边部钢水与中心区域钢水的温差也随之加大，从而导致铸坯发生边部质量问题的倾向增加、浇钢过程中发生粘结漏钢的可能性增大。因此现有技术很难浇铸宽度在1700mm以上的薄板坯。
②浇钢过程中钢水注流不能中断，不能进行换水口作业，更不能进行快速更换中间包的作业。因此，现有技术情况下薄板坯连铸的连浇炉数较低，通常以浸入式水口寿命为上限。
此外，由于平板型结晶器的宽侧壁间距窄，结晶器上部浇注区域的容积较小，在浸入式水口通钢量较大的情况下，钢水液面波动很大，这将对铸坯质量及生产顺行造成不利的影响。漏斗形结晶器则存在着因“漏斗区”锥度大，导致铸坯坯壳与宽侧壁摩擦力增加，结晶器使用寿命降低、发生粘结性漏钢的倾向增大等不足。
为达到上述目的，本实用新型设计的薄板坯连铸结晶器，包括两个宽侧壁及两个可移动位置的窄侧壁；两块宽侧壁与两窄侧壁一起构成薄板坯连铸结晶器的内腔；所述的宽侧壁的表面包含了至少两个凹曲面，相邻凹曲面之间的中间平面及一个基本平面；所述的两块宽侧壁对应的凹曲面构成至少两个浇注区。
所述的的中间平面对应的宽侧壁间距大于基本平面对应的宽侧壁间距，小于凹曲面对应的宽侧壁的间距；以保持凹曲面之间钢水相互流动的顺畅；可增加浇注区及中间区域的容积以利于钢水液面波动的减小；中间平面对应的间距增大，使相邻凹曲面之间的曲线长度与直线距离之比减小，坯壳形变减小；但中间平面对应的间距也不宜太大，以免铸坯坯壳与中间平面之间的摩擦过大。
进一步，所述的宽侧壁的至少两个凹曲面的凹陷中心线与垂直中心线成一夹角β1、β2，且0°≤β1≤0.5°，0°≤β2≤0.5°；推荐采用对称设计，即β1＝β2；使两个凹曲面凹陷中心的间距自上而下，微量减小，以配合两个凹曲面间铸坯坯壳的冷却收缩。
又，所述的宽侧壁的中间平面宽度大于等于相应位置上两宽侧壁的间距，以保证相邻凹曲面之间有足够距离的平面过渡，避免该部位的铸坯坯壳因应力集中而产生质量问题。
所述的宽侧壁的两个相邻凹曲面的凹陷中心线的间距应在400mm～1200mm之间。两个相邻凹曲面的凹陷中心线的间距不能太大，否则，当一个浇注区钢水短暂中断时，另一个浇注区的钢水难以及时补充并维持液面基本稳定。两个相邻凹曲面的凹陷中心线的间距也不能太小，还须考虑到宽侧壁总长度L1、中间平面的宽度及浇注区的个数等因素的制约，以及水口机构等其他机械机构尺寸的限制。
所述的宽侧壁的中间平面偏离基本平面的距离自上而下逐步减小；在宽侧壁的最上部，中间平面偏离基本平面的距离为ΔW2，ΔW2为所浇注的铸坯厚度的0.10～0.75倍。
本实用新型的优点是采用本实用新型的结晶器，薄板坯宽度可在1800mm以上，增大了薄板坯连铸产品的规格范围；浇铸过程中可快速更换水口；由于采用多个浇注区的设计，单个浇注区内的通钢量大大减少，有利于保持结晶器内钢水液面的平稳；同时，也可以减小凹曲面的设计凹陷深度，有利于减小坯壳对宽侧壁的摩擦，提高结晶器铜板使用寿命；增加了结晶器内钢水的流场、温度场的调节手段，同时也使坯壳变形有所减小，有利于提高铸坯质量、扩大薄板坯连铸产品的品种。
图1为本实用新型的俯视示意图。
图中1、2为结晶器宽侧壁；3、4为结晶器窄侧壁；5为结晶器宽侧壁上的基本平面；6、7、8为结晶器宽侧壁上的凹曲面；9、10为结晶器宽侧壁上的中间平面；11为浸入式水口；L1表示结晶器宽侧壁的宽度，它决定了所能浇注的最大铸坯宽度；L2、L3表示窄侧壁3、4能够移动的范围；L4、L5分别表示凹曲面6、7之间、凹曲面7、8之间的间距。
W1为宽侧壁上的基本平面对应的宽侧壁的间距，也是结晶器底部宽侧壁的间距，近似地等于所浇注的铸坯厚度；W2、W3为宽侧壁中间平面对应的结晶器宽侧壁的间距；W4、W5、W6为宽侧壁凹曲面对应的结晶器宽侧壁的间距。
图2本实用新型的A-A剖面示意图。
图中H1为结晶器总高度；H2为凹曲面底部离宽侧壁底部的高度；β1、β2为凹曲面的凹陷中心线与垂直线的夹角；图3为图1的B-B剖面示意图；图4为本实用新型的凹曲面的局部放大示意图。
图中ΔW1为凹曲面的凹陷深度；
ΔW2为中间平面的偏斜程度；ΔL表示凹曲面的宽度；12表示凹曲面与平面之间平滑过渡；图5为本实用新型的一实施例示意图。
图6为图5的C-C剖面示意图。
在基本平面5对应的位置上，宽侧壁的间距为W1，W1近似地等于所铸薄板坯的厚度。该结晶器适合浇注厚度为50～100mm之间的薄板坯。
由于宽侧壁上有多个凹曲面，因此该结晶器对应有多个浇注区。(图1所示的宽侧壁上有3个凹曲面，因此相应地有3个浇注区)W4、W6、W5分别为凹曲面6、7、8凹陷中心对应的位置上的两宽侧壁的间距。结晶器推荐采用对称设计，即W4＝W5，W4、W5一般为W1的1.5～3.0倍。在奇数个浇注区的情况下，中间浇注区的宽侧壁间距可略大于边部浇注区的宽侧壁间距，即W6≥W4(及W5)。W4、W5、W6的大小最终取决于图4中有关凹曲面各参数的设计。
中间平面9、10对应的位置上，两宽侧壁的间距分别为W2、W3。结晶器推荐采用对称设计，即W2＝W3。W2(及W3)应大于W1，但不超过W4(及W5)。
中间平面9、10的宽度沿高度方向自上而下逐渐加大。中间平面的宽度不能太小，否则，相邻两凹曲面之间缺少必要的平面过渡，两凹曲面交接部位的铸坯坯壳容易因应力集中而产生质量问题。在宽侧壁的最上部，中间平面9、10的宽度大于等于相应位置上两宽侧壁的间距W2、W3。但中间平面的宽度也不能太大，还须考虑到两个相邻凹曲面之间距的制约。
宽侧壁1、2及窄侧壁3、4的厚度设计及另一表面(水冷表面)设计可采用现有公开的成熟技术，图1未加描述。
参照图2，该结晶器的宽侧壁表面由一个基本平面5、多个凹曲面6、7、8以及相邻凹曲面之间的中间平面9、10组成。在宽度方向及高度方向上，凹曲面与基本平面及中间平面之间平滑过渡。因为是平滑过渡，故各曲面与平面间没有明确的交界线，图2中用虚线来表示。
凹曲面6、8的凹陷中心线M1、M2与垂直线分别成一微小夹角β1、β2，这是因为考虑到两个凹曲面之间的铸坯坯壳一边向下运动，一边会冷却收缩。但两个凹曲面的存在会阻碍铸坯坯壳的自由收缩，从而使铸坯坯壳内部产生很大的应力，易使坯壳开裂甚至漏钢。为此，两个凹曲面凹陷中心的间距必须自上而下，微量减小，以配合铸坯坯壳的冷却收缩。显而易见，β1、β2的选择应与所铸钢种的凝固收缩率相匹配，一般0.5°≥β1＞0°，0.5°≥β2＞0°。结晶器推荐采用对称设计，即β1＝β2。
L1为宽侧壁的宽度，它决定了该结晶器能浇注铸坯的最大宽度。由于多个浇注区的设计，该结晶器更适合浇铸大宽厚比的薄板坯。窄侧壁3、4之间距则决定了所铸薄板坯的实际宽度。浇注过程中，窄侧壁3的位置可在L2范围内调整，而窄侧壁4的位置可在L3范围内调整，因此铸坯实际宽度可在L2+L3范围内在线调节。结晶器推荐采用对称设计，即L2＝L3。为避免最边部的钢水与浇注区域的钢水温度差异过大，L2(及L3)一般不超过W1的10倍。
L4、L5分别为凹曲面6、7凹陷中心线之间、凹曲面7、8凹陷中心线之间的间距。结晶器推荐采用对称设计，即L4＝L5。L4(及L5)的大小应依据宽侧壁总长度L1、中间平面的宽度及浇注区的个数来确定。考虑到水口机构等其他机械机构尺寸的限制，L4(及L5)不能太小。但L4(及L5)也不宜过大，否则，当一个浇注区钢水短暂中断时，另一个浇注区的钢水难以及时补充并维持液面基本稳定。L4(及L5)一般应在400mm～1200mm之间。
H1为结晶器的总高度。H1既不能过小，以免在出结晶器下口时，因铸坯坯壳太薄而发生漏钢事故；H1也不宜太大，以免增加铸坯坯壳与结晶器宽侧壁间的摩擦力。H1一般应在(700mm～1300mm)之间。
H2等于结晶器总高度减凹曲面的高度。在H2范围内，两宽侧壁的间距上下、左右均相等，为W1。H2的大小，应能满足封引锭作业的需要，一般在200mm～500mm之间。
参照图3，凹曲面7、中间平面10与基本平面5成一定的夹角。在结晶器的顶部，W6＞W3＞W1；但在高度为H2的位置上，凹曲面7及中间平面10平滑过渡为基本平面5，两宽侧壁的间距均变为W1。
图4为凹曲面6的局部放大示意图。图中所例举的凹曲面为一圆锥面，它与水平平面相切为一段抛物线，后者的两端与直线平滑连接。凹曲面的凹陷深度沿高度方向自上而下逐渐减小，至宽侧壁下部凹曲面6与基本平面5平滑过渡，即凹陷深度为零。
假定在结晶器最上部，凹曲面6凹陷深度为ΔW1，中间平面偏离基本平面的距离为ΔW2，那么凹曲面设计的原则是①ΔW1一般取W1的0.25～1.25倍，保证浸入式水口插入后与宽侧壁间有足够的距离；
②ΔW2一般取W1的0.10～0.75倍。中间平面对应的位置上两宽侧壁的间距稍大，有利于两浇注区之间钢水的相互流动。
图中a、b两点间曲线长度与直线距离ΔL之比应与所浇注钢种的收缩率相匹配。ΔL可以视为凹曲面的宽度。
如图5、图6所示，本实用新型的一个实施例。
它由两个宽侧壁1、2及两个可移动位置的窄侧壁3、4组成；两块宽侧壁1、2相对放置，与两窄侧壁3、4一起构成了该结晶器的内腔；宽侧壁的表面包含了两个凹曲面6、7、相邻凹曲面之间的中间平面9及一个基本平面5；因宽侧壁包含了两个凹曲面，故该结晶器有2个浇注区，为双浇注区结晶器。浸入式水口11在这两个浇注区内插入结晶器，钢水则通过这两个浸入式水口注入结晶器。
基本平面5对应的宽侧壁的间距W1＝65mm。该结晶器可以浇注厚度略小于65mm的薄板坯。
结晶器采用对称设计，凹曲面6、8凹陷中心对应的两宽侧壁间距W3＝135mm。中间平面9对应的位置上，两宽侧壁的间距W2＝95mm。
凹曲面6、8的凹陷中心线M1、M2与垂直线Z轴分别成一微小夹角β1与β2，它们大小相等，方向相反，均约为0.2°。
宽侧壁的宽度L1＝2000mm，窄侧壁3、4的移动范围均为L2＝300mm。该结晶器能浇注的铸坯宽度范围为1300～1900mm。
凹曲面6、8也是对称设计的，均为圆锥面的一部分。凹曲面6、8与水平平面相切为一段抛物线，两端与直线平滑相连；在宽侧壁的顶部，凹曲面6、8的凹陷深度ΔW1＝35mm，宽度ΔL＝600mm，两个凹曲面6、8的凹陷中心的间距L4＝700mm，中间平面9的宽度约等于220mm，中间平面9偏离基本平面5的距离ΔW2＝15mm，为W1的0.23倍。结晶器的总高度，也是宽侧壁的总高度H1＝1100mm，凹曲面底部离宽侧壁底部的高度H2＝350mm。
权利要求1.薄板坯连铸结晶器，包括两个宽侧壁及两个可移动位置的窄侧壁；该两块宽侧壁与两窄侧壁一起构成薄板坯连铸结晶器的内腔；其特征在于所述的宽侧壁的表面包含了至少两个凹曲面，相邻凹曲面之间的中间平面及一个基本平面；所述的两块宽侧壁对应的凹曲面构成至少两个浇注区。
2.如权利要求1所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的中间平面对应的宽侧壁间距大于基本平面对应的宽侧壁间距，小于凹曲面对应的宽侧壁的间距。
3.如权利要求1或2所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的至少两个凹曲面的凹陷中心线与垂直中心线成一夹角β1、β2，且0°≤β1≤0.5°，0°≤β2≤0.5°。
4.如权利要求3所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的至少两个凹曲面的凹陷中心线与垂直中心线成一夹角β1、β2为β1＝β2。
5.如权利要求1或2所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的中间平面宽度大于等于相应位置上两宽侧壁的间距。
6.如权利要求3所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的中间平面宽度大于等于相应位置上两宽侧壁的间距。
7.如权利要求1或2所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的两个相邻凹曲面的凹陷中心线的间距应在400mm～1200mm之间。
8.如权利要求3所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的两个相邻凹曲面的凹陷中心线的间距应在400mm～1200mm之间。
9.如权利要求1或2所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的中间平面偏离基本平面的距离自上而下逐步减小；在宽侧壁的最上部，中间平面偏离基本平面的距离为ΔW2，ΔW2为所浇注的铸坯厚度的0.10～0.75倍。
10.如权利要求3所述的薄板坯连铸结晶器，其特征在于所述的宽侧壁的中间平面偏离基本平面的距离为自上而下逐步减小；在宽侧壁的最上部，中间平面偏离基本平面的距离ΔW2，ΔW2为所浇注的铸坯厚度的0.10～0.75倍。
专利摘要薄板坯连铸结晶器，包括两个宽侧壁及两个可移动位置的窄侧壁；两块宽侧壁与两窄侧壁一起构成薄板坯连铸结晶器的内腔；宽侧壁的表面包含了至少两个凹曲面，相邻凹曲面之间的中间平面及一个基本平面；两块宽侧壁对应的凹曲面构成至少两个浇注区；中间平面对应的宽侧壁间距大于基本平面对应的宽侧壁间距，小于凹曲面对应的宽侧壁的间距；宽侧壁的至少两个凹曲面的中心线与垂直中心线成一夹角。采用本实用新型，薄板坯宽度可在1800mm以上；浇铸过程中可更换水口；采用多个浇注区设计，单个浇注区内的通钢量大大减少，使结晶器内钢水液面保持平稳；增加对结晶器内钢水流场、温度场的调节手段，使坯壳变形减小，提高铸坯质量。
文档编号B22D11/04GK2531901SQ0221649
公开日2003年1月22日 申请日期2002年3月29日 优先权日2002年3月29日
发明者陈超, 刘晓, 徐荣军, 崔健, 阎朝红 申请人:宝山钢铁股份有限公司