专利名称：一种能增强湍流冷却效果的异型坯结晶器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于异型坯连铸技术领域，尤其涉及异型坯连铸结晶器铜板的冷却水缝结构。
背景技术：
在高效节约型建筑用钢品种中，H型钢因具有性能优越、加工制作和施工安装简单、方便、快捷等特点，已被广泛应用于国民经济建设的各个领域，尤其是要求承载力大、截面稳定性好的大型建筑或重型设备结构。异型坯作为一种近终形连铸产品，无疑是生产H 型钢的最佳坯料。所谓异型坯，是指除了方坯、板坯、圆坯和矩形坯以外具有复杂断面的连铸坯，主要形式为工字形铸坯。由于异型坯的形状和最终产品与H型钢的形状相似，因此， 采用异型坯轧制H型钢具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等显著优点。近年来，大型经济型断面型材的发展带动了异型坯连铸技术的大力发展，研究和提升异型坯连铸技术在我国乃至世界都具有广阔的发展前景和深远的实用意义。结晶器是异型坯连铸机的机头，其重要性更被喻为连铸机的“心脏”。它是以性能良好的铜合金制造而成，在连铸中的基本功能是利用循环冷却水通过结晶器铜板上开凿的水缝来连续不断的带走结晶器内钢液的热量，使得注入结晶器的钢液能够连续冷凝成具有一定厚度、强度及表面质量良好的凝固坯壳。结晶器是一个高效的换热器、钢水凝固成型器、钢水夹杂物净化器和铸坯表面质量控制器。从传热角度看，结晶器应具有良好的导热特性和导热均勻性，以保证结晶器内坯壳厚度和坯壳凝固的均勻性。而结晶器内热量的提取和传热均勻性很大程度上都取决于结晶器铜板上冷却水缝的设计与加工。结晶器铜板上冷却水缝的设计加工直接关系到最终的铸坯质量、铜板使用寿命和连铸工艺顺行情况。迄今为止，异型坯结晶器经历了三个阶段的发展。现有技术下，广泛采用的异型坯结晶器由2块窄面铜板和2块宽面铜板组合而成，窄面铜板为规则的长方体，宽面铜板外侧为规则长方形面，内侧中间部分凸起(为腹板部位)，两边水平(为翼稍部位)，凸起部分与水平部分由斜面和倒角相连构成圆滑的翼缘斜面，四块铜板组合之后的结晶器内腔呈“H” 形。由于异型坯结晶器窄面和宽面铜板形状不同，其冷却水通道形式也并不相同，窄面铜板是在外侧开凿了长方形的冷却水沟槽，并与外围的水套一起构成冷却水通道。宽面铜板翼稍部位的冷却水通道有两种形式，一种是在外侧开凿长方形沟槽；另一种是在铜板上钻圆形的小孔。宽面腹板和翼缘斜面处由于铜板很厚，为保证冷却效果，只能在离内侧较近距离处钻圆孔来构建冷却水通道，常见的冷却水通道形式有直径小于20mm的小圆孔直接作为冷却水通道和直径大于20mm的大圆孔内插入金属限流杆形成冷却水通道两类。由于大圆孔加工难度较低，所需数量较少，并且与其相连的进出水通道也较为简单，因此大圆孔内插入限流杆的水缝设计在断面较大的异型坯结晶器上得到较广泛应用。大圆孔内插入的限流杆是一种表面光滑的金属圆杆，其主要目的是为了限制冷却水缝面积，提高冷却水通道内的水流速，从而扩大铜板壁面与冷却水之间的传热系数，强化结晶器冷却效果。从传热学角度讲，冷却水通过结晶器水缝对铜板进行冷却的过程属于管内强制对流传热，主要包含轴向上的对流和径向上的传热，二者的强化均可增强最终传热效果。目前异型坯结晶器宽面铜板上圆孔内插入的限流杆为光滑杆，它虽然可以增强管内轴向的对流，但是对管内流体的搅动较小，特别是对铜板与冷却水之间传热附面层的扰动较小，难以形成强烈的湍流，因此对冷却水径向上的对流传热影响不大，依然会导致冷却水整体热交换效率低，结晶器难以达到高效连铸的高拉速要求。另外，光滑表面的限流杆难以使冷却水相对水孔方向出现较强的横向搅动，对冷却水壁面的冲刷明显不够，所以结晶器水缝壁面难免会出现结水垢的现象，水垢轻则降低结晶器的冷却效率，影响铸坯质量和连铸工艺顺行，重则会使结晶器局部出现高温，直接导致设备损坏。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是，针对现有异型坯连铸结晶器水缝设计的上述不足，提供一种异型坯连铸结晶器冷却效果强化方法及冷却水缝，使得异型坯连铸结晶器内冷却水的湍流状态显著增强，促进结晶器的冷却效果，减少冷却水道的壁面结垢问题，并延长结晶器铜板的使用寿命。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种能增强湍流冷却效果的异型坯结晶器，结晶器窄面外侧和宽面翼稍部位的铜板外侧设置长方形凹槽形水缝，靠近宽面腹板和翼缘斜面的边缘内侧沿边缘设置竖直的圆形水孔，圆孔内通过插入竖直杆状的金属物形成环形水缝，其特征在于金属物的外周面设置凸起或凹陷的纹路，或者金属物为能够使其自身与圆形水孔之间形成起伏不平的水缝的螺旋线、螺旋带、螺旋片、交叉锯齿带、扭带、螺纹杆或静态混合器。所述金属物的凸起或凹陷的纹路为横向、斜向、螺旋状或麻花状。所述金属物的凸起或凹陷的纹路横向或斜向均勻间隔。所述金属物为扭带时，扭带的扭率在3-8之间。所述金属物的外围直径为5_25mm。本实用新型相对于现有技术，具有如下特点1、圆孔内插入金属物的改进可以使水缝内流体结构发生变化，边界层内的流体和主流流体得以更好的混合，提高了冷却水利用效率，强化了结晶器的冷却效果，为连铸拉速的提高创造了条件。2、增加了靠近水孔壁面处的流体速度，加强了边界层内流体的搅动，增强了冷却水对水缝壁面的冲刷，可以有效减轻冷却水缝壁面结垢问题。3、改善铜板冷却效果，有效降低结晶器铜板工作温度，有助于提高结晶器使用寿命，从而降低连铸生产成本。
图1是本实用新型的异型坯结晶器及水缝布置俯视图。图2是本实用新型的一个实施例的环形水缝俯视图。图3是本实用新型圆孔内插入金属物的第2个实施例，金属物为螺纹杆。图4是本实用新型圆孔内插入金属物的第3个实施例，金属物为扭带。图5是本实用新型圆孔内插入金属物的第4个实施例，金属物为静态混合器。[0022]图6是本实用新型圆孔内插入金属物的第5个实施例，金属物为螺旋线。图7是本实用新型圆孔内插入金属物的第6个实施例，金属物为交叉锯齿带。附图中标号如下，1-窄面铜板，2-宽面铜板，3-翼稍，4-腹板，5-翼缘斜面，6_长方形水槽，7-圆形水孔，8-金属物，9-环形水缝
具体实施方式
以下结合附图1-7的实施例对本实用新型作进一步说明，但不限定本实用新型。如图1中所示，本实用新型的结晶器，主要由两块相同窄面铜板1和两块相同的宽面铜板2组成，窄面铜板1的外侧开凿了长方形水槽6，宽面铜板2由两端平直的翼稍3、中间凸出的腹板4和翼缘斜面5组成，结晶器内腔呈“H”形；翼稍3外侧开凿了与窄面铜板1 外侧相同的长方形水槽6，腹板4和翼缘斜面5上钻了圆形水孔7。在圆形水孔7内插入竖直杆状的金属物8，构成环形水缝9。所述金属物8的外周面加工有凸起或凹陷的纹路，纹路形状可以为横向、斜向、螺旋状或麻花状。优选所述凸起或凹陷的纹路均勻间隔。或者，也可以采用将金属物8本身加工成螺旋线、螺旋带、螺旋片、交叉锯齿带、扭带、静态混合器(图6所示实施例为SK型静态混合器，当然也可以为其他类型静态混合器， 不再图示)或螺纹杆，其中部分实施例如图3至7所示。螺旋线、螺旋带、螺旋片、交叉锯齿带、扭带为金属条、带、片或丝绕制和/或扭曲成螺旋形或扭带状、能够使圆孔内的冷却水产生旋转运动或横向扰动、增大近壁面处的水流速度、加强边界层内流体的搅动。实施例1异型坯连铸结晶器，在其窄面和宽面翼稍处铜板的外侧每间隔15mm开凿一个宽 10mm、深20mm的方形水槽。在宽面腹板和翼缘斜面铜板边缘内侧40mm处沿边缘每隔30mm 钻一个直径为30mm的圆孔，在圆孔内插入直径为25mm的金属杆，在金属杆上车深6mm、宽 15mm的斜向与水平方向呈45°的凹槽，相邻凹槽的间距为25mm。由此构建的水缝可以增加冷却水的横向扰动，冷却水的湍流状态显著增强，还能增强传热附面层的传热效率，减少水缝结垢，延长铜板使用寿命。实施例2异型坯连铸结晶器，在结晶器窄面铜板和宽面翼稍铜板的外侧每间隔15mm开凿一个宽10mm、深20mm的方形水槽，在宽面腹板和翼缘斜面铜板边缘内侧40mm处沿边缘每隔30mm钻一个直径为30mm的圆孔，在圆孔内插入直径为25mm的金属螺纹杆(包含螺纹牙距)，螺纹杆上所车螺纹牙高6mm、螺距设置为20mm，如图3所示。由此构建的水缝可以增加水流的扰动和横向冲刷，强化传热系数，实验表明，在不增加管内阻力的条件下，金属螺纹杆仍可以将管内冷却水的传热效率提高40%，并且，还可以减少冷却水缝壁面结垢现象。实施例3异型坯连铸结晶器，在其窄面铜板和宽面翼稍铜板的外侧每间隔15mm开凿一个宽10mm、深20mm的方形水槽。在宽面腹板和翼缘斜面铜板边缘内侧40mm处沿边缘每隔 30mm钻一个直径为30mm的圆孔，在圆孔内插入直径为20mm的金属制扭带，当然扭带的直径也可以在5-25mm之间变动。扭带是一种最简单而又使流体旋转的旋流发生器。它是由薄金属片(通常是铝片)扭转而成。如图4所示，扭带上还可以设置多个不规则分布的缺口。扭带的扭转程度由每扭转360°的长度H(称为全节距)与圆孔内径d之比来表征。H/ d称之为扭率。扭率不同强化传热的效果也不同，一般纽带的扭率可设置在3-8之间，试验表明，扭率为5效果最好。本例中H取150mm，d取30mm。插入扭带的水缝可以显著增加水流的扰动和横向冲刷，强化传热系数，使圆孔内冷却水传热效率提高0. 3到1倍，同时，易于取出清洗和更换，可以减少冷却水缝壁面结垢。实施例4异型坯连铸结晶器，在其窄面铜板和宽面翼稍铜板的外侧每间隔15mm开凿一个宽10mm、深20mm的方形水槽。在宽面腹板和翼缘斜面铜板边缘内侧40mm处沿边缘每隔 30mm钻一个直径为30mm的圆孔，在圆孔内插入的金属物8为直径5_25mm的金属制SK型静态混合器。该静态混合器由一系列向左、再向右扭转180°的扭曲片状短元件，按照一个左旋、一个右旋的排列顺序，互相错开90°再点焊而成。如图5所示，片状短元件上还可以设置不规则分布的缺口。由此构成的水缝可以使冷却水的湍流状态显著增强，加大传热系数。 研究表明，静态混合器能使水缝内传热系数提高1. 5至4倍，增强冷却壁面的冲刷，使水缝壁面的防垢能力提高5至10倍，大大有利于优化结晶器铜板工作环境。实施例5结晶器主体与前述实施例相同，所不同的为圆孔内插入的金属物8为螺旋线，由金属丝绕制而成，一般由三叶或四叶直径为0. 5至5mm的细金属丝绕至成螺旋状，螺旋线状金属物8的外围直径为5-25mm，螺旋线的螺距一般为5mm至30mm。圆形通道内插入螺旋线后，增强了流体的旋转扰动，可提高管壁面传热膜系数20%以上，使水缝内总体传热效率增加30%以上。实施例6结晶器主体与前述实施例相同，所不同的为圆孔内插入的金属物8为交叉锯齿带，由两根金属带交叉绕制和扭曲而成，每两交叉点间隔为5mm至30mm，扭曲之后的外侧面呈锯齿状；当然，还可以采用不同间隔距离的锯齿带。交叉锯齿带金属物8的外围直径为5-25mm。应用结果表明，交叉锯齿带可显著增强流体的扰动，能使水缝内的传热系数提高30 %到50 %，同时，还易于装配和拆卸清洗，有效防止水缝内结垢。以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，如对工艺参数或装置做出的变动和改良仍属本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种能增强湍流冷却效果的异型坯结晶器，结晶器窄面外侧和宽面翼稍部位的铜板外侧设置长方形凹槽形水缝，靠近宽面腹板和翼缘斜面的边缘内侧沿边缘设置竖直的圆形水孔，圆孔内通过插入竖直杆状的金属物形成环形水缝，其特征在于金属物的外周面设置凸起或凹陷的纹路，或者金属物为能够使其自身与圆形水孔之间形成起伏不平的水缝的螺旋线、螺旋带、螺旋片、交叉锯齿带、扭带、螺纹杆或静态混合器。
2.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于所述金属物的凸起或凹陷的纹路为横向、斜向、螺旋状或麻花状。
3.根据权利要求1或2所述的结晶器，其特征在于所述金属物的凸起或凹陷的纹路横向或斜向均勻间隔。
4.根据权利要求1所述的结晶器，其特征在于所述金属物为扭带时，扭带的扭率在3-8 之间。
5.根据权利要求1或2或4所述的结晶器，其特征在于所述金属物的外围直径为 5-25mm。
6.根据权利要求3所述的结晶器，其特征在于所述金属物的外围直径为5-25mm。
专利摘要本实用新型涉及一种能增强湍流冷却效果的异型坯结晶器，结晶器窄面外侧和宽面翼稍部位的铜板外侧设置长方形凹槽形水缝，靠近宽面腹板和翼缘斜面的边缘内侧沿边缘设置竖直的圆形水孔，圆孔内通过插入竖直杆状的金属物形成环形水缝，金属物的外周面设置凸起或凹陷的纹路，或者金属物为能够使其自身与圆形水孔之间形成起伏不平的水缝的螺旋线、螺旋带、螺旋片、交叉锯齿带、扭带、螺纹杆或静态混合器。由此促进结晶器的冷却效果，减少冷却水道的壁面结垢问题，并延长结晶器铜板的使用寿命。
文档编号B22D11/055GK202270948SQ20112037828
公开日2012年6月13日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者叶理德, 徐海伦, 邵远敬, 马春武 申请人:中冶南方工程技术有限公司