一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器及设计方法
【专利摘要】本发明属于方坯连铸生产领域，具体涉及一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器及设计方法。本发明的结晶器具有四个上口倒角和四个下口倒角，沿着结晶器内壁高度方向，从上口倒角至下口倒角，倒角角度按照铸坯角部热收缩规律逐渐增大，上口倒角与下口倒角之间形成的倒角面为渐变弧型面，渐变弧型面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增，上口倒角位于倒角面上的斜边为直线或弧线，下口倒角位于倒角面上的斜边也为直线或弧线。本发明的结晶器，通过特有的弧型倒角结构有效抑制气隙，改善方坯角部传热，均匀坯壳生长，通过增强倒角区域水冷结构，显著提高结晶器角部冷速，细化了倒角接触面晶粒，抑制了边角缺陷的产生。
【专利说明】一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于方坯连铸生产领域，具体涉及一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角 结晶器及设计方法。
【背景技术】
[0002] 进入21世纪10年来，随着我国交通运输、石油化工、重型机械和海洋工程等行业 的技术进步和迅猛发展，对钢铁产品的质量、性能、规格和尺寸等提出了更高的技术要求， 从而大力推动了连铸工艺装备技术的发展。连铸能够替代传统模铸，生产对轧制压缩比要 求严格的铸坯，其金属收得率可提高10%以上，吨钢能耗可降低25%以上，且具有成分均 匀稳定和表面质量良好等优点，能显著提高大规格铸坯产品的性能。
[0003] 方坯连铸多以生产中、高碳合金钢为主，其坯壳凝固收缩系数较大。由于结晶器内 大方坯角部坯壳较薄弱，钢水静压力易聚集在结晶器角部，从而诱发方坯表面出现裂纹和 凹陷等缺陷。与此同时，为改善铸述内部质量，降低铸述中心偏析与疏松缺陷，方述连铸机 多配备有凝固末端压下功能，因此在方坯凝固末端压下与矫直过程中会造成铸坯表面机械 应力激增，同时由于角部二维传热导致其与铸坯表面中心区域温差较大，热应力也易集中 在边角区域，因此在热应力与机械应力的双重作用下，裂纹将进一步扩展，造成严重的铸坯 表面质量缺陷。
[0004] 为解决这一问题，连铸结晶器多配备有倒角面，即在结晶器角部增加内凹圆倒角 面或平倒角面以改善结晶器角部传热，降低结晶器角部磨损，以提高冷却均匀性；同时，结 晶器倒角可使铸坯原有的直角变成两个钝角，以改善应力集中。
[0005] 与方坯连铸机相比，由于板坯宽窄比较大，坯壳收缩更为显著且保护渣分布更不 均匀，因此研究者们对其进行了大量研究，首钢等提出了了通过倒角结晶器减少角部横裂 纹的机制（钢铁研究学报，2012,24(9)，21-26)。专利CN102642000A、CN201410379418、 CN201410066528、CN201320350661、CN103286285A、CN102896284A等提出了不同类型的板坯 结晶器倒角及窄边铜板结构。
[0006] 目前在方坯上使用的倒角结晶器多为直倒角，即从结晶器上口至结晶器下口倒角 不发生变化。这种设计方法不能充分考虑到结晶器角部的热收缩，造成保护渣膜与气隙分 布不均匀，从而导致坯壳不均匀生长，产生边角裂纹缺陷。
【发明内容】
[0007] 为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角 结晶器及设计方法，目的是通过特有的弧型倒角结构有效抑制气隙，防止保护渣堆积，从而 改善方坯角部传热，均匀坯壳生长，同时，通过增强倒角区域水冷结构，显著提高结晶器角 部冷速，细化倒角接触面晶粒，抑制边角缺陷的产生。
[0008] 实现本发明目的的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，具有四个上口倒角 和四个下口倒角，沿着结晶器内壁高度方向，从上口倒角至下口倒角，倒角角度按照铸坯角 部热收缩规律逐渐增大，上口倒角与下口倒角之间形成的倒角面为渐变弧型面，渐变弧型 面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增，上口倒角位于倒角面上的斜边为直线或弧线，下 口倒角位于倒角面上的斜边也为直线或弧线。
[0009] 所述的结晶器上口倒角在结晶器宽面或窄面上的边长为5-25mm;结晶器倒角面 上距结晶器上口内角顶点最近的点与上口内角顶点的距离为3. 5-17. 5mm，结晶器下口倒角 在结晶器宽面或窄面上的边长为8-35mm;结晶器倒角面上距结晶器下口内角顶点最近的 点与下口内角顶点的距离为2. 1-24. 7mm。
[0010] 当所述的结晶器为管式结构结晶器时，沿结晶器外壁高度方向，结晶器的直角外 角被切除，形成八个钝角面，其中结晶器上口切角边长为2-15mm，结晶器下口切角边长为 2-20mm，结晶器上、下口间切角边长连续、线性增加。
[0011] 当所述的结晶器是组合式结晶器时，与结晶器倒角位置相对应处的冷水槽深度1 =VO. 5XC，其中L为普通水槽长度，C为结晶器倒角面上距结晶器内角顶点最近的点与 内角顶点的距离。
[0012] 本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器的设计方法，按照以下步骤进 行：
[0013] (1)针对不同钢种，测定某特定钢种在不同温度和不同冷速下的热收缩系数；
[0014] (2)根据结晶器的铜板结构与铸坯尺寸及测定得到的具体钢种热收缩系数，建立 以1/4坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，通过模型计算 可得到工作拉速下，铸坯角部在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量；
[0015] (3)根据铸坯尺寸确定结晶器上口倒角和下口倒角在结晶器宽面或窄面上的边长 尺寸，根据步骤（2)中铸坯角部在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，由结 晶器上口至下口的倒角逐渐增大以补偿铸坯的收缩与变形量；
[0016] (4)对于管式结晶器，根据计算好的参数，将倒角直接加工在结晶器铜管内侧，同 时切除结晶器外壁的直角外角形成八个钝角面，其中结晶器上口切角边长为2-15mm，结晶 器下口切角边长为2-20mm，结晶器上、下口间切角边长连续、线性增加；对于组合式结晶 器，根据计算好的参数，将倒角直接加工在铜板面上，并延伸其背板对应位置的冷水槽深 度，倒角面对应位置处水槽长度1 = 1〇+〇. 5XC，其中L为普通水槽长度，C为结晶器倒角面 上距结晶器内角顶点最近的点与内角顶点的距离，得到本发明的具有增强水冷结构的渐进 弧型倒角结晶器。
[0017] 本发明采用的热收缩系数为实测值，能显著提高模型计算结果的准确性。
[0018] 本发明提出的渐进弧型倒角方坯连铸结晶器适用于150_X150mm断面尺寸以上 方坯连铸生产过程，适应钢种为中、高碳钢与中、高碳合金钢。
[0019] 与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
[0020] 本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，在倒角纵截面上，自结晶器 上口至结晶器出口倒角大小按铸坯角部热收缩规律逐渐增大，倒角的确定是基于连铸坯自 结晶器液面至结晶器出口逐渐收缩，如果倒角补偿量过大，将造成倒角面磨损严重，同时撕 裂铸坯；如果倒角补偿过小，无法充分补偿凝固收缩，残存气隙仍会增加热阻，恶化角部传 热效果。因此只有倒角渐变弧度才能需满足铸坯热收缩规律才能真正达到补偿凝固收缩的 工艺效果，而这样的倒角结构也能增强倒角区的水冷速度。
[0021] 在结晶器上部，钢液与结晶器在弯月面处接触后迅速凝固，该区域内钢液温降迅 速，坯壳收缩较快，但由于此时坯壳较薄，其在钢水静压力作用下坯壳反而会贴向结晶器， 因此在此区域内结晶器倒角基本保持不变；在结晶器中间区域，坯壳温度逐渐降低，坯壳逐 渐收缩且具有了一定的强度，此区域内结晶器倒角应逐渐增大；在结晶器下部，坯壳温度降 低速度变缓，坯壳收缩速度也趋于平缓，在此区域内结晶器倒角基本保持不变；为了确保结 晶器高度方向上倒角的连续、稳定、渐增的变化，设计结晶器倒角面为渐变弧型面，渐变弧 型面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增。
[0022] 本发明还通过切除结晶器的外角直角提高倒角面的冷却强度，自结晶器入口至出 口，切角边长线性增加以保证整个倒角面上冷却的稳定性。
[0023] 对于组合式结晶器而言，其倒角直接加工在铜板面上，应延伸其背板对应位置水 槽深度。
[0024] 本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，通过特有的弧型倒角结构有 效抑制气隙，防止保护渣堆积，从而改善方坯角部传热，均匀坯壳生长，通过增强倒角区域 水冷结构，显著提高结晶器角部冷速，细化了倒角接触面晶粒，抑制了边角缺陷的产生。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器的内壁角部示意图；
[0026] 其中：1 :结晶器内壁；2 :上口倒角；3 :下口倒角；4 :倒角面；5 :过渡弧；6 :上口倒 角位于倒角面上的斜边；7 :下口倒角位于倒角面上的斜边；
[0027] 图2是图1中的倒角面图；
[0028] 图3是图2中倒角的横截面图；
[0029] 其中：4_1横截面对应的截面图为4-1图；4-2横截面对应的截面图为4-2图；4-3 横截面对应的截面图为4-3图；
[0030] 图4是图1中的倒角面的纵截面图；
[0031] 图5是图1中上口倒角的结构示意图；
[0032] 其中夂是结晶器宽面的上口倒角边长；8:是结晶器窄面的上口倒角边长心是结 晶器倒角面上距结晶器上口内角顶点最近的点与上口内角顶点的长度；
[0033] 图6是图1中下口倒角的结构示意图；
[0034] 其中：A2是结晶器宽面的下口倒角边长；82是结晶器窄面的下口倒角边长；C2是结 晶器倒角面上距结晶器下口内角顶点最近的点与下口内角顶点的长度；
[0035] 图7是本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角管式结晶器的外壁的钝角切 面示意图之一；
[0036] 其中：&1是被切除的直角顶角沿结晶器宽面的边长屯是被切除的直角顶角沿结 晶器窄面的边长；
[0037] 图8是本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角管式结晶器的外壁的钝角切 面示意图之二；
[0038] 其中：a2是被切除的直角底角沿结晶器宽面的边长；b2是被切除的直角顶角沿结 晶器窄面的边长；
[0039] 图9是本发明具有增强水冷结构的渐进弧型倒角组合式结晶器和与之对应的水 冷槽示意图；
[0040] 其中：8 :冷水槽；9 :与结晶器倒角位置相对应处的冷水槽山为普通水槽长度；1 为倒角面对应位置处水槽长度；
[0041] 图10是本发明实施例1中的轴承钢GCr15热收缩系数测定结果；
[0042] 图11是本发明实施例1中的铸坯角部在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量 分布图。
【具体实施方式】
[0043] 实施例1
[0044] 本发明实施例在某钢厂280mmX325mm大方坯连铸机结晶器上应用，结晶器长度 800_，是管式结晶器，主要生产轴承钢、帘线钢等高碳合金钢。
[0045] 本实施例结晶器的设计方法是：
[0046] (1)以轴承钢GCrl5为主要生产钢种对象，轴承钢GCrl5在不同的冷却速率下从 1300°C冷却到500°C时的热收缩系数测定结果如图10所示；
[0047] (2)根据结晶器的铜板结构与铸坯尺寸及测定得到的具体钢种热收缩系数，建立 以1/4坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，具体步骤是：
[0048] 步骤1.根据连铸机所连铸主流钢种中C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr与A1主要成分的含 量，确定所连铸钢种的密度、导热系数、比热以及热收缩系数，为坯壳-结晶器系统热/力耦 合有限元数值计算模型建立提供坯壳凝固的高温物性参数；
[0049] ①密度
[0050] 由于钢的密度主要与温度和C含量有关，其固相密度Ps由式（1)所确定：
【权利要求】
1. 一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，其特征在于具有四个上口倒角和四 个下口倒角，沿着结晶器内壁高度方向，从上口倒角至下口倒角，倒角角度按照铸坯角部热 收缩规律逐渐增大，上口倒角与下口倒角之间形成的倒角面为渐变弧型面，渐变弧型面边 界的过渡弧长按气隙生长规律递增，上口倒角位于倒角面上的斜边为直线或弧线，下口倒 角位于倒角面上的斜边也为直线或弧线。
2. 根据权利要求1所述的一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，其特征在于 所述的结晶器上口倒角在结晶器宽面或窄面上的边长为5-25mm ;结晶器倒角面上距结晶 器上口内角顶点最近的点与上口内角顶点的距离为3. 5-17. 5mm，结晶器下口倒角在结晶器 宽面或窄面上的边长为8-35mm;结晶器倒角面上距结晶器下口内角顶点最近的点与下口 内角顶点的距离为2. 1-24. 7mm。
3. 根据权利要求1所述的一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，其特征在于 当所述的结晶器为管式结构结晶器时，沿结晶器外壁高度方向，结晶器的直角外角被切除， 形成八个钝角面，其中结晶器上口切角边长为2-15mm，结晶器下口切角边长为2-20mm，结 晶器上、下口间切角边长连续、线性增加。
4. 根据权利要求1所述的一种具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器，其特 征在于当所述的结晶器是组合式结晶器时，与结晶器倒角位置相对应处的冷水槽深度 /=4+0. 5XC，其中A为普通水槽长度，C为结晶器倒角面上距结晶器内角顶点最近的点与 内角顶点的距离。
5. 权利要求1所述的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结晶器的设计方法，其特征在 于按照以下步骤进行： (1) 针对不同钢种，测定某特定钢种在不同温度和不同冷速下的热收缩系数； (2) 根据结晶器的铜板结构与铸坯尺寸及测定得到的具体钢种热收缩系数，建立以1/4 坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，通过模型计算可得到 工作拉速下，铸坯角部在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量； (3) 根据铸坯尺寸确定结晶器上口倒角和下口倒角在结晶器宽面或窄面上的边长尺 寸，根据步骤（2)中铸坯角部在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，由结晶器 上口至下口的倒角逐渐增大以补偿铸坯的收缩与变形量； (4) 对于管式结晶器，根据计算好的参数，将倒角直接加工在结晶器铜管内侧，同时切 除结晶器外壁的直角外角形成八个钝角面，其中结晶器上口切角边长为2-15mm，结晶器下 口切角边长为2-20mm，结晶器上、下口间切角边长连续、线性增加；对于组合式结晶器，根 据计算好的参数，将倒角直接加工在铜板面上，并延伸其背板对应位置的水槽深度，倒角面 对应位置处水槽长度7=4+0. 5XC，其中人为普通水槽长度，C为结晶器倒角面上距结晶器 内角顶点最近的点与内角顶点的距离，得到本发明的具有增强水冷结构的渐进弧型倒角结 晶器。
【文档编号】B22D11/057GK104399917SQ201410707132
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】祭程, 朱苗勇, 蔡兆镇 申请人:东北大学