一种结晶器冷却装置及其冷却方法与流程

本发明属于金属铸造设备技术领域，具体涉及一种结晶器冷却装置及其冷却方法。

背景技术：

连续铸造(包括水平、上引、下引连续铸造及半连续铸造)是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固结壳了的铸件，连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意或特定长度的铸件。可以实现棒材、管材、板材的连续铸造。其中，结晶器的冷却装置非常关键，它直接决定了铸坯的组织结构和性能。

传统的结晶器冷却装置根据铸坯规格形状，采用整体式设计，一般由铜板焊接成腔体后，在腔体特定位置焊接进水口和回水口，实现对结晶器的冷却。其缺点包括：1.采用非标设计，冷却装置结构复杂、加工困难；2.冷却装置采用整体焊接方式，焊接过程中易变形，存在焊接应力，导致使用过程中易变形，寿命短；3.各冷却回路采用串联或并联，导致冷却水流速不均匀，存在死角；4.冷却过程不可控。

技术实现要素：

本发明解决的问题在于提供一种结晶器冷却装置及其冷却方法，该装置不仅结构简单，适用性强，具有较好的冷却均匀性，使用过程中不易变形，具有较长的使用寿命的同时能够实现冷却效果的自动控制。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一方面，提供了一种结晶器冷却装置，包括套设在结晶器上的冷却套，冷却套上开设有多个冷却盲孔，冷却管通过密封固定套装配在冷却盲孔上；所述冷却管包括进水管、密封固定套和回水管，所述的密封固定套套设在进水管的一端并与其密封连接，进水管的另一端伸入到冷却盲孔内，进水管与冷却盲孔之间留有回水间隙；回水管与密封固定套侧壁固定连接并通过密封固定套与回水间隙相连通；

所述进水管通过电动调节阀与总进水管相连通，回水管与总回水管相连通，回水管出口管路上还设有测温元件；所述测温元件向pid温控调节单元发送所测的与其相对应的回水管内的实际回水温度；pid温控调节单元将接收到的实际回水温度后与设定的回水温度进行对比，通过pid调控输出冷却水进水流量控制信号给电动调节阀，对电动调节阀的阀门开度进行调节，实现回水温度的闭环控制。

进一步地，所述回水管的进水端垂直焊接在密封固定套内，并通过密封固定套内开设的回水槽与回水间隙连通；回水管的出水端与进水管相平行。

进一步地，所述密封固定套通过压紧装置压紧固定在冷却套的外部；所述密封固定套通过密封件与冷却套密封连接。

进一步地，所述压紧装置包括与密封固定套左端开设的卡槽卡合的压紧件，所述压紧件通过紧固件与冷却套可拆卸连接；

所述密封件采用密封圈，其位于密封固定套与冷却套之间。

进一步地，所述冷却套包括两个上下对称的对开式结构，两个对开式结构对齐后通过连接件可拆卸连接，并在其内形成结晶器装配孔，通过连接件将结晶器压紧固定在冷却套内；

所述冷却管对称分布在冷却套内，进水管另一端的端部与冷却盲孔之间留有回水间距。

进一步地，所述冷却套为截面为圆形的冷却套，所述结晶器装配孔为截面为圆形的结晶器装配孔，多个冷却盲孔在冷却套内沿其周向均匀分布。

进一步地，所述冷却套为截面为长方形的冷却套，所述结晶器装配孔为截面为长方形的结晶器装配孔，多个冷却盲孔在冷却套内沿其中轴线均匀分布在结晶器装配孔的两侧。

进一步地，所述测温元件与pid温控调节单元的输入端电连接，电动调节阀与pid温控调节单元的输出端电连接，所述测温元件为测温热电阻。

进一步地，所述进水管的进水端通过进水分支管与总进水管连接，所述电动调节阀设置在进水分支管上；所述回水管的出水端通过回水分支管与总回水管连接，所述测温元件设置在回水分支管上。

另一方面，提供了一种结晶器冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：

1)将结晶器装配并压紧在冷却套的结晶器装配孔内；

2)将冷却管依次装入冷却套的冷却盲孔内，并通过压紧装置压紧固定；

3)将进水管通过安装有电动调节阀的进水分支管接入总进水管；

4)将回水管通过安装有测温元件的回水分支管接入总回水管；

5)将测温元件和电动调节阀分别与pid温控调节单元电连接，并在pid温控调节单元上设置各路回水管内的回水温度；

6)测温元件向pid温控调节单元发送所测的与其相对应的回水管内的实际回水温度；pid温控调节单元将接收到的实际回水温度后与设定的回水温度进行对比，通过pid调控输出冷却水进水流量控制信号给电动调节阀，对电动调节阀的阀门开度进行调节，实现回水温度的闭环控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明所述冷却装置首先采用冷却套和装配在冷却套上的多个标准化设计的冷却管，冷却管通过冷却盲孔装配在冷却套上，不仅结构及其加工方法简单，通过冷却套和标准冷却管使得冷却装置的适用性强，能够适应不同截面形状的结晶器；而且通过多个冷却管、以及冷却管与冷却盲孔的间隙配合能够增大换热面积和冷却水换热量，冷却水连续通过进水管进入冷却盲孔，其通过冷却套与结晶器发生热传导将结晶器的热量换出；换热后的冷却水依次通过冷却管与冷却盲孔的间隙、密封固定套进入回水管，实现对结晶器的冷却，确保较好的冷却均匀性，进而提高铸坯的组织结构和性能；其次，冷却管采用局部焊接方式，使得冷却装置使用过程中不易变形，具有较长的使用寿命；接着通过电动调节阀能够对进水管内冷却水的流量进行控制；最后在回水管与总回水管的连接处设置测温元件的基础上，pid温控调节单元能够通过控制电动调节阀的阀门开度实现回水温度的闭环控制，进而实现冷却效果的自动控制，从而控制铸坯的凝固特征。

附图说明

图1为本发明实施例1圆形结晶器冷却装置的端面示意图；

图2为本发明实施例1圆形结晶器冷却装置的剖视示意图；

图3为本发明实施例2长方形结晶器冷却装置的端面示意图；

图4为本发明实施例2长方形结晶器冷却装置的剖视示意图；

图5为本发明冷却管的结构示意图；

图6为本发明冷却水自动控制原理图。

其中：1-冷却管、2-密封件、3-冷却套、4-结晶器装配孔、5-压紧件、6-紧固件、7-连接件、8-进水管、9-密封固定套、10-回水管、11-电动调节阀、12-测温元件；13-pid温控调节单元、14-总进水管、15-总回水管、16-进水分支管、17-回水分支管、18-卡槽、19-冷却盲孔、20-回水槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1

参考图1、图2和图5，包括套设在结晶器上的冷却套3，冷却套3上开设有多个冷却盲孔19，冷却管1通过密封固定套9装配在冷却盲孔19上；所述冷却管1包括进水管8、密封固定套9和回水管10，所述的密封固定套9套设在进水管8的一端并与其通过焊接实现密封连接，进水管8的另一端伸入到冷却盲孔19内，进水管8与冷却盲孔19之间留有回水间隙；回水管10通过焊接与密封固定套9侧壁固定连接并通过密封固定套9与回水间隙相连通；为了保证结晶器的冷却效果，本实施例回水间隙为1.5-3mm；本实施例冷却装置包括多个冷却管1其与冷却盲孔19一一对应；

参考图6，所述进水管8通过电动调节阀11与总进水管14相连通，回水管10与总回水管15相连通，回水管10出口管路上还设有测温元件12；所述测温元件12向pid温控调节单元13发送所测的与其相对应的回水管10内的实际回水温度；pid温控调节单元13在接收到的实际回水温度后与其上设定的回水温度进行对比，通过pid调控输出冷却水进水流量控制信号给电动调节阀11，对电动调节阀11的阀门开度进行调节，进而控制进水管8的冷却水进水流量，实现回水温度的闭环控制。

需要说明的是，参考图1和图6本实施例所述冷却装置本发明所述冷却装置首先采用冷却套和装配在冷却套上的多个标准化设计的冷却管，冷却管通过冷却盲孔装配在冷却套上，不仅结构及其加工方法简单，通过冷却套和标准冷却管使得冷却装置的适用性强，能够适应不同截面形状的结晶器，而且通过多个冷却管、以及冷却管与冷却盲孔的间隙配合能够增大换热面积和冷却水换热量，冷却水连续通过进水管进入冷却盲孔，其通过冷却套与结晶器发生热传导将结晶器的热量换出，最后换热后的冷却水依次通过冷却管与冷却盲孔的间隙、密封固定套进入回水管，实现对结晶器的冷却，确保较好的冷却均匀性，进而提高铸坯的组织结构和性能；其次，冷却管采用局部焊接方式，使得冷却装置使用过程中不易变形，具有较长的使用寿命；接着通过电动调节阀能够对进水管内冷却水的流量进行控制；最后在回水管10与总回水管15的连接处设置测温元件的基础上，pid温控调节单元13在对比其上设定的回水温度和实际检测到的回水温度后，通过pid调节，输出4-20ma冷却水进水流量控制信号给电动调节阀的电机，通过调节电动调节阀的阀门开度自动调节进水管8的冷却水进水流量，从而实现回水温度的闭环控制，达到冷却效果的自动控制，从而控制铸坯的凝固特征。

进一步地，参考图1、图2和图5，所述位于进水管8的外侧；所述回水管10的进水端垂直焊接在密封固定套9内，并通过密封固定套9内开设的回水槽20与回水间隙连通；回水管10的出水端与进水管8相平行；所述冷却管1对称分布在冷却套3内，进水管8另一端的端部采用30°-60°倒角并与冷却盲孔之间留有3-5mm回水间距，便于冷却水在冷却盲孔19和进水管8之间的间隙内的流动。

需要说明的是，参考图5，本实施例所述回水管10的进水端与回水槽20连通，所述回水槽20与回水间隙连通。本实施例冷却水连续通过进水管进入冷却盲孔，其通过冷却套与结晶器发生热传导将结晶器的热量换出，最后换热后的冷却水依次通过冷却管与冷却盲孔的间隙、密封固定套进入回水管，实现对结晶器的冷却，确保较好的冷却均匀性，进而提高铸坯的组织结构和性能。

进一步地，参考图1、图2和图5，所述密封固定套9通过压紧装置压紧固定在冷却套3的外部；所述密封固定套9通过密封件2与冷却套3密封连接；所述密封件2采用密封圈，其位于密封固定套9与冷却套3之间，且底部与回水槽20的顶部对齐，保证冷却装置的密封性能的同时便于冷却液通过回水槽20回流至回水管10内。

进一步地，参考图1、图2和图5，所述压紧装置包括与密封固定套9左端开设的卡槽18卡合的压紧件5，所述压紧件5通过紧固件6与冷却套3可拆卸连接，便于冷却管的安装和拆卸。

需要说明的是，参考图1，本实施例所述压紧件5优选压板，所述压板在与每个卡槽18相对应的位置设有与卡槽18相适配的凹陷结构，所述紧固件6优选内六角螺栓或螺钉，通过紧固件6对压板和冷却管进一步压紧固定。

进一步地，参考图1和图2，所述冷却套3包括两个上下对称的对开式结构，两个对开式结构对齐后通过连接件7可拆卸连接，并在其内形成结晶器装配孔4，通过连接件7将结晶器压紧固定在冷却套3内，使得结晶器的安装更换快捷方便；所述结晶器装配孔的尺寸公差不小于it7级精度、表面粗糙度不大于1.6微米，以尽量增大与结晶器接触面积，减小摩擦阻力，进而提高冷却装置的使用寿命。

需要说明的是，本实施例所述冷却套采用铝合金或紫铜加工而成，所述连接件件7优选高强内六角螺栓，两个对开式结构对齐后通过螺栓螺纹连接，便于冷却套的打开和结晶器的安装和拆卸。

进一步地，参考图1和图2，根据铸坯形状，冷却套3的截面可以是圆形、长方形或其他形状，本实施例所述冷却套3优选截面形状为圆形的冷却套，所述结晶器装配孔4为截面形状为圆形的结晶器装配孔，多个冷却盲孔在冷却套3内沿其周向均匀分布。

进一步地，参考图6，所述进水管8的进水端通过进水分支管16与总进水管14连接，所述电动调节阀11设置在进水分支管16上；所述回水管10的出水端通过回水分支管17与总回水管15连接，所述测温元件12设置在回水分支管17上；所述测温元件12与pid温控调节单元13的输入端电连接，电动调节阀11与pid温控调节单元13的输出端电连接，本实施例所述测温元件12优选型号为wzp系列的测温热电阻，所述pid温控调节单元13为优选型号为xmt-j800w型智能温控仪，所述电动调节阀11优选型号为q911f-16p调节型电动球阀。

一种结晶器冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：

1)将结晶器装配并压紧在冷却套3的结晶器装配孔内，通过连接件将结晶器固定压紧；

2)将冷却管1依次装入冷却套3的冷却盲孔内，并通过压紧装置压紧固定；

3)将进水管8通过安装有电动调节阀11的进水分支管16接入总进水管14；

4)将回水管10通过安装有测温元件12的回水分支管17接入总回水管15；

5)将测温元件12和电动调节阀11分别与pid温控调节单元13电连接，并在pid温控调节单元13上设置各路回水管10内的回水温度；其回水温度的范围在35°-55°；

6)测温元件12向pid温控调节单元13发送所测的与其相对应的回水管10内的实际回水温度；pid温控调节单元13在接收到的实际回水温度后与其上设定的回水温度进行对比，通过pid调节，输出冷却水进水流量控制信号给电动调节阀13，通过调节电动调节阀13的阀门开度自动调节进水管8的冷却水进水流量，实现回水温度的闭环控制。

需要说明的是，参考图1和图3，结晶器装配在结晶器装配孔内通过连接件将其固定压紧在冷却套3内，并与结晶器装配孔紧密接触。参考图6，测温元件12将每路中回水温度的检测信号传输给pid温控调节单元13，并通过pid温控调节单元13反馈给与测温元件12相对应的电动调节阀11，pid温控调节单元13在对比其上设定的回水温度和实际检测到的回水温度后，通过pid调节，输出4-20ma冷却水进水流量控制信号给电动调节阀的电机，通过调节电动调节阀的阀门开度自动调节进水管8的冷却水进水流量，从而实现回水温度的闭环控制，将回水温度控制在其设定的范围内。

需要说明的是，pid温控调节单元13广泛应用于工业控制，根据pid控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致，在本实施例中pid温控调节单元的参数设定通过pid温控调节单元13的自整定(at)功能，由系统自动确定，其原理是根据设定的回水温度与实际检测到的实际回水温度的误差，将这个误差用于计算新的输入值，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制将实际回水温度控制在设定的范围内。比例控制的输出与输入误差信号成比例关系；积分控制的输出与输入误差信号的积分成正比关系；微分控制的输出与输入误差信号的变化率成正比关系。

具体的，当实际温度高于设定温度时，pid温控调节单元13会根据系统特性，增大电动调节阀11的开度，通过增大进水管中冷却水的进水流量来将回水温度控制在设定的范围内；同理当实际温度低于设定温度时，pid温控调节单元13会根据系统特性，减小电动调节阀11的开度，通过减小进水管中冷却水的进水流量来将回水温度控制在设定的范围内。本发明采用pid控制，可以根据设定的回水温度和误差的出现率来调整输入值，使得回水温度更加准确、稳定，避免了被控量的严重超调，并显著改善系统在调节过程中的动态特性。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：所述冷却套3为截面形状为长方形的冷却套，所述结晶器装配孔4为截面形状为长方形的结晶器装配孔，多个冷却盲孔在冷却套3内沿其中轴线均匀分布在结晶器装配孔4的两侧，所述压紧件5优选长条形压板，所述长条形压板在与每个卡槽18相对应的位置设有与卡槽18相适配的凹陷结构，所述紧固件6优选螺栓或螺钉，通过紧固件6对压板和冷却管进一步压紧固定。

本发明所述冷却装置结构简单，适用性强，具有较好的冷却均匀性，而且冷却管采用局部焊接的方式，使得冷却装置使用过程中不易变形，具有较长的使用寿命的同时能够实现冷却效果的自动控制。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。