一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统

摘要

本发明属于小型铸棒连铸技术领域，尤其涉及适用于立式连铸系统的一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，该结晶器系统以一次结晶为目的上段冷却结构通过下层进水腔、上层出水腔、水腔缝隙，和环状隔板有效隔离了热交换前后的冷却水，确保周向金属熔液均匀快速冷却凝固，同时配合抛光的石墨柱型内壁对铸坯表面起到良好的润滑和保护作用；以二次冷却为目的下段冷却结构通过外环水腔、内环水腔、喷水单元和调节装置将冷却水气化和雾化，实现水、气、雾三种冷却状态转换，对上冷却段结构中的铸棒进一步冷却，可使金属熔液快速凝固，减小铸态晶粒粗化，提高拉坯速度，避免结晶器系统内熔液过度堆积而引起烧损缺陷。

权利要求

1.一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，所述系统包括感应加热炉、石墨铸型和结晶器，所述结晶器包括上冷却段结构和下冷却段结构；

所述上冷却段结构，用于对棒状铸坯进行初次冷却，实现棒状铸坯一次结晶；

所述下冷却段结构，用于对结晶后的棒状铸坯进行再次冷却，冷却硬化坯壳，防止铸坯拉断；

其中，石墨铸型的顶部与感应加热炉连接，石墨铸型的下半部分置于所述上冷却段结构内部，所述下冷却段结构与所述上冷却段结构的底部固接，所述上冷却段结构包括环状第一外壳、环状法兰板、环状第一内套、环状底板和环状隔板；

其中，所述环状第一内套设置在所述环状第一外壳内部，且所述环状第一内套在所述环状第一外壳顶部与所述环状法兰板固接，所述环状底板设置在所述环状第一外壳的底部，所述环状法兰板、环状第一外壳、环状第一内套和环状底板之间的空腔为环状第一冷却水腔，所述环状隔板置于所述环状第一冷却水腔的内部，且套结在所述环状第一内套的外侧，将环状第一冷却水腔分割为下层进水腔和上层出水腔，且所述下层进水腔和上层出水腔之间通过水腔缝隙连通；

所述环状第一冷却水腔的侧壁上设有第一进水口和第一出水口，且所述第一进水口与所述下层进水腔连接，所述第一出水口与所述上层出水腔连接，其特征在于，所述下冷却段结构包括环状第二外壳、环状第二内套、环状筒形隔板和调节装置；

其中，所述环状第二外壳的一端与所述环状底板固接，另一端与所述环状第二内套的一端活动连接，所述环状第二外壳和环状第二内套之间空腔为环状第二冷却水腔；

所述环状筒形隔板设置在所述环状第二冷却水腔内，且一端与所述环状第二外壳的底部固接，所述环状筒形隔板将环状第二冷却水腔分割为外环水腔和内环水腔，且所述外环水腔和内环水腔之间连通，内环水腔上设有喷水单元；

所述环状第二冷却水腔上设有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口与所述外环水腔连通，所述喷水单元与所述第二出水口连通，所述调节装置包括调节槽和调节螺栓；

其中，所述调节槽设置在所述环状第二内套内部，所述调节螺栓设置在所述环状第二外壳和环状第二内套之间。

2.根据权利要求1所述的结晶器系统，其特征在于，所述喷水单元为环形水道,所述环形水道宽度为0.1‑10mm。

3.根据权利要求2所述的结晶器系统，其特征在于，所述环形水道由两个带有10‑80°倒角的环形锥面构成，两个倒角的所述环形锥面分别对称设置在所述环状第二外壳和环状第二内套上。

4.根据权利要求1所述的结晶器系统，其特征在于，所述环状第二外壳、环状第二内套和环状筒形隔板均采用不锈钢制成。

5.根据权利要求1所述的结晶器系统，其特征在于，所述环状第一外壳、环状底板和环状隔板均采用不锈钢制成，所述环状第一内套为水冷铜套。

6.根据权利要求1所述的结晶器系统，其特征在于，所述内环水腔和外环水腔的体积比为1/10‑1/5。

7.一种立式连铸系统，其特征在于，所述立式连铸系统的结晶器采用如权利要求1‑6任意一项所述的紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统。

说明书

一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明属于小型铸棒连铸技术领域，尤其涉及一种适用于所有合金铸坯拉铸工艺的紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统。

[0003] 背景技术：

[0004] 传统的结晶器中冷却系统多为一段式冷却，即由一个进水口、一个出水口与水冷铜套构成，通过进水嘴将冷却水喷溅到水冷铜套进行冷却，由于只能进行局部位置的热交
换，因此存在冷却强度不足以及冷却不均匀的缺陷，容易出现混晶现象。另外对于小截面铸
棒而言，铸坯冷却收缩量显著，主要由于冷却结晶过程中，金属熔液与石墨铸型壁接触面过
冷度最大，优先定向凝固形成外层坯壳，坯壳凝固发生收缩，导致坯壳与石墨铸型壁脱离，
形成惰性气体膜层，将坯壳与石墨铸型壁隔离，因为气体的导热系数较低以及热膨胀系数
较大，使得铸坯与冷却水之间的热交换率较差，远不能保证铸棒芯部完全凝固，此外上端金
属熔液不断流入石墨铸型内，不可避免的将已结壳铸坯再次熔化，一方面加剧铸棒组织晶
粒尺寸不均匀性，另一方面极易产生烧损，引入微裂纹并引发拉断事故，严重破坏铸坯表面
质量。

发明内容

[0005] 本发明公开了一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

[0006] 为了解决上述问题，本发明的技术方案是：一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，所述系统包括感应加热炉、石墨铸型和结晶器，所述结晶器包括上冷却段结构和下冷
却段结构；

[0007] 所述上冷却段结构，用于对棒状铸坯的进行初次冷却，实现棒状铸坯一次结晶；

[0008] 所述下冷却段结构，用于对结晶后的棒状铸坯进行再次冷却，冷却硬化坯壳，防止铸坯拉断；

[0009] 其中，所述上冷却段结构的进口与感应加热炉连接，且对铸坯表面起到润滑和保护作用石墨铸型设置所述上冷却段结构内部，所述下冷却段结构与所述上冷却段结构的底
部固接。

[0010] 进一步，所述上冷却段结构包括环状第一外壳、环状法兰板、环状第一内套、环状底板和环状隔板；

[0011] 其中，所述环状第一内套设置在所述环状第一外壳内部，且所述环状第一内套和在所述环状第一外壳顶部与所述环状法兰板固接，所述环状底板设置在所述环状第一外壳
的底部，所述环状法兰板、环状第一外壳、环状第一内套和环状底板之间空腔为环状第一冷
却水腔，所述环状隔板置于所述环状第一冷却水腔内，且套结所述环状第一内套的外侧，将
环状第一分割为下层进水腔和上层出水腔，且所述下层进水腔和上层出水腔之间通过水腔
缝隙连通；

[0012] 所述第一冷却水腔的侧壁上设有第一进水口和第一出水口，且所述第一进水口与所述下层进水腔连接，所述第一出水口与所述和上层出水腔连接。

[0013] 进一步，所述下冷却段包括环状第二外壳、环状第二内套和环状筒形隔板；

[0014] 其中，所述环状第二外壳的一端与所述环状底板固接，另一端与所述环状第二内套的一端活动连接，所述环状第二外壳和环状第二内套之间空腔为环状第二冷却水腔，

[0015] 所述环状筒形隔板设置在所述环状第二内套内部，且一端与所述环状第二外壳的底部固接，所述环状筒形隔板将环状第二冷却水腔分割为外环水腔和内环水腔，且所述外
环水腔和内环水腔之间连通，内环水腔上设有喷水单元；

[0016] 所述环状第二冷却水腔的底部设有第二进水口，所述环状第二冷却水腔的内侧设置有第二出水口，所述第二进水口与所述外环水腔连通，所述喷水单元与所述第二出水口
连通。

[0017] 进一步，所述下冷却段还包括调节装置，所述调节装置包括调节槽和调节螺栓，

[0018] 其中，所述调节槽设置在所述环状第二内套内部，所述调节螺栓设置在所述环状第二外壳和环状第二内套之间。

[0019] 进一步，所述喷水单元为环形水道,所述环形水道宽度为0.1‑10mm。

[0020] 进一步，所述环形水道由两个带有10‑80°倒角的环形锥面构成，两个倒角的所述环形锥面分别对称设置在所述环状第二外壳和环状第二内套上。

[0021] 进一步，所述环状第二外壳、环状第二内套和环状筒形隔板均采用不锈钢制成。

[0022] 进一步，所述环状第一外壳、环状底板和环状隔板均采用不锈钢制成，所述环状第一内套为水冷铜套。

[0023] 进一步，所述内环水腔和外环水腔的体积比为1/10‑1/5。

[0024] 一种立式连铸系统，其特征在于，所述立式连铸系统的结晶器采用上述的紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统实现冷却。

[0025] 本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，本发明的多段连铸结晶器系统具有以下优点和使用效果：

[0026] 1.上下两个冷却段相结合可实现一次结晶与二次冷却，通过流量压力表及热电偶实时反馈冷却水腔内水流量与温度，利用手动阀门独立调节水腔内冷却水参数，从而实现
对一次结晶冷却强度与二次冷却强度的在线独立控制。

[0027] 2.通过预先手动控制调节螺栓改变喷水单元尺寸，可将冷却水气化和雾化，实现对铸棒的强化均匀二次冷却。

[0028] 3.可使金属熔液快速凝固，减小铸态晶粒粗化，提高拉坯速度，避免结晶器系统内熔液过度堆积而引起烧损缺陷，降低因一次结晶中坯壳薄而导致的拉断或漏液事故。

[0029] 附图说明：

[0030] 图1为本发明一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统的立体视图。

[0031] 图2为本发明一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统的剖视图。

[0032] 图3为本发明下冷却段结构示意图。

[0033] 图4为本发明环状第二内套的主视图。

[0034] 图5为本发明环状第二内套的俯视图。

[0035] 图6为本发明环状第二外壳的剖面图

[0036] 图7是使用本发明结晶器系统前后生产的铸棒表面质量图。

[0037] 图中：

[0038] 1.第一进水口、2.第一出水口、3.环状第一外壳、4.环状法兰板、5.环状第一内套、6.石墨铸型、7.上层出水腔、8.下层进水腔、9.水腔缝隙、10.环状隔板、11.环状底板、12.螺
栓、13.第二进水口、14.第二出水口、15.环状第二内套、16.外环水腔、17.内环水腔、18.喷
水单元、19.环状筒形隔板、20.环状第二外壳、21,调节装置、21‑1.调节槽、21‑2,调节螺栓、
22.缝隙。

[0039] 具体实施方式：

[0040] 下面将结合本发明在实施例中附图，对本发明在实施例中的原理、技术方案以及优点进一步详细、完整地阐明。

[0041] 如图1和图2所示，本发明为一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，所述结晶器系统结构包括上冷却段结构和下冷却段结构；

[0042] 所述上冷却段结构，用于对棒状铸坯进行初次冷却，实现棒状铸坯一次结晶；

[0043] 所述下冷却段结构，用于对结晶后的棒状铸坯进行再次冷却，冷却硬化坯壳，防止铸坯拉断；

[0044] 其中，所述上冷却段结构的进口与感应加热炉连接，且对铸坯表面起到润滑和保护作用的石墨铸型6设置所述上冷却段结构内部，所述下冷却段结构与所述上冷却段结构
的底部固接。

[0045] 所述上冷却段结构包括环状第一外壳3、环状法兰板4、环状第一内套5、环状底板11、和环状隔板10；

[0046] 其中，所述环状第一内套5设置在所述环状第一外壳3内部，且所述环状第一内套5和在所述环状第一外壳3顶部与所述环状法兰板4固接，所述环状底板11设置在所述环状第
一外壳3的底部，所述环状法兰板4、环状第一外壳3、环状第一内套5和环状底板11之间空腔
为第一冷却水腔，所述环状隔板10置于所述第一环状冷却水腔内，且套结所述环状第一内
套5的外侧，将环状冷却水腔分割为下层进水腔8和上层出水腔7，且所述下层进水腔8和上
层出水腔7之间通过水腔缝隙9连通。

[0047] 所述第一冷却水腔的侧壁上设有第一进水口1和第一出水口2，且所述进水口1和出水口2分别与所述下层进水腔8和上层出水腔7连接。

[0048] 所述下冷却段包括环状第二外壳20、环状第二内套15和环状筒形隔板19；

[0049] 其中，所述环状第二外壳20的一端与所述环状底板11固接，另一端与所述环状第二内套15的一端活动连接，所述环状第二外壳20和环状第二内套15之间空腔为第二冷却水
腔。

[0050] 所述环状筒形隔板19设置在所述环状第二内套15内部，且一端与所述环状第二外壳20的底部固接，所述环状筒形隔板19将第二冷却水腔分割为外环水腔16和内环水腔17，
且所述外环水腔16和内环水腔17之间连通，内环水腔17上设有喷水单元18；

[0051] 所述第二冷却水腔上设有第二进水口13和第二出水口14，所述第二进水口13与所述外环水腔16连通，所述喷水单元18与所述第二出水口14连通。

[0052] 所述下冷却段还包括调节装置，所述调节装置21包括调节槽21‑1和调节螺栓21‑2；

[0053] 其中，所述调节槽21‑1设置在所述环状第二内套15内部，所述调节螺栓21‑2设置在所述环状第二外壳20和环状第二内套15之间。

[0054] 所述喷水单元18为环形水道,所述环形水道宽度为0.1‑10mm。

[0055] 所述环形水道由两个带有10‑80°倒角的环形锥面构成，两个带有10‑80°倒角的所述环形锥面分别对称设置在所述环状第二外壳20和环状第二内套15上。

[0056] 所述环状第二外壳20、环状第二内套15和环状筒形隔板19均采用不锈钢制成。

[0057] 所述环状第一外壳3、环状底板11和环状隔板10均采用不锈钢制成，所述环状第一内套5为水冷铜套。

[0058] 所述内环水腔17和外环水腔16的厚度比为1/10‑1/5。

[0059] 一种立式连铸系统，所述立式连铸系统的结晶器采用上述的紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统实现冷却。

[0060] 实施例：

[0061] 如图1所示，一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，图2为图1的剖视示意图，多段小型铸棒连铸结晶器系统包括环状法兰板4、环状底板11、环状第一外壳3、环状第一内
套5、石墨铸型6、环状隔板10、第一进水口1、第一出水口2、螺栓12等部件。所述环状法兰板4
焊合在环状第一外壳3上端，保持中轴线重合；环状法兰板4将连铸结晶器系统通过螺栓连
接固定于感应加热炉下端；石墨铸型6下半部分安装在环状第一内套5中，所述石墨铸型6上
半部分安装在感应加热炉下端，所述环状第一内套5与所述环状第一外壳3间通过所述螺栓
12连接，环状第一内套5两端缠绕耐高温密封胶，保证接口处密封装配，防止冷却水外溢。

[0062] 所述上冷却段一次结晶中，环状法兰板4、环状第一外壳3和环状底板11是通过焊接固定在一起，环状第一外壳2、环状第一内套5、环状法兰板4和底板11之间空腔构成了环
状第一冷却水腔，此时石墨铸型6的下半部分置于所述环状第一冷却水腔内，环状隔板10将
环状水腔7，8分割成下层进水腔8和上层出水腔7，下层进水腔8与第一进水口1相通，第一进
水口1一端伸到环状水腔7，8内并与环状第一内套5保持一定距离，第一进水口1与环状第一
外壳3和环状隔板10焊接在一起，所述环状隔板10固定在第一进水口1中间位置，位于上层
出水腔7的第一进水口1被焊接密封，而第一出水口2与第一进水口1焊接方式相似，不同之
处在于第一出水口2是与上层出水腔7相通，其中环状隔板10焊接固定在环状第一外壳3上，
并与环状第一内套5间保留一定间隙构成水腔缝隙9；第一进水口1引入的冷却水优先充满
下层进水腔8，直接与环状第一内套5周向接触进行热交换，实施冷却结晶，随后通过水腔缝
隙9，将高温冷却水流入上层出水腔7并由第一出水口2流出，独立完成一次结晶中冷却过
程。上下层水腔有效地隔离了热交换前的低温冷却水与热交换后的高温冷却水，既能够避
免两种不同温度冷却水混合在一起，又可以提高冷却效率及冷却稳定性。

[0063] 图3所示，所述下冷却段二次冷却中，环状第二外壳20与所述环状第二内套15之间依靠调节螺栓21‑2连接，环状第二外壳20、环状第二内套15之间空腔构成第二冷却水腔，所
述环状筒形隔板19将冷却水腔分割成内外环水腔16，17，并且内环水腔17与外环水腔16的
体积比为1/10‑1/5，环状筒形隔板19下端与环状第二内套15间留有间隙，便于外环水腔16
中的冷却水流入内环水腔17，设计环状筒形隔板19的目的在于隔流作用，减缓冷却水流速
度，更好地控制水、气、雾不同冷却介质转换。

[0064] 所述环状第二内套15与环状第二外壳20间设置冷却喷水单元18（环形水道），位于内环水腔17中靠近环状第二内套15一侧上方，喷口朝向上冷却段出料口，它是由上下两个
带有30°倒角的环形锥面构成，环形水道宽度与缝隙22尺寸垂直方向相同，通过调节螺栓
21‑2调控缝隙22垂直方向尺寸，进而控制锥面间距在0.1‑10mm范围内移动，并配合调节冷
却水压及温度，可实现水、气、雾不同冷却介质转换。冷却水由进水口13进入外环水腔16，待
外环水腔16充满冷却水后进入内环水腔17，最终由喷水单元18所形成不同状态的冷却介
质，直接与铸棒周向接触进行热交换，实施二次冷却保证铸棒完全凝固，随后冷却水沿铸棒
表面由环状第二内套15中流出，形成第二出水口14，第一进水口13焊接固定在环状第二内
套下面并与外环水腔16相通。

[0065] 所述石墨铸型6镶嵌在环状第一内套5内，采用热装方式将两者紧密结合，石墨铸型6内壁经过抛光处理，减小铸坯与石墨铸型壁之间的摩擦阻力，对拉坯过程起到良好的润
滑作用，改善了铸棒表面质量并提高了成材率。

[0066] 图4为环状第二内套的主视图，图5为环状第二内套的俯视图，图6为环状第二外壳的剖面图。由图可知，所述环状第二外壳呈环状，内环壁加工成带有30°倒角的锥面，所述环
状第二内套如图4所示15上端加工成带有30°倒角的锥面，两个锥面相互平行，共同构成喷
水单元18，通过调节螺栓21‑2控制喷水单元18中环形水道宽度，并配合控制冷却水压及温
度，可将冷却水分别气化与雾化，可调控二次冷却强度，避免因激冷或弱冷而引起的组织缺
陷。

[0067] 图7为使用该结晶器系统前后生产的铸棒表面质量图，如图所示为本发明的一个具体实施例。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ为使用该结晶器系统前生产的铸棒，Ⅳ为使用该结晶器系统后生产
的铸棒，前者铸棒均存在不同程度的烧损和拉断缺口，并且铸棒表面分布大量的麻点和疤
痕，这些缺陷是由结晶器系统冷却不均匀、不充分造成的；而使用本发明结晶器系统后，铸
棒表面光亮平滑且未发生拉断事故，铸棒整体质量得到显著改善。

[0068] 以上对本申请实施例所提供的一种紧凑型多段小型铸棒连铸结晶器系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本
领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，
综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

[0069] 如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不
以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如
在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包
含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误
差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

[0070] 说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界
定者为准。

[0071] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确
列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情
况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还
存在另外的相同要素。

[0072] 应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种
情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0073] 上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、
修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识
进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申
请所附权利要求书的保护范围内。