[发明专利]灯泡型连铸结晶器芯棒

说明书

本发明公开了一种灯泡型连铸结晶器芯棒。芯棒中心轴线曲率与连铸机匹配，每一截面设计尺寸均不相同；芯棒A端截面形状为外凸四边形，每边分别由1条直线夹在2条弧线中间组成，由过度圆角连接；芯棒B端截面形状为圆角矩形；芯棒每个截面的外轮廓线组成芯棒连续变锥度复合形线；芯棒A端形线的平均锥度大于B端；芯棒截面由外凸四边形逐渐过度为矩形，且形线锥度逐渐减小，外形酷似灯泡。由此种芯棒加工制备而成的铜管可更好贴合连铸坯凝固表面，更接近小方坯连铸坯凝固成形规律，降低结晶器系统热阻，提高结晶器换热性能，加快连铸机拉速，减小铜管磨损增加使用寿命，解决连铸小方坯角部、面部冷却不均产生的形状缺陷，及其表面质量问题。

技术领域

本发明属于连铸技术和金属凝固温度场、热应力收缩位移场技术领域，具体来说是一种用来制备连铸结晶器铜管的灯泡型芯棒。

背景技术

连铸技术是钢铁冶炼领域中的重要技术，而结晶器是连铸机的核心。熔融钢水浇入结晶器铜管中，经高效热交换后连续产出钢坯，这个过程就是连铸生产过程，目前，国内大多数连铸小方坯结晶器铜管内腔为单锥度或抛物线型曲线，铜管横截面为矩形，当连铸机拉速提高，生产节奏加快时，其并不能良好适应金属在结晶器中凝固收缩规律，造成铜管内腔与连铸坯表面间产生大量不均匀气隙，而气隙的导热系数要远远小于金属，这样就增大结晶器内部热阻，降低传热效率，造成角部面部冷却不均匀，导致连铸坯脱方、菱变等形状缺陷，影响连铸坯表面及皮下组织质量，严重时将导致连铸坯漏刚，影响连铸生产线正常运转。连铸结晶器是制约着连铸生产高速化和高质量化的瓶颈，对结晶器铜管的设计与优化改进更是刻不容缓。

灯泡型连铸结晶器芯棒通过有限元分析模拟、物理建模及数值计算方式，求解连铸坯温度场、热应力场、收缩位移场的合理分布，进而得到不同金属材料在一定连铸条件下成形及热变形的相应规律。以灯泡型连铸结晶器芯棒为模具，挤压成形加工结晶器铜管内腔，将有效降低结晶器系统总热阻，提升其内部热交换能力，解决角、面部冷却不均匀问题，进而提高连铸机拉速和连铸生产效率。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，研究设计一种灯泡型连铸结晶器芯棒，以其为模具挤压成形加工结晶器铜管内腔，用于解决现有单锥度或抛物线锥度结晶器铜管角部面部冷却不均匀、热传导性能有限、连铸机拉速慢生产效率低、铜管内腔磨损和铸坯表面及其皮下组织质量不佳等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种灯泡型连铸结晶器芯棒，包括：

芯棒，用于成形结晶器铜管内腔形状及形线，包括：

接近芯棒上半部分芯棒截面为外凸四边形，其四边分别由2条弧线、1条直线和过度圆弧组成，外凸四边形连续且平滑过度，如图3中A-A截面所示。

包括弧R42(劣弧)、直线段L11、弧R11(劣弧)和圆角曲线R51组成芯棒弧面一端外轮廓线；弧R21(劣弧)、直线段L12、弧R31(劣弧)和圆角曲线R52组成芯棒直面一端外轮廓线；弧R12(劣弧)、直线段L13、弧R41(劣弧)和圆角曲线R53组成芯棒弧面另一端外轮廓线；弧R32(劣弧)、直线段L14、弧R22(劣弧)和圆角曲线R54组成芯棒直面另一端外轮廓线；R51、R52、R53、R54为过渡圆弧。

接近芯棒上半部分的每一截面尺寸均不相等，其具体尺寸需根据连铸工艺条件和连铸材料参数，由有限元模拟和数值计算方式确定；

当连铸坯截面为长方形时，其对应的连铸结晶器芯棒接近上半部分横截面中，芯棒弧面圆弧线与芯棒直面圆弧线尺寸不相等，包括：弧R21≠R11，弧R31≠R12，弧R41≠R32，弧R42≠R22；同理，横截面中弧面直线与直面直线尺寸不相等，包括：L11≠L12，L12≠L13，L13≠L14，L11≠L14；芯棒截面A-A关于x，y轴对称轴，为中心对称结构，即：R11＝R12，R21＝R22，R31＝R32，R41＝R42，L11＝L13，L12＝L14。