專利名稱：一種能增強湍流冷卻效果的異型坯結(jié)晶器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于異型坯連鑄技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及異型坯連鑄結(jié)晶器銅板的冷卻水縫結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在高效節(jié)約型建筑用鋼品種中，H型鋼因具有性能優(yōu)越、加工制作和施工安裝簡單、方便、快捷等特點，已被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域，尤其是要求承載力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑或重型設(shè)備結(jié)構(gòu)。異型坯作為一種近終形連鑄產(chǎn)品，無疑是生產(chǎn)H 型鋼的最佳坯料。所謂異型坯，是指除了方坯、板坯、圓坯和矩形坯以外具有復(fù)雜斷面的連鑄坯，主要形式為工字形鑄坯。由于異型坯的形狀和最終產(chǎn)品與H型鋼的形狀相似，因此， 采用異型坯軋制H型鋼具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等顯著優(yōu)點。近年來，大型經(jīng)濟型斷面型材的發(fā)展帶動了異型坯連鑄技術(shù)的大力發(fā)展，研究和提升異型坯連鑄技術(shù)在我國乃至世界都具有廣闊的發(fā)展前景和深遠(yuǎn)的實用意義。結(jié)晶器是異型坯連鑄機的機頭，其重要性更被喻為連鑄機的“心臟”。它是以性能良好的銅合金制造而成，在連鑄中的基本功能是利用循環(huán)冷卻水通過結(jié)晶器銅板上開鑿的水縫來連續(xù)不斷的帶走結(jié)晶器內(nèi)鋼液的熱量，使得注入結(jié)晶器的鋼液能夠連續(xù)冷凝成具有一定厚度、強度及表面質(zhì)量良好的凝固坯殼。結(jié)晶器是一個高效的換熱器、鋼水凝固成型器、鋼水夾雜物凈化器和鑄坯表面質(zhì)量控制器。從傳熱角度看，結(jié)晶器應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱特性和導(dǎo)熱均勻性，以保證結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度和坯殼凝固的均勻性。而結(jié)晶器內(nèi)熱量的提取和傳熱均勻性很大程度上都取決于結(jié)晶器銅板上冷卻水縫的設(shè)計與加工。結(jié)晶器銅板上冷卻水縫的設(shè)計加工直接關(guān)系到最終的鑄坯質(zhì)量、銅板使用壽命和連鑄工藝順行情況。迄今為止，異型坯結(jié)晶器經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展?，F(xiàn)有技術(shù)下，廣泛采用的異型坯結(jié)晶器由2塊窄面銅板和2塊寬面銅板組合而成，窄面銅板為規(guī)則的長方體，寬面銅板外側(cè)為規(guī)則長方形面，內(nèi)側(cè)中間部分凸起(為腹板部位)，兩邊水平(為翼稍部位)，凸起部分與水平部分由斜面和倒角相連構(gòu)成圓滑的翼緣斜面，四塊銅板組合之后的結(jié)晶器內(nèi)腔呈“H” 形。由于異型坯結(jié)晶器窄面和寬面銅板形狀不同，其冷卻水通道形式也并不相同，窄面銅板是在外側(cè)開鑿了長方形的冷卻水溝槽，并與外圍的水套一起構(gòu)成冷卻水通道。寬面銅板翼稍部位的冷卻水通道有兩種形式，一種是在外側(cè)開鑿長方形溝槽；另一種是在銅板上鉆圓形的小孔。寬面腹板和翼緣斜面處由于銅板很厚，為保證冷卻效果，只能在離內(nèi)側(cè)較近距離處鉆圓孔來構(gòu)建冷卻水通道，常見的冷卻水通道形式有直徑小于20mm的小圓孔直接作為冷卻水通道和直徑大于20mm的大圓孔內(nèi)插入金屬限流桿形成冷卻水通道兩類。由于大圓孔加工難度較低，所需數(shù)量較少，并且與其相連的進出水通道也較為簡單，因此大圓孔內(nèi)插入限流桿的水縫設(shè)計在斷面較大的異型坯結(jié)晶器上得到較廣泛應(yīng)用。大圓孔內(nèi)插入的限流桿是一種表面光滑的金屬圓桿，其主要目的是為了限制冷卻水縫面積，提高冷卻水通道內(nèi)的水流速，從而擴大銅板壁面與冷卻水之間的傳熱系數(shù)，強化結(jié)晶器冷卻效果。從傳熱學(xué)角度講，冷卻水通過結(jié)晶器水縫對銅板進行冷卻的過程屬于管內(nèi)強制對流傳熱，主要包含軸向上的對流和徑向上的傳熱，二者的強化均可增強最終傳熱效果。目前異型坯結(jié)晶器寬面銅板上圓孔內(nèi)插入的限流桿為光滑桿，它雖然可以增強管內(nèi)軸向的對流，但是對管內(nèi)流體的攪動較小，特別是對銅板與冷卻水之間傳熱附面層的擾動較小，難以形成強烈的湍流，因此對冷卻水徑向上的對流傳熱影響不大，依然會導(dǎo)致冷卻水整體熱交換效率低，結(jié)晶器難以達(dá)到高效連鑄的高拉速要求。另外，光滑表面的限流桿難以使冷卻水相對水孔方向出現(xiàn)較強的橫向攪動，對冷卻水壁面的沖刷明顯不夠，所以結(jié)晶器水縫壁面難免會出現(xiàn)結(jié)水垢的現(xiàn)象，水垢輕則降低結(jié)晶器的冷卻效率，影響鑄坯質(zhì)量和連鑄工藝順行，重則會使結(jié)晶器局部出現(xiàn)高溫，直接導(dǎo)致設(shè)備損壞。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有異型坯連鑄結(jié)晶器水縫設(shè)計的上述不足，提供一種異型坯連鑄結(jié)晶器冷卻效果強化方法及冷卻水縫，使得異型坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)冷卻水的湍流狀態(tài)顯著增強，促進結(jié)晶器的冷卻效果，減少冷卻水道的壁面結(jié)垢問題，并延長結(jié)晶器銅板的使用壽命。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種能增強湍流冷卻效果的異型坯結(jié)晶器，結(jié)晶器窄面外側(cè)和寬面翼稍部位的銅板外側(cè)設(shè)置長方形凹槽形水縫，靠近寬面腹板和翼緣斜面的邊緣內(nèi)側(cè)沿邊緣設(shè)置豎直的圓形水孔，圓孔內(nèi)通過插入豎直桿狀的金屬物形成環(huán)形水縫，其特征在于金屬物的外周面設(shè)置凸起或凹陷的紋路，或者金屬物為能夠使其自身與圓形水孔之間形成起伏不平的水縫的螺旋線、螺旋帶、螺旋片、交叉鋸齒帶、扭帶、螺紋桿或靜態(tài)混合器。所述金屬物的凸起或凹陷的紋路為橫向、斜向、螺旋狀或麻花狀。所述金屬物的凸起或凹陷的紋路橫向或斜向均勻間隔。所述金屬物為扭帶時，扭帶的扭率在3-8之間。所述金屬物的外圍直徑為5_25mm。本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下特點1、圓孔內(nèi)插入金屬物的改進可以使水縫內(nèi)流體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，邊界層內(nèi)的流體和主流流體得以更好的混合，提高了冷卻水利用效率，強化了結(jié)晶器的冷卻效果，為連鑄拉速的提高創(chuàng)造了條件。2、增加了靠近水孔壁面處的流體速度，加強了邊界層內(nèi)流體的攪動，增強了冷卻水對水縫壁面的沖刷，可以有效減輕冷卻水縫壁面結(jié)垢問題。3、改善銅板冷卻效果，有效降低結(jié)晶器銅板工作溫度，有助于提高結(jié)晶器使用壽命，從而降低連鑄生產(chǎn)成本。

圖1是本實用新型的異型坯結(jié)晶器及水縫布置俯視圖。圖2是本實用新型的一個實施例的環(huán)形水縫俯視圖。圖3是本實用新型圓孔內(nèi)插入金屬物的第2個實施例，金屬物為螺紋桿。圖4是本實用新型圓孔內(nèi)插入金屬物的第3個實施例，金屬物為扭帶。圖5是本實用新型圓孔內(nèi)插入金屬物的第4個實施例，金屬物為靜態(tài)混合器。[0022]圖6是本實用新型圓孔內(nèi)插入金屬物的第5個實施例，金屬物為螺旋線。圖7是本實用新型圓孔內(nèi)插入金屬物的第6個實施例，金屬物為交叉鋸齒帶。附圖中標(biāo)號如下，1-窄面銅板，2-寬面銅板，3-翼稍，4-腹板，5-翼緣斜面，6_長方形水槽，7-圓形水孔，8-金屬物，9-環(huán)形水縫
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1-7的實施例對本實用新型作進一步說明，但不限定本實用新型。如圖1中所示，本實用新型的結(jié)晶器，主要由兩塊相同窄面銅板1和兩塊相同的寬面銅板2組成，窄面銅板1的外側(cè)開鑿了長方形水槽6，寬面銅板2由兩端平直的翼稍3、中間凸出的腹板4和翼緣斜面5組成，結(jié)晶器內(nèi)腔呈“H”形；翼稍3外側(cè)開鑿了與窄面銅板1 外側(cè)相同的長方形水槽6，腹板4和翼緣斜面5上鉆了圓形水孔7。在圓形水孔7內(nèi)插入豎直桿狀的金屬物8，構(gòu)成環(huán)形水縫9。所述金屬物8的外周面加工有凸起或凹陷的紋路，紋路形狀可以為橫向、斜向、螺旋狀或麻花狀。優(yōu)選所述凸起或凹陷的紋路均勻間隔。或者，也可以采用將金屬物8本身加工成螺旋線、螺旋帶、螺旋片、交叉鋸齒帶、扭帶、靜態(tài)混合器(圖6所示實施例為SK型靜態(tài)混合器，當(dāng)然也可以為其他類型靜態(tài)混合器， 不再圖示)或螺紋桿，其中部分實施例如圖3至7所示。螺旋線、螺旋帶、螺旋片、交叉鋸齒帶、扭帶為金屬條、帶、片或絲繞制和/或扭曲成螺旋形或扭帶狀、能夠使圓孔內(nèi)的冷卻水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動或橫向擾動、增大近壁面處的水流速度、加強邊界層內(nèi)流體的攪動。實施例1異型坯連鑄結(jié)晶器，在其窄面和寬面翼稍處銅板的外側(cè)每間隔15mm開鑿一個寬 10mm、深20mm的方形水槽。在寬面腹板和翼緣斜面銅板邊緣內(nèi)側(cè)40mm處沿邊緣每隔30mm 鉆一個直徑為30mm的圓孔，在圓孔內(nèi)插入直徑為25mm的金屬桿，在金屬桿上車深6mm、寬 15mm的斜向與水平方向呈45°的凹槽，相鄰凹槽的間距為25mm。由此構(gòu)建的水縫可以增加冷卻水的橫向擾動，冷卻水的湍流狀態(tài)顯著增強，還能增強傳熱附面層的傳熱效率，減少水縫結(jié)垢，延長銅板使用壽命。實施例2異型坯連鑄結(jié)晶器，在結(jié)晶器窄面銅板和寬面翼稍銅板的外側(cè)每間隔15mm開鑿一個寬10mm、深20mm的方形水槽，在寬面腹板和翼緣斜面銅板邊緣內(nèi)側(cè)40mm處沿邊緣每隔30mm鉆一個直徑為30mm的圓孔，在圓孔內(nèi)插入直徑為25mm的金屬螺紋桿(包含螺紋牙距)，螺紋桿上所車螺紋牙高6mm、螺距設(shè)置為20mm，如圖3所示。由此構(gòu)建的水縫可以增加水流的擾動和橫向沖刷，強化傳熱系數(shù)，實驗表明，在不增加管內(nèi)阻力的條件下，金屬螺紋桿仍可以將管內(nèi)冷卻水的傳熱效率提高40%，并且，還可以減少冷卻水縫壁面結(jié)垢現(xiàn)象。實施例3異型坯連鑄結(jié)晶器，在其窄面銅板和寬面翼稍銅板的外側(cè)每間隔15mm開鑿一個寬10mm、深20mm的方形水槽。在寬面腹板和翼緣斜面銅板邊緣內(nèi)側(cè)40mm處沿邊緣每隔 30mm鉆一個直徑為30mm的圓孔，在圓孔內(nèi)插入直徑為20mm的金屬制扭帶，當(dāng)然扭帶的直徑也可以在5-25mm之間變動。扭帶是一種最簡單而又使流體旋轉(zhuǎn)的旋流發(fā)生器。它是由薄金屬片(通常是鋁片)扭轉(zhuǎn)而成。如圖4所示，扭帶上還可以設(shè)置多個不規(guī)則分布的缺口。扭帶的扭轉(zhuǎn)程度由每扭轉(zhuǎn)360°的長度H(稱為全節(jié)距)與圓孔內(nèi)徑d之比來表征。H/ d稱之為扭率。扭率不同強化傳熱的效果也不同，一般紐帶的扭率可設(shè)置在3-8之間，試驗表明，扭率為5效果最好。本例中H取150mm，d取30mm。插入扭帶的水縫可以顯著增加水流的擾動和橫向沖刷，強化傳熱系數(shù)，使圓孔內(nèi)冷卻水傳熱效率提高0. 3到1倍，同時，易于取出清洗和更換，可以減少冷卻水縫壁面結(jié)垢。實施例4異型坯連鑄結(jié)晶器，在其窄面銅板和寬面翼稍銅板的外側(cè)每間隔15mm開鑿一個寬10mm、深20mm的方形水槽。在寬面腹板和翼緣斜面銅板邊緣內(nèi)側(cè)40mm處沿邊緣每隔 30mm鉆一個直徑為30mm的圓孔，在圓孔內(nèi)插入的金屬物8為直徑5_25mm的金屬制SK型靜態(tài)混合器。該靜態(tài)混合器由一系列向左、再向右扭轉(zhuǎn)180°的扭曲片狀短元件，按照一個左旋、一個右旋的排列順序，互相錯開90°再點焊而成。如圖5所示，片狀短元件上還可以設(shè)置不規(guī)則分布的缺口。由此構(gòu)成的水縫可以使冷卻水的湍流狀態(tài)顯著增強，加大傳熱系數(shù)。 研究表明，靜態(tài)混合器能使水縫內(nèi)傳熱系數(shù)提高1. 5至4倍，增強冷卻壁面的沖刷，使水縫壁面的防垢能力提高5至10倍，大大有利于優(yōu)化結(jié)晶器銅板工作環(huán)境。實施例5結(jié)晶器主體與前述實施例相同，所不同的為圓孔內(nèi)插入的金屬物8為螺旋線，由金屬絲繞制而成，一般由三葉或四葉直徑為0. 5至5mm的細(xì)金屬絲繞至成螺旋狀，螺旋線狀金屬物8的外圍直徑為5-25mm，螺旋線的螺距一般為5mm至30mm。圓形通道內(nèi)插入螺旋線后，增強了流體的旋轉(zhuǎn)擾動，可提高管壁面?zhèn)鳠崮は禂?shù)20%以上，使水縫內(nèi)總體傳熱效率增加30%以上。實施例6結(jié)晶器主體與前述實施例相同，所不同的為圓孔內(nèi)插入的金屬物8為交叉鋸齒帶，由兩根金屬帶交叉繞制和扭曲而成，每兩交叉點間隔為5mm至30mm，扭曲之后的外側(cè)面呈鋸齒狀；當(dāng)然，還可以采用不同間隔距離的鋸齒帶。交叉鋸齒帶金屬物8的外圍直徑為5-25mm。應(yīng)用結(jié)果表明，交叉鋸齒帶可顯著增強流體的擾動，能使水縫內(nèi)的傳熱系數(shù)提高30 %到50 %，同時，還易于裝配和拆卸清洗，有效防止水縫內(nèi)結(jié)垢。以上所揭露的僅為本實用新型的較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本實用新型之權(quán)利范圍，因此依本實用新型申請專利范圍所作的等效變化，如對工藝參數(shù)或裝置做出的變動和改良仍屬本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種能增強湍流冷卻效果的異型坯結(jié)晶器，結(jié)晶器窄面外側(cè)和寬面翼稍部位的銅板外側(cè)設(shè)置長方形凹槽形水縫，靠近寬面腹板和翼緣斜面的邊緣內(nèi)側(cè)沿邊緣設(shè)置豎直的圓形水孔，圓孔內(nèi)通過插入豎直桿狀的金屬物形成環(huán)形水縫，其特征在于金屬物的外周面設(shè)置凸起或凹陷的紋路，或者金屬物為能夠使其自身與圓形水孔之間形成起伏不平的水縫的螺旋線、螺旋帶、螺旋片、交叉鋸齒帶、扭帶、螺紋桿或靜態(tài)混合器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器，其特征在于所述金屬物的凸起或凹陷的紋路為橫向、斜向、螺旋狀或麻花狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)晶器，其特征在于所述金屬物的凸起或凹陷的紋路橫向或斜向均勻間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器，其特征在于所述金屬物為扭帶時，扭帶的扭率在3-8 之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的結(jié)晶器，其特征在于所述金屬物的外圍直徑為 5-25mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)晶器，其特征在于所述金屬物的外圍直徑為5-25mm。
專利摘要本實用新型涉及一種能增強湍流冷卻效果的異型坯結(jié)晶器，結(jié)晶器窄面外側(cè)和寬面翼稍部位的銅板外側(cè)設(shè)置長方形凹槽形水縫，靠近寬面腹板和翼緣斜面的邊緣內(nèi)側(cè)沿邊緣設(shè)置豎直的圓形水孔，圓孔內(nèi)通過插入豎直桿狀的金屬物形成環(huán)形水縫，金屬物的外周面設(shè)置凸起或凹陷的紋路，或者金屬物為能夠使其自身與圓形水孔之間形成起伏不平的水縫的螺旋線、螺旋帶、螺旋片、交叉鋸齒帶、扭帶、螺紋桿或靜態(tài)混合器。由此促進結(jié)晶器的冷卻效果，減少冷卻水道的壁面結(jié)垢問題，并延長結(jié)晶器銅板的使用壽命。
文檔編號B22D11/055GK202270948SQ20112037828
公開日2012年6月13日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者葉理德, 徐海倫, 邵遠(yuǎn)敬, 馬春武 申請人:中冶南方工程技術(shù)有限公司