CN1061575C - 润滑连续铸造金属的结晶器壁的方法及其所用的结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及润滑用于连续铸造金属产品的结晶器的方法，这种结晶器包括一受到激冷的垂直振动的金属管状元件，在该方法中，将一种液体润滑剂通过金属管状元件朝着正在凝固的金属产品注射，该注射在管状元件的单一水平上按环状分布的各个点上进行，上述水平位于离产品能够开始凝固的最低水平大于20cm的距离处，润滑剂的流量足以使润滑剂的一部分沿壁上升至产品可以有效地开始凝固的某个水平。本发明还涉及用于实现此方法的结晶器。

Description

润滑连续铸造金属的结晶器壁的方法及其所用的结晶器

本发明涉及金属的连续铸造领域。更精确一些，它涉及一种润滑传统的连续铸造设备的结晶器的方法，还涉及一种所谓的“有液态金属头的连续铸造”设备的结晶器，其中，希望将结晶器中的液态金属的表面与铸造产品开始凝固的区域隔开一段距离。

传统的连续铸钢作业大致地包括：将熔融金属连续地倒入一无底的垂直管形振动式结晶器中，该结晶器具有被内循环水激烈冷却的金属壁(用铜或铜合金制造)；将已经在其外侧凝固至几个厘米厚的产品(板坯、大方坯或方坯，取决于结晶器的大小)也同样是连续地从结晶器中拉出。这种产品的凝固是在设备的下面各段中完成的，在这些阶段里，产品在离开结晶器时首先用喷水的办法强制冷却，然后自然冷却。以后，将产品切成所要求的长度。振动式结晶器的目的是防止产品的凝固的表层局部粘在结晶器的壁上，而这将会使表层被撕掉，造成“拉漏”，也就是说，液态金属通过撕破处流出。这种事故必然要求立即停止铸造生产，因而有使设备严重损坏的危险。

对于由此而生产出的轧制产品的良好品质来说，重要的是，这些连续铸造的产品有尽可能小的表面缺陷和分层缺陷。但是，液体在结晶器中的振荡和流动使结晶器中的液态金属的表面水平不断变化，而产品的表层也随此在被冷却的壁上开始凝固。这些变化是在产品表面上周期性地出现不规则物，如凝固的箍和振荡痕迹的主要原因，而这种不规则物的大小是希望能减至最小的。

已知的对这个问题的补救方法包括：将结晶器中的液态金属的表面与产品开始凝固的水平隔开一段距离。为此，将一个不受冷却的称为“套筒”的管形元件放在结晶器(该结晶器处于套筒的延伸部分上)的受到冷却的金属元件的上边缘上，并调节倒入的金属的流量和铸造速度，以便使金属的表面保持在套筒的里面。由于套筒是用绝热材料如高铝耐火材料制造的，原则上制品表层的凝固不会从套筒壁上开始，而只能在金属元件的水平上开始。这样，液态金属表面的水平的波动就不再会影响凝固开始的区域。凝固进行得很均匀，并导致产品的表面质量和分层性与传统的连铸设备相比有显著的改进。这种设备常常用“有液态金属头的连续铸造”设备来称呼。

另外，在这些设备中，将液态金属送入结晶器中的浸没的喷嘴有包含在套筒中的开口端。因此，包含在套筒中的金属形成一个缓冲容积，它将在金属到达金属元件的水平之前由于金属的流入而形成的紊流予以减弱。与传统的连铸情况相比，这还有助于在金属的第一层凝固时提供更好的均匀性，在传统的连铸生产中，这种紊流影响受到冷却的金属元件的整个上部并可在高回流区的附近减缓凝固。

为了保证凝固正好在金属元件的水平处开始，有可能如文件EP0620062中所推荐的那样，在耐火材料做的元件与金属元件之间的连接处注入加压的惰性气体。这样做的目的是企图在例如套筒壁还未达到它的完全热平衡的情况下，将已经在套筒壁开始形成的不希望有的固体表层剥去。

绝对重要的是，在传统的连续铸造中或在采用液态金属头的连续铸造中，要对结晶器的受到冷却的金属元件的内壁进行润滑，以保证被拉出的产品的凝固表层有良好的滑移性，从而防止拉漏。在传统的连铸生产中，有两种方法可以采用。一种方法包括在液态金属的表面上放置以氧化物或溶剂为基础的复盖粉末。它在它与金属的界面上形成一液体层，同时，在结晶器的周边，由粉末的成份赋予了润滑性能的这种液体在壁与凝固表层之间渗透。此外，这种粉末还沾着已经上升至金属表面的非金属夹渣，保护液态金属不受大气的再氧化，并阻挡由金属发出的辐射。对主要控制其在粉末／金属界面的流动性的粉末的成份的要求，对这些功能来说并不是相同的。因此，成份的选择必须是一种不能使其中任何一种功能为最佳的折衷方案。另一种润滑方法包括在结晶器内部的金属表面上涂一层油，例如菜籽油，以使其在壁与凝固的表层之间渗透。这样可以达到高质量的润滑，但是不会再具备捕获夹渣物、防止金属再氧化和阻挡辐射的功能。因此，这种方法只在用于铸造尺寸非常小的按自由流动模式(设有浸没的喷嘴)铸造产品的设备中偶然使用。在这种设备中，如果采用复盖粉末，则铸造流对金属表面的冲击将使粉末被卷入结晶器，从而使金属受到严重的污染。

在这两种方法中，第一种方法不能移用至有液态金属头的铸造的情况。为了保护金属并粘着夹杂物，被放置在套筒中的金属表面上的粉末不能到达表层开始在该处凝固的金属元件的上水平处，因此粉末在润滑中不起作用。还有，在套筒与金属元件的连接处注入粉末是难以想象的，这是因为，这样可使金属受到一部分粉末的污染，这些粉末不可避免地要被卷入金属中。因此，要选择一种沿金属元件的内周边，在其与套筒的连接处注油，以润滑结晶器的办法。例如在它们之间插入一受到冷却并设有槽的金属插入件，就可以做到这一点。但是，要在金属元件(它通常有700mm左右的长度)的整个高度上得到满意的润滑，是有问题的。其理由为，注入点处的很高的温度会使一部分油裂解，由此而产生的气体(主要为Co和甲烷)的放出必须保持在限定的水平上，以便不使金属在结晶器中沸腾。因此，只能用比较小的流量将油注入，这是因为，当将流量加大到一足够从顶部到底部都适当的润滑结晶器的值时，将导致放出不能接收的大量气体发出。因此，必须用一在金属元件下部做出的附加的注入在套筒／金属元件的连接处补充此油的注入。这样，就保证了结晶器的最后几十厘米可以得到适当的润滑，但是这样又使结晶器的结构多少更复杂。

本发明的目的是提供一种方法，它能使任何连铸设备的结晶器中的整个受冷却的金属部分得到最佳的润滑，从而在任何情况下都有可能在传统的连铸生产中采用液体润滑剂，并且简化用于有液态金属头的连铸生产的结晶器的设计。

为此，本发明的主题是一种润滑用于连续铸造金属产品的结晶器的方法，这种结晶器包括一受到激烈冷却的垂直振动的金属管状元件，该元件限定了一条用于被铸造的金属的通道，并试图在金属与上述通道中的壁接触时使上述金属产品凝固，在该方法中，将一种液体润滑剂通过上述金属管状元件朝着上述正在凝固的金属产品注射，其特征在于，上述注射是在上述管状元件的位于单一水平上的按环状分布的各个点上进行的，上述水平位于离最低水平的距离大于20cm处，在该最低水平处，上述产品能够开始凝固；并且，上述润滑剂的流量足以使上述润滑剂的一部分沿上述壁上升至某个水平，在该处，可以有效地开始上述产品的凝固。

在发明的主题还在于一种用于连续铸造金属产品的设备的结晶器，这种结晶器包括：一受到激烈冷却的金属管形元件，该元件限定了一条用于被铸造的金属的通道，并试图在金属与上述通道中的壁接触时使上述金属产品凝固；用于垂直地振动上述结晶器的装置和用于通过上述金属管状元件朝着上述正在凝固的金属产品注射一种处于液体状态的润滑剂的装置，其特征在于，上述装置位于上述金属管状元件的单一水平上，该水平位于离最低水平的距离大于20cm处，在该最低水平处，上述产品能够开始凝固。

正如已经理解了的那样，本发明包括将液体润滑剂的注射位置设在结晶器的一个水平上，该水平比铸造产品开始凝固的那个水平低很多，而不是在那个水平本身处。事实上，从本发明中已经观察到，结晶器的垂直振动足以使一部分润滑剂沿受到冷却的金属元件的壁显著地上升。因此，适当地调整润滑剂的注射点和其参数，就有可能使大量的润滑剂到达开始凝固的那个水平，从而保证只采用这种注射便可使结晶器在其受到冷却的金属元件的整个高度上都有令人满意的润滑。此外，这个量必须很少，以便在结晶器中不使不能接收的气体放出。在传统的连铸生产中，复盖粉末不再用于这种润滑功能，因此其成份可以进行优化，以使其能最好地执行它的捕获夹杂物和保护液态金属表面的功能。在采用液态金属头的连铸生产中，不再需要在结晶器的受冷却的元件上在几个水平处注入液体润滑剂，从而大大地简化了它的设计。

参考附图并阅读下面的说明便可更好的理解本发明。这些附图是：

图1以纵向剖面示意地表示了装有按照本发明的结晶器的有液态金属头的连续铸造金属的设备；

图2以同样的方式表示了装有按照本发明的结晶器的现有连铸设备；

图3较详细地表示了按照本发明的结晶器的金属管状元件的一个例子。

图1所示的结晶器在采用液态金属头的连续铸造钢或其它金属的生产中是传统的，它由两个叠加的元件组成。主元件是一个由铜或铜合金制造的金属管形元件2，其内表面3限定了一与要求铸造的产品具有相同尺寸的通道4，并且该通道有圆形、正方形或矩形截面。此金属管形元件2可以是一个单件(这常常是用于铸造钢棒、方坯或大方坯的情况)或是由一组板形成，每个板对应于结晶器1的一个面(一般是用于铸造钢板坯的情况)。通常，金属管形元件2由循环水5冷却，该循环水设在例如外表面6和包围它的夹套7之间。围绕金属管形元件2的上缘8固定有结晶器的第二元件，即由一管形元件形成的套筒9，此管形元件用例如为90／10％铝土／硅石混合物这样的耐火材料制造。套筒9的内表面10限定了位于通道4的延长部分上的通道11，而通道4则由金属管形元件2的内表面3限定。在所示例子中，这两条通道4与11有同样的尺寸，但也有可能使其中的一个具有比另一个小的尺寸，以便使在铸造产品开始凝固时有更清楚的轮廓。另外，在一种熟知的方法中，被浸设的喷嘴12与未示出的其中盛有欲浇铸的液态金属13的中间包连接，并将欲浇铸的液态金属输送至在套筒9内的通道11中。由于套筒9是用绝热材料制造的，因而不会在其壁上明显地发生液态金属13的凝固，而是只在液态金属13与受到冷却的金属元件2的内表面3接触时，也即在与上述元件2的上缘8在同一水平时才开始。这种凝固导致形成凝固的钢表层14，其厚度在经过结晶器1往下移动时增加，所述表层包围着铸造产品16的仍然是液态的芯部15。该产品16用未示出的一台已知的装置连续地从结晶器1中拉出，该设备装在设备的下面各个阶段。在产品16以部分凝固的状态离开结晶器1之后，它按传统由一未示出的装置连续冷却，该装置向其外表面喷以水流或水／空气的混合流，这个动作在紧位于结晶器1的下方处开始，并继续布及几米的长度。此后，产品16仅通过对流与辐射而完全凝固并完全冷却。通常，结晶器1还包括一未示出的装置，该装置能使其整个地沿箭头17的方向作垂直的振动。这种振动可以是正弦的，或是服从于某个更复杂的规律。它们通常具有几个Hz的频率和几个mm的振幅。

结晶器1还包括一个通过绕受到冷却的金属管状元件2的内表面3的周边喷射润滑液，如油以润滑此内表面3的装置，该油旨在滑入此表面3与产品16的凝固的表层14之间。但是，与在金属元件2的顶部和在同一元件的下部进行此种注入的一般作法相反，按照本发明，润滑液只在距离受到冷却的金属元件2的上缘820cm以上的单一水平处被喷入。这种喷注通过管道18、19进行，该管道做在金属元件2的壁上并将润滑剂导向开在此元件2的内表面3上的小孔20、21，从而将润滑剂分布在产品16的凝固的表层14的整个周边上。润滑剂本身用未示出的装置送入管道18、19中，该装置与在受到冷却的金属元件2的下缘24上形成的管道18、19下部的小孔22、23相连。

如同其它的采用液态金属头的连续铸造设备一样，最好将存在于模子1中的液态金属13的表面复盖以复盖粉末25，它不必用作为受冷却的金属元件2的内表面3的润滑剂。因此更易于优化它的成份，以使它在防止金属13被再氧化和捕获非金属夹杂物方面做得最好。

如图2所示，按照本发明的普通的连铸设备有与图1中的设备的元件种类相同且功能相同的元件，并将其标以同样的参考标号。此设备与前述设备的区别在于，受到冷却的金属管形元件2构成了结晶器1的整个内表面。因此，不再有绝热套筒。结晶器1中的液态金属15的表面保持低于金属元件2的上缘8，而这个表面所处的水平是产品16的表层14开始凝固的地方。同前面所述的一样，按照本发明，结晶器1的内表面通过注射润滑液来全面地润滑，该注射地点离开表层14开始凝固的水平某个距离。为了在采用这种铸造设备的任何情况下都不会看到过量的润滑剂裂解，必须使这种注射在低于液态金属15的表面一至少20cm处进行。因此，必须把润滑剂注射装置放在低于产品16能在该处开始凝固的最低水平至少20cm处。还必须以这样的流量注射润滑剂，以使在考虑其它操作条件时，在任何瞬间都有较大部分的润滑剂沿受到冷却的管形元件2的壁上升至产品16有效地开始凝固的水平。

在现有的连铸生产中，这种技术方案的主要优点在于能使用其成份特别适合于捕获夹杂物并将液态金属与大气隔开的复盖粉末25，这是因为，它不必为结晶器1提供润滑。这种适用性导致选择一种在其与液态金属15的界面处具有比在传统的连铸生产中所需要的流动性更低的粉末25。

图3更详细地示出了结晶器1的金属元件2的实施例的不受限制的例子的视图，当它被安装在铸造机中时除去了包围它的夹套7。此例子适用于铸造每边为155mm的正方形截面的黑色冶金产品。在此例子中，可以看到，用于输送润滑剂的管道18、18′包括在金属元件2的外表面6上机加工出来的纵向凹槽，它们位于在元件2的下缘24上钻出的孔的延伸部分上，这些孔组成了管道18、18′、19的下部小孔22、22′、23、23′。这些管道18、18′、19中的每一个都在其上端通向分配室25、25′，该分配室包括横向于对应的管道18、18′、19并在金属元件2的外表面6上由机加工而成的凹槽，它向右延伸并靠近上述元件2的边缘26、27、28。这些分配室25、25′的每一个的底部都钻有多个小孔20、20′21，它们通向金属元件2的内表面3并构成前述的在金属元件2和铸造产品16的凝固的表层14之间输送润滑剂的小孔。管道18、18′、19和分配室25、25′在它们已被机加工以后用盖子(未示出)以密封的方式封闭，这些盖子利用例如电子束焊接固定在金属元件2的外表面6上。这种固定方法的优点在于允许对结晶器1使用超声波而不致破坏盖子／金属元件2连接的密封性，而如果用螺钉来进行这种固定，就不可能做到这一点。我们都还记得，超声波可以用一种已知的方式帮助改善结晶器1的润滑，并提高它的冷却系统的效率。

在金属元件2的内表面上，在其下缘24与分配室25、25′之间最好做出细的纵向沟29，用于与小孔20、20′、21一起分布润滑剂。这些沟有利于向结晶器2的下部排泄多余的润滑液和由润滑剂的裂解而产生的气体。

作为例子，刚才提到的各种元件的尺寸特性可以是：

-金属元件2的长度：700mm；

-金属元件2的内截面：每边为155mm的正方形；

-金属元件2的壁厚：11mm；

-管道18、18′、19的宽度和它们的下部小孔22、22′、23、23′的直径：3mm；

-分配室25、25′与金属元件2的边缘之间的距离：10mm；

-将润滑剂输送至金属元件2的内表面上的小孔20、20′、21的直径：0．5mm；

-这些小孔20、20′、21的数目：每个分配室25、25′有28个。

-这些小孔20、20′、21与金属元件2的上缘8之间的距离：350mm；以及

-用于将润滑剂朝金属元件2的底部排放的纵向沟29的尺寸：宽度0．5mm，深度1mm。

如上所述，本发明是以这样的观察为基础的，即在结晶器1的振荡作用下，部分润滑液有可能沿金属管形元件2的壁上升至一可能比较大的高度。因此，有可能在一个水平上通过注射润滑剂来润滑结晶器1的受到冷却的管状元件2的整个高度，只要润滑剂的流量在其它给定的工作条件下是充足的。为此，必须将注射润滑液的水平的位置设在一个合适的地方，也就是说：

-离开受到冷却的金属元件2的上端8足够远，在该处，表层14开始凝固，从而能消除润滑剂有显著的裂解的危险，而这种情况是本发明特别希望避免的；

-而且也要离这同一端足够近，以使有适量的润滑剂可在其它的给定工作条件下抵达该处。

对于大小已知的结晶器，为了确定将润滑剂喷入结晶器的最优地点所需要考虑的参数主要是产品16的铸造速度、结晶器1的振动幅度和频率以及注射的润滑剂的流量。当其它情况都一样时，流量越大，铸造速度越低，则润滑剂沿金属元件2上升的高度总是越高。因此，必须将结晶器1设计成只要改变润滑剂的流量，就有可能在各种可能使用的工作条件下使整个结晶器1得到适当的润滑。

这是可以做到的，即在离开产品16开始凝固的地方较近之处(小于20cm)注射润滑剂，并且只注射很少的量，以免使裂解现象变得过分严重。但是，这样的润滑剂量不再在每种使用情况下都足以保证结晶器1的整个底部有令人满意的润滑。于是，也必须在此底部的第二水平处注射润滑剂，就所建议的方法而言，这将去掉它的大部分优点。

在实践中，对于前述的在采用液态金属头的连铸生产中所用的其截面是每边为155mm的正方形的结晶器而言，已经看到，当产品的铸造速度为1．5m／min，采用频率为3Hz、振幅为2．5mm的振动时，如果用于注射润滑剂的小孔20、20′、21离开金属元件2的上缘8为350mm，就必须在结晶器的每个面上每分钟注射大约12．5cm³的油，以使油能上升至所要求的高度。在与此相同的条件下，将油的流量限制为每个面每分钟10cm³，则只能使油上升至250mm的距离，这样就不足以润滑金属元件2的上部。但是，如果将铸造速度降至1m／min，则每个面每分钟7cm³的油流量就足以润滑整个金属元件2。

自然，在不背离本发明的精神的条件下，也可以设想有其它的实现刚刚描述过的结晶器的形式，尤其是，应当理解，用于输送润滑剂的装置可以有与所举例子不同的形状。此外，很明显，本发明可以用于任何金属的连续铸造，而不是只用于钢的连续铸造。

Claims (6)

1．一种润滑用于金属产品的连续铸造的结晶器的方法，这种结晶器包括一受到激烈冷却的垂直振动的金属管状元件，该元件限定了一条用于被铸造的金属的通道，并意图在金属与上述通道中的壁接触时使上述金属产品凝固，在该方法中，将一种液体润滑剂通过上述的金属管状元件朝着上述的正在凝固的金属产品注射，其特征在于，上述注射是在上述管状元件的单一水平上的按环状分布的各个点上进行的，上述水平位于距最低水平的距离大于20cm的地方，在该最低水平处，上述产品能够开始凝固；其特征还在于，上述润滑剂的流量足以使上述润滑剂的一部分沿上述壁上升至某个水平，在该处，上述产品的凝固可以有效地开始。

2．如权利要求1所述的方法，其特征为，上述结晶器包括一用绝缘材料制造的管状套筒，它放在上述的受到冷却的金属管状元件的上缘上并位于其延长部分上；并且，在结晶器中铸造的金属的表面保持在上述套筒里面；还有，有一部分上述润滑剂上升至上述受到冷却的金属管状元件的上缘处。

3．如权利要求1或2所述的方法，其特征为，上述润滑剂为油。

4．一种用于连续铸造金属产品(16)的设备的结晶器(1)，这种结晶器包括：一受到激裂冷却的金属管状元件(2)，该元件限定了用于被铸造的金属的通道(4)，并意图在金属与上述通道(4)中的壁(3)接触时使上述金属产品(16)凝固；用于垂直地振动上述结晶器(1)的装置和一种通过上述金属管状元件(2)朝着上述的正在凝固的金属产品(16)注射一种处于液体状态的润滑剂的装置，其特征在于，上述装置位于上述金属管状元件(2)的单一水平上，该水平位于离最低水平的距离大于20cm的地方，在该最低水平处，上述产品能够开始凝固。

5．如权利要求4所述的结晶器，其特征为，它包括一用绝热材料做的管状套筒(9)，该套筒放在上述受到冷却的金属管状元件(2)的上缘(9)上并位于其延长部分上；并且，上述的用于注射处于液体状态的润滑剂的装置位于比上述上缘(8)低至少20cm处。

6．如权利要求4或5所述的结晶器，其特征为，上述的用于注射处于液体状态的润滑剂的装置包括管道(18、18′、19)，它们设在金属管状元件(2)的壁上并且每个管道都与钻有多个孔(20、20′)的分配室(25、25′)相通，所述孔与金属管状元件(2)的内表面(3)相通，并且用于注射润滑剂的装置还包括用于将上述润滑剂送入上述管道(18、18′、19)的装置。

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