本发明属于机械技术与钢铁冶金，尤其涉及一种铜管水套组合结构、其使用方法与连铸机结晶器。
背景技术：
1、结晶器被称为连铸机的“心脏”，与生产出来的铸坯质量和产量紧密相关。结晶器主要由三部分组成，铜管、水套和外壳，铜管之内的液态钢液被铜管持续冷却形成坯壳，铜管和水套之间设置水缝，通过高速流动的冷却水带走铜管热量达到冷却铜管的目的，结晶器外壳支撑铜管和水套并使其水缝与外部冷却水管路连通。显然，铜管水套是结晶器的核心部件。
2、通过对铜管冷却实现铸坯的高效冷却以及铸坯各部位均匀冷却至关重要，冷却不均匀，铸坯截面四周各个位置冷却强度不同，形成的坯壳厚度不同，会导致坯壳出结晶器后拉漏、脱方等一系列的生产事故。目前，一般采用在铜管外表面刻槽提高冷却效率与冷却均匀性。例如，专利cn208960940u在铜管外表面角部之间的位置设置宽度6-16mm，深度4-10mm的水槽，水槽深度沿铜管长度方向从上至下逐渐变浅，呈双曲线分布，其分布曲线根据钢种、拉速等边界条件确定，使其沿拉坯方向的换热强度与铜管热面沿拉坯方向的换热强度相匹配，水槽沿周长方向尺寸及布置符合铜管内表面与铸坯之间换热均匀的需求，较好地解决了铜管均匀换热和高效换热的问题。然而，该刻槽技术需要在铜管上进行数控精加工，每只铜管可能需要刻30-50个约900m长的水槽，时间成本和加工成本较高。又例如，专利cn207642259u在铜管角部也刻槽，专利cn115351248a在铜管外表面设置沟槽，并且接近倒角部处第一沟槽密度大于远离倒角部处第二沟槽密度，从而增加生产连铸坯表面温度分布均匀性，但是这两种技术同样也面临铜管生产时间长和加工成本高的问题。
3、专利cn210848241u公开了一种组合式可修复小方坯高拉速结晶器。该技术实际是将大断面矩形坯用板式结晶器技术移植到小断面方坯结晶器上，主要突出铜板具有一定厚度(40-65mm)时磨损可修复以及铜板外表面刻槽带来均匀冷却的好处。该技术是增加铜管寿命的有益尝试，但可能会带来其他不利因素：其一，小方坯拉速高，结晶器的设计首先要考虑快速换热，过厚(远大于14mm左右的常规厚度)的铜板会影响热量的快速交换；其二，在过厚的铜板上刻槽，因为换热效率低会使刻槽带来的均匀冷却效果打折扣；其三，当前刻槽铜管带来的提拉速效应使其过钢量普遍能达到10000吨，采用厚铜板的结晶器即使能修复，在经济效益上也无明显优势。
4、专利cn111136229a公布了一种结晶器铜管水套组合结构，铜管外表面刻槽，采用非金属材料包裹铜管以替代常规金属水套，包裹材料内表面与铜管外的水槽形成冷却通道达到高效均匀冷却的目的。采用非金属包裹材料替代传统水套对于使用电搅的结晶器提高能效水平以及现场更换铜管是友好的，但是在铜管外缠绕非金属材料对制造工艺要求高，生产周期长、制造成本高以及产品出现瑕疵必须返厂等问题限制了该技术的大面积推广。
5、综上所述，关于结晶器中铸坯的高效冷却以及均匀冷却，现有技术存在以下不足：
6、(1)铜管是更换频率较高的消耗品，在大量铜管上进行刻槽高精度加工，不仅加工成本高，而且生产时间长，需要备件以克服供货周期长的问题；
7、(2)可修复的刻槽铜板在小断面方坯铸机上存在使用效果和使用成本不理想的问题；
8、(3)刻槽铜管外敷非金属材料的一体式铜管水套结构对制造工艺要求过高，当前还难以大面积推广；
9、(4)另外，当前较成熟的高效结晶器方案一般采用刻槽铜管配合精加工水套使用，为了方便铜管装配，实际铜管外表面水槽的外壁与水套内径之间存在约0.5-1mm间隙，一方面由于该间隙的存在难以实现水槽之间水流真正隔离达到理想的均匀换热效果，另一方面该间隙较小无法做到真正的快速更换结晶器铜管。
技术实现思路
1、针对上述技术现状，本发明提供一种铜管水套组合结构，其结构简单、成本低，能够在铜管外表面提供用于液体或者气体流通的通道，在连铸机结晶器等技术中具有良好的应用前景。
2、本发明所采用的技术方案是：一种铜管水套组合结构，水套套接在铜管外围，并且铜管外表面与水套内表面之间存在间隙；
3、所述水套的内表面设置n个沿着平行于轴向延伸的凹槽，n是大于或者等于2的整数；每个凹槽对应一个隔离条，沿着凹槽的深度方向，隔离条的一侧伸入所述凹槽，隔离条的另一侧与铜管外表面连接，形成n个沿着平行于轴向延伸的通道；
4、所述铜管呈两端开口的管式结构，其轴向即为本发明中所述的轴向，垂直于铜管轴线方向的截面即为本发明中的横截面，平行于铜管轴线方向的截面即为本发明中的纵向截面。沿着轴向，铜管的一端开口指向的一端记作顶端，铜管的另一端开口指向的一端记作底端，所述顶端与底端可用于凹槽与隔离条，即，沿着轴向，凹槽的两端记作凹槽的顶端与凹槽的底端，隔离条的两端记作隔离条的顶端与隔离条的底端。
5、所述轴向是指铜管的轴向方向，所述横截面是指垂直于铜管轴线方向的截面，所述纵向截面是指平行于铜管轴线方向的截面。
6、所述铜管的长度l1不限。当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，所述铜管的长度l1根据结晶器实际情况而定，例如长度为800mm-1000mm。
7、所述水套的长度l2以及各凹槽的长度不限，为了提高通道长度，所述水套的长度l2以及各凹槽的长度与所述铜管的长度l1相当，优选等于铜管长度l1。当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，需要装配其他配件，优选所述水套的长度l2以及各凹槽的长度小于或者等于铜管的长度l1。
8、所述隔离条的长度l3不限，一般与凹槽的长度、铜管的长度l1相当，当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，需要装配其他配件，优选所述隔离条的长度l3小于或者等于铜管的长度l1。
9、各凹槽的深度h1是指自该凹槽开口端至该凹槽底部的距离。
10、液体或者气体可通过各通道流通，为了经各通道流通的液体或者气体互不干扰，作为优选，每个隔离条与凹槽密封连接，每个隔离条与铜管外表面密封连接。作为一种实现方式，所述隔离条采用软材质的材料，例如比铜管软的金属或者非金属，有利于密封。
11、本发明可以通过调节凹槽结构，包括凹槽横截面形状、凹槽深度、凹槽长度、相邻凹槽的中心线间距，和/或者隔离条结构，包括隔离条横截面形状、隔离条伸入凹槽的形状等中的一种或者几种调节通道结构。所述凹槽的横截面形状不限，可以是规则形状，例如矩形、弧形等，也可以是不规则形状。所述隔离条的横截面形状不限，可以是规则形状，例如矩形、弧形等，也可以是不规则形状。
12、所述凹槽的顶端宽度记作w1，底端宽度记作w2，自凹槽顶端至凹槽底端所述凹槽的宽度递减，即凹槽的纵向截面呈倒锥型结构，w1＞w2。
13、所述隔离条插入凹槽侧的顶端宽度记作w3、底端宽度记作w4，所述隔离条连接铜管外表面侧的顶端宽度记作w5、底端宽度记作w6。作为优选，所述隔离条插入凹槽侧的形状与所插入的凹槽结构相匹配，即w3＝w1，w4＝w2，从而能够进行紧密插入而实现密封，此时，所述隔离条的纵向截面也优选呈倒锥型结构，进一步优选，得到的通道的纵向截面呈锥形结构。这种倒锥型结构的隔离条有利于铜管水套组合结构的装配与拆分，例如装配时将铜管放置于水套内部，将倒锥型隔离条自凹槽顶端向底端楔入凹槽中；拆分时自凹槽底端向顶端顶出倒锥型隔离条，然后取出铜管。
14、所述铜管的横截面结构不限，可以是圆形或者带角度的形状，例如矩形、三角形等多边形，矩形包括带倒角的矩形。
15、当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，所述铜管优选是连铸机结晶器用拉拔铜管。
16、作为优选，所述通道在铜管外表面均匀分布。所述铜管的横截面结构不限，可以是圆形、椭圆形或者带角度的形状，例如矩形、三角形等多边形，矩形包括带倒角的矩形。当铜管横截面呈带倒角的形状时，可以在所述倒角处设置凹槽与隔离条，所述通道设置在相邻倒角之间，也可以在倒角处设置所述通道。当在所述倒角处设置凹槽与隔离条时，根据倒角形状设置与其匹配的凹槽结构，根据凹槽结构设置与其匹配的隔离条结构，此时所述通道优选均匀分布在彼此相邻的倒角之间。所述倒角优选为圆弧形倒角，作为进一步优选，倒角的弧线角度r1为45°-90°。
17、当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，所述铜管优选是连铸机结晶器用拉拔铜管。
18、当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时，所述各通道用作冷却水道，考虑到沿着铜管长度方向，与铜管靠近底端的位置相比，铜管靠近顶端的位置换热需求大，优选自各通道的顶端至底端，各通道呈正锥形结构，水流从通道底端向顶端流动的过程中，随着横截面逐渐减少，流速会逐渐增大，换热效果逐渐增强，从而更符合铜管靠近顶端换热需求大，靠近顶端换热需求小的规律，便于铸坯向下移动过程中形成均匀坯壳。为了实现通道的这种正锥形结构，作为一种实现方式，相邻的两个隔离条的纵向截面呈倒锥型，这两个隔离条、铜管以及凹槽围成的通道呈正锥型结构。作为优选，隔离条伸入凹槽侧的结构与所述凹槽的结构相匹配而形成紧密接触，隔离条与铜管相连侧的结构与铜管外表面结构相匹配而形成紧密接触，此时，作为优选，沿着平行轴向方向凹槽的宽度自凹槽顶端至凹槽底端逐渐减小。具有倒锥形结构的隔离条有利于结晶器的装配与拆分。装配方法为：将铜管放置于水套内部，倒锥型隔离条自凹槽顶端向凹槽底端楔入凹槽中，优选当隔离条顶端与所对应凹槽顶端齐平时停止楔入，进一步优选地，各隔离条长度等于与其对应凹槽的长度。拆分方法为：拆除结晶器外壳用于固定铜管水套组合结构的部件后，自凹槽底端向凹槽顶端顶出各倒锥型隔离条后，铜管与水套分离。
19、当所述铜管水套组合结构用于连铸机结晶器时：
20、作为一种优选的结构，l1在800mm-1000mm范围；
21、作为一种优选的结构，l2在800mm-1000mm范围；
22、作为一种优选的结构，l3在800mm-1000mm范围；
23、作为一种优选的结构，h1值为3mm-15mm范围；
24、作为一种优选的结构，h2在5mm-21mm范围；
25、作为一种优选的结构，d1在3mm-30mm范围；
26、作为一种优选的结构，d2在2mm-12mm范围；
27、作为一种优选的结构，倒角的弧线角度r1在45°-90°范围；
28、作为一种优选的结构，w1在3mm-25mm范围，w2在3mm-25mm范围；
29、作为一种优选的结构，w3在3mm-25mm范围，w4在3mm-25mm范围；
30、作为一种优选的结构，w5在3mm-25mm范围，w6在3mm-25mm范围。
31、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
32、(1)本发明不是在更换频率高的铜管上刻槽，而是在水套内表面进行刻槽并配合隔离条形成液体或者气体等可流通介质的通道，一方面在水套上刻槽的成本与难度低于在铜管上精加工刻槽的成本与难度，因此大大降低了成本，提高了制槽效率，另一方面水套和隔离条均可重复使用，更换频率低于铜管，即使隔离条在使用过程中有少量消耗，其制造时长和采购成本相对于精加工铜管都很低，因此大幅度降低了生产成本，实现了均匀冷却效果。
33、(2)本发明使用隔离条，隔离条伸入水套的凹槽，定位精度高，方便实现通道构成，而且隔离条制备简单、成本低，与通过在铜管外表面精加工沟槽实现通道相比，成本大幅度降低，并且制备效率提高，尤其是当隔离条与水套凹槽和铜管外表面形成密封连接时，各通道相互隔离，还解决了通道之间气体或者液体互串问题。
34、(3)本发明通过调节凹槽结构，包括凹槽横截面形状、凹槽深度、凹槽长度、相邻凹槽的中心线间距，以及隔离条结构，包括隔离条横截面形状、隔离条伸入凹槽的形状等中的一种或者几种能够调节通道结构。
35、(4)本发明的铜管水套组合结构易于装配与拆分，装配时将铜管放置于水套内部，然后插入各隔离条，使各隔离条沿着凹槽的深度方向的一侧伸入凹槽中，另一侧与铜管外表面相连；拆分时抽出各隔离条后取出铜管。尤其是当隔离条自顶端至底端优选呈倒锥形结构时，将各隔离条自顶端楔入所对应凹槽即可实现铜管居中，拆分时自底端至顶端顶出各倒锥型隔离条后铜管与水套自然分离。
36、(5)本发明的铜管水套组合结构可用于连铸机结晶器，通过调节凹槽结构，包括凹槽横截面形状、凹槽深度、凹槽长度、相邻凹槽的中心线间距，以及隔离条结构，包括隔离条横截面形状、隔离条伸入凹槽的形状等中的一种或者几种能够调节通道结构，从而能够根据实际需要调节水冷效率与水冷均匀性。例如，调节通道为锥形结构有利于铸坯向下移动过程中形成均匀坯壳。