一种孪生连体半水冷钢锭模及其生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种孪生连体半水冷钢锭模及其生产方法，采用特有的工字型结构进行孪生连体钢锭生产，利用凝固原理以及侧向轻压技术将缩松、缩孔和严重偏析控制在工字型钢锭的连接部位，冷却后，通过火焰切割和火焰清理去除具有严重偏析、缩松和缩孔区域的连接部位，得到两个完好的孪生钢锭，使特厚孪生钢锭上的严重偏析、缩松和缩孔在开坯之前就可被清理干净，彻底解决钢锭中的严重偏析，缩松和缩孔问题，从而实现了无严重偏析，缩松和缩孔的无缺陷钢锭的生产，有效提高特厚孪生钢锭的质量。
【专利说明】一种孪生连体半水冷钢锭模及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金领域，具体地说，涉及一种孪生连体半水冷钢锭模及其生产方法。【背景技术】
[0002] 目前生产模铸钢锭大都摒弃了传统的铸铁钢锭模，采用了水冷铜板钢锭模。采用 水冷铜板钢锭模的同时采用冒口保温和覆盖保温材料或发热材料的方法实现钢水的定向 凝固，从而提高了铸锭的质量，减少了偏析，缩松和缩孔。
[0003] 尽管目前采用的最先进钢锭生产技术提高了钢锭的质量，但是水冷铜板钢锭模生 产出来的钢锭仍然不能满足使用要求。在生产特厚钢板和一些军工产品时，随着钢锭的单 重和厚度增加，钢锭中心偏析严重，缩松，缩孔仍然存在，这就造成生产出来的钢材在厚度 方向性能不均，产品心部的质量差，很多产品探伤均不合格，因此大大制约了特厚板的生 产，尤其是超级特厚板的生产。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提出一种孪生连体半水冷钢锭模及其生产方法，打破常规 钢锭模的造型理念，利用孪生连体半水冷钢锭模的新型模具进行特厚孪生钢锭生产，使特 厚孪生钢锭上的严重偏析、缩松和缩孔在开坯之前就可被清理干净，可彻底解决钢锭中的 严重偏析，缩松和缩孔问题。
[0005] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案： 一种孪生连体半水冷钢锭模，包括底座、外框架和浇铸漏斗，所述的孪生连体半水冷钢 锭模还包括两个相同的水冷铜板钢锭模、浇铸连接区和矩形水冷铜板平台，其中，孪生连体 半水冷钢锭模整体为工字型结构，工字型的两端为两个相同的水冷铜板钢锭模，通过浇铸 连接区相连接，浇铸连接区为铸铁材质，水冷铜板钢锭模设置在矩形水冷铜板平台上，矩形 水冷铜板平台和水冷铜板钢锭模设置在外框架内，外框架和浇铸漏斗设置在底座上，浇铸 漏斗与浇铸连接区相通。
[0006] 进一步，所述的水冷铜板钢锭模的固定水冷铜板、活动水冷铜板内的水管布置全 部采用垂直底座方向布置，水流方向为自下而上，为钢锭整体实现定向凝固提供纵向的温 度梯度。
[0007] 进一步，所述的水冷铜板钢锭模包括固定水冷铜板、活动水冷铜板、滑道、活动抽 板和进给机构，进给机构固定在外框架的内壁上，由液压机和液压伸缩轴组成，液压伸缩轴 与活动水冷铜板相连，靠近活动水冷铜板一侧的固定水冷铜板内壁上由内向外依次设有活 动抽板和滑道，活动水冷铜板通过滑道与固定水冷铜板相连，活动抽板与固定水冷铜板内 壁紧密抽合连接，构成同一平面的整体板材，活动水冷铜板与固定水冷铜板围成封闭结构。
[0008] 进一步，所述的进给机构的液压伸缩轴与活动水冷铜板相接处设有压力传感装 置。
[0009] 进一步，所述的孪生连体半水冷钢锭模上设有保温盖，保温盖上设有保温冒口，保 温冒口的位置和浇铸连接区对应。
[0010] 采用以上权利要求中记载的孪生连体半水冷钢锭模进行生产的方法，由以下步骤 组成： 步骤1 :浇铸 钢液通过浇铸漏斗采用下注式的方式流向浇铸连接区，实现孪生连体半水冷钢锭模内 钢液的浇铸，浇铸连接区采用铸铁材质，浇铸过程中浇铸连接区采用自然冷却的方式； 步骤2 :冷却、凝固： 在冷却过程中，向水冷铜板钢锭模底部的矩形水冷铜板平台内高压注水，实现钢锭底 部的快速降温，同时向水冷铜板钢锭模的水冷铜板的水管内高压注水，且水流方向为自下 而上，为钢锭整体实现定向凝固提供纵向的温度梯度，使钢模实现自下而上的凝固；浇铸连 接区采用自然冷却的方式进行冷却；两处区域采用不同的冷却方式，冷却温度不同，从而实 现"半水冷"冷却模式，使浇铸连接区的冷却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝固， 将最后凝固的中心控制在浇铸连接区；使缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接部 位。
[0011] 步骤3:切割、加工： 将冷却、凝固好的制工字型钢锭通过焊枪进行火焰切割，将连接部分切割掉，变成两个 完整的钢徒，即完成钢徒的制备。
[0012] 作为优选，在步骤2的冷却过程中，对孪生连体半水冷钢锭模覆上保温盖，保温盖 上设有保温冒口，利用冒口保温及保温材料覆盖技术，为钢锭整体实现定向凝固提供温度 梯度。
[0013] 作为优选，在步骤2的凝固后期的过程中，利用水冷铜板钢锭模的活动水冷铜板 上的进给机构，在凝固后期使活动水冷铜板垂直于钢锭做进给运动，对钢锭进行轻压下，减 小钢锭与钢锭模之间的气隙，进一步提高钢模质量。
[0014] 本发明的有益效果： 1、本发明打破常规钢锭模的造型理念，采用特有的工字型结构，利用凝固原理以及侧 向轻压技术，实现钢锭的自下而上的凝固，并采用"半水冷"的冷却模式使浇铸连接区的冷 却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝固，将最后凝固的中心控制在浇铸连接区，使 缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接部位，冷却后，通过火焰切割和火焰清理去除 具有严重偏析、缩松和缩孔区域的连接部位，得到两个完好的孪生钢锭，使特厚孪生钢锭上 的严重偏析、缩松和缩孔在开坯之前就可被清理干净，彻底解决钢锭中的严重偏析，缩松和 缩孔问题，实现了无严重偏析，缩松和缩孔的无缺陷钢锭的生产。
[0015] 2、本发明同时可以生产两个特厚无缺陷钢锭，目前的钢锭模只能生产一个，提高 了特厚钢锭的生产效率。
[0016] 3、本发明结构简单，实用性强，有效提高特厚孪生钢锭的质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为孪生连体半水冷钢锭模俯视示意图； 图2为孪生连体半水冷钢锭轴视示意图； 图3为水冷铜板钢锭模的俯视示意图； 图4为保温盖的俯视示意图； 图5为进给机构的不意图； 其中，1-底座、2-外框架、3-进给机构、4-水冷铜板钢锭模、5-浇铸连接区、6-矩形 水冷铜板平台、7-固定水冷铜板、8-活动水冷铜板、9-滑道、10-活动抽板、11-浇铸漏斗、 12-保温盖、13-保温冒口、14-液压机、15-液压伸缩轴。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1 如图1、图2所示，一种孪生连体半水冷钢锭模，包括底座1、外框架2和浇铸漏斗11，所 述的孪生连体半水冷钢锭模还包括两个相同的水冷铜板钢锭模4、浇铸连接区5和矩形水 冷铜板平台6,其中，孪生连体半水冷钢锭模整体为工字型结构，工字型的两端为两个相同 的水冷铜板钢锭模4,通过浇铸连接区5相连接，浇铸连接区5为铸铁材质，水冷铜板钢锭模 4设置在矩形水冷铜板平台6上，矩形水冷铜板平台6和水冷铜板钢锭模4设置在外框架2 内，外框架2和浇铸漏斗11设置在底座上，浇铸漏斗11与浇铸连接区5相通，水冷铜板钢 锭模4的水冷铜板内的水管全部采用垂直底座1方向布置，水流方向为自下而上。
[0019] 生产方法： 步骤1 :浇铸 钢液通过浇铸漏斗11采用下注式的方式流向浇铸连接区5,实现孪生连体半水冷钢锭 模内钢液的浇铸，浇铸连接区5采用铸铁材质，浇铸过程中浇铸连接区采用自然冷却的方 式； 步骤2 :冷却、凝固： 在冷却过程中，向水冷铜板钢锭模4底部的矩形水冷铜板平台6内高压注水，实现钢锭 底部的快速降温，同时向水冷铜板钢锭模4的水冷铜板的水管内高压注水，且水流方向为 自下而上，为钢锭整体实现定向凝固提供纵向的温度梯度，使钢模实现自下而上的凝固；浇 铸连接区采用自然冷却的方式进行冷却；两处区域采用不同的冷却方式，冷却温度不同，从 而实现"半水冷"冷却模式，使浇铸连接区的冷却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝 固，将最后凝固的中心控制在浇铸连接区，使缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接 部位； 步骤3 :切割、加工： 将冷却、凝固好的制工字型钢锭通过焊枪进行火焰切割，将含严重偏析的缩松和缩孔 的连接部分切割掉，变成两个完整的钢锭，即完成钢锭的制备。
[0020] 实施例2 如图1、2、3、5所示，一种孪生连体半水冷钢锭模，包括底座1、外框架2和浇铸漏斗11， 所述的孪生连体半水冷钢锭模还包括两个相同的水冷铜板钢锭模4、浇铸连接区5和矩形 水冷铜板平台6,其中，孪生连体半水冷钢锭模整体为工字型结构，工字型的两端为两个相 同的水冷铜板钢锭模4,通过浇铸连接区5相连接，浇铸连接区5为铸铁材质，水冷铜板钢锭 模4设置在矩形水冷铜板平台6上，矩形水冷铜板平台6和水冷铜板钢锭模4设置在外框 架2内，外框架2和浇铸漏斗11设置在底座1上，浇铸漏斗11与浇铸连接区5相通，水冷 铜板钢锭模4包括固定水冷铜板7、活动水冷铜板8、滑道9、活动抽板10和进给机构3,进 给机构3固定在外框架2的内壁上，由液压机14和液压伸缩轴15组成，液压伸缩轴15与 活动水冷铜板8相连，靠近活动水冷铜板8 -侧的固定水冷铜板7内壁上由内向外依次设 有活动抽板10和滑道9,活动水冷铜板8通过滑道9与固定水冷铜板7相连，活动抽板10 与固定水冷铜板7内壁紧密抽合连接，构成同一平面的整体板材，活动水冷铜板8与固定水 冷铜板7围成密闭结构，水冷铜板钢锭模4的水冷铜板内的水管全部采用垂直底座方向布 置，水流方向为自下而上。
[0021] 进给机构3的液压伸缩轴15与活动水冷铜板8相接处还可设有压力传感装置，对 轻压下过程的压力进行调整。
[0022] 生产方法： 步骤1 :浇铸 钢液通过浇铸漏斗11采用下注式的方式流向浇铸连接区5,实现孪生连体半水冷钢锭 模内钢液的浇铸，浇铸连接区5采用铸铁材质，浇铸过程中浇铸连接区5采用自然冷却的方 式； 步骤2 :冷却、凝固： 在冷却过程中，向水冷铜板钢锭模4底部的矩形水冷铜板平台6内高压注水，实现钢锭 底部的快速降温，同时向水冷铜板钢锭模4的水冷铜板的水管内高压注水，且水流方向为 自下而上，为钢锭整体实现定向凝固提供纵向的温度梯度，使钢模实现自下而上的凝固；浇 铸连接区采用自然冷却的方式进行冷却；两处区域采用不同的冷却方式，冷却温度不同，从 而实现"半水冷"冷却模式，使浇铸连接区的冷却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝 固，将最后凝固的中心控制在浇铸连接区，使缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接 部位； 在凝固后期的过程中，当坯壳形成以后，钢锭由于冷却体积缩小，此时，抽取固定水冷 铜板7内壁上的活动抽板10,开启进给机构3,使液压机14控制液压伸缩轴15向外运动， 带动活动水冷铜板8沿着滑道9向内运动，利用进给机构3,使活动水冷铜板8垂直于钢锭 做进给运动，进一步，还可利用进给机构3的液压伸缩轴15与活动水冷铜板8相接处的压 力传感装置，对轻压下过程的压力进行调整，对钢锭进行轻压下，减小钢锭与钢锭模之间的 气隙，同时可以破碎钢锭内部凝固形成的枝晶，增加等轴晶的比例，提高钢锭质量； 步骤3 :切割、加工： 将冷却、凝固好的制工字型钢锭通过焊枪进行火焰切割，将含严重偏析，缩松和缩孔的 连接部分切割掉，变成两个完整的钢锭，即完成钢锭的制备。
[0023] 实施例3 如图1、2、3、4所示，一种孪生连体半水冷钢锭模，包括底座1、外框架2和浇铸漏斗11， 所述的孪生连体半水冷钢锭模还包括两个相同的水冷铜板钢锭模4、浇铸连接区5和矩形 水冷铜板平台6,其中，孪生连体半水冷钢锭模整体为工字型结构，工字型的两端为两个相 同的水冷铜板钢锭模4,通过浇铸连接区5相连接，浇铸连接区5为铸铁材质，水冷铜板钢锭 模4设置在矩形水冷铜板平台6上，矩形水冷铜板平台6和水冷铜板钢锭模4设置在外框 架2内，外框架2和浇铸漏斗11设置在底座1上，浇铸漏斗11与浇铸连接区5相通，所述 的孪生连体半水冷钢锭模上设有保温盖12,保温盖12上设有保温冒口 13,保温冒口 13的 位置和浇铸连接区5对应。
[0024] 生产方法： 步骤1 :浇铸 钢液通过浇铸漏斗11采用下注式的方式流向浇铸连接区5,实现孪生连体半水冷钢锭 模内钢液的浇铸，浇铸连接区5采用铸铁材质，浇铸过程中浇铸连接区采用自然冷却的方 式； 步骤2 :冷却、凝固： 在冷却过程中，向水冷铜板钢锭模4底部的矩形水冷铜板平台6内高压注水，实现钢锭 底部的快速降温，同时向水冷铜板钢锭模4的水冷铜板的水管内高压注水，且水流方向为 自下而上，并对孪生连体半水冷钢锭模覆上保温盖12,保温盖12上设有保温冒口13,利用 冒口保温及保温材料覆盖技术，为钢锭整体实现定向凝固提供温度梯度，为钢锭整体更好 的实现定向凝固提供纵向的温度梯度，使钢模实现自下而上的凝固； 水冷铜板钢锭模4采用水冷方式进行自下而上的的冷却，浇铸连接区5采用自然冷却 的方式进行冷却，两处区域采用不同的冷却方式，冷却温度不同，从而实现"半水冷"冷却模 式，使浇铸连接区5的冷却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝固，将最后凝固的中 心控制在上层的浇铸连接区5,使缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接部位； 步骤3 :切割、加工： 将冷却、凝固好的制工字型钢锭通过焊枪进行火焰切割，将含严重偏析，缩松和缩孔的 连接部分切割掉，变成两个完整的钢锭，即完成钢锭的制备。
[0025] 本发明的原理与设计特点： 在利用在模铸技术生产钢锭时，由于钢水的冷却总是从外向内开始的，中心区处于高 温最后凝固，由于钢水凝固体积缩小，最后凝固的中心区没有钢水来补缩，就会造成中心偏 析、缩孔和缩松，偏析、缩孔和缩松留在钢锭内部就会破坏钢材的使用性能。
[0026] (1)采用定向凝固技术： 在钢锭模底部增设矩形水冷铜板平台，四周的水冷铜板内的水流方向为自下而上，并 采用冒口保温及保温材料覆盖技术，三者结合为钢锭整体实现定向凝固提供温度梯度，使 钢锭模自下而上的定向凝固，定向的将钢锭的最后凝固区域设置在钢模的上层。
[0027] (2)采用特有的工字型钢锭模结构： 采用特有的工字型钢锭模结构，对工字型两端的钢锭模和连接钢模的区域采用不同的 冷却方式，对钢锭模采用水冷方式进行自下而上的定向冷却，钢锭连接区域采用传统铸铁， 采用自然冷却的方式，冷却温度不同，从而实现"半水冷"冷却模式，使中心处的连接区冷 却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝固，根据凝固原理，将最后凝固的中心控制在 上层的浇铸连接区，使中心严重偏析、缩孔和缩松留在钢锭的连接处，冷却后，通过火焰切 割和火焰清理去除含有中心偏析、缩孔和缩松的连接部位。
[0028] (2)凝固后期垂直于钢板的进给运动的轻压下技术： 当坯壳形成以后，钢锭由于冷却体积缩小，钢锭与钢锭模之间缝隙加大，凝固后期进行 侧向轻压下，减小钢锭与钢锭模之间的气隙，使凝固朝向中心处进行，同时利用轻压下技术 还可以破碎钢锭内部凝固形成的枝晶，增加等轴晶的比例，进一步提高钢锭质量。
[0029] 本发明的水冷钢锭模造型方法打破了常规钢锭模的造型理念，通过将制造出来 的工字型钢锭通过火焰切割为两个钢锭，然后将连接部分切割掉，变成两个完整的钢锭。本 发明通过自下而上的定向凝固技术，利用凝固原理以及侧向轻压下技术将缩松，缩孔和严 重偏析控制在工字型钢锭的连接部位，冷却后，通过火焰切割和火焰清理去除连接部位，也 就是去除严重偏析、缩松和缩孔区域，从而实现了无严重偏析，缩松和缩孔的无缺陷板锭的 生产。
[0030] 产品质量分析： 本发明所记载技术方案所生产的钢锭和普通水冷钢锭模的质量对比表：
【权利要求】
1. 一种孪生连体半水冷钢锭模，包括底座、外框架和浇铸漏斗，其特征在于：所述的孪 生连体半水冷钢锭模包括两个相同的水冷铜板钢锭模、浇铸连接区和矩形水冷铜板平台， 其中，孪生连体半水冷钢锭模整体为工字型结构，工字型的两端为两个相同的水冷铜板钢 锭模，通过浇铸连接区相连接，浇铸连接区为铸铁材质，水冷铜板钢锭模设置在矩形水冷铜 板平台上，矩形水冷铜板平台和水冷铜板钢锭模设置在外框架内，外框架和浇铸漏斗设置 在底座上，浇铸漏斗与浇铸连接区相通。
2. 根据权利要求1所述的一种孪生连体半水冷钢锭模，其特征在于：所述的水冷铜板 钢锭模的水冷铜板内的水管布置全部采用垂直底座方向布置，水流方向为自下而上，为钢 锭整体实现定向凝固提供纵向的温度梯度。
3. 根据权利要求1所述的一种孪生连体半水冷钢锭模，其特征在于：所述的水冷铜板 钢锭模包括固定水冷铜板、活动水冷铜板、滑道、活动抽板和进给机构，进给机构固定在外 框架的内壁上，由液压机和液压伸缩轴组成，液压伸缩轴与活动水冷铜板相连，靠近活动水 冷铜板一侧的固定水冷铜板内壁上由内向外依次设有活动抽板和滑道，活动水冷铜板通过 滑道与固定水冷铜板相连，活动抽板与固定水冷铜板内壁紧密抽合连接，构成同一平面上 的整体板材，活动水冷铜板与固定水冷铜板围成封闭结构。
4. 根据权利要求3所述的一种孪生连体半水冷钢锭模，其特征在于：所述的进给机构 的液压伸缩轴与活动水冷铜板相接处设有压力传感装置。
5. 根据权利要求1所述的一种孪生连体半水冷钢锭模，其特征在于：所述的孪生连体 半水冷钢锭模上设有保温盖，保温盖上设有保温冒口，保温冒口的位置和浇铸连接区对应。
6. 采用以上权利要求中记载的孪生连体半水冷钢锭模进行生产的方法，其特征在于， 由以下步骤组成： 步骤1 :浇铸 钢液通过浇铸漏斗采用下注式的方式流向浇铸连接区，实现孪生连体半水冷钢锭模内 钢液的浇铸，浇铸连接区采用铸铁材质，浇铸过程中浇铸连接区采用自然冷却的方式； 步骤2 :冷却、凝固： 在冷却过程中，向水冷铜板钢锭模底部的矩形水冷铜板平台内高压注水，实现钢锭底 部的快速降温，同时向水冷铜板钢锭模的水冷铜板的水管内高压注水，且水流方向为自下 而上，为钢锭整体实现定向凝固提供纵向的温度梯度，使钢模实现自下而上的凝固；浇铸连 接区采用自然冷却的方式进行冷却；两处区域采用不同的冷却方式，冷却温度不同，从而实 现"半水冷"冷却模式，使浇铸连接区的冷却凝固晚于水冷铜板钢锭模内钢模的冷却凝固， 将最后凝固的中心控制在浇铸连接区；使缩孔、缩松和严重偏析留在工字型钢锭的连接部 位； 步骤3 :切割、加工： 将冷却、凝固好的制工字型钢锭通过焊枪进行火焰切割，将连接部分切割掉，变成两个 完整的钢徒，即完成钢徒的制备。
7. 根据权利要求6所述的采用孪生连体半水冷钢锭模进行生产的方法，其特征在于： 在步骤2的冷却过程中，对孪生连体半水冷钢锭模覆上保温盖，保温盖上设有保温冒口，利 用冒口保温及保温材料覆盖技术，为钢锭整体实现定向凝固提供温度梯度。
8. 根据权利要求6所述的采用孪生连体半水冷钢锭模进行生产的方法，其特征在于： 在步骤2的凝固后期的过程中，利用水冷铜板钢锭模的活动水冷铜板上的进给机构，在凝 固后期使活动水冷铜板垂直于钢锭做进给运动，对钢锭进行轻压下，减小钢锭与钢锭模之 间的气隙，进一步提尚钢t旲质量。
【文档编号】B22D7/06GK104493111SQ201410821378
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】叶铁, 屈重年, 卢志文, 仲志国, 马春华 申请人:南阳师范学院