用于连续铸造坯料或铸坯的结晶器的制作方法

本实用新型涉及一种结晶器，该结晶器用于连续铸造具有任何类型的截面(优选为正方形、矩形或圆形)的铸坯(billet)或坯料(bloom)。

背景技术：

在现有技术中，有许多用于坯料或铸坯的连续铸造系统的结晶器。这些结晶器基本上由主要由铜制成的单体式管状主体构成，其横截面界定铸造产品的形状。

为了在铸造期间冷却熔融金属并开始金属的逐渐凝固，在第一种类型的结晶器的外壁处设置外罩，在外罩中，允许冷却液体(通常为水)流动。

这种类型的结晶器用于以相对较慢的速度(通常为3至3.5米/分钟) 铸造熔融金属。超过此速度阈值会出现许多问题，主要是由于：

-高温度梯度，其沿单体式管状主体的厚度和纵向延伸范围因高铸造速度而产生，高温度梯度意味着单体式管状主体的壁的热应力和过度变形；

-横截面上的不均匀冷却，其又意味着不可控的内部锥度(inner taper)，并且不允许单体式管状主体以正确的方式遵循凝固表皮的收缩；

-负锥度(negative taper)，其在弯月面附近产生，并且限制润滑作用和铸造速度；

-有限的持续时间，其由过早地形成在弯月面区域中的铬涂层上的裂纹引起；

-铸造产品的较差的表面质量，并且明显存在振动波纹；

-诸如菱形误差(rhomboid error)的几何缺陷的形成；

-诸如在边缘或侧壁附近的裂纹的结构缺陷的形成，这可能导致表皮破裂和释放仍熔融的金属，等。

这些问题中的许多已经至少部分地被新一代结晶器解决，这些结晶器包括用于使冷却液体在其壁厚度中穿过的通孔。由此，在所有情况下都能保持结晶器的良好的刚性，同时获得更好的热传递。

然而，已知的结晶器具有复杂的结构，因此获得成本很高。

此外，在已知的结晶器中，即使是最新一代的那些，仍然在弯月面区域形成变形，该变形难以控制并且不允许壁和正在形成的表皮之间的正确润滑，因此阻止表皮以正确的方式遵循规则的凝固。

实用新型概述

本实用新型的目的是提供一种结晶器，其具有厚度薄且恒定的铸管，该铸管结构简单，从而相当大地降低其制造成本。

本实用新型的另一个目的是提供一种结晶器，该结晶器除了成本效益高之外，还允许铸造速度至少等于已知结晶器目前达到的铸造速度，而不会影响铸造产品的表面或内部质量。

因此，本实用新型提出了通过提供一种用于连续铸造坯料或铸坯的结晶器来实现前述目的，根据权利要求1所述的结晶器包括：

第一单体式管状主体，其用于铸造熔融金属，并且限定纵向轴线X，所述第一单体式管状主体具有沿着与所述纵向轴线X正交的平面截取的横截面，该横截面适于限定所述坯料或铸坯的形状，所述第一管状主体是所述结晶器的与熔融金属接触的唯一管状主体；

第二管状主体，其与所述第一管状主体同轴并且在外部邻近所述第一管状主体，所述第二管状主体具有第一厚度并且被布置在所述第一管状主体的第一区域处，该第一区域对应于在连续铸造期间弯月面被永久地保持的区域；

第三管状主体，其与所述第一管状主体同轴并且位于所述第一管状主体的外部，所述第三管状主体具有小于所述第一厚度的第二厚度并且被布置在所述第一管状主体的第二区域处，该第二区域对应于比所述第一区域低并且邻近所述第一区域的区域；

其中，所述第一管状主体的外表面与所述第二管状主体的内表面和所述第三管状主体的内表面一起限定纵向通道，所述纵向通道彼此平行并且平行于所述纵向轴线X，用于供冷却液体穿过，

并且其中，所述第二管状主体比所述第一单体式管状主体刚性更大。

有利地，作为本实用新型目的的结晶器允许：

-通过在弯月面形成区域处存在第二管状主体或套管，限制(contain) 第一管状主体或铸管的塑性变形，所述第二管状主体是坚固的、刚性的并且装配在第一管状主体上，其中间隙非常有限，例如等于或小于0.1mm；

-承受住其所受到的高的热和机械应力，这在实践中决定了长且高效的工作寿命；

-确保良好的润滑，例如通过粉末或油，这限制了弯月面区域中的局部裂纹的形成，该局部裂纹是由于热循环期间累积的应变和塑性变形而产生的。

具体地，在优选的变型中，为优选由铜或其合金制成的第一管状主体的内表面和外表面提供略微向外凸出的形状。由第一管状主体的内表面和外表面在水平平面上的轮廓所限定的这种向外凸出的形状促进了第一管状主体的向外扩宽，这种向外扩宽因优选由钢制成的第二管状主体所施加的限制而被阻挡。实际上，第一管状主体的壁具有与熔融钢接触的内表面，该内表面倾向于相对于被布置成与冷却液体接触的外表面膨胀。如果第一管状主体的壁是平坦的，并且不向外凸出，则由热量导致的其内表面的膨胀会使其向内弯曲。替代地，通过使第一管状主体的壁略微向外凸出，壁的内表面的膨胀促进膨胀，但是所述膨胀指向外部，并且在所有情况下都被第二管状主体限制。因此，在铸造熔融金属时，铸管的内表面在弯月面区域中不会变形，从而保持与内部的熔融金属的最佳接触以及有效的热交换。基本上，在铸造期间，铸管倾向于在弯月面区域向外扩宽，但是由于外部限制套管的存在，其停止而不变形。有利地，铸管可以替代地沿轴向膨胀。

在光滑的外表面(即没有凹槽)的情况下，第一管状主体的厚度有利地仅为8-9mm，并且在所有情况下都不大于10mm。

替代地，如果外表面设置有用于供冷却液体穿过的纵向凹槽，则第一管状主体的厚度更大并且可以为12至15mm，从而在所有情况下都确保冷却通道周围的有效热交换。

通过移除材料(例如通过铣削)来获得纵向凹槽使得获得冷却通道的操作更简单并且成本效益更高。这样的凹槽可以被实现为：

-仅在第二管状主体或限制套管上以及第三管状主体或输送器上；

-仅在第一管状主体或铸管上；

-或者一侧在第一管状主体上，并且另一侧在第二管状主体和第三管状主体上。

可以通过将第二主体和第三主体两者装配在第一主体上来形成冷却通道。

在第一优选实施方案中，第三主体是与第二主体不同的主体，并且通过适当的固定装置一体地固定到所述第二管状主体。第二主体和第三主体分别由一体地固定到彼此的两个部分构成。

在第二优选实施方案中，替代地，第三主体和第二主体一起被实现为单个管状主体，该单个管状主体比第一主体刚性更大。所述单个管状主体在从所述第一厚度向所述第二厚度的过渡之处在外部设置有肩部。优选地，此单个管状主体由一体地固定到彼此的两个部分构成。基本上，沿纵向延伸得几乎与第一主体一样长的所述单个管状主体由两个半部套管构成，两个半部套管通过相互配合环绕并支撑第一管状主体。将第二主体和第三主体实现为单个管状主体会产生刚性且不可变形的限制结构，其阻止第一管状主体横向向外膨胀并允许第一管状主体仅沿纵向膨胀。

从属权利要求描述了构成本描述的一体部分的本实用新型的优选实施方案。

附图简述

根据对参考附图以非限制性示例的方式示出的结晶器的优选但非排他的实施方案的详细描述，本实用新型其他特征及优点将变得更显然，在附图中：

图1是根据本实用新型的结晶器的第一实施方案的截面图；

图1a是根据本实用新型的结晶器的第二实施方案的截面图；

图2是图1中的结晶器的沿平面A-A截取的横截面图；

图2a是图1中的结晶器的变型的沿与平面A-A相对应的平面A’-A’截取的截面图；

图3是图1中的结晶器的沿平面B-B截取的横截面图；

图3a是图1中的结晶器的所述变型的沿与平面B-B相对应的平面 B’-B’截取的截面图；

图4是图1中的结晶器的沿平面C-C截取的横截面图；

图4a是图1中的结晶器的所述变型的沿与平面C-C相对应的平面 C’-C’截取的截面图；

图5是图1中的结晶器的沿平面D-D截取的横截面图；

图5a是图1中的结晶器的所述变型的沿与平面D-D相对应的平面 D’-D’截取的截面图。

附图中的相同参考标记指示相同的元件或部件。

实用新型的优选实施方案的详细描述

参考附图，示出了用于连续铸造大体矩形的坯料或铸坯的结晶器的优选实施方案。

作为本实用新型的目的的结晶器的所有实施方案包括：

-管状主体或铸管1，其限定纵向轴线X，管状主体或铸管1的沿着与纵向轴线X正交的平面截取的横截面限定所述坯料或铸坯的形状，熔融金属仅通过所述管状主体(1)来铸造；

-管状主体或套管2，其与管状主体1同轴并且在外部邻近管状主体1，该管状主体或套管2具有预定厚度并且布置在管状主体1的第一区域处，该第一区域对应于连续铸造期间的弯月面永久性区域(meniscus permanence zone)；

-第三管状主体或输送器3，其与管状主体1同轴并且在管状主体1 外部，该第三管状主体或输送器3具有比管状主体2的厚度小的厚度并且被布置在管状主体1的第二区域处，该第二区域对应于比弯月面永久性区域低并且邻近弯月面永久性区域的区域。

连续铸造期间的弯月面永久性区域例如在图1中被确认为位于线36 和37之间，线36和37分别表示铸造期间的弯月面的最高高度和最低高度。

在图1的第一实施方案中，管状主体3是与管状主体2不同的主体，并且通过固定装置一体地固定到管状主体2。

管状主体2由通过固定装置(例如螺栓)一体地彼此联接的两个构件或两个半部套管构成。例如，如图3和图3a所示，在管状主体2具有沿着与竖直轴线X正交的平面截取的横截面，并且该横截面具有圆形外周和大体矩形的内周的情况下，两个大体U形或C形的半部套管2’、2”通过螺栓31联接。例如，半部套管2”在外表面34上设置有用于固定所述螺栓 31的凹部32。

管状主体3被布置在管状主体2的紧接下方并且一体地固定到管状主体2。

优选地，管状主体3的上端设置有环形外部突出部10(图1、4、4a)，该外部突出部10用作与管状主体2连接的连接部。例如，通过螺栓41实现机械连接，所述螺栓41横穿沿着圆周设置在所述外部突出部10上的相应的孔42。

在图1所示的第一变型中，管状主体3的厚度是恒定的(优选地，除了设置有外部环形突出部10的上端之外)，并且是管状主体2的厚度的约 15-40％。

在第二变型(未示出)中，管状主体3的厚度从其上端(接近管状主体2)向其下端(远离管状主体2)逐渐减小。

在一个优选的变型中，管状主体3由两个部分33、33’构成，该两个部分33、33’通过沿其纵向延伸范围布置的固定装置(例如螺栓)一体地彼此联接。该两个部分33、33’具有U形横截面，如例如在图5和图5a中示出的，或如在图4和4a中示出的(参见虚线70内的部分，虚线70表示管状主体3的外表面)。

部分33在其两端具有突出边缘35(图5、图5a)，从而与设置在部分 33’的两端处的相应的突出边缘35’配合。螺栓71用于将突出边缘35、35’紧固到彼此，并且因此将管状主体3的两个部分33、33’一体地固定到彼此。有利地，在此第一实施方案中，管状主体2在间隙很小(例如等于或小于0.1mm)的情况下装配在管状主体1上，因此在管状主体2和管状主体1之间不提供任何机械连接装置，诸如例如螺钉。因此，管状主体2可以从管状主体1被移除并被再次使用。

在图1a的第二实施方案中，管状主体3和管状主体2一起被实现为单个管状主体20，因此具有相同材料，在从主体2的较大厚度到主体3的较小厚度的过渡之处在外部设置有肩部90。

在一个优选的变型中，单个管状主体20由通过固定装置(例如螺栓) 一体地彼此联接的两个构件或两个半部套管构成。在每个半部套管中，在从其上部(对应于管状主体2半部)到其下部(对应于管状主体3半部) 的过渡之处设置半肩部。

可以例如通过螺栓31’连接两个半部套管(优选为C形或U形的)的上部，以类似于图3和3a所示的方式，该两个上部中的一个在其外表面上设置有用于固定所述螺栓31’的凹部。

两个半部套管(优选为C形或U形的)的下部73可以例如通过沿其纵向延伸范围布置的固定装置(例如螺栓)一体地联接在一起。该两个下部中的一个在其两端具有突出边缘75，以与设置在另一个下部的两端处的相应的突出边缘配合。螺栓71’用于将突出边缘紧固到彼此，并且因此以与图5和图5a所示的方式类似的方式将两个半部套管的两个下部73一体地固定到彼此。

有利地，在此第二实施方案中，单个管状主体20在间隙很小(例如等于或小于0.1mm)的情况下装配在管状主体1上，因此在管状主体20 和管状主体1之间不提供任何机械连接装置，诸如例如螺钉。因此，管状主体20可以从管状主体1被移除并被再次使用。

替代地，在管状主体1的整个纵向延伸范围上，管状主体1的厚度是恒定的。有利的是，如果使用光滑的管状主体1，即具有光滑的外壁并且没有凹槽的管状主体，则此厚度仅为8-9mm，在所有情况下都不大于10mm (图2)。如果替代地使用具有开槽外壁的管状主体1，则厚度更大，例如 12-15mm(图2a)。

在铸造四边形截面的产品的情况下，管状主体1和管状主体3具有沿着垂直于轴线X的平面截取的四边形横截面。而管状主体2具有与管状主体1的相应区域的外表面配合的四边形平面内表面(quadrangular plan inner surface)和形状，同时管状主体2具有圆形或四边形的外表面。同样在管状主体2具有圆形平面外表面的情况下，管状主体3的厚度比管状主体2 的厚度小(图4、4a)，管状主体2的厚度在沿着正交于轴线X的平面截取的横截面中是可变的，在管状主体1的边缘处具有最小值(图3、3a)。至多仅管状主体3的设置有环形突出部10的上端的厚度可以等于管状主体2 的厚度(图1)。

有利的是，沿着与纵向轴线X正交的平面看，管状主体1的壁的外表面和内表面相对于轴线X本身是凹形表面。管状主体1的内壁和外壁的略微向外凸出的形状在铸造过程中促进管状主体1的向外扩宽，管状主体1 的向外扩宽因管状主体2的存在(特别是在弯月面永久性区域处)而被阻挡。优选地，描述水平平面上管状主体1的凹形内表面的环绕(surrounding) 的圆弧的弓形高(sagitta)，即所述圆弧的中点和圆弧对着的弦的中点之间的距离，为约1-5mm。

当铸造圆形截面产品时，管状主体1和管状主体3替代地具有沿着垂直于轴线X的平面截取的圆形横截面。管状主体2具有圆形平面内表面，该圆形平面内表面的形状与管状主体1的相应区域的外表面配合，优选地管状主体2也具有圆形或四边形的外表面。

管状主体1是通过在适当的模具上进行向内爆炸(implosion)而获得的单体式主体。它优选由铜或其合金制成，优选由Cu-Cr-Zr或Cu-Ag合金制成。

有利地，管状主体2或前述单个管状主体20(优选由钢制成)的刚性大于管状主体1的刚性。

重要的是，为了限制张力(tension)的形成，管状主体1总是由比制成管状主体2或前述单个管状主体20的材料的刚性小的材料制成。

另外有利的是，管状主体2是基本实心的主体，即在其厚度内没有空腔。相对于轴线X沿径向的引入管道17用于将冷却液体引入纵向通道4 中，所述引入管道17仅设置在管状主体2的上端处。在管状主体2是两部分式结构的情况下，提供用于通过螺栓41固定两个部分或两个半部套管的其他小空腔。

管状主体1的外表面和管状主体2的内表面一起限定纵向通道4，纵向通道4互相平行并且平行于纵向轴线X，用于使冷却液体从顶部向下通过。

在弯月面区域处在纵向通道4中流动的冷却液体(通常为水)继续在弯月面区域下方的区域中在管状主体1和管状主体3之间在所述纵向通道 4的相应延伸范围内流动。

有利地，管状主体2沿着纵向轴线X延伸管状主体1的总长度的15％至50％的长度，优选在20％至40％之间，并且覆盖管状主体1的靠近其第一端的上部部分。

在图2、图3、图4和图5所示的本实用新型的第一实施方案中，在弯月面区域处纵向通道4由多个纵向凹槽6限定，纵向凹槽6仅形成在管状主体2的内壁上并且沿着管状主体2的整个纵向延伸范围形成，所述纵向凹槽6被管状主体1的相应外壁封闭。

在所述第一实施方案的变型中，管状主体3与管状主体1同轴并且在外部邻近管状主体1，并且提供另外的纵向凹槽8，所述纵向凹槽8形成在管状主体3的内壁上并且沿着管状主体3的整个纵向延伸范围形成。在数量和位置上与纵向凹槽6相对应的这些另外的纵向凹槽8被管状主体1 的外壁封闭(图4和5)，并且限定所述纵向凹槽6的延伸。

纵向凹槽8的横截面与相应的纵向凹槽6的横截面相等。

凹槽6具有大体矩形的横截面，优选地(图2和3)通道4的较长侧与管状主体1的壁接触，并且两个较短侧大体垂直于所述壁。该解决方案确实进一步改善了热交换。在下文中，以上对凹槽6的描述也适用于凹槽 8，例如如图4和5所示的。具体地，根据图2-5所示的优选解决方案，通道4被实现成具有扁平矩形横截面，即，一个维度远大于另一个维度，通道4被小的间隔件60、80分开，所述间隔件60、80用作管状主体1的搁置件，并且属于管状主体2和管状主体3，所述间隔件60、80优选地被联接成使得搁置表面以极小的方式与管状主体1的外壁相切。

优选地，凹槽6的数量是奇数的，例如在图中为5个，使得在管状主体2由联接在一起的两个部分制成的情况下，在管状主体1的两个相对侧处的中心凹槽被实现成，一半在第一半部套管2’上，一半在第二半部套管 2”上。类似地，相应的凹槽8的数量是奇数的，使得在管状主体3由彼此联接的两个部分制成的情况下，在管状主体1的两个相对侧处的中心凹槽被实现成，一半在第一部分33上，一半在第二部分33’上。

另一种替代解决方案(未示出)是，其中通道4的较短侧与管状主体 1的壁接触，并且较长的两侧大体垂直于所述壁。可选地，纵向凹槽(未示出)可以设置在管状主体2的内边缘处，并且还可以设置在下方的管状主体3的内边缘处。

在图2a、3a、4a和5a所示的本实用新型的第二实施方案中，纵向通道4由多个纵向凹槽6’限定，纵向凹槽6’仅形成在管状主体1的位于管状主体2和管状主体3两者处的外壁上，所述纵向凹槽6’在顶部处由管状主体2的内壁封闭，并且在底部处由管状主体3的内壁封闭。纵向凹槽6’具有大体正方形的横截面。优选地，它们的数量是奇数。

在本实用新型的第三实施方案(未示出)中，存在：

-第一纵向凹槽，其沿管状主体2的整个纵向延伸范围形成在管状主体2的内壁上；

-第二纵向凹槽，其沿管状主体3的整个纵向延伸范围形成在管状主体3的内壁上；

-第三纵向凹槽，其形成在管状主体1的外壁上。

所述第二纵向凹槽限定相应的第一纵向凹槽的延伸，并且每个第三纵向凹槽与相应的第一和第二纵向凹槽一起限定相应的纵向冷却通道。

各个实施方案的所有纵向凹槽6、8、6’可以具有不同的形状，只要它们具有良好的热交换即可。例如，除矩形或正方形外，凹槽可以是半圆形、半椭圆形或多边形。

本实用新型的各个实施方案的所有纵向凹槽都具有平行于管状主体1 的纵向轴线X的纵向轴线。

参考图1，并且对于替代实施方案，提供管状主体或铸管1的上端的支撑凸缘11、12和管状主体或套管2的上端的支撑凸缘13。支撑凸缘11、 12、13相对于彼此布置并且相互连接在一起。液压密封装置(例如O形环 15、16)被布置在支撑凸缘之间。用于将冷却液体引入纵向通道4中的引入管道17被设置在支撑凸缘13中和管状主体2的上端中。

类似地，在管状主体1的下端处，支撑凸缘18、19被设置成彼此重叠地布置并且相互连接在一起。液压密封装置(例如O形环14)被布置在支撑凸缘之间。位于管状主体1和管状主体或输送器3之间的空间中的冷却液体的出口管道21设置在上部支撑凸缘18中。