一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置及方法

1.本发明属于金属水冷模技术领域，尤其涉及一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置及方法。


背景技术：

2.大型锻件/轧件是国家重要装备及大型工程建设的关键用材，扁钢锭又是轧件/锻件的源头材料，其质量优劣对生产发展具有重要作用。目前扁钢锭多采用连铸工艺生产，但是对于特殊尺寸、特殊钢种，以及内外部质量要求极为严格的铸件，国内特种钢厂及许多炼钢厂仍使用模铸工艺生产铸锭。在模铸生产工艺中，由于没有钢种、尺寸以及冷却方式的限定，模铸工艺在钢锭模结构设计上有更大的灵活性，更易根据钢锭本身的特征及后续的生产设备要求，设计钢形状、冒口尺寸及冷却方式，对改善由铸件收缩过程产生的缩孔、疏松、热裂、应力、变形等缺陷提供更大的可能性。
3.由于扁钢锭的宽厚比较大，较其他形状钢锭的凝固更为复杂，更容易在内部产生缩孔疏松等缺陷，缩孔缺陷一直是生产扁钢锭的难题之一。已有研究表明缩孔缺陷不仅与原材料的洁净的程度、熔炼方法、浇铸工艺参数等有关，还对锭模的结构非常敏感。其中，专利号为cn101797638a的专利，通过设计风冷冷却系统，来使钢锭顺序凝固，改善缩孔缺陷。这种方法对整体模具效果有一定积极作用，但对于双开模具，由于风冷速较慢，铸件凝壳较慢，可能导致钢液从模具开合的位置流出，并不适合双开模具。专利号为cn203356549u的专利，通过增加冒口的保温效果，加强补缩作用，提高钢锭质量。但是对于大型宽厚比较大扁钢锭来说，且铸锭高度较高的情况下，即使在冒口上设计保温程度，也无法使扁钢锭实现顺序凝固，同样会在内部出现缩孔疏松的缺陷。
4.因此，亟需一种可适用于大宽厚比严苛尺寸结构的扁钢锭，通过水冷系统使钢锭实现顺序凝固效果的用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置及方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置及方法，以解决上述问题，达到可适用于大宽厚比严苛尺寸结构的扁钢锭，通过水冷系统使钢锭实现顺序凝固效果的目的。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，包括：竖向设置的前半模具和后半模具，所述前半模具与所述后半模具对应设置，所述前半模具与所述后半模具内对应设置有钢锭；横向水冷却单元，所述横向水冷却单元设置在所述前半模具和所述后半模具的宽面侧壁的外壁上，所述横向水冷却单元用于使钢锭实现从下到上顺序凝固的效果；纵向水冷却单元，所述纵向水冷却单元设置在所述前半模具和所述后半模具的两相对侧壁的外壁上，所述纵向水冷却单元用于使钢液在所述前半模具与所述后半模具的侧
边凝固成壳，防止从所述前半模具与所述后半模具的中间缝隙流出。
7.优选的，设置在所述前半模具宽面侧壁外壁上的所述横向水冷却单元包括若干横向冷却水道，若干所述横向冷却水道分别水平固定连接在所述前半模具的宽面侧壁的外壁上，两相邻所述横向冷却水道之间相抵接，若干所述横向冷却水道布满所述前半模具的宽面侧壁，若干所述横向冷却水道远离所述前半模具的侧壁两端分别连通有横向冷却水道进水口和横向冷却水道出水口，若干所述横向冷却水道进水口同侧设置。
8.优选的，设置在所述前半模具两相对侧壁上的所述纵向水冷却单元包括两组纵向冷却水道，两组所述纵向冷却水道分别固定连接在所述前半模具的两相对侧壁的外壁上，所述纵向冷却水道的长度与所述前半模具的高度相同，两组所述纵向冷却水道的侧壁与若干所述横向冷却水道的两端固定连接，所述纵向冷却水道的侧壁顶部连通有纵向冷却水道出水口，所述纵向冷却水道的侧壁底部连通有纵向冷却水道进水口。
9.一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，操作步骤包括：s1、合模，将前半模具与后半模具进行合模并将合模后的模具竖向放置在指定位置；s2、管路连接，将若干横向冷却水道进水口、若干横向冷却水道出水口、两组纵向冷却水道进水口和两组纵向冷却水道出水口分别与外接冷却水供给设备进行连通；s3、浇注，向合模后的模具内进行浇铸；s4、冷却，操作外接冷却水供给设备，向若干横向冷却水道和纵向冷却水道内供入不同水流速的水，进行钢锭的冷却。
10.优选的，若干所述横向冷却水道内的水流量从下至上依次减小。
11.优选的，位于顶部的所述横向冷却水道内的水流量控制在1500 m3/s～4000m3/s，位于底部的所述横向冷却水道内的水流量控制在14000 m3/s～17000 m3/s。
12.优选的，所述纵向冷却水道内的水流速控制在2m/s～20m/s。
13.优选的，冷却时间控制在30min～60min。
14.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：横向水冷却单元的主要作用是通过流通的冷却水使前半模具和后半模具的宽面进行热量吸收，从而对扁钢锭进行冷却，同时使前半模具和后半模具宽面的水流量从下到上依次减少，实现片钢锭顺序凝固的目的；纵向水冷却单元的主要作用是使前半模具与后半模具的窄面处的钢液快速凝固成壳状，防止内部钢液从两模具中间的缝隙中流出。整体上，本发明通过水冷却的方式，冷却速度快，并可以适用于大宽厚比严苛尺寸结构的扁钢锭，使钢锭进行从上到下的顺序凝固，改善现有的大型扁钢锭凝固过程产生的缩孔疏松缺陷，同时，还可以有效防止钢液从模具的中间缝隙中流出，避免出现材料浪费。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明冷却装置的主视图；
图2为本发明冷却装置的左视图；图3为本发明冷却装置的俯视图；其中，1、横向冷却水道；2、横向冷却水道进水口；3、横向冷却水道出水口；4、纵向冷却水道；5、纵向冷却水道进水口；6、纵向冷却水道出水口；7、钢锭；8、前半模具；9、后半模具。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
19.参照图1-3所示，本发明提供了一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，包括：竖向设置的前半模具8和后半模具9，前半模具8与后半模具9对应设置，前半模具8与后半模具9内对应设置有钢锭7；横向水冷却单元，横向水冷却单元设置在前半模具8和后半模具9的宽面侧壁的外壁上，横向水冷却单元用于使钢锭7实现从下到上顺序凝固的效果；纵向水冷却单元，纵向水冷却单元设置在前半模具8和后半模具9的两相对侧壁的外壁上，纵向水冷却单元用于使钢液在前半模具8与后半模具9的侧边凝固成壳，防止从前半模具8与后半模具9的中间缝隙流出。
20.横向水冷却单元的主要作用是通过流通的冷却水使前半模具8和后半模具9的宽面进行热量吸收，从而对钢锭7就行冷却，同时使前半模具8和后半模具9宽面的水流量从下到上依次减少，使得横向水冷却单元的冷却强度从下到上逐渐加强，实现钢锭7顺序凝固的目的；纵向水冷却单元的主要作用是使前半模具8与后半模具9的窄面处的钢液快速凝固成壳状，防止内部钢液从两模具中间的缝隙中流出。整体上，本发明通过水冷却的方式，冷却速度快，并可以适用于大宽厚比严苛尺寸结构的扁钢锭，使钢锭进行从上到下的顺序凝固，改善现有的大型扁钢锭凝固过程产生的缩孔疏松缺陷，同时，还可以有效防止钢液从模具的中间缝隙中流出，避免出现材料浪费。
21.进一步优化方案，设置在前半模具8宽面侧壁外壁上的横向水冷却单元包括若干横向冷却水道1，若干横向冷却水道1分别水平固定连接在前半模具8的宽面侧壁的外壁上，两相邻横向冷却水道1之间相抵接，若干横向冷却水道1布满前半模具8的宽面侧壁，若干横向冷却水道1远离前半模具8的侧壁两端分别连通有横向冷却水道进水口2和横向冷却水道出水口3，若干横向冷却水道进水口2同侧设置。
22.进一步优化方案，横向冷却水道1的截面为矩形。矩形截面可以使两相邻的横向冷却水道1的相邻侧壁做到完全的抵接，使两相邻的横向冷却水道1之间没有空隙，从而确保了若干横向冷却水道1可以完全覆盖前半模具8或后半模具9的宽面侧壁，提高冷却效率。
23.横向冷却水道1的截面矩形的长边长度要稍小于钢锭7的厚度，宽边长度可在5mm
～50mm之间进行选择。
24.进一步优化方案，设置在前半模具8两相对侧壁上的纵向水冷却单元包括两组纵向冷却水道4，两组纵向冷却水道4分别固定连接在前半模具8的两相对侧壁的外壁上，纵向冷却水道4的长度与前半模具8的高度相同，两组纵向冷却水道4的侧壁与若干横向冷却水道1的两端固定连接，纵向冷却水道4的侧壁顶部连通有纵向冷却水道出水口6，纵向冷却水道4的侧壁底部连通有纵向冷却水道进水口5。
25.纵向冷却水道4与若干横向冷却水道1进行固定连接，可以前半模具8或后半模具9完全被纵向冷却水道4与横向冷却水道1覆盖，实现最优的冷却效果。当前半模具8和后半模具9的边部设有圆角时，纵向冷却水道4应在圆角处进行随形设置，保证其与模具的完全贴合。
26.一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，操作步骤包括：s1、合模，将前半模具8与后半模具9进行合模并将合模后的模具竖向放置在指定位置；s2、管路连接，将若干横向冷却水道进水口2、若干横向冷却水道出水口3、两组纵向冷却水道进水口5和两组纵向冷却水道出水口6分别与外接冷却水供给设备进行连通；s3、浇注，向合模后的模具内进行浇铸；浇铸时采用底注式浇铸法，从前半模具8和后半模具9的底部注入钢液，并在前半模具8或后半模具9的适当位置设置冒口。该种方式有利于气体和非金属夹杂物上浮至冒口处，降低铸件内部裂纹产生倾向，改善钢锭7的质量。
27.s4、冷却，操作外接冷却水供给设备，向若干横向冷却水道1和纵向冷却水道4内供入不同水流速的水，进行钢锭7的冷却。
28.进一步优化方案，若干横向冷却水道1内的水流量从下至上依次减小。
29.通过控制注入到不同横向冷却水道1内水的流量，可以使任一横向冷却水道1内的水流量都小于相邻的下方的横向冷却水道1内的水流量，进而形成了下方的横向冷却水道1对钢锭铸件的冷却强度永远大于相邻的上方的横向冷却水道1对钢锭铸件的冷却强度，使钢锭7实现顺序凝固效果，减少缩孔缩松缺陷形成，提高钢的致密度。
30.进一步优化方案，位于顶部的横向冷却水道1内的水流量控制在1500 m3/s～4000m3/s，位于底部的横向冷却水道1内的水流量控制在14000 m3/s～17000 m3/s。
31.通过分别控制顶部和底部的横向冷却水道1内的水流量，可使顶部的水对钢锭模的换热系数小于底部水对钢锭模的换热系数，实现水对钢锭模的换热系数自下而上依次降低，达到顺序凝固的效果，减少缩孔缩松缺陷形成，提高钢的致密度。
32.进一步优化方案，纵向冷却水道4内的水流速控制在2m/s～20m/s。
33.由于纵向冷却水道4位于模具的窄面，对钢锭7起到的冷却效果有限，固不参与冷却强度的控制，其主要作用是使钢液在靠近模具的窄边时率先在窄边处凝固成壳状，防止内部的钢液大量的从前半模具8和后半模具9之间的缝隙中流出，造型材料浪费。
34.进一步优化方案，冷却时间控制在30min～60min。
35.本实施例的工作过程如下：浇注某一尺寸的扁钢锭，前半模具8和后半模具9的内腔尺寸设置为：长3000mm，宽1500mm，厚230mm。前半模具8和后半模具9的宽面外壁上各水平焊接15层横向冷却水道1进行完全覆盖，前半模具8和后半模具9的两窄边侧壁上各焊接一
根纵向冷却水道4，纵向冷却水道4与15条横向冷却水道1的端部以及对应的模具焊接为整体。横向水道1的截面为矩形，纵向冷却水道4与前半模具8和后半模具9的圆角随形，截面形状设置为“j”字形。横向冷却水道1内的水流通道的宽设置在192mm～198mm，高设置在8mm～20mm，纵向冷却水道4内的水流通道的宽设置为113mm+ r70圆角，高设置在8mm～20mm，长度设置在2992mm～2996mm。在横向冷却水道1左右端距离边缘位置100mm处设置直径为100mm的圆孔，用来连接横向冷却水道进水口2和横向冷却水道出水口3，且横向冷却水道进水口2在左端，横向冷却水道出水口3在右端。在纵向冷却水道4上下端距离边缘位置100mm处设置直径100mm的圆孔用于连接纵向冷却水道进水口5和纵向冷却水道出水口6，纵向冷却水道进水口5在下端，纵向冷却水道出水口6在上端。
36.在向模具内浇铸完后，操作外接冷却水供给设备向15条横向冷却水道1和四条纵向冷却水道4内供入不同流量的水流进行钢锭7冷却，使15条横向冷却水道1内的水流量从下到上依次减小，并保证最底层的横向冷却水道1内的水流量在14000 m3/s～17000 m3/s之间，最顶层的横向冷却水道1内的水流量在1500 m3/s～4000m3/s之间，同时，使纵向冷却水道4内的水流量在2m/s～20m/s之间。冷却时间在30min～60min之间。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，其特征在于，包括：竖向设置的前半模具（8）和后半模具（9），所述前半模具（8）与所述后半模具（9）对应设置，所述前半模具（8）与所述后半模具（9）内对应设置有钢锭（7）；横向水冷却单元，所述横向水冷却单元设置在所述前半模具（8）和所述后半模具（9）的宽面侧壁的外壁上，所述横向水冷却单元用于使钢锭（7）实现从下到上顺序凝固的效果；纵向水冷却单元，所述纵向水冷却单元设置在所述前半模具（8）和所述后半模具（9）的两相对侧壁的外壁上，所述纵向水冷却单元用于使钢液在所述前半模具（8）与所述后半模具（9）的侧边凝固成壳，防止从所述前半模具（8）与所述后半模具（9）的中间缝隙流出。2.根据权利要求1所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，其特征在于：设置在所述前半模具（8）宽面侧壁外壁上的所述横向水冷却单元包括若干横向冷却水道（1），若干所述横向冷却水道（1）分别水平固定连接在所述前半模具（8）的宽面侧壁的外壁上，两相邻所述横向冷却水道（1）之间相抵接，若干所述横向冷却水道（1）布满所述前半模具（8）的宽面侧壁，若干所述横向冷却水道（1）远离所述前半模具（8）的侧壁两端分别连通有横向冷却水道进水口（2）和横向冷却水道出水口（3），若干所述横向冷却水道进水口（2）同侧设置。3.根据权利要求2所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，其特征在于：设置在所述前半模具（8）两相对侧壁上的所述纵向水冷却单元包括两组纵向冷却水道（4），两组所述纵向冷却水道（4）分别固定连接在所述前半模具（8）的两相对侧壁的外壁上，所述纵向冷却水道（4）的长度与所述前半模具（8）的高度相同，两组所述纵向冷却水道（4）的侧壁与若干所述横向冷却水道（1）的两端固定连接，所述纵向冷却水道（4）的侧壁顶部连通有纵向冷却水道出水口（6），所述纵向冷却水道（4）的侧壁底部连通有纵向冷却水道进水口（5）。4.一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，根据权利要求3所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置，其特征在于，操作步骤包括：s1、合模，将前半模具（8）与后半模具（9）进行合模并将合模后的模具竖向放置在指定位置；s2、管路连接，将若干横向冷却水道进水口（2）、若干横向冷却水道出水口（3）、两组纵向冷却水道进水口（5）和两组纵向冷却水道出水口（6）分别与外接冷却水供给设备进行连通；s3、浇注，向合模后的模具内进行浇铸；s4、冷却，操作外接冷却水供给设备，向若干横向冷却水道（1）和纵向冷却水道（4）内供入不同水流速的水，进行钢锭（7）的冷却。5.根据权利要求4所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，其特征在于：步骤s4中若干所述横向冷却水道（1）内的水流量从下至上依次减小。6.根据权利要求4所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，其特征在于：步骤s4中位于顶部的所述横向冷却水道（1）内的水流量控制在1500mm3/s～4000mm3/s，位于底部的所述横向冷却水道（1）内的水流量控制在14000mm3/s～17000mm3/s。7.根据权利要求4所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，其特征在于：步骤s4中所述纵向冷却水道（4）内的水流速控制在2m/s～20m/s。8.根据权利要求4所述的一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却方法，其特征在于：步
骤s4中冷却时间控制在30min～60min。

技术总结
本发明属于金属水冷模技术领域，提供一种用于大型扁钢锭顺序凝固的水冷却装置及方法,包括竖向设置的前半模具和后半模具，前半模具与后半模具对应设置；横向水冷却单元，横向水冷却单元设置在前半模具和后半模具的宽面侧壁的外壁上，横向水冷却单元用于使钢锭实现从下到上顺序凝固的效果；纵向水冷却单元，纵向水冷却单元设置在前半模具和后半模具的两相对侧壁的外壁上，纵向水冷却单元用于使钢液在前半模具与后半模具的侧边凝固成壳，防止从前半模具与后半模具的中间缝隙流出。本发明可适用于大宽厚比严苛尺寸结构的扁钢锭生产，并通过水冷系统使钢锭实现顺序凝固效果。过水冷系统使钢锭实现顺序凝固效果。过水冷系统使钢锭实现顺序凝固效果。


技术研发人员：孔淑萍 马立峰 高传明 沈千禧龙 宁方坤 贾伟涛 邹景锋
受保护的技术使用者：太原科技大学
技术研发日：2023.09.05
技术公布日：2023/10/11