RU2415731C2

RU2415731C2 - Crystalliser for continuous metal casting

Info

Publication number: RU2415731C2
Application number: RU2006142826/02A
Authority: RU
Inventors: Ханс-Гюнтер ВОБЕР (DE); Ханс-Гюнтер Вобер; Герхард ХУГЕНШЮТТ (DE); Герхард ХУГЕНШЮТТ; Дитмар КОЛЬБЕК (DE); Дитмар Кольбек; Раймунд БОЛЬДТ (DE); Раймунд Больдт; Франк МАЙВАЛЬД (DE); Франк МАЙВАЛЬД; Даниэль РАЙНЕЛЬТ (DE); Даниэль Райнельт; Ханс-Дирк ПИВОВАР (DE); Ханс-Дирк Пивовар; Дирк РОДЕ (DE); Дирк РОДЕ
Original assignee: Км Ойропа Метал Акциенгезелльшафт
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2011-04-10
Also published as: EP1792676A1; JP5046626B2; RU2006142826A; BRPI0605174A; CN1978091A; CA2570085C; ES2337281T3; EP1792676B1; US20070125512A1; JP2007152432A; CA2570085A1; ATE453472T1; DE502006005774D1; DE102006001812A1; KR20070058968A; CN1978091B

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: proposed crystalliser has outer surface section whereon cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) are made. The number of grooves per 100 mm of crystalliser shell lateral surface varies from four to ten. Depth and width of said cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) at the center of crystalliser lateral wall (1) is maximum to decrease toward angular zones of lateral walls. Relation between distance between groove centers and groove width varies from 1.2 to 3.0. depth of said grooves makes 3-8 mm at residual wall thickness in the zone of cooling grooves makes, at least, 6 mm. ^ EFFECT: uniform cooling of billet, reduced strain inside crystalliser walls. ^ 8 cl, 23 dwg

Description

Изобретение относится к кристаллизатору для непрерывной разливки металла с признаками ограничительной части п.1 формулы изобретения.The invention relates to a mold for continuous casting of metal with the signs of the restrictive part of claim 1 of the claims.

Гильзовые кристаллизаторы из меди или медных сплавов для литья профилей из стали или других металлов с высокой температурой плавления многократно описаны в уровне техники. Гильзы кристаллизаторов имеют обычно в горизонтальной плоскости сечения равномерную толщину стенок, которая в направлении заготовки возрастает из-за внутренней конусности гильзы кристаллизатора. Внутренняя конусность соответствует характеру затвердевания заготовки и параметрам процесса непрерывной разливки. Вскоре после наступления затвердевания непрерывно-литого металла, то есть непосредственно под зеркалом расплава, вследствие трехмерного по сечению теплоотвода возникает разный по силе характер охлаждения литой заготовки. Поскольку в углах гильзы кристаллизатора вследствие геометрических соотношений отводятся особенно большие количества тепла, там наблюдаются особенно сильный рост корочки заготовки и, тем самым, особенно сильная усадка. На боковых стенках гильз кристаллизаторов теплоотвод, как правило, меньше, хотя здесь одновременно возникает более высокий тепловой поток. Следствием разного охлаждения по зонам является неравномерный рост корочки заготовки, что может привести к напряжениям в металле и трещинам в корочке заготовки и, тем самым, повышает риск прорыва расплава.Cylinder molds made of copper or copper alloys for casting profiles of steel or other metals with a high melting point are many times described in the prior art. The mold sleeves usually have a uniform wall thickness in the horizontal section plane, which increases in the direction of the workpiece due to the internal taper of the mold sleeve. The internal taper corresponds to the nature of the solidification of the workpiece and the parameters of the continuous casting process. Shortly after the solidification of a continuously cast metal occurs, that is, directly below the melt mirror, due to a three-dimensional cross-section of the heat sink, a cooling pattern of a cast billet of different strength arises. Since particularly large amounts of heat are removed in the corners of the mold sleeve due to geometric relationships, there is a particularly strong growth in the workpiece crust and, therefore, especially strong shrinkage. As a rule, the heat sink on the side walls of the mold sleeves is less, although there is a higher heat flux at the same time. The result of different cooling in the zones is the uneven growth of the billet crust, which can lead to stresses in the metal and cracks in the billet crust and, thereby, increase the risk of melt breakthrough.

Уже был сделан ряд предложений по достижению как можно более однородного теплоотвода и, тем самым, для создания предпосылок более высокой производительности разливки. Например, из документа DE 3621073 А1 известен кристаллизатор, у которого охлаждающими канавками снабжены только дугообразные боковые поверхности, а не угловые зоны. Охлаждение должно быть повышено, прежде всего, в зоне зеркала расплава, как это описано также в DE 3411359 А1. Меры для повышения интенсивности охлаждения и скорости разливки раскрыты также в ЕР 1468760 В1, где предложено, что охлаждающие каналы занимают 65-95% внешней поверхности медной гильзы, причем медная гильза одновременно по всей периферии и, в основном, по всей длине снабжена опорным кожухом. У вертикально осциллирующих кристаллизаторов согласно DE 19581547 С2 предложено выполнение внутренней поверхности с выемками или углублениями, расположенными на расстоянии 15-200 мм под зарегистрированным в стабильном рабочем состоянии зеркалом расплава. Это должно также обеспечивать стабильную разливку при высокой скорости. Все эти предложения недостаточно учитывают реальное распределение теплового потока.A number of proposals have already been made to achieve the most uniform heat removal and, thus, to create the prerequisites for a higher casting capacity. For example, a mold is known from DE 3621073 A1 in which cooling arches provide only arcuate lateral surfaces and not corner zones. Cooling should be increased, first of all, in the zone of the melt mirror, as also described in DE 3411359 A1. Measures to increase the cooling intensity and the casting speed are also disclosed in EP 1 468 760 B1, where it is proposed that cooling channels occupy 65-95% of the outer surface of the copper sleeve, the copper sleeve being simultaneously provided along the entire periphery and mainly along the entire length of the support casing. For vertically oscillating crystallizers according to DE 19581547 C2, an inner surface with recesses or indentations located at a distance of 15-200 mm under a melt mirror registered in a stable working condition is proposed. It should also provide stable casting at high speed. All these proposals do not sufficiently take into account the actual distribution of the heat flux.

В основе изобретения, исходя из уровня техники, лежит задача создания кристаллизатора, с помощью которого можно было бы далее повысить равномерность охлаждения заготовки, чтобы достигнуть в результате более высокие производительность разливки и качество заготовки, и в котором к тому же обеспечивалось бы уменьшение напряжений внутри стенок кристаллизатора.The basis of the invention, based on the prior art, is the task of creating a mold, with which it would be possible to further increase the uniformity of cooling of the workpiece, in order to achieve higher casting performance and workpiece quality, and in addition, a reduction of stresses inside the walls would be ensured mold.

Эта задача решается у кристаллизатора с признаками п.1 формулы.This problem is solved with a mold with the features of claim 1 of the formula.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы.Preferred embodiments of the invention are presented in the dependent claims.

Существенным у кристаллизатора согласно изобретению является то, что охлаждающее действие кристаллизатора оптимизировано так, что оно соответствует поступлению тепла от заготовки, обеспечивая равномерное охлаждение. Это достигается за счет того, что глубина и ширина охлаждающих канавок наибольшая в середине боковой стенки кристаллизатора и уменьшается в направлении угловых зон боковой стенки. Главным является то, что площадь сечения охлаждающих канавок в средней части боковой стенки выше, чем в краевых областях стенки. Оказалось, что за счет выполнения охлаждающих канавок, согласно изобретению, возникающие в боковой стенке максимальные сравнительные напряжения могут быть заметно уменьшены. Расчеты идеально упругой прочности подтвердили, что сравнительное напряжение может быть уменьшено более чем на 30% с 504 МПа до 348 МПа. Эти данные относятся к сечению кристаллизатора 130×130 мм, причем гильза кристаллизатора без канавок противопоставлена гильзе кристаллизатора с выполненными согласно изобретению канавками. Достигнутое таким образом уменьшение напряжений в гильзе кристаллизатора положительно сказывается на стойкости и уменьшает термически обусловленное коробление гильзы кристаллизатора. Гильза кристаллизатора согласно изобретению имеет при этом расчете на каждой боковой стенке восемь канавок на расстоянии 5 мм друг от друга и длиной в направлении разливки 200 мм. Средние канавки имеют глубину 5 мм, а внешние - 4 мм при ширине соответственно 12 и 8 мм. В угловых зонах боковой стенки канавки отсутствуют.It is essential for the mold according to the invention that the cooling effect of the mold is optimized so that it corresponds to the heat input from the workpiece, providing uniform cooling. This is achieved due to the fact that the depth and width of the cooling grooves is greatest in the middle of the side wall of the mold and decreases in the direction of the corner zones of the side wall. The main thing is that the cross-sectional area of the cooling grooves in the middle part of the side wall is higher than in the edge regions of the wall. It turned out that due to the implementation of the cooling grooves according to the invention, the maximum comparative stresses arising in the side wall can be significantly reduced. The calculations of perfectly elastic strength have confirmed that the comparative stress can be reduced by more than 30% from 504 MPa to 348 MPa. These data relate to the cross-section of the mold 130 × 130 mm, and the mold sleeve without grooves is opposed to the mold sleeve with grooves made according to the invention. The thus achieved reduction in stresses in the mold sleeve positively affects the resistance and reduces the thermally induced warping of the mold sleeve. The mold sleeve according to the invention in this calculation has eight grooves on each side wall at a distance of 5 mm from each other and a length in the casting direction of 200 mm. The middle grooves have a depth of 5 mm, and the outer grooves are 4 mm with a width of 12 and 8 mm, respectively. There are no grooves in the corner zones of the side wall.

Решающим для конкретного выполнения охлаждающих канавок в отношении их глубины и ширины является то, что геометрия охлаждения максимально хорошо соответствует идущему изнутри тепловому потоку, за счет чего может быть достигнуто в значительной степени однородное температурное поле, что до сих пор удавалось лишь неудовлетворительно. Важно, чтобы охлаждающие канавки в середине боковой стенки, где поступление тепла наибольшее, были выполнены глубже и/или шире, то есть имели бóльшую площадь сечения, чем в близкой к радиусу углов зоне.The decisive factor for the specific implementation of the cooling grooves with respect to their depth and width is that the cooling geometry corresponds as much as possible to the heat flow coming from inside, due to which a substantially uniform temperature field can be achieved, which so far has only been unsatisfactory. It is important that the cooling grooves in the middle of the side wall, where the heat input is greatest, are made deeper and / or wider, that is, have a larger cross-sectional area than in the zone close to the radius of the corners.

Преимущественно на расстоянии 10-15 мм от радиальных угловых зон в боковой стенке охлаждающие канавки отсутствуют, чтобы не повышать эффективность охлаждения и ненужным образом не ослаблять жесткость кристаллизатора. Наилучшие результаты могут быть достигнуты, если охлаждающие канавки имеют глубину 3-6 мм. При этом оставшаяся толщина стенки между самым глубоким местом охлаждающих канавок и внутренней стороной гильзы кристаллизатора не должна быть меньше 6 мм.Advantageously, there are no cooling grooves at a distance of 10-15 mm from the radial corner zones in the side wall, so as not to increase the cooling efficiency and not unnecessarily weaken the mold rigidity. Best results can be achieved if the cooling grooves have a depth of 3-6 mm. In this case, the remaining wall thickness between the deepest place of the cooling grooves and the inner side of the mold sleeve should not be less than 6 mm.

Ширину охлаждающих канавок следует выбирать преимущественно от 5 до 20 мм.The width of the cooling grooves should preferably be selected from 5 to 20 mm.

Для согласования числа охлаждающих канавок с различными форматами/габаритами гильз кристаллизаторов благоприятным оказалось для приведенных размеров канавок число охлаждающих канавок 4-10 на 100 мм боковой поверхности гильзы кристаллизатора.For matching the number of cooling grooves with different formats / sizes of mold sleeves, the number of cooling grooves of 4-10 per 100 mm of the lateral surface of the mold sleeve turned out to be favorable for the given groove sizes.

Гидродинамически особенно благоприятными следует считать отношения ширина/глубина для охлаждающих канавок от 1 до 4. Отличающиеся от этого отношения оказывают неблагоприятное влияние на характер течения и, тем самым, на интенсивность охлаждения, а также на жесткость гильзы кристаллизатора в зоне зеркала ванны. Охлаждающие канавки выполняют на дне преимущественно с небольшим радиусом перехода к стенкам во избежание возникновения пиков напряжений.Hydrodynamically particularly favorable, the width / depth ratios for cooling grooves from 1 to 4 should be considered. Differences from this ratio have an adverse effect on the nature of the flow and, thus, on the cooling rate, as well as on the stiffness of the mold sleeve in the area of the bath mirror. Cooling grooves are performed at the bottom mainly with a small radius of transition to the walls to avoid stress peaks.

Во входной и выходной зонах охлаждающие канавки имеют идеальным образом радиус, который способствует оптимизации течения охлаждающей воды и уменьшению потерь давления.In the inlet and outlet zones, the cooling grooves have an ideal radius, which helps to optimize the flow of cooling water and reduce pressure losses.

При считающемся благоприятным расположении охлаждающих канавок расстояние между ними, измеренное от середины, составляет 10-25 мм. Отношение расстояния между серединами канавок к ширине одной охлаждающей канавки 1,2-3 дает неожиданно хорошие результаты.Given the favorable arrangement of the cooling grooves, the distance between them, measured from the middle, is 10–25 mm. The ratio of the distance between the middle of the grooves to the width of one cooling groove of 1.2-3 gives unexpectedly good results.

В принципе существует стремление, чтобы ширина и глубина охлаждающих канавок возрастали к середине боковой стенки. Разная геометрия охлаждающих канавок может быть получена либо обработкой кристаллизатора резанием, либо при его пластическом формообразовании.In principle, there is a desire that the width and depth of the cooling grooves increase towards the middle of the side wall. Different geometry of the cooling grooves can be obtained either by machining the mold or by plastic molding.

Благоприятно, если охлаждающие канавки расположены на участке, который начинается выше заданного положения зеркала расплава и простирается вниз примерно на 300 мм от заданного положения зеркала расплава, поскольку на этом участке возникают наибольшие значения плотности теплового потока и поэтому напряжения в боковой стенке кристаллизатора также максимальные. Участки, лежащие глубже в направлении разливки, то есть участки на расстоянии более 300 мм от заданного положения зеркала расплава, должны, правда, также охлаждаться, однако из-за уже образовавшейся корочки заготовки неравномерность температуры не настолько велика, чтобы выполненные согласно изобретению канавки обязательно требовались на этих нижних участках. Прекрасные результаты достигаются уже тогда, когда выполненные согласно изобретению канавки начинаются примерно в 50 мм выше заданного положения зеркала расплава и простираются примерно на 300 мм ниже заданного положения зеркала расплава.It is favorable if the cooling grooves are located on a section that begins above a predetermined position of the melt mirror and extends downward about 300 mm from a predetermined position of the melt mirror, since the largest values of heat flux density occur in this section and therefore the stresses in the side wall of the mold are also maximum. Sections lying deeper in the casting direction, that is, sections at a distance of more than 300 mm from the predetermined position of the melt mirror, should, however, also cool, however, due to the already formed crust of the workpiece, the temperature unevenness is not so great that the grooves made according to the invention are required in these lower sections. Excellent results are achieved even when the grooves made according to the invention begin about 50 mm above a predetermined position of the melt mirror and extend about 300 mm below a predetermined position of the melt mirror.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью изображенного на чертежах примера его осуществления. На фиг.1а в перспективе и на фиг.1b также в перспективе, однако в увеличенном виде, изображена гильза 1 кристаллизатора, установленная не показанным подробно образом в водяной рубашке. Особенностью этой гильзы 1 кристаллизатора являются охлаждающие канавки 2 особой конфигурации, выполненные на внешней поверхности 3 гильзы 1 кристаллизатора. Охлаждающие канавки 2 простираются не по всей длине гильзы 1 кристаллизатора, а находятся исключительно в верхней части гильзы 1 кристаллизатора со стороны заливки. В этом примере охлаждающие канавки 2 имеют длину 200 мм. Охлаждающие канавки 2 находятся в зоне заданного положения зеркала расплава, причем оно лежит в их верхней четверти. Особенностью охлаждающих канавок 2 этой гильзы кристаллизатора является то, что они не все одинаковы по ширине и глубине, а отличаются как по ширине, так и по глубине. В этом примере внешние, обращенные к угловым зонам 4 охлаждающие канавки 2а, 2b уже, чем канавки 2с, находящиеся в средней части соответствующей боковой стенки. В то время как средние охлаждающие канавки 2с имеют ширину, например, 12 мм, четыре внешние охлаждающие канавки 2а, 2b могут иметь ширину, например, 8 мм. Все охлаждающие канавки 2а, 2b, 2с имеют одинаковую длину. Варьируется, однако, не только ширина охлаждающих канавок 2а, 2b, 2с, но и их глубина. Это видно по тому, что охлаждающие канавки 2а, 2b, 2с во входной и выходной зонах, то есть соответственно на концах, имеют радиус 5. Переход радиуса 5 к самому глубокому месту отдельных охлаждающих канавок 2а, 2b, 2с заметен по горизонтальной линии. У средних охлаждающих канавок 2с глубина наибольшая. Глубина соседних с внешней стороны охлаждающих канавок 2b немного меньше. Глубина обращенных к угловым зонам 4 охлаждающих канавок 2с с внешней стороны наименьшая.The invention is explained in more detail below using the example shown in the drawings. On figa in perspective and on fig.1b also in perspective, however in an enlarged view, shows the sleeve 1 of the mold, installed not shown in detail in a water jacket. A feature of this mold sleeve 1 is the cooling grooves 2 of a special configuration made on the outer surface 3 of the mold sleeve 1. The cooling grooves 2 do not extend along the entire length of the mold sleeve 1, but are located exclusively in the upper part of the mold sleeve 1 from the pouring side. In this example, the cooling grooves 2 have a length of 200 mm. The cooling grooves 2 are in the zone of a predetermined position of the melt mirror, and it lies in their upper quarter. A feature of the cooling grooves 2 of this mold sleeve is that they are not all the same in width and depth, but differ in both width and depth. In this example, the external cooling grooves 2a, 2b facing the corner zones 4 are narrower than the grooves 2c located in the middle of the corresponding side wall. While the middle cooling grooves 2c have a width of, for example, 12 mm, the four outer cooling grooves 2a, 2b can have a width of, for example, 8 mm. All cooling grooves 2a, 2b, 2c have the same length. However, not only the width of the cooling grooves 2a, 2b, 2c varies, but also their depth. This is evident from the fact that the cooling grooves 2a, 2b, 2c in the inlet and outlet zones, that is, respectively at the ends, have a radius of 5. A radius 5 transition to the deepest place of the individual cooling grooves 2a, 2b, 2c is visible in a horizontal line. The middle cooling grooves 2c have the greatest depth. The depth of the cooling grooves 2b adjacent to the outside is slightly less. The depth of the cooling grooves 2c facing the corner zones 4 is the smallest from the outside.

Угловые зоны 4 не снабжены охлаждающими канавками. Гильзу кристаллизатора закрепляют в водяной рубашке посредством водяного дефлектора (не показан), так что охлаждающая вода нагнетается в отдельные охлаждающие каналы 2а, 2b, 2с. Водяные дефлекторы расположены с возможностью удержания гильзы кристаллизатора посередине в водяной рубашке.Corner zones 4 are not provided with cooling grooves. The mold sleeve is secured to the water jacket by means of a water deflector (not shown), so that cooling water is pumped into the separate cooling channels 2a, 2b, 2c. Water baffles are arranged to hold the mold barrel in the middle in a water jacket.

Claims

1. A mold for continuous casting of metal in which at least one portion of the outer surface (3) of the mold is provided with cooling grooves (2, 2c), characterized in that the depth and width of the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) in the middle of the side wall of the mold (1) the largest and decreases in the direction of the angular zones of the side wall, the ratio of the distance between the middle of the grooves to the width of the cooling groove (2, 2a, 2b, 2c) lies in the range 1.2-3, the depth of the cooling grooves (2 , 2a, 2b, 2c) is 3-8 mm with a residual wall thickness in the zone of the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) of at least 6 mm, while on 100 mm of the lateral surface of the mold shell there are from four to ten cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c).

2. The mold according to claim 1, characterized in that there are no cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) in the side wall at a distance of 10-15 mm from the angular zones (4) with a radius.

3. The mold according to claim 1, characterized in that the distance between the middle of the two cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) lies in the range of 10-25 mm.

4. The mold according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ratio between the width and depth of the cooling groove (2, 2a, 2b, 2c) lies in the range of 1-4.

5. The mold according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) have a width in the range of 5-20 mm.

6. The mold according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) are located on a section that starts at a distance of 50 mm above a given position of the melt mirror and extends about 300 mm below a given position of the melt mirror.

7. The mold according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) at the bottom are made with a radius of transition to its mold wall.

8. The mold according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling grooves (2, 2a, 2b, 2c) are made in their input and output zones with a radius (5).