кристаллизатор для непрерывной разливки плоских стальных слитков

Формула изобретения

1. Кристаллизатор для непрерывной разливки стальных плоских слитков, имеющих толщину в диапазоне от 50 до 120 мм, предназначенных, в частности, для прокатки тонких полос, содержащий две пары пластин, ограниченных внутри двумя узкими контактными поверхностями (f), которые плотно примыкают сбоку к противолежащим большим контактным поверхностям (F), при этом каждая из этих больших контактных поверхностей имеет профиль, симметричный относительно центральной оси (Х-Х) в горизонтальном поперечном сечении, и профиль у вертикального наружного сечения, соответствующий упомянутым узким контактным поверхностям (f) на расстоянии (t3) от упомянутой оси (Х-Х), который является либо криволинейным, либо прямолинейным, при соответствующей внутренней вогнутой или выпуклой контактной поверхности плит, с центральной вогнутой поверхностью, имеющей глубину (а), изменяющуюся, по меньшей мере, вдоль заданной длины от верхнего впускного отверстия, при этом глубина (а) уменьшается книзу и равна Хс-Хb, где (Хb) и (Хс) представляют собой расстояния самого глубокого профиля в центре вогнутой поверхности и, соответственно, бокового профиля на расстоянии (t3) от оси (Х-Х), от вертикальной оси (Y), совпадающей с наружной стенкой соответствующей пластины, при этом упомянутая вогнутая поверхность, ограниченная противолежащими центральными участками (Се) в горизонтальном поперечном сечении, имеет длину (2t₁), симметричную относительно как оси (Х-Х), так и центральной оси (Z-Z) между двумя большими контактными поверхностями (F), причем вогнутые и выпуклые поверхности по всей ширине также симметричны относительно осей (Х-Х) и (Z-Z) и имеют радиус кривизны (r1, r2), величины которых возрастают книзу в направлении выпускного отверстия кристаллизатора, отличающийся тем, что отношение радиусов вогнутой поверхности (r1) и выпуклой поверхности (r2) находится в диапазоне от 0,6 до 1,4 в каждом горизонтальном поперечном сечении кристаллизатора.

2. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что глубина (а) вогнутой поверхности непрерывно уменьшается от верхнего уровня впускного отверстия до уровня выпускного отверстия вдоль всей длины кристаллизатора с конечной глубиной 5 мм в поперечном сечении выпускного отверстия.

3. Кристаллизатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центральный участок (Се) образован радиусом rс10 мм, который является постоянным в каждом горизонтальном поперечном сечении кристаллизатора, имеющем центр кривизны (Ос), расположенный вдоль оси (Х-Х) с противоположной стороны по отношению к оси (Z-Z), с образованием вогнутой поверхности внутри кристаллизатора.

4. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое отношение r1/r2 равно 1, а величина r= r1= r2 задается следующим выражением:

r= (4b²+a²)/4а,

где а представляет собой глубину вогнутой поверхности;

b= (t3-tl)/2 равно половине расстояния между концом центрального участка (Се) и соответствующим наружным концом вогнутой поверхности в соответствии с точкой перегиба () между вогнутой и выпуклой поверхностями.

5. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что начиная с определенного уровня (ybc) книзу от верхнего впускного отверстия, глубина (a) ниже упомянутого уровня является постоянной.

6. Кристаллизатор по п. 3, отличающийся тем, что центр кривизны (01) вогнутой поверхности с радиусом (r1) в каждом горизонтальном поперечном сечении находится на прямой линии (XI), образующей с осью (Х-Х) угол 0^o, а центр (02) выпуклой поверхности с радиусом (r2) расположен на прямой линии (Х2), образующей с осью (Х-Х) угол 0^o с противоположной стороны от оси (Z-Z).

7. Кристаллизатор по п. 3, отличающийся тем, что у верхнего впускного отверстия (а) составляет 0,15(t3-t1), где t3 равно половине ширины вогнутой поверхности соответствующего центрального участка (Се).

8. Кристаллизатор по п. 4, отличающийся тем, что радиус (rс) упомянутого центрального участка (Се) равен бесконечности, вследствие чего угол () наклона прямой линии, на которой находится центр (01) кривизны вогнутой поверхности (Се), без разрыва примыкающей к центральному прямолинейному участку, равен нулю.

9. Кристаллизатор по п. 7, отличающийся тем, что у верхнего впускного отверстия (а) составляет 0,1 (ybc).

10. Кристаллизатор по п. 7, отличающийся тем, что длина (2t1) центрального участка (Се) для всех горизонтальных поперечных сечений является постоянной.

11. Кристаллизатор по п. 7, отличающийся тем, что при значении a1,75 мм, постоянном на уровне ниже (уbc), примыкающая к нему выпуклая поверхность между вогнутой поверхностью и концевой поверхностью, примыкающей к соответствующей узкой контактной поверхности (f), выполнена с постоянным радиусом изгиба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кристаллизатору с улучшенными контактными свойствами для непрерывной разливки стальных плоских слитков с толщиной в диапазоне 50-120 мм, предназначенных в частности для прокатки тонкой полосы, толщиной даже менее 1 мм.

В патенте ФРГ 887990 описан водоохлаждаемый кристаллизатор для непрерывной разливки металлических плоских слитков, который в верхней зоне впускного отверстия имеет в основном форму воронки с расширением в центральной части, там где находится отверстие погруженного сопла, постепенно сужающейся книзу вдоль кристаллизатора, достигая непосредственно перед действительным выпускным отверстием, ширины, равной по величине толщине слитка, выходящего из кристаллизатора.

В Европейском патенте 0149734, описан кристаллизатор, в котором с целью предотвращения кристаллизации, локализованной в зоне, близкой к узким контактным поверхностям, к которым примыкают более широкие стороны, получается кристаллизатор, сужающийся в направлении меньших сторон, имеющих воронкообразную форму с расположенными под углом стенками, что приводит вследствие этого (что, однако, не подтверждено на практике экспериментами) к закупориванию потока расплава. Эта проблема была решена за счет того, что на стороне воронкообразной литейной зоны стенки более широких сторон выполнены плоскими и параллельными друг другу. Однако у этого типа кристаллизатора очень легко возникают проблемы, связанные с образованием турбулентности в зонах с параллельными стенками, боковыми по отношению к центральной вогнутой поверхности, приводящие к сокращению необходимого слива обратных потоков, вызываемых направленными кверху потоками расплавленного металла из погруженного сопла. Последствия этого эффекта являются негативными для качества поверхности готовой продукции и особенно для сверхтонкого проката из-за попадающих в сталь порошкообразных веществ.

Из заявки на патент DE-A-4031691 известен кристаллизатор для тонких слитков, имеющий центральную полость или выгнутую поверхность двух противолежащих профилированных пластин, которые представлены как первая секция, начиная от зоны впускного отверстия кристаллизатора, являющаяся практически вертикальной, приблизительно, до половины высоты, и имеющая затем криволинейный профиль в концевой зоне выпускного отверстия кристаллизатора, с радиусом кривизны внутренней или внутренней вогнутой поверхности пластины, который равен радиусу кривизны наружной или наружной выпуклой поверхности пластины, уменьшаемой в соответствии с толщиной тонкого плоского слитка.

Было установлено, что кристаллизатор с пластинами, имеющими форму с такими конструктивными особенностями, не решает проблемы возможного отделения заготовки в процессе разливки от стенок на участках с резким изменением кривизны, хотя он и имеет некоторые преимущества по отношению к предшествующим конструкциям кристаллизаторов, особенно в том, что касается равномерности охлаждения.

При продольном переломе (кривой) это приводит к тому, что не только получается неравномерное охлаждение, но также могут появляться как сжимающие, так и растягивающие локальные механические напряжения на вогнутых и выпуклых внутренних поверхностях, с возможностью появления трещин или разрушений поверхностного слоя в зонах с наиболее высокими напряжениями, вплоть до возникновения так называемого "прорыва расплава". Для того чтобы исключить эти недостатки, в патенте Италии 1265065, полученном авторами настоящей заявки, предложена модификация продольного профиля кристаллизатора так, чтобы вертикальный участок двух профилированных пластин был составлен из нескольких кривых линий, соединенных друг с другом и имеющих в направлении вверх радиусы кривизны, увеличивающиеся почти до бесконечности, с касательной, вертикальной у впускного отверстия.

Нерешенные проблемы турбулентности у менисков далее были рассмотрены в заявке на патент 96А002336 заявителями настоящего изобретения, в которой предложены оптимальные параметры, в условиях высокой скорости литья, в виде отношения площади, заключенной между погруженным соплом и большими контактными поверхностями кристаллизатора к остальным участкам площади того же поперечного сечения, а также между погруженным соплом и меньшими сторонами, и соответствующие параметры, определяющие упомянутые площади, в попытке улучшить таким образом поведение расплава у мениска без видоизменения профиля пластин в горизонтальном поперечном сечении.

Другие кристаллизаторы для непрерывной разливки известны, например, из заявок на патент ЕР-А-0658387 и DE-C-4403045, причем в первой заявке кристаллизатор с более широкими контактными поверхностями в форме дуги окружности имеет выпуклую поверхность в поперечном сечении, а во второй заявке кристаллизатор имеет постоянную вогнутую поверхность, но ни один из них не имеет оптимального контакта с поверхностным слоем сляба. То же можно сказать об опубликованной заявке на патент Японии 51-112730, где предложен кристаллизатор с большими противолежащими контактными поверхностями, имеющими кривизну соответственно вогнутого или выпуклого профиля, симметричного относительно двух ортогональных центральных осей и соединенных на своих концах с прямолинейным профилем.

Кроме того, в заявке ЕР-А-0611619 описан кристаллизатор для непрерывной разливки с центральной полостью, имеющей вогнуто-выпуклую форму, в которой отношение между радиусом выпуклости и радиусом вогнутости должно составлять от 1,5 до 3,0. Глубина полости уменьшается в направлении выпускного отверстия кристаллизатора, но радиус центральной полости не увеличивается постоянно в направлении выпускного отверстия кристаллизатора, являясь постоянным для части конечного участка. Этот недостаток непрерывного изменения радиуса и тот факт, что боковые секции обоих больших контактных поверхностей параллельны (поэтому не являются изогнутыми) увеличивают некоторую разрывность в направлении поверхностного слоя сляба, тогда как контакт с пластинами кристаллизатора сохраняется.

Поэтому целью настоящего изобретения является создание кристаллизатора, обеспечивающего непрерывный контакт с поверхностным слоем слитка в каждой точке горизонтального и вертикального поперечного сечения в процессе извлечения слитка. Таким образом, получают равномерное охлаждение, обеспечивая как равномерную толщину поверхностного слоя вдоль профиля того же поперечного сечения, так и непрерывное изменение толщины в соответствии с высотой изменяющегося поперечного сечения, при ее достижении, причем эти условия являются идеальными для устранения усадки и неравномерных напряжений, которые неизбежно ведут к появлению длинных трещин на поверхности слитка.

Кроме того, необходимо обеспечить на уровне мениска снижение скорости направленных вверх потоков стали на боковых сторонах кристаллизатора, чтобы получить на этих площадях очень низкие стоячие волны, что дает существенные преимущества в отношении качества поверхности готовой продукции.

Это достигается за счет особой вогнутой формы кристаллизатора, имеющей на его больших контактных поверхностях определенную конусность по всем широким вогнуто-выпуклым изгибам (таким образом, не просто вогнутым или выпуклым, подобно упомянутой выше Японской публикации), соединяющим узкие контактные поверхности с центральной прямолинейной зоной вогнутой поверхности.

Конструктивные особенности кристаллизатора согласно изобретению, в основном, описаны в пункте 1 формулы изобретения, что же касается особенно предпочтительных форм выполнения изобретения, то они изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Эти и другие цели, преимущества и конструктивные особенности усовершенствованного кристаллизатора согласно изобретению станут более понятны из нижеследующего подробного описания одного предпочтительного варианта, приведенного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 представлено схематичное трехмерное изображение кристаллизатора согласно изобретению; На фиг.2а и 2b показаны схематичные изображения вертикальных сечений вдоль вертикальной плоскости, проходящей через центральную ось Х-Х, показанную на фиг.1, ограниченные выпуклой поверхностью пластины, для двух кристаллизаторов различного профиля, - с несколькими сопряженными радиусами, как в патенте Италии 1265065, и с прямолинейным профилем, соответственно, в первом варианте, - что касается отклонения глубины вогнутости; на фиг.3а и 3b показаны такие же изображения, как на фиг.2а и 2b, для предпочтительного варианта с непрерывно уменьшающейся вниз глубиной полости; на фиг. 4 схематично показан вид сверху пластин кристаллизатора, показанного на фиг. 1, для первого варианта их горизонтального профиля, ортогонального по отношению к профилям, показанным на фиг.2 и 3; на фиг.5 показан вид сверху, но с большими геометрическими подробностями, одной пластины кристаллизатора для другого варианта его горизонтального профиля.

Как показано на чертежах, кристаллизатор согласно изобретению состоит из двух обращенных друг к другу лицевыми поверхностями медных пластин, которые, помимо центральной вогнутой поверхности переменной глубины а, могут иметь различные отклонения от вертикали, как показано на фиг.2а, 2b и 3а, 3b. Упомянутые пластины и особенно их активные внутренние контактные поверхности, или "большие контактные поверхности" F, являются водоохлаждаемыми и с боков ограничены двумя "узкими контактными поверхностями" f, называемыми также боковинами, причем их положение определяет ширину слитка.

Согласно изобретению большие контактные поверхности F включают центральный участок Се уменьшаемой длины 2tl, прямолинейную или криволинейную, более точно, вогнутую по отношению к внутренней полости кристаллизатора, которую можно считать образованной радиусом rс10 м с центром в точке Ос на поперечной центральной оси Х-Х, как можно видеть на фиг.4. Если rс=, то Се направлена прямолинейно, причем ее длина соответствует tl, как показано сплошной линией на фиг. 4, тогда как, если rс имеет конечную величину, то получают изгибы большей или меньшей кривизны, подобные показанной на фиг.5 или пунктирной линией на фиг.4. В каждом случае радиус rс является постоянным, а его центр Ос является фиксированным в каждом поперечном сечении кристаллизатора, тогда как участок Се является симметричным участку на противолежащей пластине относительно вертикальной плоскости, проходящей через срединную ось Z-Z, перпендикулярную к оси Х-Х.

Кроме того, как показано на фиг.4, каждая длина Се соединена симметрично относительно плоскости медианы X-X с узкими контактными поверхностями f обеих сторон по всей ширине вогнуто-выпуклых изгибов относительно внутренней части кристаллизатора, причем ее центральные зоны Се только тогда могут быть параллельными линиями, когда они являются прямолинейными при rс=. В любом горизонтальном поперечном сечении кристаллизатора, начиная от длины Се, сначала находится вогнутая дуга, причем ее центр 01 расположен на прямой линии X1, образуя с осью XX угол 0^o, соединенной с Се. Эта вогнутая дуга непрерывно проходит до расстояния t2 от центральной поперечной оси Х-Х, иными словами, до точки перегиба , где кривая становится выпуклой, имеющей центр кривизны 02, противоположный 01, на прямой линии Х2, образующей с осью Х-Х угол 0^o. Центры кривизны 01 и 02 лежат на одной плоскости, а общее отношение радиусов r1 и r2 составляет от 0,6 до 1,4. Если отношение r1 к r2 находится вне этого диапазона, то изгиб на расстоянии tl (rl:r20,6) или вблизи расстояния t3 от оси Х-Х (r1:r21,4) является чрезмерным и не обеспечивает наилучшего контакта между наружной поверхностью (поверхностным слоем) плоского слитка и медными пластинами, вследствие чего возникают трещины, которые могут привести к разрывам, не считая негативного влияния на качество стали. Предпочтительно, это отношение составляет 1, при этом оба радиуса оказываются равными rl= r2= r в каждом горизонтальном поперечном сечении кристаллизатора, проведенном на одинаковых уровнях, показанных вдоль оси y на фиг. 1. В этом случае углы и равны. Величины r1 и r2 во всех случаях увеличиваются по мере увеличения вниз уровня у.

В частности, в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения (с учетом профиля пластин в горизонтальном поперечном сечении), показанном на фиг. 4, когда r1=r2=r, точка перегиба между вогнутым и выпуклым участками находится на половине расстояния, имеющего размер b, между началом узкой контактной поверхности f и концом центрального участка Се, который находится с обеих сторон на расстоянии tl от центральной оси Х-Х (его длина составляет 2tl, когда rc=). Следовательно, в этом случае b=t2-tl, где tl равно расстоянию точки перегиба от центральной поперечной оси Х-Х. Не имеет значения, что при rс= углы и равны нулю, то есть, прямые линии X1 и Х2, где расположены центры 01 и 02, являются параллельными оси Х-Х, когда участок Се является прямолинейным, как можно определить на фиг.4.

Из вышеописанного следует, что целиком вся активная часть больших контактных поверхностей совпадает с вогнутой поверхностью, которая расположена, преимущественно, симметрично относительно оси Z-Z вдоль участка t3 и абсолютно симметрично по отношению к центральной оси Х-Х; ширину вогнутой поверхности можно считать совпадающей с шириной кристаллизатора, когда узкие лицевые поверхности f находятся на расстоянии t3 от центральной оси Х-Х.

Вогнутая поверхность имеет глубину а, показанную, кроме фиг.4, на фиг. 2а, 2b и 3а, 3b, при а=Хс-Хb, где Хс и Хb представляют собой расстояния относительно внутреннего бокового профиля кристаллизатора (на расстоянии t3 от оси Х-Х) и самой глубокой части вогнутой поверхности, в tl, от вертикальной оси у, которая принята совпадающей с наружной стенкой пластины. Ее величина изменяется в вертикальном направлении согласно, например, патенту Италии 1265065, для случая уменьшения до некоторого уровня кристаллизатора (обозначенного как ybc на фиг.2а и 2b), и является постоянной (и в любом случае а5 мм), начиная от этого уровня до выпускного отверстия. Однако величина а глубины предпочтительно должна непрерывно уменьшаться от верхней части, или участка впускного отверстия, при у=0, до донной части, или участка выпускного отверстия, при конечной глубине 5 мм, как показано на фиг.3а, 3b.

Не имеет значения то, что на фиг.2а, 2b при постоянной а1,75 мм для уровней ниже ybc и для любой формы центрального участка Се (прямолинейной или вогнутой), далее примыкающий участок с постоянным радиусом (не показан), имеющим центр кривизны, противолежащий 02, от впускного отверстия, что равно от у=0 до выпускного отверстия кристаллизатора, предусмотрен между 02 центральным примыкающим вогнутым участком и концевым участком, не параллелен большим контактным поверхностям F.

Установлено, что также не имеет значения, что при t3, составляющей половину ширины вогнутой поверхности, ее глубина а, и, возможно, величина r= r1=r2 (как будет пояснено ниже),является преимущественно функцией расстояния t3-tl (совпадающего с 2b при rl= r2). Процесс литья возможен фактически только когда а0,15(t3-tl) у впускного отверстия, что имеет место при у=0, где глубина является самой большой. Процесс литья может быть серьезно нарушен, если отношение между глубиной вогнутой поверхности и длиной вогнуто-выпуклого изгиба больших контактных поверхностей, через которые центральный участок Се примыкает к узким контактным поверхностям, будет больше, чем эта величина.

Глубина а вогнутой поверхности, непрерывно изменяющаяся либо вдоль всей длины кристаллизатора, либо, необязательно, вдоль ограниченного участка, при переменной величине от впускного отверстия до ybc (фиг.2а, 2b), наиболее предпочтительно должна быть обратно пропорциональна расстоянию до уровня у, уменьшаясь, когда уровень возрастает книзу, в частности во втором случае, когда a0,l(ybc) у впускного отверстия, что имеет место при у=0.

Установлено, что при поддержании упомянутых пределов и при соответствующих радиусах кривизны всегда гарантировано получение слитка с самыми узкими поперечными сечениями в процессе его продвижения вперед в направлении литья, что, наряду с нормальной усадкой материала, предотвращает отделение слитка от стенок. Кроме того, литейные порошковые материалы, обеспечивающие жидкую смазывающую пленку, функционируют лучше при отсутствии боковых параллельных зон, предотвращающих вытекание обратных потоков расплавленной стали, вызываемых направленными кверху потоками из погруженного сопла, приводя к увеличению нежелательной турбулентности. В частности, когда важное значение имеет качество поверхности, отсутствие турбулентности, вызывающей захват литейных порошков, имеющий хорошо известные последствия, является критическим фактором. Как упомянуто выше, формула r=(4b²+a²)/4a, функция глубины а вогнутой поверхности и расстояния b, может быть очень полезна для расчета радиусов кривизны вогнуто-выпуклых поверхностей, когда r=r1=r2. Таким образом, например, при использовании приведенных выше параметров для кристаллизатора шириной 1 м и длиной 1 м, при ширине центрального участка 260 мм, что равно 2tl, необязательно прямолинейной, составляя поэтому t3= 500 мм и tl=130 мм, получим следующее: b=(t3-t1)/2=185 мм.

На участке впускного отверстия, для кристаллизатора, описанного, например, в патенте Италии 1265065, можно ожидать, что величина а составляет приблизительно 24 мм, причем эта величина составляет, конечно, < 0,152b (что равно 55,5 мм). Описанное выше первое условие для глубины вогнутой поверхности, таким образом, удовлетворяется. Радиус кривизны для примыкающей вогнутого участка, равный соответствующему противоположному радиусу для выпуклого участка, при использовании приведенной выше формулы cоставляет в результате r=(41852+242)/424=(136900+576)/96=1432 мм.

Как отмечено выше, вместо непрерывно уменьшающейся глубины вогнутой поверхности, в нижней части кристаллизатора можно использовать постоянную глубину вогнутой поверхности (необязательно на уровне ybc и ниже до донной части кристаллизатора) (фиг.2а, 2b), при минимальной величине, например, 0,7 мм (и во всяком случае 5, как определено ранее), а величина r в этом случае составляет 45000 мм, при этом радиус кривизны является, таким образом, значительно больше на этом участке. При данной величине а на этом участке, как определено ранее, примыкающая далее длина вогнутой поверхности в верхней зоне кристаллизатора необходима на расстоянии t3 от оси Х-Х.

Очевидно, что в каждом случае, на каждом уровне кристаллизатора а принимает несколько отличающуюся величину, когда производят расчет внутренней вогнутой поверхности или внутренней выпуклой поверхности, и, таким образом, радиусы r1 и r2 отражают такие легкие изменения, рассчитанные по вышеприведенной формуле.

Не имеет значения, что длина tl центральной части Се (при этом дуга и радиус rс остаются постоянными) является, предпочтительно, той же самой для всех горизонтальных поперечных сечений, начиная от участка кристаллизатора с впускным отверстием, но эта длина может постоянно изменяться - увеличиваться или уменьшаться вместе с кристаллизатором или возможно с его уровнем.

И, наконец, как можно видеть в частности на фиг.4, условие отсутствия параллельных участков, за исключением случая центрального участка Се (совпадающего с tl, когда rс=), как правило, относящееся только к активным частям кристаллизатора, применимо предпочтительно также к обычно неактивному участку больших контактных поверхностей F за пределами боковин, или узких контактных поверхностей f, которые показаны идущими под углом и сходящимися в одной точке снаружи линиями. Это условие позволяет в результате предотвратить нежелательные перемещения боковин наружу под действием давления расплавленного железа, что приводит к возрастанию так называемой "потери конусности".