本发明属于连铸技术领域，具体涉及一种用于连续铸造的结晶器，可用于截面大小不同的方坯、矩形坯和多边形铸坯铸造。
背景技术：
金属连续铸造时，液态金属注入结晶器铜管，通过铜管的热传导和铜管外壁的水流将热量带走，使金属在铜管内凝固形成坯壳，坯壳相对于铜管向下移动，并逐步凝固成铸坯。由于铸坯形状原因，坯壳的凝固收缩与坯壳厚度存在不均匀问题，而且铜管上部温度也明显高于下部，热负荷差异很大，引起铜管的热变形问题，这些原因限制了连铸的拉速提高。
现有技术有一些公开的解决方案。如中国发明专利“用于连续铸造的结晶器及其生产方法”(cn105473253a)是在铜管外壁加工有多个纵向凹槽，并在外表面缠绕多个纤维材料层和覆盖式粘结剂，虽然增加了铜管与铸坯的换热强度，也增强了铜管的刚性，但铜管与水的换热面积与换热效率受影响。中国发明专利“一种双水套结构的结晶器”(cn108838352a)采用了双水套结构，虽然提高了铜管弯月面区域水流速度，但减小了铜管与水的换热面积，而且内水套对提高铜管的刚度和减小铜管的变形作用较小。中国发明专利“用于连续铸造的结晶器”(cn103328130a)采用在铜管壁中加工一排圆孔作为冷却水通道，该结构提高了铜管与铸坯的换热强度和铜管的刚度，但铜管壁很厚，圆孔加工难度大，制造成本很高，难以广泛应用。中国发明专利“一种均匀冷却的结晶器铜管”(cn108941486a)是在铜管外壁角部粘合一定厚度的耐高温绝热涂层，改善铜管的传热均匀性和铸坯角部过冷现象，但不能提高铜管总体换热效率。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于连续铸造的结晶器，旨在解决结晶器铜管弯月面区域换热系数低、铜管内壁温度高及铜管抗变形能力差的问题。
本发明的创新思路是设计一种变截面水套，并将水套与铜管联接为一体。本发明的原理基于以下考虑，在高速浇铸过程中，结晶器铜管承受很大的热负荷，并且很不均匀。液态金属表面附近即结晶器铜管弯月面区域热负荷远大于其他部位，并会产生较大的热变形，这不利于实现稳定浇铸并影响结晶器铜管寿命。为此增加铜管弯月面区域换热系数以降低铜管内壁温度，以及加强铜管抗变形的能力尤为重要，针对这个技术目的，本发明采取以下技术方案。
本发明的一种用于连续铸造的结晶器，包括铜管和水套，水套包裹于铜管外并与铜管之间留有水缝通道，水套在面向铜管的对应面并沿铜管纵向设为变截面，变截面将水缝通道分为朝向铜管上口的上部水缝和朝向铜管下口的下部水缝，且上部水缝的间隙小于下部水缝的间隙。
采用上述方案，设计一种变截面水套，将水套内壁与铜管外壁之间的间隙分为上下两个区域，且下部水缝间隙大，上部水缝间隙小，从而沿纵向形成截面变化的水缝通道。并通过设计不同的水流通道截面积及其所覆盖的区域大小，可以改变对应区域的水流速度，从而达到使不同区域具有不同换热系数的技术目标。
进一步，变截面在铜管纵向上的分界面位于铜管上口顶面以下250～350mm之间，且下部水缝的间隙为2～4mm，上部水缝的间隙为1～3mm。使上部水缝区域具有更高的水流速度，以增加该区域的铜管与水换热系数，降低结晶器铜管弯月面区域温度，使铜管内壁温度更均匀。
进一步，水套为剖分式或整体式结构。使得水套在铜管上的安装具有多样性，且便于两者之间的装配。
进一步，铜管的横截面为类方形结构，其角部为半径在r15～r25mm之间的大圆角。使铜管内腔采用大圆角设计，可减小角部二维传热对坯壳凝固的影响，让凝固坯壳更加均匀。
进一步，铜管的四周外壁上并沿其纵向设有凹凸相间的水槽，水槽的凹面为弧面或平面。该凹凸相间的水槽能够减少冷却水的通水面积，增加冷却水与铜管接触的周长，从而强化了结晶器铜管的传热效果。
进一步，水槽在铜管任一侧上的数量为6～15个，且水槽深度为铜管壁厚的25％～50％、宽度为铸坯边长的3％～8％，在靠近铜管外壁转角的水槽边缘距该转角切点的距离为1～4mm。能够有效保障铜管的换热效率。
进一步，水套的内壁四个面上各自设有沿铜管纵向并与水槽凸缘面接触的至多两条棱脊；且与棱脊对应的水槽凸缘面上设有螺纹孔，水套通过沿棱脊长度方向布置的多个紧固件与螺纹孔连接，紧固件为螺钉。通过铜管与水套之间的紧固件和棱脊联接，有助于增强铜管的刚度与抵抗热变形的能力，并减小浇铸铜管的变形，提高浇铸的稳定性和结晶器铜管的使用寿命。同时，开有螺纹孔的凸缘较其他凸缘更宽，便于螺钉的安装。
进一步，铜管上口的四周外壁上各自设有带卡槽的凸肩，水套通过其上设置的凸台与凸肩的卡槽卡合；水套上还设有安装法兰。有助于铜管与水套之间的装配，使两者装配稳定可靠。这样，装配时凸肩压在水套上端四个角部凸台上，水套中部则通过安装法兰固定在结晶器外壳体的密封环上。
进一步，所述铜管的内腔从铜管上口到铜管下口逐渐缩小且呈幂函数锥度曲线变化。有助于铜管在其纵向上更符合铸坯的凝固收缩规律，及在其周向上保证铸坯温度和应力分布均匀。
本发明的优点在于：
1)、本发明通过设计变截面水套，以在冷却水通道上的不同区域获得不同的流体速度，从而得到不同的换热系数，并可以强化高热负荷区域的冷却换热，提高结晶器铜管的换热效率及减小结晶器内壁温差。
2)、本发明通过结晶器与水套的联接，增强结晶器铜管的刚度与抵抗热变形的能力，有利于减小结晶器铜管的变形。
3)、本发明通过结晶器铜管采用内腔大圆角设计，并结合外壁水槽结构，能够减小角部二维传热对坯壳凝固的影响，使凝固坯壳更加均匀。
4)、本发明通过铜管的腔型采用幂函数锥度曲线，使之在纵向上更符合铸坯的凝固收缩规律，及在周向上保证铸坯温度和应力分布均匀，为稳定的连铸提供了保证。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明结晶器铜管与水套的结构正视图。
图2为图1中的a-a截面剖视图。
图3为图1中的b-b截面剖视图。
图4为本发明结晶器的铜管与水套的三维立体示意图。
附图标记：1为铜管，2为水套，3为紧固件，4为安装法兰，5为棱脊，6为上部水缝，7为下部水缝，8为水槽。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-4所示，本实施例中提及的用于连续铸造的结晶器，铜管1和水套2，水套2包裹于铜管1外并与铜管1之间留有水缝通道，且水套2与铜管1之间通过紧固件3连接在一起，水套2在面向铜管1的对应面并沿铜管1纵向设为变截面，该变截面将水缝通道分为朝向铜管上口的上部水缝6和朝向铜管下口的下部水缝7，且上部水缝6的间隙小于下部水缝7的间隙。这样，连铸过程中液态金属从结晶器的铜管上口进入铜管内腔，并在铜管内开始凝固形成坯壳，再从铜管下口拉出。而冷却水则从铜管下端的铜管与水套之间的水缝通道间隙进入，且向上流动并经过下部水缝7和上部水缝6，再从铜管上端流出。由于上部水缝6的截面积小于下部水缝7截面积，使上部水缝6区域水流速度大于下部水缝7区域，以形成上下区域的换热强度不同。并通过传热分析计算，可以通过改变上部冷却区域的长度，达到优化换热强度分布的目的。
在本实施例中，为使上部水缝区域具有更高的水流速度，以增加该区域的铜管与水换热系数，降低结晶器铜管弯月面区域温度，使铜管内壁温度更均匀，该变截面在铜管1纵向上的分界面位于铜管上口顶面以下250～350mm之间，且下部水缝的间隙为2～4mm，上部水缝的间隙为1～3mm。
在本实施例中，为减小结晶器的铜管内壁的角部二维传热对坯壳凝固的影响，使凝固坯壳更加均匀。通过对结晶器的铜管1内腔采用大圆角设计，且大圆角的半径为r15～r25mm。
在本实施例中的铜管1采用类方形管，可以为长方形或正方形，本实施例对此不做限定。铜管的一端为铜管上口，另一端为铜管下口，铜管的腔型从铜管上口到铜管下口逐渐缩小且呈幂函数锥度曲线变化。具体的，铜管上口的内腔长度大于铜管下口的内腔长度，二者长度差值的一半为面部锥度δ，铜管上口的内腔对角线长度和铜管下口的内腔对角线长度差值的一半为对角线锥度ω，此处的对角线长度为一对对立设置的倒圆角内侧的距离，即在同一横截面上，对角线长度为两各圆角之间的圆心的连线距离与两个圆角半径的总和；在铜管1内壁任一位置到铜管上口的垂直高度为h，满足如下条件：
在本实施例中，为使得水套在铜管上的安装具有多样性，且便于两者之间的装配。该水套2为剖分式或整体式结构。
在本实施例中，为了能够减少冷却水的通水面积，增加冷却水与结晶器铜管接触的周长，从而强化了结晶器铜管的传热效果。通过在铜管1的四周外壁上并沿其纵向设有凹凸相间的水槽8，该水槽8的凹面采用弧面或平面，水槽8在铜管1任一侧上的数量为6～15个，且水槽8深度为铜管1壁厚的25％～50％、宽度为铸坯边长的3％～8％，并在靠近铜管1外壁转角的水槽8边缘距该转角切点的距离为1～4mm。
在本实施例中的水套2内壁上设有棱脊5，每个面上设有两条棱脊5，棱脊5贯穿上部水缝6区域和下部水缝7区域，装配后铜管外壁与棱脊接触定位，并且铜管与水套通过紧固件3联接，增强结晶器铜管的刚度与抵抗热变形的能力，减小结晶器铜管的变形。该紧固件3可以采用螺钉。
在本实施例中的结晶器铜管上端设有凸肩，凸肩上设有卡槽。装配时凸肩压在水套上端四个角部凸台上，水套2中部则通过安装法兰4固定在结晶器外壳体的密封环上。
上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱开本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
1.一种用于连续铸造的结晶器，包括铜管(1)和水套(2)，其特征在于，所述水套包裹于铜管外并与铜管之间留有水缝通道，所述水套在面向铜管的对应面并沿铜管纵向设为变截面，所述变截面将水缝通道分为朝向铜管上口的上部水缝(6)和朝向铜管下口的下部水缝(7)，且上部水缝的间隙小于下部水缝的间隙。
2.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述变截面在铜管纵向上的分界面位于铜管上口顶面以下250～350mm之间，且下部水缝的间隙为2～4mm，上部水缝的间隙为1～3mm。
3.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述水套为剖分式或整体式结构。
4.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述铜管的横截面为类方形结构，其角部为半径在r15～r25mm之间的大圆角。
5.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述铜管的四周外壁上并沿其纵向设有凹凸相间的水槽(8)，所述水槽的凹面为弧面或平面。
6.根据权利要求5所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述水槽在铜管任一侧上的数量为6～15个，且水槽深度为铜管壁厚的25％～50％、宽度为铸坯边长的3％～8％，在靠近铜管外壁转角的水槽边缘距该转角切点的距离为1～4mm。
7.根据权利要求5或6所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述水套的内壁四个面上各自设有沿铜管纵向并与水槽凸缘面接触的至多两条棱脊(5)。
8.根据权利要求7所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，与棱脊对应的水槽凸缘面上设有螺纹孔，所述水套通过沿棱脊长度方向布置的多个紧固件(3)与螺纹孔连接，所述紧固件为螺钉。
9.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，铜管上口的四周外壁上各自设有带有卡槽的凸肩，所述水套通过其上设置的凸台与凸肩的卡槽卡合；所述水套上还设有安装法兰(4)。
10.根据权利要求1所述的用于连续铸造的结晶器，其特征在于，所述铜管的腔型从铜管上口到铜管下口逐渐缩小且呈幂函数锥度曲线变化。
技术总结