铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备

摘要

本发明公开一种铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备，其特征为：空心圆锭结晶器中心支架(11)圆锥套内安装石墨芯(12)，芯上部有圆形盲孔，盲孔底部由一定锥角的分流孔2-4个，锥角30度左右，盲孔和芯外圆间实心部位钻有同样个数圆孔均布分流孔间，从芯顶部斜穿直通底部成为安装内冷水管(14)通道，水管和芯底部平，管端装可调方向喷咀(15)，向下约15度，和内孔表面约30度，水管在结晶器顶部水平引出用固定支架(17)紧固，铸造时石墨芯中部注入铜液经盲孔底部分流孔到结晶器，空心坯锭下引启动内冷却水，从喷咀中斜向喷出，水流形成绕空心锭内孔旋转水幕，对空心锭内孔进行冷却。

说明书

本发明公开一种铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备 

所属技术领域

本发明属金属熔炼铸造领域，本发明涉及熔融金属铜液铸造时采用的工艺及设备，具体地说是铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备 

背景技术

金属铜以其良好的导电、导热、耐蚀性和便于冷热压力加工，已成为最大量使用的金属之一，工业上广泛用于制造有导电、导热和耐蚀等要求的各种器材。 

铜冶炼企业通过各种方式最终通过电解工艺将金属铜以电解铜板的形式供应市场，铜材加工企业将电解铜板加工成各种市场需要的材料。 

在将电解板变成各种市场产品时，第一道工艺就是熔炼铸造。根据后道变形工艺的要求，电解板通过熔炼铸造成不同的加工材的坯料，可以是板坯，带坯或是圆锭坯。 

所有铜加工工艺过程的铜废料及回收的铜废料也可通过熔炼铸造工艺再次变成可加工的坯锭。 

铜加工技术中采用挤压方法生产管、棒、型材是压力加工的一种主要方法，铜的挤压加工有冷热之分，大规模工业生产主要是采用热挤压加工。热挤压加工所用坯锭是圆坯锭。 

圆坯锭还有其他的各种用途，比如用作锻打料等。 

常规的圆坯锭半连续立式铸造工艺简介如下。 

熔炉炉头(2)内存满熔融的铜液(3)，炉头中央装有1根石墨塞棒(1)，塞棒正对着石墨底碗(4)，石墨底碗装配在炉头底部，当石 墨塞棒和石墨底碗紧密接触时相当1个液体开关，可将铜液封锁在炉头内。参见图1。 

当石墨塞棒旋转提起，熔融铜液即可从石墨底碗中流出，参见图2。 

石墨底碗下部在铸造时加装上1根烫红的石墨浇管(5)，石墨浇管下部直插进铜结晶器(6)中央，熔融的铜液通过石墨浇管流到结晶器中，很快充满结晶器。 

图中铜结晶器壁镶有1层石墨内衬(7)。也有用镀耐磨金属层当结晶器壁的。 

铸造开始时，结晶器下部引锭杆(9)升高至结晶器中部，参见图3，当熔融的铜液充满结晶器时和引锭杆头部连成1体。 

结晶器外部装配水套(8)，水套和结晶器中空部位由外部供冷却水，冷却水从结晶器上部进入，从下部喷水口喷出，对结晶器壁进行冷却，并通过结晶器壁对结晶器内熔融的铜液进行冷却。 

水冷结晶器壁对液态金属的冷却是第1次冷却，通常称此水为一次冷却水。 

铜液在接触结晶器水冷壁后迅速冷却，边部冷凝形成固态壳体，此时中部仍然是液态金属，结晶器内金属液体表现为液相、固相及液固两相即过渡层。 

铸造起始结晶器内铜液冷凝成薄壳时引锭杆即可由下引机构带动下引，外部已成形的铜结晶坯料跟随引锭杆下行，出结晶器壁时由结晶器下部喷水口喷出的冷却水直接喷到表面已凝固的铜坯锭外壳，强化了对铜坯锭的冷却。铜坯锭在结晶器中初步凝结成形后即被从结晶器中下引拉出，直喷的冷却水加快铜坯锭内部的液相及液固相过渡层完全冷凝、结晶成固态组织。从喷水口直接喷到金属坯表面的冷却水被称为二次冷却水。 

引锭杆下引，已成形的实心铜坯锭(10)随引锭杆从结晶器中被引出。 

熔融铜液不断从炉内流入结晶器，在一、二次水的冷却作用下铜液在结晶器内不断被冷却成形，铸造好的铜坯锭(10)被连续拉出，此 过程连续不断，到熔融铜液被放完才结束此铸造过程，是有限量的连续铸造，通常称为半连续铸造。 

如果炉内熔融金属液不断由外部补充，已铸造成形的金属圆坯锭可通过在线的方式被锯切移去，形成了铸造过程的不中断，则称为全连续铸造。 

在圆锭铸造中有一类较特殊，用途也很大的坯锭，空心圆坯锭铸造。空心锭铸造比普通实心圆锭铸造复杂。 

空心圆坯锭的铸造是要铸出中间有空心圆孔的坯锭，结晶器显然要不同于实心圆锭的铸造。 

常规立式铸造空心圆坯锭所用结晶器参见图3。 

从图上可看出，空心锭铸造工艺所用的结晶器形状和实心锭铸造相同，不同点在于中间有1支石墨芯(12)。 

空心锭结晶器也由结晶器(6)和水套(8)构成外部冷却装置，结晶器壁也由石墨内衬(7)镶衬。在结晶器顶部设计了1个圆形支架(11)，支架下部止口和结晶器壁配合，可确保支架中心、石墨芯中心和结晶器中心在同一垂线上。 

支架(11)在结晶器顶部平面以上中心部位有1呈漏斗状的倒圆锥套，结晶器石墨芯(12)上半段外部也是1倒圆锥台，和支架顶部的倒圆锥套相配，正好安装在支架圆锥套内。石墨芯上半段中心做出圆形盲孔，盲孔正好能放进浇管，盲孔底部由中心向外呈一定锥角，设计有2-4个小圆孔。锥角一般从15度到45度都可以，是为了保持浇铸时金属液表面稳定，可根据现场的状态调整。 

石墨芯下部根据铸锭尺寸要求一般作成略带点锥度，即从上到下一般有1-2度的锥度，便于坯锭下拉时减少芯部表面的拉力。 

支架将石墨芯吊在结晶器中部，当结晶器内部充满金属液时中心部位围绕石墨芯形成1圆孔，当金属液被冷却凝固时，中间部位自然就形成1圆孔。 

空心锭铸造起始空心锭引锭杆(13)上升到结晶器中部，空心锭引锭杆和实心锭不同的是引锭杆顶部是圆环状，环状引锭头外圆和结晶 器内壁相配，和实心锭铸造相同，内环上升时慢慢进入石墨芯的倒锥面，一直到和石墨芯有一定的配合止。 

充满熔融铜液的炉头翻转至结晶器上方，浇铸中心正对准结晶器中心，已烫红(热)的浇管安装到位，和实心锭铸造时不一样的是浇管不是插入结晶器中心位而是插入结晶器石墨芯上部的盲孔内。当塞棒旋启提升，铜液从浇管中流出进入石墨芯盲孔内，然后从盲孔底部的几个小孔中呈一定锥角向结晶器喷出，铜液进入结晶器，下部接触到空心锭引锭杆(13)顶部的环状平面，很快布满结晶器，铜液面上升到将放流小孔盖没，由于结晶器壁的一次冷却水的冷却作用，此时结晶器内的接触到结晶器壁的金属铜液已初步凝壳，引锭杆开始下引，冷却成型的铜坯锭被牵引往下，因为中间有石墨芯棒，下引的金属料就不再是一实心棒而是一空心圆锭(16)。 

因为只有外部一、二次冷却水的冷却作用，空心圆锭内孔中心无法得到冷却，空心圆锭内孔的铸造结晶状态是无法调整的，空心圆锭外径越大，内部冷却越不充分，晶粒就越粗大，对于较大尺寸的空心圆锭铸造，比如 空心圆锭，甚至更大些的坯锭，或是一些铜合金空心圆锭，空心部位的质量甚至是铸造本身都很难控制。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有金属铜空心锭铸造时内孔不冷却，完全靠外部冷却形成空心铸坯而造成内部结晶组织相应的一些问题，及铸造合金铜坯时因内外冷却强度相差悬殊而造成过大的内应力形成很多的铸造缺陷，甚至使正常的铸造过程无法进行等问题。 

本发明技术方案如下：本发明公开一种铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备。 

一种铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备，其特征是：常规立式半连续铸造空心圆锭结晶器用的中心支架(11)水平面以上中心部位呈漏斗状的倒圆锥套内安装1结晶器石墨芯(12)，参见图4，石墨芯上半段中心是一段圆形盲孔，铸造时浇管插入此盲孔，铜液从盲孔底部由中心向外呈一锭锥角的放流孔流入结晶器，放 流孔一般为2-4个，按圆心均匀设置，放流孔的个数和直径共同构成铸造时铜液转注量。在盲孔和外圆锥台之间石墨芯实心部位钻有同样个数的小圆孔，圆孔均布在放流孔之间，参见图7，圆孔从石墨芯顶部斜穿直通石墨芯底部，成为安装内冷却水管的通道，该通道和铜液放流孔在空间交错布置，互不干扰。石墨芯小孔中穿进内冷水管(14)，内冷水管用耐高温不锈钢管，内冷水管刚露出石墨芯底部，安装好内冷水管后在底部旋上1小段可调节方向的喷咀(15)，几根内冷水管在结晶器顶部水平引出，在固定支架(17)上用管箍紧固，适当远离结晶器至安全距离外。铸造起始从石墨芯中部注入铜液，铜液经盲孔底部小孔斜向流出到结晶器，结晶器内铜液位高至盖没放流小孔，参见图6，外部冷却水通过结晶器壁作用于结晶器内的铜液，表面初步凝固的空心圆锭下引时启动内冷水阀，内冷却水从内冷水管中至石墨芯底部喷咀中斜向喷出，几股水流形成绕空心圆锭内孔旋转的水幕，从而对空心圆锭内孔进行冷却。 

铜空心圆锭在结晶器中初步凝结成形后即被从结晶器中下引拉出，直喷二次冷却水是保证铜空心圆锭内部的液相及液固相过渡层完全冷凝、结晶成固态组织。从喷咀直接喷到铜空心圆锭内表面的冷却水和原有的外部加上的二次冷却水共同构成对空心圆锭的直接冷却，内孔从不带内水冷铸造时粗大的柱状晶变为内孔表面细洁的等轴晶。 

内外冷却水共同作用保证了空心圆锭铸造时液固两相的过渡层减小，保证了液穴较常规的空心锭铸造浅，铸造时气体排出畅通，结晶组织呈内外两个方向往环孔中间凝结，在控制较好的情况下抑制了过大的柱状晶的产生。对导热系数低容易产生应力裂纹的某些铜合金铸造更是有利。 

附图说明

图1、立式半连续铸造铜坯锭炉头、结晶器、引锭示意图。 

图2、立式半连续铸造铜坯锭放液示意图。 

图3、立式半连续铸造铜空心圆锭结晶器示意图。 

图4、立式半连续铸造铜空心圆锭内孔带水冷的结晶器示意图。 

图5、立式半连续铸造铜空心圆锭内孔带水冷的结晶器铸示意图。 

图6、立式半连续铸造铜空心圆锭石墨芯示意图。 

图7、立式半连续铸造铜空心圆锭石墨芯附视图。 

图8、立式半连续铸造铜空心圆锭石墨芯仰视图。 

具体实施方式

本发明的基本设计思想体现在以下几个方面。 

一、本发明采用了铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺。 

常规空心圆锭的铸造采用了中间有石墨芯的工艺，冷凝成型只有外部一、二次冷却水起作用，内孔的铸造结晶状态无法调整，对于较大尺寸的空心锭以及复杂合金锭，铸造及质量很难控制。 

本发明采用了铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺，铜空心坯锭铸造时内孔有冷却水直接喷射到表面已凝结的坯锭内孔，对内外已结壳并被从结晶器中引出的坯锭芯部进行强化冷却，铜空心圆锭在结晶器中初步凝结成形后即被从结晶器中下引拉出，直喷二次冷却水是保证铜空心圆锭内部的液相及液固相过渡层完全冷凝、结晶成固态组织，铜空心圆锭内孔从喷咀直接喷到铜空心圆锭内表面的冷却水和原有外部加上的二次冷却水共同构成对铜空心圆锭的冷却，内孔从不带内水冷铸造时粗大的柱状晶变为内孔表面细洁的等轴晶。 

内外冷却水共同作用保证了铜空心圆锭铸造时液固两相的过渡层减小，保证了液穴较常规的不加水冷铜空心圆锭铸造形成的液穴浅，铸造时气体排出畅通，结晶组织呈内外两个方向往环孔中间凝结，抑制了过大的柱状晶的产生，对导热系数低容易产生应力裂纹的某些铜合金铸造更是有利。 

二、本发明采用了在实心部位从上到下带有几条通道的石墨芯，在该几条通道中插入内冷水管。 

本发明采用了常规铜空心圆锭铸造时采用的在结晶器中间悬挂石 墨芯的结构，铜空心圆锭铸造用的石墨芯在顶部要作出一可供铜液浇管插入的盲孔，盲孔底部开出几个斜向分流孔供铜液往结晶器中转注，本发明所用的石墨芯在中间插浇管的盲孔和石墨芯边部实心部位间均匀安排几个小孔，几个小孔和盲孔中的分流孔在平面上均匀分布，从石墨芯顶部到石墨芯底部斜钻出这几个通孔，通孔底部出口中心离底部石墨芯外圆边部20毫米，通孔作为内水冷管的安装通道。 

本发明采用的石墨芯所作出的斜向通道要和几个铜液转注分流孔在空间均匀分开，互不干扰。 

石墨芯底部外圆不大于60毫米的空心圆锭铸造，盲孔底部斜向作出2个分流孔，孔径一般可为12-15毫米，从石墨芯顶部斜穿出的通道也为2条，从顶部到底部的通道中心线偏离平面轴线约15度，参见图7。 

内孔大于100毫米的大直径空心锭铸造，石墨芯盲孔内可安排4条转注铜液的分流孔，石墨芯从上到下斜穿的水冷管通道也可安排4条。大铸锭需要提高供液量，也需要提高内部冷却强度。 

石墨芯采用高纯石墨，和结晶器内壁的石墨衬套是同一种材料。 

三、本发明采用了不锈钢管为内冷水管，内冷水管为一弯曲水管，参见图7，水平部分略高出结晶器水平面几毫米，顺水平方向引出，引出长度300毫米，离结晶器150毫米处安装1管道固定支架(17)，铸造前内冷水管安装到位后用管箍固定，外部接冷却水供水管，内冷水管斜管部分插入结晶器石墨芯中斜向通道中，外径比通道小1毫米，高度为正好穿出石墨芯底部，弯管底部有一段15毫米长的内螺纹，喷咀通过螺纹和内水冷水管相连，喷咀连接时可调整喷出方向和角度以确保在内孔造成旋转水流。参见图8。 

弯曲水管或是用不锈钢管直接弯曲，或是焊接，不能用螺纹等活动连接方式连接，全长范围不能泄漏。 

铜液面附近绝不允许产生有可能喷出的明水。 

内冷水管内冷却水压力约为5Kg/Cm²。 

根据上述发明思想，结合现场实施实例，参见图5，可知本发明《铜空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺及设备》是一种在铸造空心铜坯锭时对内孔也加以水冷的工艺。 

本实施例采用内孔规格为￠200mm的铜结晶器(6)，结晶器高180，石墨芯(12)底部圆锥￠70，顶部￠140，盲孔大口径￠48，底部￠40，孔深80，设计2个转注分流孔，孔径￠14，孔和水平面呈30度夹角，石墨浇管内孔￠20，外径￠40，顶部依常规尺寸和熔炉底碗相配，端部约70长伸进石墨芯盲孔内，也做成倒锥度，和盲孔配，参见图5。石墨芯高240，本实施例在石墨芯顶部￠140和盲孔￠48之间实心部位有92，每边有46的尺寸，在石墨芯中间￠100处设计2个￠13的小孔，从顶部斜向直通至底部，参见图4，斜向位和水平中心线偏离15度，参见图7，2个斜向通道和2个转注分流孔在空间交错，互不干涉。 

铸造起始，将内冷水管(14)从石墨芯顶部钻出的￠13孔的通道中穿进至石墨芯底部，2根内冷水管都用管箍固定在管道支架(17)上，水管用￠12×1的不锈钢焊接成弯曲管，水平段长300，管端有外螺纹，安装定位后和外部供水管路用螺纹连接(现场此处内冷水管和外部接管用固定挡板遮挡以防管端漏水溅到熔融铜液引起爆炸)，斜向管子基本正好插入石墨芯斜向通道中，和底部平，底部有15毫米长的内螺纹，内冷水管安装到位后将喷咀(15)拧上，喷咀安装向下，约15度，参见图4，从径向位看喷咀中心线和内孔圆表面切线也呈约30度，参见图8，内冷水喷出后能紧贴内孔壁旋转，2个喷咀喷出的水流形成绕内孔旋转冷却的水幕。 

结晶器及内冷水管安装到位后引锭杆缓慢上行，环状引锭杆头进入结晶器石墨芯，基本贴近石墨芯圆锥面时引锭杆即停止上行，准备铸造前先将石墨芯加热至微红，翻转炉头，浇管正好插入石墨芯盲孔内，提起塞棒，铜液缓慢冲入盲孔，由2个分流孔呈30度放出铜液，送 外部冷却水，铜液面加盖覆盖剂，铸造开始，铜液面盖过放流小孔后引锭开始，当空心圆锭开始随引锭杆往下行脱出结晶器时开启内冷却水供水阀门，内冷却水通过喷咀喷出，内孔进入冷却铸造工艺。内冷却水和外部冷却水分别由2路外部供水管路控制，内冷却水压力约内冷水管内冷却水压力约为5Kg/Cm²。 

本实施例所铸空心锭名义尺寸￠200×70，内孔表面光洁，内外都见等轴晶，中间柱状晶也不显粗大。空心圆锭立式半连续铸造内孔带水冷的工艺表现得非常出色。 

序号名称 

石墨塞棒(1)    炉头(2)      铜液(3)       石墨底碗(4) 

石墨浇管(5)    结晶器(6)    石墨内衬(7)   水冷套(8) 

引锭杆(9)      铜坯锭(10)   中心支架(11)  石墨芯(12) 

空心引锭杆(13) 内冷水管(14) 喷咀(15)      空心圆锭(16) 

管道支架(17)