一种铜合金水平连铸结晶器

摘要

本发明公开了一种铜合金水平连铸结晶器，包括石墨模具以及套设在石墨模具外侧的冷却铜套，其特征在于：所述石墨模具包括上石墨板、下石墨板以及设置在上石墨板与下石墨板之间的左石墨板和右石墨板，所述上石墨板、下石墨板、左石墨板和右石墨板围合后形成前后贯通的腔体，所述上石墨板、下石墨板的导热系数为a，所述左石墨板和右石墨板的导热系数为b，b/a的范围为0.45～0.65。本发明采用不同导热系数的石墨板组成石墨腔体，保证拉铸铸坯上下表面的边部和中间出口温度偏差小于等于30℃，确保铸坯组织均匀，同时防止铜套变形严重。

说明书

技术领域

本发明属于铜合金结晶器技术领域，具体涉及一种铜合金水平连铸结晶器。

背景技术

在铜加工行业，水平连铸铸造多用于锡磷青铜和锌白铜生产，存在一个长期难以解决的技术问题是：在水平连铸过程中，铸坯宽度方向和厚度方向上皆存在冷却强度不均，从而导致凝固后铸坯组织紊乱的问题。水平连铸带坯，其边部冷却强度大于中间位置，尤其是600mm以上的大宽幅带坯，边部与中心的冷却强度更是差异明显，主要表现在带坯出口温度、表面颜色和厚度偏差方面，同时内部组织也有影响。以锡磷青铜为例，中心出口温度高于边部，颜色深于边部，易发红、发黑，中间厚度凹于边部，而组织大小也不规则，边部小于中心，这直接影响后道加工的板形和成材率；而对于铸坯厚度方向上的凝固过程，由于重力作用，导致铸坯上表面凝固收缩后与结晶器之间形成间隙，上、下表面冷却强度不同，直接影响铸坯横断面组织中心线偏移，出现晶粒不均匀、不规则现象，严重时会使铸坯表面或内部产生裂纹。

水平连铸铸造过程中冷却不均匀问题主要来自于结晶器冷却强度不均。一般水平连铸结晶器通常包括冷却铜套和石墨模具，从内到外依次是石墨模具、冷却铜套，整个传热过程刚好相反，铜水热量传到石墨模具，石墨模具导热到冷却铜套，冷却铜套里面充满冷却水，起到冷却作用，带走热量。因此，石墨模具和冷却铜套的冷却效果直接影响了水平连铸铸坯的组织均匀性。

如发明专利CN111974955A公开了一种冷却水平连铸结晶器，其内部设计多个流水槽，结晶器在使用的过程中冷却效果好，在与待冷却的石墨模配合时，结晶器一侧的冷却面与石墨模具直接地进行面接触，提高了导热性，提升了铜水的冷却效果，延长结晶器寿命，但此结晶器设计方法对于600mm以上宽幅带坯无法保证边部与中心冷却效果一致，冷却均匀性有待提升。

发明专利CN102248138 A公开了一种实现周向均匀冷却的水平连铸结晶器，该结晶器设计多个独立的冷却水腔，通过调节每个冷却水腔的冷却水流量、压力、冷却水温度参数，可有效改善水平连铸过程中的冷却不均匀现象，提高连铸坯质量，但此结晶器设计方法仅适用于环形、小宽幅的铸坯水平连铸。

因此，如何通过对结晶器的结构和热交换能力进行优化设计，获得具备冷却效果均匀，铸坯宽度方向上中间和边部位置出口温度一致、组织均匀，提高水平连铸铸坯质量，是水平连铸结晶器的主要研究方向。

发明内容

本发明提供一种铜合金水平连铸结晶器，解决的第一个技术问题是保持水平连铸铸坯宽度和厚度方向上冷却强度均匀，实现铸态组织均匀，铸坯的质量良好。

本发明解决第一个技术方案所采用的技术方案为：一种铜合金水平连铸结晶器，包括石墨模具以及套设在石墨模具外侧的冷却铜套，其特征在于：所述石墨模具包括上石墨板、下石墨板以及设置在上石墨板与下石墨板之间的左石墨板和右石墨板，所述上石墨板、下石墨板、左石墨板和右石墨板围合后形成前后贯通的腔体，所述上石墨板、下石墨板的导热系数为a，所述左石墨板和右石墨板的导热系数为b，b/a的范围为0.45～0.65。

石墨模具直接与铸坯接触，为获得拉铸铸坯边部和中间较小的冷却差，采用不同导热系数的石墨板。当b/a大于0.65时，边部冷却强度远大于中间位置，易导致铜套变形严重，且不利于铸坯组织均匀分布；当边b/a小于0.45时，中间的冷却强度大于边部，铸坯边部易出现开裂问题。b/a的范围为0.45～0.65，保证拉铸铸坯边部和中间出口温度偏差小于等于30℃，确保铸坯组织均匀，同时防止铜套变形严重，需严格控制石墨模具边部和中间位置的冷却强度。

作为优选，所述上石墨板的上表面以及下石墨板的下表面开设有供冷却气体通入的开槽，所述开槽沿石墨模具的宽度方向开设，所述冷却铜套上开设有供冷却气体通入开槽的进气孔。为增大结晶过程中的冷却强度，所述石墨模具和冷却铜套之间进行通氦气处理，提高导热效果。石墨模具和冷却铜套的传热形式为辐射传热，通过向石墨模具和冷却铜套之间通入高热传导能力的气体可以显著提高两者的传热能力，提高冷却效果，开槽沿上石墨板、下石墨板的宽度方向开设，保证宽度上铸坯组织均匀，提高宽度方向上的质量稳定性。

作为优选，所述开槽的宽度为5～20mm，深度为0.5～2mm，所述开槽距离铜水入口侧100～200mm，距离上石墨板、下石墨板的边部50～100mm。当开槽的宽度大于20mm，深度大于2mm时，不利于冷却气体扩散覆盖，容易出现局部过冷现象，造成组织不均匀；当开槽的宽度小于5mm，深度小于0.5mm时，冷却气体通入量太少，无法起到明显的导热效果，作用不大。水平连铸过程中，铜水进入结晶器后在腔体中凝固成型，结晶位置直接取决于石墨板冷却效果，这同时影响了铸坯结晶组织均匀性。一般情况下，为了便于铸坯拉铸和组织结晶，结晶位置略靠近与铜水入口侧。根据结晶位置和液穴形态，当开槽位置距离铜水入口侧＜100mm，距离上下石墨板边部＜50mm时，铜水结晶位置过于靠前铜水入口侧，冷却提前，不利于铸坯拉铸，容易出现拉不动现象；当开槽距离铜水入口侧＞200mm，距离石墨板边部＞100mm时，铜水结晶位置太深，结晶时间不足，容易拉漏。因此，开槽的宽度为5～20mm，深度为0.5～2mm，开槽距离铜水入口侧100～200mm，距离上石墨板、下石墨板的边部50～100mm。

作为优选，所述开槽包括波形槽以及位于波形槽两端的直槽，所述波形槽的振幅P为50～85mm，波形槽的波长λ为50～75mm，所述直槽的长度为60～85mm。

拉铸铸锭的结晶位置沿石墨模具的宽度方向呈月牙状分布，说明拉铸铸锭沿宽度方向的温度呈梯度分布，形成一个弧形，而不是直线，这与铜水的液穴形态、散热方向等有关。开槽的中间位置呈波形，以振幅为50～85mm覆盖温度梯度分布范围，有利于液穴平坦。当振幅小于50mm时，液穴的月牙状范围无法覆盖，不能保证结晶位置的均匀冷却，容易出现组织间隔现象，导致后道轧制开裂；当振幅大于85mm时，冷却位置范围过大，铸坯成型后与石墨板摩擦接触，不利于石墨板寿命，严重时石墨板拉裂；

波长的大小控制直接影响了石墨板中间位置的冷却强度，从而决定了凝固过程中凝固壳厚度增长速度，从而决定了液穴的形状和铸坯组织均匀性。当波长小于50mm时，波形槽分布过于密集，通气后中部冷却强度远大于其他位置，导致组织不均匀；当波长大于75mm时，波形槽分布过于疏散，导热气体冷却覆盖范围变窄，冷却力度弱，伴随拉停节奏极易出现组织晶粒大小间隔明显，严重时后道轧制出现开裂；此外，当直槽的长度小于60mm时，直槽距离边部太远，间隔距离的氦气覆盖面积有限，不能充分保证冷却强度均匀；当直槽的长度大于85mm时，直槽距离边部太近，会增大边部冷却强度，导致冷却差异大；

作为优选，所述冷却气体为氦气，氦气的压力为0.35～0.55MPa，流量为10～60ml/min。气体的传热效率强烈主要受压力和流量影响，当氦气压力大于0.55MPa，流量大于60ml/min时，氦气容易消散，实际冷却作用不强，且生产消耗大，成本高；当氦气压力小于0.35MPa，流量小于10ml/min时，氦气的传热效率不明显。

作为优选，所述上石墨板与下石墨板的氦气压力比值满足1.0～1.2，流量比值满足1.0～1.2。由于水平连铸过程中，铜水的自重对液穴形态、散热方向和凝固时的体积收缩产生影响，使铸锭上部出现“月牙状”的空隙，使得铸锭上部的散热条件变差，铸坯上表面的冷却效果弱于下表面。因此可通过调节上下石墨板通入氦气的压力与流量大小实现铸坯厚度方向上冷却均匀性。当上、下石墨板的氦气压力比、流量比小于1.0时，铸坯厚度方向上的下表面冷却强度大于上表面，容易造成铸坯横断面组织中心线偏上，下表面的晶粒明显大于上表面，严重时由于应力不均在后道轧制过程中易出现开裂；当上、下石墨板的氦气压力比、流量比大于1.2时，铸坯厚度方向上的上表面冷却强度大于下表面，容易造成铸坯横断面组织中心线偏下，上表面的晶粒明显大于下表面，严重时同样易出现开裂问题。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、采用不同导热系数的石墨板组成石墨腔体，保证拉铸铸坯上下表面的边部和中间出口温度偏差小于等于30℃，确保铸坯组织均匀，同时防止铜套变形严重；

2、在石墨板和铜套之间通入冷却气体，替换传统的柔性石墨纸或石墨粉，充分弥补了石墨板和铜套之间接触面贴合不紧导致的冷却不均缺陷，同时降低了安装的操作要求，便于结晶器安装，可减少因安装不到位导致的铸坯质量不良风险；

3、根据铜水凝固过程中的液穴形状设计石墨板背面波形槽，充分发挥冷却气体的导热效果。波形槽的波长和振幅大小可控制石墨板宽度方向上的冷却强度大小，获得均匀组织，弥补传统水平连续铸造中边部冷却强度大于中心导致的组织不均问题。

4、本发明获得的拉铸铸坯表面的平均晶粒度控制在2～4mm，且表面不同位置的平均晶粒大小偏差≤0.4mm，同时中心线位置居中。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中开槽的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1至图2所示为铜合金水平连铸结晶器的一个优选实施例，包括石墨模具10、冷却铜套以及开槽5。

石墨模具10包括上石墨板1、下石墨板2以及设置在上石墨板1与下石墨板2之间的左石墨板3和右石墨板4，上石墨板1、下石墨板2、左石墨板3和右石墨板4围合后形成前后贯通的腔体1a，上石墨板1、下石墨板2的导热系数为a，左石墨板3和右石墨板4的导热系数为b。

开槽5开设在上石墨板1的上表面以及下石墨板2的下表面，供冷却气体通入，开槽5沿石墨模具10的宽度方向开设。

冷却铜套套设在石墨模具10的外侧，冷却铜套上开设有供冷却气体通入开槽5的进气孔。

选取4个实施例合金，成分设计见表1，按照本实施例的结晶器设计进行铸造，结晶器参数设计见表2。实施例合金的铸造参数为：拉铸速度100～150mm/min，拉铸温度为1160～1190℃，氦气控制参数见表3，拉铸方式采用拉-停-拉，铸锭规格为16.5×650mm。

对比例的成分与实施例1成分相同，对比例采用的结晶器与本实施例结晶器的不同之处在于：上、下、左、右的石墨板导热系数相同，没有开槽以及冷却铜套上没有开设进气孔，具体参数见表2，对比例的铸造参数与实施例1相同。

对于制备得到的4个实施例铸坯和对比例铸坯进行表面颜色比对、结晶线平直度测试，铸坯上、下表面分别沿铸坯宽度方向上等间隔取3个点，从左到右依次为A、B、C，分别测试上、下表面的出口温度和铸坯表面组织晶粒大小及均匀性，同时测试横断面金相组织的柱状晶长度和截面中心线位置，具体测试结果见表4、表5。

宏观金相组织平均晶粒大小测试，按照《YS/T 448-2002：铜及铜合金铸造和加工制品宏观组织检验法》中的检验要求，对10-15倍的体视显微镜采集照片中的晶粒大小进行测试。样品宽度为20mm，长度为20mm。

铸坯宽度方向上不同位置的组织均匀性测试，取A、B、C三点中最大值和最小值，用最大值和最小值的差值来表示组织均匀性。

本发明石墨模具采用了不同导热系数的四块组合式石墨板进行拉铸，上、下石墨板的外表面开设有通冷却气体的开槽，目的为了提高冷却铜套与石墨板之间的冷却效果，提高冷却强度。本设计使铸坯组织趋于均匀，故改善高锡含量锡磷青铜铸坯表面的偏析程度和铸坯质量，减少裂纹等缺陷；通过表4、表5结果可以得出，本发明结晶器使合金上下表面组织均匀，表面结晶纹呈平滑、无间断曲线，表面颜色呈淡黄色，上下表面边部和中间的温差控制小于20℃，平均表面晶粒度控制2～4mm，且铸坯宽度位置上不同位置的表面晶粒大小相差小于等于0.4mm，组织均匀，同时中心线位置居中，柱状晶长度7～8mm。铸坯组织分布均匀，提高了铸坯质量，因而具有很好的推广应用价值。

对比例采用常规的结晶器，因铸坯边部先于中间位置冷却、自身重力影响导致间隙和石墨板与铜套安装是否紧密贴合等原因，导致铸坯表面结晶纹间断、曲折，表面颜色发红发黑，上下表面温大于50℃，同时上、下表面组织大小不均，平均晶粒度0.5～2mm，大小晶粒间隔分布，同时断面组织柱状晶分布3～6mm，断面中心线位置偏上。铸坯组织不均，或者大小组织间隔分布，在后道加工过程中容易出现轧制开裂问题。

表1实施例和对比例的成分

表2本发明实施例和对比例所采用的结晶器的相关参数

表3本发明实施例的氦气通入参数控制

表4本发明实施例和对比例铸坯表面测试结果

表5本发明实施例和对比例铸坯表面测试结果