專利名稱：線材水平連鑄無臺階分離環(huán)及使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及冶金過程中鋼液(或其它材料的液態(tài))成型的水平連鑄創(chuàng)新技術，具體涉及鋼鐵材料和其它高附加值金屬及合金材料的線材水平連鑄無臺階分離環(huán)及其使用方法。屬于連鑄成型技術領域。
背景技術：
鋼的連鑄技術從20世紀40年代工業(yè)化以來，經(jīng)歷了立式、立彎式、弧型、橢圓型、二冷區(qū)帶直線段等機型的演變。另外，還出現(xiàn)了薄板坯連鑄、水平連鑄等連鑄技術。我國從20世紀80年代引進國外水平連鑄技術，先后在成都無縫鋼管廠(現(xiàn)合并為攀枝花成都鋼鐵公司)、湖南衡陽銅管廠等單位進行生產(chǎn)。水平連鑄技術主要用于生產(chǎn)直徑90mm以上的圓坯，用于制造無縫鋼管和線材。
從80年代以來，我國在水平連鑄技術和鑄坯質(zhì)量方面進行了許多研究，對提高我國鋼的水平連鑄技術起到了積極作用[1-5]。國外也對水平連鑄技術進行了比較多的研究[6-8]。從這些文獻和我國對大斷面水平連鑄的生產(chǎn)實踐中看出，其分離環(huán)的材質(zhì)主要采用BN為主的復合材料，分離環(huán)在使用過程中存在明顯的破損碎裂問題。破損碎裂主要是指分離環(huán)與結晶器連接的中心位置處小孔(為鑄坯的斷面尺寸大小或稍微小一點)的突出外沿(臺階)比較容易碎裂，而在碎裂的縫隙處產(chǎn)生鋼液凝固的飛邊，將極大地增加拉坯阻力，嚴重惡化鑄坯表層質(zhì)量，并可能使連鑄中斷而不能正常進行。研究表明，水平連鑄工藝參數(shù)和分離環(huán)的成分(材質(zhì)組成)對分離環(huán)的使用壽命有很大的影響。
對大斷面工業(yè)生產(chǎn)的水平連鑄，從國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗看，其分離環(huán)與結晶器連接的中心位置設計有與鑄坯斷面形狀一致的內(nèi)孔，分離環(huán)中心孔的形狀基本與所生產(chǎn)的斷面尺寸相同或略小一點，在中心孔的邊沿有一定厚度的向結晶器方向突出的、長2-3mm左右的外沿(稱為分離環(huán)的臺階)，以便于分離環(huán)與結晶器的連接對中和消除分離環(huán)與結晶器之間鋼液凝固產(chǎn)生的飛邊(分離環(huán)臺階不損壞時)，從而保證正常的水平連鑄拉坯。如果在分離環(huán)與結晶器的縫隙處產(chǎn)生鋼液凝固的飛邊，將極大地增加拉坯阻力，嚴重惡化鑄坯表層質(zhì)量，并可能使連鑄中斷而不能正常進行。從以上闡述可知，目前對大斷面的水平連鑄，世界上均采用有臺階分離環(huán)。
線材水平連鑄技術是一項集現(xiàn)代冶金技術、計算機控制技術、特種耐火材料技術等于一身的高新技術，屬于近終型連鑄技術的范疇。與鋼鐵廠常規(guī)的“水平連鑄”比較，線材水平連鑄從規(guī)模上來說要小得多，它可不經(jīng)軋制加工，直接生產(chǎn)出直徑為3-12mm左右的高附加值、難變形加工、常規(guī)鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝成材率低的高級鋼鐵材料和金屬及合金材料。
參見圖1，線材水平連鑄機主要包括熔煉爐、中間包1、水口2、分離環(huán)3、結晶器4、鑄坯(絲)5、拉坯系統(tǒng)6、剪切機構7和控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。
①中間包(感應爐)具有合金的升溫、溫度均勻和保溫的作用，以確保拉坯過程中合金溫度的穩(wěn)定。也可作為合金熔煉使用。
②結晶器是鑄坯成型和凝固的關鍵部件。其結構等對鑄坯工藝順行和表面質(zhì)量影響較大。
③分離環(huán)是連接及密封中間包和結晶器的關鍵耐火材料。是水平連鑄過程中連接中間包水口2和結晶器4的一個關鍵器件。
④拉坯系統(tǒng)高性能、高精度地按預定拉坯曲線完成拉坯任務。其工作狀態(tài)直接影響拉坯過程的順行和鑄坯質(zhì)量的好壞。
⑤液壓系統(tǒng)為拉坯機提供液壓壓下力。
⑥控制系統(tǒng)是連鑄系統(tǒng)的心臟。對不同的合金可按不同的拉坯方式控制拉坯，以達到工藝順行而鑄坯質(zhì)量又較好的目的。
⑦二次冷卻及剪切裝置出結晶器后坯溫仍較高，可繼續(xù)冷卻后剪切。
⑧輔助系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)和空調(diào)機等。
現(xiàn)有的線材水平連鑄，一般沿用大斷面的“有臺階分離環(huán)”的結構，其示意圖如圖2、圖3所示。對小斷面的線材水平連鑄，有臺階分離環(huán)在使用過程中存在如下問題由于分離環(huán)的臺階(分離環(huán)與結晶器連接的中心位置處小孔的突出外沿)很薄(與大斷面水平連鑄的分離環(huán)比較要薄得多)，且是耐火材料材質(zhì)(不是金屬材料材質(zhì))，在冷態(tài)下裝配好后，在加熱過程中，在開拉引絲過程中和在正常生產(chǎn)過程中，由于熱膨脹的不均勻性，在引絲過程中引絲用的引錠桿的垂直度、在正常拉坯過程中拉坯(拉絲)過程絲的垂直度等三種情況對分離環(huán)臺階周向和軸向產(chǎn)生不均勻的壓力，造成分離環(huán)臺階很容易損壞和破損。
根據(jù)我們對線材水平連鑄的大量試驗和生產(chǎn)實踐表明，對小斷面分離環(huán)的材質(zhì)，基本全部選用價格昂貴的ZrO2作分離環(huán)。即使這樣，分離環(huán)與結晶器連接處在分離環(huán)中心處向結晶器突出的外沿(臺階)也極易損壞破碎，從而很容易使正常的連鑄生產(chǎn)過程中斷而不能保證長時間的連鑄；實踐證明在許多情況下，分離環(huán)中心突出的外沿(臺階)在最初開拉過程中鑄絲引絲時也很容易破碎損壞而使開拉失敗。
近年來，國內(nèi)外針對線材水平連鑄工藝技術的研究所發(fā)表的文獻很少，發(fā)表的相關文獻[9-11]主要涉及正常拉坯、數(shù)值仿真方面的極少數(shù)研究；在線材水平連鑄分離環(huán)方面未見文獻報道。在相關技術方面國外也未見報道。對本發(fā)明的無臺階分離環(huán)及其使用方法，在國際上還未提出和采用過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有小斷面線材水平連鑄分離環(huán)極易損壞的情況，為了正常的引絲和長時間的正常生產(chǎn)，提高線材水平連鑄機的作業(yè)率，而提供一種線材水平連鑄用的無臺階分離環(huán)。
本發(fā)明的另一個目的是為保證正常的引絲和長時間的正常生產(chǎn)，提供所述線材水平連鑄無臺階分離環(huán)的配套使用方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的線材水平連鑄無臺階分離環(huán)，其特征在于外形為階梯圓柱狀，兩端面均為光滑平面；中心孔為相互貫通的圓柱孔和截錐孔構成；其中，截錐孔的敞口位于階梯圓直徑較小端。
線材水平連鑄無臺階分離環(huán)的使用方法，包括如下步驟(1)在冷態(tài)裝配和開拉前，分離環(huán)和結晶器銅套的兩個表面通過機械方法緊密接觸。由于中間包在升溫熔化固體材料的過程中，包壁耐火材料和分離環(huán)、結晶器等受到溫度的影響而產(chǎn)生膨脹及位移，有可能使分離環(huán)和結晶器銅套的兩個光滑表面出現(xiàn)微小縫隙，因此必須在冷態(tài)裝配時和在高溫下連鑄開拉前通過使結晶器向中間包方向移動而使兩個表面緊密接觸；(2)分離環(huán)與中間包(感應爐)相連的由耐火材料制作的水口與中間包包體耐火材料整體固接而使水口不發(fā)生水平位移。特別是在水口安裝后第一爐使用時需要控制升溫速度較小而使水口與包壁耐火材料逐漸燒結而成為一個整體；(3)引絲用的引絲桿前端做成圓錐狀，保證在引絲時引絲桿與分離環(huán)中心小孔(鑄坯或鑄絲斷面尺寸)無縫隙，提高開拉引絲成功率。
進一步的方法是，所述第(2)步水口與中間包包體耐火材料整體固接，經(jīng)過在第1爐升溫熔化材料的過程中的高溫處理(水口只要不損壞可多爐使用)，以保證在高溫下水口位置基本不變化，而使分離環(huán)位置基本不變化，從而使分離環(huán)與結晶器兩個壁面緊密接觸無縫隙。
本發(fā)明是在常規(guī)的ZrO2分離環(huán)結構基礎上進行的改進和創(chuàng)新，取消了分離環(huán)在與結晶器連接處在分離環(huán)中心處向結晶器突出的外沿(小臺階)，分離環(huán)與結晶器連接的表面為一光滑平面；避免了線材水平連鑄有臺階分離環(huán)的臺階在合金材料(或鋼液)在加熱過程中、在開拉引絲過程中、在連鑄正常拉絲過程中容易破損碎裂而影響連鑄開拉成功率和正常生產(chǎn)延續(xù)時間的不足；在連鑄開拉前的準備工作中，將分離環(huán)與結晶器緊密接觸，并保證在中間包(感應爐)在將固體材料加熱到液態(tài)直至開拉前的過程中分離環(huán)與結晶器的膨脹變形基本同步。這樣連鑄過程中分離環(huán)與結晶器之間將幾乎不存在鋼液(金屬材料)凝固的飛邊，從而大幅度地提高了線材水平連鑄的開拉引絲成功率和長時間的拉絲成功率。
客觀上講，取消分離環(huán)臺階后，更容易在分離環(huán)與結晶器銅管兩表面間產(chǎn)生微小的縫隙；但是這一縫隙可以通過與無臺階分離環(huán)使用同步發(fā)明的使用方法來進行消除。如果采用有臺階分離環(huán)，根據(jù)我們的實踐結果表明，分離環(huán)的臺階極易破損而產(chǎn)生較大的縫隙，使線材水平連鑄開拉引絲成功率和長時間拉坯率均很低。
因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點在線材水平連鑄機上，使用本發(fā)明的無臺階分離環(huán)極其使用方法，其最大特點是能高效率(開拉成功率高；正常拉絲時間長，可長達2-5小時左右)地生產(chǎn)高附加值的、難變形加工的、對裂紋敏感性強的高級合金材料，如特殊鋼、電熱合金絲、鎳基觸媒材料、耐磨耐蝕合金、合金焊絲及其它高溫合金材料。


圖1是線材水平連鑄機組和連鑄過程示意圖；圖2是現(xiàn)有的有臺階分離環(huán)的結構示意圖；圖3是圖2的左視圖；圖4是本發(fā)明線材水平連鑄的無臺階分離環(huán)的結構示意圖；圖5是圖4的左視圖。
具體實施例方式
線材水平連鑄機主要包括熔煉爐、中間包1、水口2、分離環(huán)3、結晶器4、鑄坯絲5、拉坯機6、剪切機構7、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、支撐及二次冷卻裝置等，參見圖1。
其中，分離環(huán)是水平連鑄過程中連接中間包水口和結晶器的一個關鍵器件，它既要長時間承受液態(tài)鋼液的高溫，又要保證鋼液從中間包水口流入到結晶器端頭的連鑄凝固過程順利進行；對線材水平連鑄，由于鑄絲的斷面很小、分離環(huán)與結晶器連接的中心位置處小孔的突出外沿(臺階)則更溥和更短；與常規(guī)的大斷面(直徑大于90mm)的分離環(huán)比較，線材水平連鑄的分離環(huán)中心位置處小孔的突出外沿更容易損壞。因此，水平連鑄機對分離環(huán)的材質(zhì)和制作工藝要求很高。
本發(fā)明改進后的無臺階分離環(huán)如圖4和圖5所示，外形為階梯圓柱狀，中心孔為相互貫通的圓柱孔和截錐孔構成；其中，截錐孔的敞口位于階梯圓直徑較小端。
所述無臺階分離環(huán)的使用方法基于有臺階分離環(huán)在使用過程中，分離環(huán)臺階很容易損壞和破損的情況，改進了線材水平連鑄的分離環(huán)結構，取消了臺階，獲得了無臺階分離環(huán)。使用方法要點主要包括(1)在冷態(tài)裝配和開拉前，分離環(huán)和結晶器銅套的兩個表面通過機械方法緊密接觸，所述機械方法采用慣用方法如螺紋壓緊等方法即可。由于中間包在升溫熔化固體材料的過程中，包壁耐火材料和分離環(huán)、結晶器等受到溫度的影響而產(chǎn)生膨脹及位移，有可能使分離環(huán)和結晶器銅套的兩個光滑表面出現(xiàn)微小縫隙，因此必須在冷態(tài)裝配時和在高溫下連鑄開拉前通過使結晶器向中間包方向移動而使兩個表面緊密接觸；(2)分離環(huán)與中間包(感應爐)相連的水口(耐火材料制作)應與中間包包體耐火材料整體固接，最好是水口裝上后經(jīng)過高溫過程一次使水口與中間包良好固接(水口與包壁耐火材料逐漸燒結而成為一個整體)，以保證在高溫下分離環(huán)位置基本不變化，使分離環(huán)與結晶器兩個壁面緊密接觸無縫隙；(3)引絲用的引絲桿前端做成圓錐狀，保證在引絲時引絲桿與分離環(huán)中心小孔(鑄坯或鑄絲斷面尺寸)無縫隙，提高開拉引絲成功率。
無臺階分離環(huán)的使用效果經(jīng)過了86次工業(yè)拉坯試驗，主要在試驗的前期采用有臺階分離環(huán)；中、后期采用無臺階分離環(huán)。采用有臺階分離環(huán)的次數(shù)共23次，其開拉引絲成功率為38％左右；采用無臺階分離環(huán)的次數(shù)共63次，其開拉引絲成功率達93％左右，連鑄開拉成功率顯著提高，正常拉坯(拉絲)的延續(xù)時間明顯增加。生產(chǎn)的斷面主要有3mm、4mm、5mm等幾種，以4mm、5mm居多。生產(chǎn)的產(chǎn)品種類主要包括H520Ni基高溫合金、奧氏體不銹鋼、2520耐熱不銹鋼等材料。
本發(fā)明可直接在線材水平連鑄機上使用；并且經(jīng)過大量試驗已證明其使用效果。本發(fā)明也可以在大斷面水平連鑄機上進行試驗，并進行進一步推廣應用。
權利要求
1.線材水平連鑄的無臺階分離環(huán)，其特征在于外形為階梯圓柱狀，中心孔為相互貫通的圓柱孔和截錐孔構成，其中截錐孔的敞口位于階梯圓直徑較小端。
2.如權利要求1所述無臺階分離環(huán)的使用方法，包括如下步驟(1)在冷態(tài)裝配和開拉前，分離環(huán)和結晶器銅套的兩個表面通過機械方法緊密接觸；在冷態(tài)裝配時和在高溫下連鑄開拉前通過使結晶器向中間包方向移動而使兩個表面緊密接觸；(2)分離環(huán)與中間包相連的由耐火材料制作的水口與中間包包體耐火材料整體固接，而使水口不發(fā)生水平位移；特別是在水口安裝后第一爐使用時需要控制升溫速度較小而使水口與包壁耐火材料逐漸燒結而成為一個整體；(3)引絲用的引絲桿前端做成圓錐狀，保證在引絲時引絲桿與分離環(huán)中心小孔無縫隙。
3.根據(jù)權利要求2所述的使用方法，其特征在于所述第(2)步水口與中間包包體耐火材料整體固接，保證在高溫下水口和分離環(huán)位置基本不變化，從而使分離環(huán)與結晶器兩個壁面緊密接觸無縫隙。
全文摘要
本發(fā)明公開一種線材水平連鑄的無臺階分離環(huán)，其外形為階梯圓柱狀，中心孔為相互貫通的圓柱孔和截錐孔構成，其中截錐孔的敞口位于階梯圓直徑較小端。其使用方法，包括如下步驟在冷態(tài)裝配和開拉前，分離環(huán)和結晶器銅套的兩個表面通過機械方法緊密接觸；分離環(huán)與中間包相連的由耐火材料制作的水口與中間包包體耐火材料整體固接；引絲用的引絲桿前端做成圓錐狀，保證在引絲時引絲桿與分離環(huán)中心小孔無縫隙。這樣連鑄過程中分離環(huán)與結晶器之間將幾乎不存在鋼液(金屬材料)凝固的飛邊，從而大幅度地提高了線材水平連鑄的開拉引絲成功率和長時間的拉絲成功率。
文檔編號B22D11/045GK1951602SQ200610054589
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月10日 優(yōu)先權日2006年11月10日
發(fā)明者陳登福, 任常富, 孫善長, 宋啟年, 何瑞宜, 秦孝華 申請人:重慶大學