[发明专利]一种高效利用冷却水的方坯连铸结晶器铜管及方法

说明书

本发明公开了一种高效利用冷却水的方坯连铸结晶器铜管及方法，该结晶器铜管包括结晶器铜管本体，并在结晶器铜管本体的管壁上沿轴向设有若干条导流道，所有导流道的横截面为圆形，且每条导流道内壁上均匀分布有若干螺旋状的凸条，每根凸条沿导流道轴向设置，便于导流道内的冷却水在凸条的导向作用下自下而上螺旋上升。该结晶器铜管的冷却结构能对流经导流道内的冷却水进行扰动，使导流道内的冷却水螺旋上升，保证导流道内的冷却水全部参与热交换，提高结晶器铜管的冷却效果，对进一步实现连铸高速化，节约资源具有重要意义。

技术领域

本发明属于连续铸造技术领域，具体涉及一种高效利用冷却水的方坯连铸结晶器铜管及方法。

背景技术

对方坯连铸而言，在20世纪90年代以前设计投产的铸机拉速较低，生产效率不高。而在95年左右，我国开始了方坯连铸高效化的研究工作。方坯连铸高效化最显著的特征就是高速化，同样的方坯连铸断面，拉速成倍提高。到2010年，我国几乎所有以建筑钢材生产为主的铸机都实现了高效化高速化，比如150×150mm²断面连铸拉速一般达到了3.0~3.5m/min左右。近年来，随着钢铁生产技术的日益成熟和不断深化，钢的连铸技术又有许多新的进展，但是连铸高速化依旧是研究的重点，因为高速连铸不仅能增大企业产能，提高经济效益，同时还能为节能减排，节约资源做出突出贡献。

结晶器作为钢铁连铸过程的一冷装置，承担了使钢液形成初凝坯壳的重要任务，但是结晶器对钢液的冷却能力很大程度上限制了连铸拉速的提高。拉速越高，钢液在结晶器内的冷却时间（停留时间）就越少，可能会导致钢液凝固坯壳出结晶器时厚度过低，不能承受内部还未凝固的钢液的静压力，从而坯壳破裂，造成漏钢。那么，为了实现连铸高速化，就需要在减少了冷却时间的情况下，进一步加强结晶器的冷却强度，途径之一就是使用更高效的结晶器铜管冷却结构。

钢液是依靠通入结晶器铜管内的冷却水进行冷却的，目前方坯连铸结晶器铜管的冷却结构主要有以下三种：第一种是在结晶器铜管本体1的管壁上沿轴向设有若干条导流道2（如图1a），冷却水由下而上在导流道2内流动换热；第二种是使冷却水与结晶器铜管本体1外壁面周向接触的冷却结构—水缝4（如图1b），这种结构需要水套3对冷却水进行密封，而冷却水就沿着水缝4由结晶器下部运动到上部，期间与结晶器铜管中的高温钢液进行换热，这种传统的冷却结构目前最为常见；第三种是在结晶器铜管本体1外壁面加工出纵向水槽5（如图1c），冷却水同样自下而上在水槽5中流动换热。

目前常见的方坯结晶器铜管的冷却结构基本不能对冷却水进行扰动，这会使通入的冷却水无法被全部利用，因为冷却水在贴光滑壁面流动时会在接触面产生层流附面层，在此层流区域内冷却水的流动方向平行于壁面。由于钢液的热量是通过结晶器铜管传入冷却水中的，那么贴于铜管壁面处的冷却水会首先吸热，但由于此处的冷却水在层流附面层之中，它吸热后会平行于壁面竖直流动上升，不易与外层吸热较少的相对低温的冷却水相互扰动从而产生强烈的热交换，这将会导致冷却水的温度出现分层，外层的冷却水没有被高效地利用于传热。并且靠近热壁面的冷却水会因为其层流状态而无法远离热壁面，将始终与热壁面保持强换热，那么此区域内的冷却水就很可能会沸腾，而沸腾会使铜壁与冷却水界面形成膜态或核态传热，大幅度降低结晶器的传热效果，导致铜管温度过高，寿命减少，容易结垢，甚至引发漏钢事故。基于目前常用的铜管冷却结构，为了抑制冷却水沸腾，最常见的方法就是提高冷却水的流动速度，以此减少冷却水在结晶器内的停留时间，降低壁面处冷却水的温度，加强结晶器的冷却效果，但是同时研究发现，当冷却水流速高到一定程度，再加大流速对结晶器的冷却效果并不会再有实质的提升。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种高效利用冷却水的方坯连铸结晶器铜管及方法，该结晶器铜管的冷却结构能对流经导流道内的冷却水进行扰动，使导流道内的冷却水螺旋上升，保证导流道内的冷却水全部参与热交换，提高结晶器铜管的冷却效果，对进一步实现连铸高速化，节约资源具有重要意义。

本发明的技术方案是这样实现的：