专利名称：线材水平连铸无台阶分离环及使用方法
技术领域：
本发明涉及冶金过程中钢液(或其它材料的液态)成型的水平连铸创新技术，具体涉及钢铁材料和其它高附加值金属及合金材料的线材水平连铸无台阶分离环及其使用方法。属于连铸成型技术领域。
背景技术：
钢的连铸技术从20世纪40年代工业化以来，经历了立式、立弯式、弧型、椭圆型、二冷区带直线段等机型的演变。另外，还出现了薄板坯连铸、水平连铸等连铸技术。我国从20世纪80年代引进国外水平连铸技术，先后在成都无缝钢管厂(现合并为攀枝花成都钢铁公司)、湖南衡阳铜管厂等单位进行生产。水平连铸技术主要用于生产直径90mm以上的圆坯，用于制造无缝钢管和线材。
从80年代以来，我国在水平连铸技术和铸坯质量方面进行了许多研究，对提高我国钢的水平连铸技术起到了积极作用[1-5]。国外也对水平连铸技术进行了比较多的研究[6-8]。从这些文献和我国对大断面水平连铸的生产实践中看出，其分离环的材质主要采用BN为主的复合材料，分离环在使用过程中存在明显的破损碎裂问题。破损碎裂主要是指分离环与结晶器连接的中心位置处小孔(为铸坯的断面尺寸大小或稍微小一点)的突出外沿(台阶)比较容易碎裂，而在碎裂的缝隙处产生钢液凝固的飞边，将极大地增加拉坯阻力，严重恶化铸坯表层质量，并可能使连铸中断而不能正常进行。研究表明，水平连铸工艺参数和分离环的成分(材质组成)对分离环的使用寿命有很大的影响。
对大断面工业生产的水平连铸，从国内外的生产实践经验看，其分离环与结晶器连接的中心位置设计有与铸坯断面形状一致的内孔，分离环中心孔的形状基本与所生产的断面尺寸相同或略小一点，在中心孔的边沿有一定厚度的向结晶器方向突出的、长2-3mm左右的外沿(称为分离环的台阶)，以便于分离环与结晶器的连接对中和消除分离环与结晶器之间钢液凝固产生的飞边(分离环台阶不损坏时)，从而保证正常的水平连铸拉坯。如果在分离环与结晶器的缝隙处产生钢液凝固的飞边，将极大地增加拉坯阻力，严重恶化铸坯表层质量，并可能使连铸中断而不能正常进行。从以上阐述可知，目前对大断面的水平连铸，世界上均采用有台阶分离环。
线材水平连铸技术是一项集现代冶金技术、计算机控制技术、特种耐火材料技术等于一身的高新技术，属于近终型连铸技术的范畴。与钢铁厂常规的“水平连铸”比较，线材水平连铸从规模上来说要小得多，它可不经轧制加工，直接生产出直径为3-12mm左右的高附加值、难变形加工、常规钢铁冶金生产工艺成材率低的高级钢铁材料和金属及合金材料。
参见图1，线材水平连铸机主要包括熔炼炉、中间包1、水口2、分离环3、结晶器4、铸坯(丝)5、拉坯系统6、剪切机构7和控制系统、液压系统等。
①中间包(感应炉)具有合金的升温、温度均匀和保温的作用，以确保拉坯过程中合金温度的稳定。也可作为合金熔炼使用。
②结晶器是铸坯成型和凝固的关键部件。其结构等对铸坯工艺顺行和表面质量影响较大。
③分离环是连接及密封中间包和结晶器的关键耐火材料。是水平连铸过程中连接中间包水口2和结晶器4的一个关键器件。
④拉坯系统高性能、高精度地按预定拉坯曲线完成拉坯任务。其工作状态直接影响拉坯过程的顺行和铸坯质量的好坏。
⑤液压系统为拉坯机提供液压压下力。
⑥控制系统是连铸系统的心脏。对不同的合金可按不同的拉坯方式控制拉坯，以达到工艺顺行而铸坯质量又较好的目的。
⑦二次冷却及剪切装置出结晶器后坯温仍较高，可继续冷却后剪切。
⑧辅助系统包括冷却系统和空调机等。
现有的线材水平连铸，一般沿用大断面的“有台阶分离环”的结构，其示意图如图2、图3所示。对小断面的线材水平连铸，有台阶分离环在使用过程中存在如下问题由于分离环的台阶(分离环与结晶器连接的中心位置处小孔的突出外沿)很薄(与大断面水平连铸的分离环比较要薄得多)，且是耐火材料材质(不是金属材料材质)，在冷态下装配好后，在加热过程中，在开拉引丝过程中和在正常生产过程中，由于热膨胀的不均匀性，在引丝过程中引丝用的引锭杆的垂直度、在正常拉坯过程中拉坯(拉丝)过程丝的垂直度等三种情况对分离环台阶周向和轴向产生不均匀的压力，造成分离环台阶很容易损坏和破损。
根据我们对线材水平连铸的大量试验和生产实践表明，对小断面分离环的材质，基本全部选用价格昂贵的ZrO2作分离环。即使这样，分离环与结晶器连接处在分离环中心处向结晶器突出的外沿(台阶)也极易损坏破碎，从而很容易使正常的连铸生产过程中断而不能保证长时间的连铸；实践证明在许多情况下，分离环中心突出的外沿(台阶)在最初开拉过程中铸丝引丝时也很容易破碎损坏而使开拉失败。
近年来，国内外针对线材水平连铸工艺技术的研究所发表的文献很少，发表的相关文献[9-11]主要涉及正常拉坯、数值仿真方面的极少数研究；在线材水平连铸分离环方面未见文献报道。在相关技术方面国外也未见报道。对本发明的无台阶分离环及其使用方法，在国际上还未提出和采用过。
发明内容
本发明的目的是针对现有小断面线材水平连铸分离环极易损坏的情况，为了正常的引丝和长时间的正常生产，提高线材水平连铸机的作业率，而提供一种线材水平连铸用的无台阶分离环。
本发明的另一个目的是为保证正常的引丝和长时间的正常生产，提供所述线材水平连铸无台阶分离环的配套使用方法。
本发明的目的是这样实现的线材水平连铸无台阶分离环，其特征在于外形为阶梯圆柱状，两端面均为光滑平面；中心孔为相互贯通的圆柱孔和截锥孔构成；其中，截锥孔的敞口位于阶梯圆直径较小端。
线材水平连铸无台阶分离环的使用方法，包括如下步骤(1)在冷态装配和开拉前，分离环和结晶器铜套的两个表面通过机械方法紧密接触。由于中间包在升温熔化固体材料的过程中，包壁耐火材料和分离环、结晶器等受到温度的影响而产生膨胀及位移，有可能使分离环和结晶器铜套的两个光滑表面出现微小缝隙，因此必须在冷态装配时和在高温下连铸开拉前通过使结晶器向中间包方向移动而使两个表面紧密接触；(2)分离环与中间包(感应炉)相连的由耐火材料制作的水口与中间包包体耐火材料整体固接而使水口不发生水平位移。特别是在水口安装后第一炉使用时需要控制升温速度较小而使水口与包壁耐火材料逐渐烧结而成为一个整体；(3)引丝用的引丝杆前端做成圆锥状，保证在引丝时引丝杆与分离环中心小孔(铸坯或铸丝断面尺寸)无缝隙，提高开拉引丝成功率。
进一步的方法是，所述第(2)步水口与中间包包体耐火材料整体固接，经过在第1炉升温熔化材料的过程中的高温处理(水口只要不损坏可多炉使用)，以保证在高温下水口位置基本不变化，而使分离环位置基本不变化，从而使分离环与结晶器两个壁面紧密接触无缝隙。
本发明是在常规的ZrO2分离环结构基础上进行的改进和创新，取消了分离环在与结晶器连接处在分离环中心处向结晶器突出的外沿(小台阶)，分离环与结晶器连接的表面为一光滑平面；避免了线材水平连铸有台阶分离环的台阶在合金材料(或钢液)在加热过程中、在开拉引丝过程中、在连铸正常拉丝过程中容易破损碎裂而影响连铸开拉成功率和正常生产延续时间的不足；在连铸开拉前的准备工作中，将分离环与结晶器紧密接触，并保证在中间包(感应炉)在将固体材料加热到液态直至开拉前的过程中分离环与结晶器的膨胀变形基本同步。这样连铸过程中分离环与结晶器之间将几乎不存在钢液(金属材料)凝固的飞边，从而大幅度地提高了线材水平连铸的开拉引丝成功率和长时间的拉丝成功率。
客观上讲，取消分离环台阶后，更容易在分离环与结晶器铜管两表面间产生微小的缝隙；但是这一缝隙可以通过与无台阶分离环使用同步发明的使用方法来进行消除。如果采用有台阶分离环，根据我们的实践结果表明，分离环的台阶极易破损而产生较大的缝隙，使线材水平连铸开拉引丝成功率和长时间拉坯率均很低。
因此，本发明具有如下优点在线材水平连铸机上，使用本发明的无台阶分离环极其使用方法，其最大特点是能高效率(开拉成功率高；正常拉丝时间长，可长达2-5小时左右)地生产高附加值的、难变形加工的、对裂纹敏感性强的高级合金材料，如特殊钢、电热合金丝、镍基触媒材料、耐磨耐蚀合金、合金焊丝及其它高温合金材料。
图1是线材水平连铸机组和连铸过程示意图；图2是现有的有台阶分离环的结构示意图；图3是图2的左视图；图4是本发明线材水平连铸的无台阶分离环的结构示意图；图5是图4的左视图。
具体实施例方式
线材水平连铸机主要包括熔炼炉、中间包1、水口2、分离环3、结晶器4、铸坯丝5、拉坯机6、剪切机构7、控制系统、液压系统、支撑及二次冷却装置等，参见图1。
其中，分离环是水平连铸过程中连接中间包水口和结晶器的一个关键器件，它既要长时间承受液态钢液的高温，又要保证钢液从中间包水口流入到结晶器端头的连铸凝固过程顺利进行；对线材水平连铸，由于铸丝的断面很小、分离环与结晶器连接的中心位置处小孔的突出外沿(台阶)则更溥和更短；与常规的大断面(直径大于90mm)的分离环比较，线材水平连铸的分离环中心位置处小孔的突出外沿更容易损坏。因此，水平连铸机对分离环的材质和制作工艺要求很高。
本发明改进后的无台阶分离环如图4和图5所示，外形为阶梯圆柱状，中心孔为相互贯通的圆柱孔和截锥孔构成；其中，截锥孔的敞口位于阶梯圆直径较小端。
所述无台阶分离环的使用方法基于有台阶分离环在使用过程中，分离环台阶很容易损坏和破损的情况，改进了线材水平连铸的分离环结构，取消了台阶，获得了无台阶分离环。使用方法要点主要包括(1)在冷态装配和开拉前，分离环和结晶器铜套的两个表面通过机械方法紧密接触，所述机械方法采用惯用方法如螺纹压紧等方法即可。由于中间包在升温熔化固体材料的过程中，包壁耐火材料和分离环、结晶器等受到温度的影响而产生膨胀及位移，有可能使分离环和结晶器铜套的两个光滑表面出现微小缝隙，因此必须在冷态装配时和在高温下连铸开拉前通过使结晶器向中间包方向移动而使两个表面紧密接触；(2)分离环与中间包(感应炉)相连的水口(耐火材料制作)应与中间包包体耐火材料整体固接，最好是水口装上后经过高温过程一次使水口与中间包良好固接(水口与包壁耐火材料逐渐烧结而成为一个整体)，以保证在高温下分离环位置基本不变化，使分离环与结晶器两个壁面紧密接触无缝隙；(3)引丝用的引丝杆前端做成圆锥状，保证在引丝时引丝杆与分离环中心小孔(铸坯或铸丝断面尺寸)无缝隙，提高开拉引丝成功率。
无台阶分离环的使用效果经过了86次工业拉坯试验，主要在试验的前期采用有台阶分离环；中、后期采用无台阶分离环。采用有台阶分离环的次数共23次，其开拉引丝成功率为38％左右；采用无台阶分离环的次数共63次，其开拉引丝成功率达93％左右，连铸开拉成功率显著提高，正常拉坯(拉丝)的延续时间明显增加。生产的断面主要有3mm、4mm、5mm等几种，以4mm、5mm居多。生产的产品种类主要包括H520Ni基高温合金、奥氏体不锈钢、2520耐热不锈钢等材料。
本发明可直接在线材水平连铸机上使用；并且经过大量试验已证明其使用效果。本发明也可以在大断面水平连铸机上进行试验，并进行进一步推广应用。
权利要求
1.线材水平连铸的无台阶分离环，其特征在于外形为阶梯圆柱状，中心孔为相互贯通的圆柱孔和截锥孔构成，其中截锥孔的敞口位于阶梯圆直径较小端。
2.如权利要求1所述无台阶分离环的使用方法，包括如下步骤(1)在冷态装配和开拉前，分离环和结晶器铜套的两个表面通过机械方法紧密接触；在冷态装配时和在高温下连铸开拉前通过使结晶器向中间包方向移动而使两个表面紧密接触；(2)分离环与中间包相连的由耐火材料制作的水口与中间包包体耐火材料整体固接，而使水口不发生水平位移；特别是在水口安装后第一炉使用时需要控制升温速度较小而使水口与包壁耐火材料逐渐烧结而成为一个整体；(3)引丝用的引丝杆前端做成圆锥状，保证在引丝时引丝杆与分离环中心小孔无缝隙。
3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于所述第(2)步水口与中间包包体耐火材料整体固接，保证在高温下水口和分离环位置基本不变化，从而使分离环与结晶器两个壁面紧密接触无缝隙。
全文摘要
本发明公开一种线材水平连铸的无台阶分离环，其外形为阶梯圆柱状，中心孔为相互贯通的圆柱孔和截锥孔构成，其中截锥孔的敞口位于阶梯圆直径较小端。其使用方法，包括如下步骤在冷态装配和开拉前，分离环和结晶器铜套的两个表面通过机械方法紧密接触；分离环与中间包相连的由耐火材料制作的水口与中间包包体耐火材料整体固接；引丝用的引丝杆前端做成圆锥状，保证在引丝时引丝杆与分离环中心小孔无缝隙。这样连铸过程中分离环与结晶器之间将几乎不存在钢液(金属材料)凝固的飞边，从而大幅度地提高了线材水平连铸的开拉引丝成功率和长时间的拉丝成功率。
文档编号B22D11/045GK1951602SQ200610054589
公开日2007年4月25日 申请日期2006年11月10日 优先权日2006年11月10日
发明者陈登福, 任常富, 孙善长, 宋启年, 何瑞宜, 秦孝华 申请人:重庆大学