本发明属于连铸技术和金属凝固温度场、热应力收缩位移场技术领域，具体来说是一种用来制备连铸结晶器铜管的灯泡型芯棒。

背景技术：

连铸技术是钢铁冶炼领域中的重要技术，而结晶器是连铸机的核心。熔融钢水浇入结晶器铜管中，经高效热交换后连续产出钢坯，这个过程就是连铸生产过程，目前，国内大多数连铸小方坯结晶器铜管内腔为单锥度或抛物线型曲线，铜管横截面为矩形，当连铸机拉速提高，生产节奏加快时，其并不能良好适应金属在结晶器中凝固收缩规律，造成铜管内腔与连铸坯表面间产生大量不均匀气隙，而气隙的导热系数要远远小于金属，这样就增大结晶器内部热阻，降低传热效率，造成角部面部冷却不均匀，导致连铸坯脱方、菱变等形状缺陷，影响连铸坯表面及皮下组织质量，严重时将导致连铸坯漏刚，影响连铸生产线正常运转。连铸结晶器是制约着连铸生产高速化和高质量化的瓶颈，对结晶器铜管的设计与优化改进更是刻不容缓。

灯泡型连铸结晶器芯棒通过有限元分析模拟、物理建模及数值计算方式，求解连铸坯温度场、热应力场、收缩位移场的合理分布，进而得到不同金属材料在一定连铸条件下成形及热变形的相应规律。以灯泡型连铸结晶器芯棒为模具，挤压成形加工结晶器铜管内腔，将有效降低结晶器系统总热阻，提升其内部热交换能力，解决角、面部冷却不均匀问题，进而提高连铸机拉速和连铸生产效率。

技术实现要素：

本发明针对以上问题的提出，研究设计一种灯泡型连铸结晶器芯棒，以其为模具挤压成形加工结晶器铜管内腔，用于解决现有单锥度或抛物线锥度结晶器铜管角部面部冷却不均匀、热传导性能有限、连铸机拉速慢生产效率低、铜管内腔磨损和铸坯表面及其皮下组织质量不佳等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种灯泡型连铸结晶器芯棒，包括：

芯棒，用于成形结晶器铜管内腔形状及形线，包括：

接近芯棒上半部分芯棒截面为外凸四边形，其四边分别由2条弧线、1条直线和过度圆弧组成，外凸四边形连续且平滑过度，如图3中a-a截面所示。

包括弧r42(劣弧)、直线段l11、弧r11(劣弧)和圆角曲线r51组成芯棒弧面一端外轮廓线；弧r21(劣弧)、直线段l12、弧r31(劣弧)和圆角曲线r52组成芯棒直面一端外轮廓线；弧r12(劣弧)、直线段l13、弧r41(劣弧)和圆角曲线r53组成芯棒弧面另一端外轮廓线；弧r32(劣弧)、直线段l14、弧r22(劣弧)和圆角曲线r54组成芯棒直面另一端外轮廓线；r51、r52、r53、r54为过渡圆弧。

接近芯棒上半部分的每一截面尺寸均不相等，其具体尺寸需根据连铸工艺条件和连铸材料参数，由有限元模拟和数值计算方式确定；

当连铸坯截面为矩形时，其对应的连铸结晶器芯棒接近上半部分横截面中，芯棒弧面圆弧线与芯棒直面圆弧线尺寸不相等，包括：弧r21≠r11，弧r31≠r12，弧r41≠r32，弧r42≠r22；同理，横截面中弧面直线与直面直线尺寸不相等，包括：l11≠l12，l12≠l13，l13≠l14，l11≠l14；芯棒截面a-a关于x，y轴对称轴，为中心对称结构，即：r11＝r12，r21＝r22，r31＝r32，r41＝r42，l11＝l13，l12＝l14。

当连铸坯截面为正方形时，其对应的连铸结晶器芯棒上半部分截面所有弧线尺寸相等，包括：弧r11＝r21＝r31＝r12＝r41＝r32＝r22＝r42。同理，所有直线尺寸相等，包括：l11＝l12＝l13＝l14。

接近芯棒下半部分芯棒截面为矩形，四角为与连铸坯相适应的过度圆角，如图4中b-b截面所示。当连铸坯为正方形时，其对应的连铸结晶器芯棒下半部分截面为圆角正方形。

灯泡型连铸结晶器芯棒整体沿其长度方向上有一定弧度，其曲率半径应与对应型号连铸机相匹配，芯棒长度方向上不仅有弧度，还存在连续变化锥度，即每个截面尺寸均不相等。芯棒横截面从a端外凸四边形平滑过渡到b端矩形，外凸四边形转变为矩形的截面截点位置由物理建模及数值计算方法得出。

灯泡型芯棒上口锥度比下口处大，且上口锥度变化率比下口高；横截面上，若芯棒弧面的圆弧线弧长大于芯棒直面圆弧线弧长，即对应生产的连铸坯弧面边长大于直面边长，那么芯棒弧面总体平均锥度小于芯棒直面；反之，那么芯棒弧面总体平均锥度大于芯棒直面；芯棒任意截面处的锥度值均不相等，其具体值由物理建模及数值计算方法得出数据。

本发明的有益效果：由此种芯棒加工制备而成的连铸结晶器铜管内腔可以更好贴合连铸坯凝固表面，使得两者间既不接触相挤压，又不存在较大或不均匀气隙，更接近小方坯连铸坯凝固成形规律，降低结晶器系统热阻，提高结晶器换热性能与效率，加快连铸机拉速，减小铜管磨损增加使用寿命，解决连铸小方坯角部、面部冷却不均产生的形状缺陷，及其表面质量问题。

附图说明

图1是本发明的灯泡型连铸结晶器芯棒示意图。

图2是本发明的灯泡型连铸结晶器芯棒俯视图。

图3是本发明的灯泡型连铸结晶器芯棒a-a截面放大图。

图4是本发明的灯泡型连铸结晶器芯棒b-b截面放大图。

具体实施方式

如图1所示，一种灯泡型连铸结晶器芯棒，芯棒整体由上至下外轮廓尺寸收缩，既存在锥度又存在弧度，靠近芯棒上半部分横截面为外凸四边形，靠近芯棒下半部分横截面为矩形。

在本发明的实施方式中，针对小方坯连铸结晶器芯棒，所述靠近上半部分横截面为外凸四边形，是为了使铜管内腔形状更准确的符合连铸钢凝固成形规律，由于连铸坯角部在结晶器铜管中，同时受到来自x、y轴两个方向的热流散失，而面部仅受到一个方向的热流散失，那么同一截面角部的热传导总量大于面部，所以连铸坯横截面温度场分布情况为角部温度低于面部温度，根据热弹塑性模型及chvorinov凝固平方根定律，连铸坯角部的弹塑性热变形将大于面部，所以角部温度场和收缩位移场分布梯度及变化率比面部大，故设计两条弧线和一条直线段组成芯棒横截面外轮廓线的一边。

本发明中，这种结构的优势在于：芯棒的外轮廓线更能适合连铸坯凝固变形规律，从而使铜管内表面与连铸坯表面的气隙均匀，提高结晶器系统内热交换均匀性，降低系统接触热阻总和，增强结晶器换热冷却能力和换热效率，保证在结晶器出口处足够的连铸坯壳厚度，在合理控制连铸工艺条件下，本发明可加快连铸机拉速，提高连铸坯表面质量及皮下组织质量，减小结晶器铜管内腔磨损，增加铜管使用寿命和过钢量，有效抑制连铸坯鼓肚、菱变等形状缺陷，在一定程度上降低了连铸小方坯的中心偏析。

在本发明的实施方式中，针对小方坯连铸结晶器芯棒，所述靠近下半部分截面为矩形，是为了满足结晶器接近出口处的小方坯连铸成形，得到满足生产需求不同型号连铸坯，当进入连铸行程中后段时，连铸坯壳从初生状态进入稳定增长状态，连铸坯温度场和收缩位移场逐渐均匀稳定，与此同时铸坯角部与面部的温度场分布梯度逐渐缩小，热变形量相差缩小，这时铜管内腔应使连铸坯截面满足生产需求，从外凸四边形过度到矩形，最终从结晶器出口中拉出。

在本发明的实施方式中，针对小方坯连铸结晶器芯棒的具体截面尺寸，由有限元模拟、物理建模及数值计算方法得出。

在本发明的实施方式中，灯泡型连铸结晶器芯棒整体中心轴线为半径rz弧线，其外轮廓表面既有弧度又有锥度，弧度保持与连铸机相匹配，锥度可表示为一条连续变锥度的复合曲线，芯棒锥度的具体设计尺寸需根据实际连铸条件和工艺参数，由物理建模及数值计算方法得出。

在本发明的实施方式中，灯泡型连铸结晶器芯棒的外轮廓尺寸与设计加工结晶器铜管内腔尺寸部分重合，重合部分为有效设计尺寸，根据加工需要留出余量，当使用本发明芯棒加工结晶器铜管内腔时，将事先制备的铜管毛坯件内腔套在芯棒的下端，通过机械动力装置拉制结晶器铜管，使得芯棒与铜管发生相对位移，铜管外端配合铜管套环，拉动芯棒直至铜管内腔形线与芯棒外轮廓线有效设计尺寸完全重合，用挤压成形方法通过本发明芯棒制备铜管内腔形线，最终得到灯泡型连铸结晶器铜管。

本发明所述的一种灯泡型连铸结晶器芯棒，可应用于钢铁连铸领域结晶器铜管的加工制备，具有传热均衡性好、热交换总量高、换热性能强、使用寿命长、连铸坯表面及皮下组织质量好、连铸生产效率高等优点。

最后需要说明的是，本说明书及附图均仅用于配合说明本发明的技术方案使用，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故仅结构方面的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。