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。