本技术属于金属铸造，具体涉及一种窄面铜板、窄面铜板的工作面设计方法和结晶器。
背景技术：
1、宽厚板制备过程中，宽厚板的边部45～120mm宽范围高发边线裂纹缺陷(行业内称为“边直裂”或“边部黑线”)，严重制约了宽厚板高质、高成材率生产。与此同时，连铸生产轧制宽厚板所需的板坯经矫直工艺后呈上表面宽、下表面窄的倒梯形结构，致使轧制后的钢板亦呈上表面宽、下表面窄的形状，进一步加大了宽厚板边部缺陷切除量，给用户造成了巨大经济损失，是宽厚板制备亟需克服的难题。
2、对于边线裂纹，大量实践表明，通过制备窄面大弧面内凹结构的板坯(内凹弧面跨度/铸坯厚度≥0.8、内凹量≥10mm)，可有效降低边线裂纹的宽度。若能在制备窄面凹形坯的基础上进一步解决连铸坯经矫直工艺后呈倒梯形的难题，则可大幅降低宽厚板边部的切边宽度，显著提升宽厚板的成材率。为此，立足连铸结晶器，从源头制备一种内弧(即铸坯上表面)窄、外弧(铸坯下表面)宽、窄面为大弧面内凹结构的板坯是解决上述难题的有效途径。
3、为制备窄面凹形坯，中国实用新型专利cn204997018u和中国发明专利cn106270433b提出了一种于窄面铜板宽度方向中部设有凸块结构的结晶器。在上述两项现有技术中，窄面铜板的中间凸块为圆弧结构，边部为水平基面，二者之间通过相切过渡。但实际实施过程，圆弧凸块与边部水平基面无法相切。为实现二者交界面相切平滑过渡，其在圆弧凸块与边部水平基面的交界处额外引入了与二者相切的过渡弧。受过渡弧和铜板边部水平基面占用宽度过大影响，铜板中间的圆弧凸块的宽度大幅缩小，无法满足有效控制边线裂纹宽度铸坯窄面内凹弧面跨度/铸坯厚度≥0.8的要求。同时，上述两项现有技术实际实施过程，受铸坯凝固过程窄面中部大内凹量快速内凹和凝固末端压下等综合作用，铸坯窄面中部呈明显的近“三角形”内凹结构，由此造成铸坯在实际轧制过程于厚度中心线两侧形成双股形状缺陷，甚至在宽厚板厚度中间形成深折叠线缺陷。
4、针对中国实用新型专利cn204997018u和中国发明专利cn106270433b存在的缺陷，中国实用新型专利cn214349470u和中国发明专利cn112846116a提出了一种窄面为全圆弧面的结晶器。即，将结晶器窄面铜板工作面从上至下设计为横向同一半径的圆弧形结构，圆弧面最高凸起高度达10～20mm，从而实现窄面大弧面、大内凹量结构铸坯制备。然而，由于上述两项现有技术中窄面铜板的工作面从上口至下口为同一圆弧形结构，钢液在结晶器内凝固形成的铸坯角部呈明显的尖角结构(窄面横向圆弧面铜板与平面宽面铜板形成锐角夹角)。受此影响，一方面，该尖角结构的铸坯角部在二冷铸流区内的传热速度显著加快，使得其在生产含nb、v、al等微合金钢连铸坯时，铸坯因通过矫直区时的角部温度过低而高发角部横裂纹缺陷；另一方面，结晶器窄面铜板横向自上而下采用同一圆弧形结构，坯壳在凝固收缩作用下，尖角结构的铸坯角部过早脱离铜板而形成大间隙，引发坯壳角部生成粗大的奥氏体晶粒，亦不利于铸坯角部裂纹控制。
5、针对中国实用新型专利cn214349470u和中国发明专利cn112846116a存在的缺陷，中国发明专利cn115815545a提出了一种边部平直结构，中部凸起圆弧与边部平直区直接相连过渡结构的结晶器，从而保证了窄面大弧面、大内凹量、直角结构的铸坯制备，显著缩减边线裂纹宽度的同时，亦保证铸坯在二冷区铸流内凝固过程的角部温度不低于传统窄面平面形铸坯的角部，有效降低了铸坯角部裂纹产生。然而，由于该现有技术中铜板的中部圆弧面与边部平直区采用直接相交方式过渡，实际凝固过程受钢水与液态保护渣表面张力作用，相交过渡区因中部圆弧面突然凸起而使该处的凝固坯壳无法与铜板贴合传热，极易导致该过渡区因凝固坯壳过薄而出现漏钢事故。
6、中国发明专利cn117139575a的结晶器，在中国发明专利cn115815545a的结晶器基础上，进一步于中部凸起圆弧与边部平直区的交界处又引入了圆弧过渡区。该做法的效果又退回至中国实用新型专利cn204997018u和中国发明专利cn106270433b的结晶器，即，铸坯凝固过程因边部平直区和过渡区占用宽度过大而使铸坯窄面中部易形成“三角形”内凹结构的缺点。
7、而中国发明专利cn112118924a公布了为补偿结晶器内坯壳凝固过程收缩的结晶器，虽然其窄面铜板也提出了凸形弧面的结构，但其为从结晶器上口至下口凸起高度逐渐减小结构，甚至缩减直至平面结构，即该结晶器结构无法制备出窄面凹形板坯。
8、针对板坯经矫直工艺后呈形成倒梯形结构的难题，中国实用新型专利cn209531721u和cn213614019u提出了一种在扇形段出口处设置铸坯压边装置，通过压边辊对板坯窄面进行挤压而使窄面平齐。
9、而中国发明专利cn117961017a在cn117139575a的基础上，保留了其内弧侧依次直边、过渡弧、圆弧的结构，铜板的外弧侧通过倾斜段设计为相比内弧侧更宽的结晶器内腔结构。但该做法所生产的铸坯外弧呈显著的尖角结构，导致铸坯在弯曲等过程极易产生角横裂纹。
10、此外，上述中国实用新型专利cn204997018u、中国发明专利cn106270433b、中国实用新型专利cn214349470u、中国发明专利cn112846116a、cn117139575a、cn117961017a的结晶器弧形工作面均未考虑铸坯在结晶器内沿厚度方向的收缩。而实际板坯连铸过程，铸坯在结晶器内凝固，在厚度方向会产生1～3mm的收缩。即，实际结晶器窄面铜板由上口至下口的宽度是线性缩小1～3mm的。在上述已开发的该类结晶器中，无论是采用中部同一凸块还是采用同一圆弧结构设计的工作面，均未考虑铸坯的实际凝固特点。铸坯下行凝固过程沿厚度方向的收缩将“抱死”结晶器中部凸块或圆弧的两侧面，从而大幅磨损铜板中下部弧面的两侧而无法长寿命服役。而中国发明专利cn115815545a的铜板虽考虑了该问题，但其将铸坯沿厚度方向的凝固收缩量全部转为中部圆弧跨度的缩减量，即，未考虑边部平直区的收缩，这就造成了铸坯凝固过程边部平直区与中部圆弧交接处的铸坯内凹圆弧面脱离铜板的圆弧侧面传热，进一步加剧了交界区域铸坯漏钢的风险。
11、此外，上述已开发的制备窄面凹形板坯的凸形结晶器亦均未考虑铸坯在结晶器内沿宽度方向的收缩在高度方向上非线性变化的特点，即，铸坯在结晶器中上部沿向宽度中心方向的收缩快、中下部的收缩相对慢。采用上述已开发的结晶器制备的窄面凹形坯，铸坯在结晶器中上部凝固过程由于无法得到窄面铜板的高效支撑贴合传热，铸坯角部组织晶粒往往都较为粗大，实际生产过程产生角部裂纹缺陷的比例较高；而在结晶器中下部，收缩变缓的坯壳与窄面铜板形成相互挤压，加剧了结晶器中下部铜板的磨损。
12、为此，综合考虑宽厚板边线裂纹、铸坯倒梯形控制效果、铸坯角部质量、以及结晶器使用寿命，亟需开发一种窄面铜板，应用于结晶器能够同时满足、内弧窄、外弧宽、窄面大弧面、大内凹量且角部无缺陷的铸坯生产，并兼顾长寿命服役。
技术实现思路
1、因此，本技术要解决的技术问题在于提供一种窄面铜板、窄面铜板的工作面设计方法和结晶器，其中窄面铜板的工作面为非对称结构，第一凸面的边部凸起高度大于第二凸面的边部凸起高度，以使应用窄面铜板的结晶器生产的铸坯内弧窄、外弧宽，可确保铸坯出矫直区后内外弧宽度差小于3mm，进一步减小钢板切边量。
2、为了解决上述问题，本技术的第一方面，提供了一种窄面铜板，应用于结晶器，结晶器具有用于凝固钢液成铸坯的内腔，窄面铜板包括工作面，工作面为朝向内腔的方向凸起的曲面结构，曲面结构的工作面符合公式：
3、d＝d1+d2
4、式中，d1为工作面在窄面铜板的高度方向上的锥度补偿值表达式；d2为工作面在窄面铜板的宽度方向上的凸形曲线表达式；
5、其中，工作面包括第一凸面和第二凸面，第一凸面设置在窄面铜板横向中心线的一侧，第二凸面设置在窄面铜板横向中心线的另一侧，第一凸面和第二凸面的凸起高度在远离窄面铜板横向中心线的方向上均逐渐减小，第一凸面的坡度小于第二凸面的坡度。
6、可选的，第一凸面远离第二凸面一侧的边沿为第一轮廓线，第二凸面远离第一凸面一侧的边沿为第二轮廓线，在同一高度上，第一轮廓线的凸起高度与第二轮廓线的凸起高度差值为δh，3mm≤δh≤20mm。
7、可选的，窄面铜板的顶面所在高度处，窄面铜板横向中心线的凸起高度与第一轮廓线的凸起高度差值为b1，5mm≤b1≤20mm。
8、可选的，工作面在窄面铜板的高度方向上的锥度补偿值表达式符合公式：
9、
10、式中，ai为七次多项式的拟合系数；y为距窄面铜板的顶面的距离。
11、可选的，工作面在窄面铜板的宽度方向上的凸形曲线表达式符合公式：
12、
13、式中，x为在窄面铜板的宽度方向上相对于窄面铜板横向中心线的位置，x为负值时位于第一凸面上，x为正值时位于第二凸面上；b2为窄面铜板的工作面宽度方向的中部凸起区的横向跨度的调节因子；b3为窄面铜板的工作面在高度方向上的锥度补偿修正值。
14、可选的，窄面铜板的工作面宽度方向的中部凸起区的横向跨度的调节因子符合公式：
15、
16、式中，l1为窄面铜板的高度。
17、可选的，窄面铜板的工作面在高度方向上的锥度补偿修正值符合公式：
18、
19、式中，l2为窄面铜板的顶面的宽度；y0为d1取最大值时的y值。
20、可选的，在窄面铜板的高度方向上，窄面铜板的宽度从顶面至底面线性减小1～3mm。
21、本技术的第二方面，提供了一种窄面铜板的工作面设计方法，用于设计上述任意一项的窄面铜板的工作面，方法包括：
22、步骤1：获取钢的高温热/力学物性参数及结晶器铜板和冷却水的热物性参数；
23、步骤2：采用直接流固耦合算法，计算窄面铜板的工作面为平面结构的结晶器内铸坯的角部向宽面中心方向的凝固收缩量；
24、步骤3：基于铸坯角部向结晶器的宽面中心方向的凝固收缩量在结晶器高度方向上的分布，确定工作面在窄面铜板的高度方向上的锥度补偿值表达式；
25、步骤4：基于窄面铜板的高度和宽度，确定工作面在窄面铜板的宽度方向上的凸形曲线表达式；
26、步骤5：基于工作面在窄面铜板的高度方向上的锥度补偿值表达式和工作面在窄面铜板的宽度方向上的凸形曲线表达式，确定工作面的曲面表达式。
27、本技术的第三方面，提供了一种结晶器，包括上述任意一项的窄面铜板，窄面铜板设置两个，两个窄面铜板相对设置，结晶器还包括两个相对设置的宽面铜板，两个相对设置的宽面铜板和两个相对设置的窄面铜板组合适于形成凝固钢液成铸坯的内腔。
28、有益效果：
29、本发明的实施例提供了一种窄面铜板、窄面铜板的工作面设计方法和结晶器，其中窄面铜板通过设置第一凸面的坡度小于第二凸面的坡度，使得应用上述窄面铜板制备的结晶器生产的铸坯内弧窄、外弧宽，确保铸坯在过矫直区后内外弧的宽度相当，进一步减小钢板的切边量，提高宽厚板的成材率；同时通过设置窄面铜板工作面中部凸起区和边部近平直区结构，中部凸起区至边部近平直区一体连续平滑过渡，避免了工作面的中部与边部之间的过渡需要设置额外过渡区而导致由于额外引入过渡区而使中部凸起区跨度过小从而无法有效降低铸坯在轧制过程边线裂纹缺陷宽度并由此造成双股形状的缺陷，也可避免工作面的中部与边部之间未引入平滑过渡区而导致凝固坯壳漏液的难题，保证了结晶器可高质量地制备窄面大弧面、大内凹量、角部为近直角结构的铸坯，降低宽厚板轧制宽边线裂纹宽度的同时，保证铸坯在二冷区内角部高温过矫直，防止铸坯角部裂纹的产生；同时窄面铜板工作面的中部凸起曲面跨度引入了调节因子，实现了中部凸起跨度和边部近平直区宽度随铸坯下行凝固收缩特性的调节，从而保证了凝固全程，铸坯窄面内凹面与窄面铜板工作面贴合良好，在横向上高度贴合凝固，铸坯高效均匀凝固的同时，减小了铜板中部凸起弧面两侧的磨损，提高了结晶器的服役寿命；窄面铜板的工作面沿其高度方向设计为迎合坯壳凝固收缩特性的曲面锥度补偿结构，在高度方向上满足了铸坯动态凝固的特点，保证了铸坯窄面在整个凝固过程与铜板贴合良好，使得两者传热均匀；此外，窄面铜板工作面的边部近平直区引入了考虑磨损的补偿量修正值，参见图4和图5所示，在高度方向锥度补偿量最大值以下高度的工作面边部近平直区的锥度补偿值逐渐减小，解决了实际连铸过程结晶器中下部区域边部严重磨损的问题。
1.一种窄面铜板，其特征在于，应用于结晶器，结晶器具有用于凝固钢液成铸坯的内腔，窄面铜板包括工作面，工作面为朝向内腔的方向凸起的曲面结构，曲面结构的工作面符合公式：
2.根据权利要求1所述的窄面铜板，其特征在于，第一凸面远离第二凸面一侧的边沿为第一轮廓线，第二凸面远离第一凸面一侧的边沿为第二轮廓线，在同一高度上，第一轮廓线的凸起高度与第二轮廓线的凸起高度差值为δh，3mm≤δh≤20mm。
3.根据权利要求1所述的窄面铜板，其特征在于，窄面铜板的顶面所在高度处，窄面铜板横向中心线的凸起高度与第一轮廓线的凸起高度差值为b1，5mm≤b1≤20mm。
4.根据权利要求1所述的窄面铜板，其特征在于，工作面在窄面铜板的高度方向上的锥度补偿值表达式符合公式：
5.根据权利要求3所述的窄面铜板，其特征在于，工作面在窄面铜板的宽度方向上的凸形曲线表达式符合公式：
6.根据权利要求5所述的窄面铜板，其特征在于，窄面铜板的工作面宽度方向的中部凸起区的横向跨度的调节因子符合公式：
7.根据权利要求5所述的窄面铜板，其特征在于，窄面铜板的工作面在高度方向上的锥度补偿修正值符合公式：
8.根据权利要求1所述的窄面铜板，其特征在于，在窄面铜板的高度方向上，窄面铜板的宽度从顶面至底面线性减小1～3mm。
9.一种窄面铜板的工作面设计方法，其特征在于，用于设计权利要求1-8任意一项的窄面铜板的工作面，方法包括：
10.一种结晶器，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项的窄面铜板，窄面铜板设置两个，两个窄面铜板相对设置，结晶器还包括两个相对设置的宽面铜板，两个相对设置的宽面铜板和两个相对设置的窄面铜板组合适于形成凝固钢液成铸坯的内腔。
