CN101376164A - 一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，双辊薄带连铸采用通有冷却水的冷却辊，该冷却辊包括辊套、辊轴；所述的辊套内开设有用于通水的冷却水通道，辊轴内沿轴向开有进出水通道，其外周缘两侧上分别对应开有至少二个与进出水通道及辊套内的冷却水通道相连通的集水环槽；所述的辊套内周缘对应辊轴集水环槽的内壁涂一层阻热材料；阻热材料导热系数小于辊套材料的导热系数。本发明通过在冷却辊辊套内部集水环处增加涂层，促进了冷却辊辊套内部和辊面的冷却均匀性，可避免由于传热不均匀导致的冷却辊局部热膨胀不一致、产生局部热应力对冷却辊套及冷却辊表面镀层的损害，提高了冷却辊的使用寿命；获得带形质量良好的铸带。

Description

一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法

技术领域

本发明是冶金行业连铸工艺和设备技术，特别涉及一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法。

背景技术

双辊薄带连铸技术发展已经有150年的历史了，属于亚快速冷却连铸工艺范畴，典型的示例如图1所示，直接将钢水浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的冷却辊1a、2a和侧封装置3a围成的熔池中，钢水在冷却辊旋转的周向表面被冷却和凝固，进而形成凝固壳并逐渐生长然后在两冷却辊1a、2a辊缝隙最小处被挤压在一起，最后在出带口形成1-5mm厚金属薄带材4a，带材4a经由导板5a导向被夹送辊6a送入轧机7a中轧制成0.7-2.5mm的薄带，然后通过输送辊道8a带动经过喷淋冷却装置9a进行冷却，最后送入卷曲机11a卷曲出厂。与传统的连续铸造方法不同，该方法不需经过多道热轧工序，可大大简化薄带生产工艺及减少设备投资。另外，由于整个的生产过程中金属的凝固时间比较短，所以薄带连铸产品晶粒细化、材料的强度、韧性延伸率有所提高，同时凝固速度快也有利于抑制元素的偏析。

但是，该工艺存在如下问题：

浇铸过程控制方法复杂，在浇铸过程中，钢水的凝固速度与冷却辊转动速度、熔池液位、冷却辊辊缝以及钢水质量等因素有密切的关系，如果寻求各种工艺参数的最佳匹配是一个比较复杂的问题；由于薄带连铸带钢成带速度比较快，所以直接影响铸带质量。目前国内外的研究机构利用仿真模拟结合实体实验装置研究已经基本上解决了成带的问题，但是大多数的产品不是存在着某些质量不尽如人意之处，就是产品比较单一钢种和规格受到限制，如何具体的解决这些问题还需要进一步的研究。

其中的一个质量问题就是铸带形状(strip profile)的控制，由于浇铸过程中的冷却辊变形以及凝固壳在结晶器出口处的挤压变形影响，从带宽方向的铸带横截面观察，目前薄带连铸铸带的截面厚度差比较大，一方面这种质量问题是薄带连铸工艺的特点造成的，另一方面也与冷却辊的结构设计有关。

目前薄带连铸多数致力于用辊形解决铸带的质量问题。其中一种方法是通过外部机构控制辊形进而控制带形，如中国专利CN1265344A提到的方法，使用在冷却辊的下端设定两个整形辊来解决辊形问题。或者如专利CN2470030Y，CN1386077A，US2002112841，JP2003010948，JP07204790A中提到使用冷却辊中自身的楔形块等调节机构调节辊形，实践表明，在传统的轧钢和薄带连铸生产中，辊形控制可以起到控制带形的目的。但是随着冷却辊温度升高辊形会发生变化，冷却辊两端由于温度比较高，会将辊形大大改变，削弱了带形的控制效果。

在薄带连铸冷却辊的表面如果分布有一定形状的表面波纹(Groove ofrolls)可以影响冷却辊的导热强度并可以细化铸带表面的晶粒，如专利CN96103889，JP91-128149，US4865117，US5010947以及CN02283419.2提到的几种方案，都提及一定形状和数量的沟纹可以改善冷却强度以及铸带表面质量。

部分关于薄带连铸冷却辊的专利集中在使用冷却水路新颖性来控制辊面的冷却均匀性上面，如CN03231727.1，US6241002，CN1234304A提到的冷却辊能够使辊面冷却均匀。

而在实际试验研究中发现，如只是简单的使辊面冷却均匀，如CN03231727.1所述的冷却辊，其工作时辊面变形导致辊面不平，如图2所示，尤其是水环处由于冷却强度较大会使局部带钢横截面的厚度较厚，导致带厚公差增大，不利于后续的轧制处理；此外，由于整个冷却辊处于不同的温度梯度下，容易产生局部应力集中，对冷却辊辊套及表面镀层产生不利影响，降低冷却辊的使用寿命。又如专利US6241002，CN1234304A中提到的冷却辊结构会由于侧封板的影响产生如上述所提到的板带边部缺陷。

试验证明，想要的到厚度均匀的铸带必须保证在连铸时冷却辊的轴向辊型为平辊，即不存在热态的辊型波动起伏；同时在沿冷却辊的轴向热流密度分布均匀。

现有的薄带带形控制方法和技术有很多，通过改变铸造过程中局部冷却强度达到控制带形目的的方法主要有以下几种。

1.通过改变变冷却辊的固定辊形达到需要的带形，如中国专利90103342.1中提到的一种薄带连铸方法，至少一个冷却辊的表面有一定的凹度，使铸带呈一定凸度，利于轧制出有一定横截面的薄带钢；中国专利00103379.4冷却辊的侧边形式虽然有些变化，也属于这个范畴的，中国专利6191160.3和US6079480中提到的方法即：给冷却滚筒附加下凹的拱度，以使在冷却滚筒的最接近位置处、从薄铸造带材的边缘沿横向朝其中心的距离在50mm以内时，在薄铸造带材的厚度中心处的固体份量有一大于液体临界固体份量的值，改进冷却滚筒的边缘附近的冷却速度。日本专利JP2003010948也属于此类，不同的是，它的方法是一个冷却辊有辊形另一个没有，由此得到所需要的带形；其他的还有类似的日本专利JP2217140、等。

2.通过外部冷却介质在冷却辊面上从而限制辊面由于热膨胀等原因造成的变形，如中国专利96104575.2中使用的方法是至少在一个冷却辊面与液态金属接触区域的迎流面的表面吹入密封气体，通过调节气体的量或是成分，达到改变辊形凸凹度的问题。中国专利99804350.8中提到使用传感器监测辊面沿长度方向的表面状况，在冷却辊长度方向布置一系列的气体喷嘴，然后根据表面情况，对辊面喷吹不同的气体或气体量来防止局部辊面过热变形导致带形规整，日本专利JP1218744、JP1205855也是应用这种原理，只不过它们对带形直接检测，然后决定对什么部位增减冷却介质的量。

3.通过改变冷却辊表面的传热系数进而改变带形，如日本专利JP11207445A中提到一种方法，即合理布置冷却辊辊面清理装置的位置，致使其整个辊面的清洁度不同，导致冷却辊轴向辊面换热系数有别，中间部位由于清理辊重叠分布，所以辊面比较干净所以导热系数高，冷却辊边部由于清理辊没有重叠，会残留更多的氧化物颗粒和金属残渣致使导热系数稍差，在浇铸过程中带薄带厚度受此影响而有所变化，达到控制边部带形的目的。

4.在带钢从结晶器中出来后再进行带形的处理，如JP05277654A中利用出带口的两套压辊在铸带的边部，使其变形，利于后处理。

其它控制带形的方法还有很多，除了以上提到的几种以外，还有象JP04105304中使用的一种方法，利用在冷却辊熔池上的一排介于钢液和冷却辊之间的可移动导板改变改变钢液与冷却辊之间的接触弧长，达到改变铸带沿冷却辊轴向不均匀的效果，进而得到理想的带形。

在专利DE4140339中，使用的是一种带有一定形状的侧封板来控制铸带边部的质量，这种侧封板上部沿冷却辊轴向伸入到熔池上部，它的形状是漏斗形的开口渐次缩小，下部尺寸趋同于带钢厚度，利用这种方法可以保证带钢边部厚度与整个带宽上的厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，在保证薄带连铸系统其他工艺条件及参数不变的情况下，使整个冷却辊内部传热均匀，从而使表面热流密度分布均匀，改善铸带质量，减小铸带沿冷却辊轴向的带形公差，以有利于下一步的轧制处理。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，双辊薄带连铸采用通有冷却水的冷却辊，该冷却辊包括辊套、辊轴；所述的辊套内开设有用于通水的冷却水通道，辊轴内沿轴向开有进出水通道，其外周缘两侧上分别对应开有至少二个与进出水通道及辊套内的冷却水通道相连通的集水环槽；所述的辊套内周缘对应辊轴集水环槽的内壁涂一层阻热材料；阻热材料导热系数小于辊套材料的导热系数；

涂层的厚度采用下式计算：

δ_coating＝h·λ_coating/λ_steel

其中，λ_coating、λ_steel分别为涂层和辊轴的导热系数；h为冷却集水环槽的深度。

进一步，采用冷喷涂法将阻热材料与含有机硅的粘合剂一起喷涂在辊套内周集水环槽正对辊轴的内壁上。

又，涂层自然干燥后，冷却辊辊套被加热到300-350℃，然后将冷却辊辊轴插入到辊套中，迅速冷却，冷却速度控制在1～30℃/min之间，冷却到室温。

再有，本发明所述的冷却辊辊套加热过程中需要有惰性气体保护。

所述的阻热材料的材质为Al₂O₃陶瓷材料。

本发明用于浇注厚度1.5-5mm的金属铸带。

本发明在薄带连铸冷却辊的内部增加阻热涂层，使结晶辊径向内部传热热阻一致，促进冷却辊辊套内部和辊面的冷却均匀性，减少由于传热不均匀导致的冷却辊局部热膨胀不一致、产生局部热应力对冷却辊套及冷却辊表面镀层的损害从而达到控制带形的目的，最终目标是减小铸带边部与铸带中部的厚度公差，得到厚度均匀的铸带。

本发明两个相对转动通有冷却水的冷却辊，包括辊套和辊轴两部分热套装配在一起，其中辊套采用特殊材料制造，具有良好的导热性以及耐激冷激热性能，辊轴有高强度结构钢制作，冷却辊形状为圆柱形平辊，在冷却辊两侧各有一个进水集水环槽和出水集水环槽，冷却水孔均匀分布在辊子周向，距离辊面有一定的距离，尺寸由辊子材料的强度和辊径尺寸决定。工作时，冷却水从进水集水环槽分配到辊子周围的冷却水孔，再由出水集水环槽流出。

由于在冷却辊集水环处的冷却水流量远大于其他部位，将导致冷却辊传热不均匀，为此在冷却辊两侧内部的进水收集环和出水收集环处涂一层阻热材料，目的是使有进出水环处的辊套热通量与没有水环处的辊套热通量一致，保证冷却辊表面在工作状态下变形一致。

根据进水收集环和出水收集环处冷却水的换热能力，本发明通过在辊套内壁添加涂层，使得与冷却水接触部位的的热流量等于辊套与辊轴接触部位的热流量，从而使得集水环处的冷却强度与冷却辊的其他部位一致，整个冷却辊的冷却强度保持一致。

然而，在实际的冷却过程中，由于冷却水的流量很大，温差变化很小，冷却能力很强，即热阻很小，因此可以认为，集水环处的传热热阻集中在涂层处。只要使集水环涂层的热阻等于厚度为h的辊轴材质的热阻即可实现在冷却辊的均匀传热。

热流量的计算可通过下式进行：

通过涂层的热流量Q＝q·S＝λ_coating/δ(t_Cu-t_H2o)＝K_coating·(t_Cu-t_H2o)

集水环处的热流量Q＝G·C_p·Δt/S

通过辊轴的热流量Q＝q·S＝λ_steel/h(t_Cu-t_H2o)＝K_steel·(t_Cu-t_H2o)

其中，Q为传递的热量；q为通过涂层或辊轴的热流密度；S为垂直于热流方向的集水环的面积；λ_coating、λ_steel分别为涂层和辊轴的导热系数；t_Cu、t_H2o分别为靠近辊轴处的铜套温度和冷却水温度；G为冷却水质量流量；C_p为冷却水的比热容；h为冷却集水环的深度；K_coating、K_steel分别为涂层和辊轴的热阻。

因此，涂层的厚度可采用下式计算：

δ_coating＝h·λ_coating/λ_steel

所述的涂层由阻热材料制成，其导热系数小于辊套材料的导热系数，涂层的厚度与该涂层材料的热传导系数有关。

上述涂层添加方法如下，采用冷喷涂法将Al₂O₃粉末与含有机硅的粘合剂一起喷涂在辊套内壁上响应位置。自然干燥后，冷却辊辊套被加热到300-350℃，然后将冷却辊辊轴插入到辊套中，迅速冷却。此后的涂层将和粘合剂发生化学反应，会更好的粘结在辊套内壁上。

冷却辊辊套加热过程中需要有惰性气体保护，避免涂层氧化后失效。

本发明适用于用双辊式薄带连铸机浇注厚度1.5-5mm的金属铸带。

本发明的有益效果

通过在冷却辊辊套内部集水环处增加涂层，促进了冷却辊辊套内部和辊面的冷却均匀性，提高了铸带的带形质量。

1.应用本发明，冷却辊内部传热均匀，可避免由于传热不均匀导致的冷却辊局部热膨胀不一致、产生局部热应力对冷却辊套及冷却辊表面镀层的损害，提高了冷却辊的使用寿命。

2.由于本发明设计使用平辊形，冷却辊修磨次数远小于应用特殊辊形等方法改进带形的修磨次数，可相对延长冷却辊寿命，有效降低成本。

3.应用本发明，薄带连铸冷却辊在冷态和热态辊形变化有限且十分一致，可以长时间保持铸带横截面形状稳定，带形不受浇铸时间影响。带钢边部质量良好，无边丝和撕裂现象；

4.应用本发明，薄带连铸轧制力变化规律稳定，无突变，有利于保持控制系统的精度；

5.应用本发明，铸带表面不会存在因带厚不均产生的裂纹，铸带横截面组织分布均匀；

6.应用本发明，铸带的边部不规则部分较小，大大减少冷轧等后续工作的切边及平整的工作量，增加可轧制产品尺寸，提高材料的可利用率。

7.本发明冷却辊采用是平辊形，在冷却辊内部进行局部涂层处理，通过对局部热流的控制达到在冷却辊的内部均匀传热的目的，从而控制了表面的均匀传热，获得带形质量良好的铸带。

附图说明

图1为薄带连铸工艺示意图；

图2为不良的冷却辊辊形工作示意图；

图3为本发明一实施例的剖视示意图；

图4为本发明一实施例的示意图。

具体实施方式

参见图3、图4，其为本发明的的一个实施例，在本实施例中，两个相对转动通有冷却水的冷却辊，包括辊套1和辊轴2两部分热套装配在一起，其中辊套1采用特殊材料制造，具有良好的导热性以及耐激冷激热性能；辊轴2有高强度结构钢制作，冷却辊形状为圆柱形平辊，所述的辊套1内开设有用于通水的冷却水通道101，辊轴2内沿轴向开有进水通道201、出水通道202，其外周缘两侧上分别对应开有二个与进出水通道201、202及辊套1内的冷却水通道101相连通的进水集水环槽2031、2041出水集水环槽2032、2042；所述的辊套1内周缘对应辊轴2集水环槽2031、2032、2041，2042的内壁涂一层阻热材料3；冷却水孔均匀分布在辊子周向，距离辊面有一定的距离，尺寸由辊子材料的强度和辊径尺寸决定。

工作时，冷却水从进水集水环槽2031、2041分配到辊子周围的冷却水孔，再由出水集水环槽2032、2042流出。

冷却水在辊套1内的孔装通道内相向流动，为避免辊轴2上的换水槽影响冷却水孔的冷却效果，在正对集水环槽2031、2032、2041、2042位置的辊套内壁上涂阻热材料3，涂层的材质为Al₂O₃陶瓷材料，涂层的厚度按上式计算；其中，集水环环槽2031、2032、2041、2042的深度h为50mm，Al₂O₃陶瓷涂层材料的热传导系数λcoating为2W/(m·℃)，辊轴材料的热传导系数为49.8W/(m·℃)，经过计算得到的涂层厚度是2mm。

采用冷喷涂法将Al₂O₃粉末与含有机硅的粘合剂一起喷涂在辊套内壁上响应位置。自然干燥后，冷却辊辊套被加热到300-350℃，然后将冷却辊辊轴插入到辊套中，迅速冷却。此后的涂层将和粘合剂发生化学反应，会更好的粘结在辊套内壁上。

这样能够保证在冷却辊的内部会产生均匀的传热，进而会得到均匀的冷却辊辊面温度，形成热态平辊形，提高薄带连铸带的边部质量，减小带厚偏差，获得厚度均匀的连铸带钢。

Claims (6)

1.一种双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，双辊薄带连铸采用通有冷却水的冷却辊，该冷却辊包括辊套、辊轴；所述的辊套内开设有用于通水的冷却水通道，辊轴内沿轴向开有进出水通道，其外周缘两侧上分别对应开有至少二个与进出水通道及辊套内的冷却水通道相连通的集水环槽；其特征是，所述的辊套内周缘对应辊轴集水环槽的内壁涂一层阻热材料；阻热材料导热系数小于辊套材料的导热系数；

涂层的厚度采用下式计算：

δ_coating＝h·λ_coating/λ_steel

其中，λ_coating、λ_steel分别为涂层和辊轴的导热系数；h为冷却集水环槽的深度。

2.如权利要求1所述的双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，其特征在于，采用冷喷涂法将阻热材料与含有机硅的粘合剂一起喷涂在辊套内周集水环槽正对辊轴的内壁。

3.如权利要求1或2所述的双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，其特征在于，涂层自然干燥后，冷却辊辊套被加热到300-350℃，然后将冷却辊辊轴插入到辊套中，迅速冷却，冷却速度控制在1～30℃/min之间，冷却到室温。

4.如权利要求3所述的双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，其特征在于，所述的冷却辊辊套加热过程中需要有惰性气体保护。

5.如权利要求1或2所述的双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，其特征在于，所述的阻热材料的材质为Al₂O₃陶瓷材料。

6.如权利要求1所述的双辊薄带连铸冷却辊辊形控制方法，其特征在于，用于浇注厚度1.5-5mm的金属铸带。

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