CN101391293B - 一种连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，属金属连铸工艺技术领域。本发明通过对结晶器上方线圈相对位置和功率的调整，能更好地控制初始凝固坯壳的生长，减小振痕深度，改善坯壳质量。具体措施为通过测量结晶器内自由液面的波动情况来调整结晶器上方线圈的相对位置，并通过测量结晶内初始凝固区域的温度变化情况来调整线圈的加热强度，从而有效控制弯月面凝固组织的生长，改善凝固组织，减小振痕深度和其他缺陷的产生几率，有利于实现高效连铸。
Description
技术领域
本发明涉及一种连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，属金属连铸工艺技术领域。
背景技术
振痕是连铸坯壳最常见的一种表面缺陷，它的产生始于结晶器振动的负滑脱期。在负滑脱期初期，由于初始凝固区域温度的降低弯月面首先快速凝固成很薄的坯壳尖端，同时在保护渣道正压力作用下凝固坯壳尖端被推离结晶器壁；随后，若钢液发生溢流，则形成钩状振痕，否则形成凹陷状振痕。振痕的深度或大小不仅取决于保护渣道压力的大小，还与初始凝固区域温度的高低或温度梯度的大小密切相关。该区域温度高或梯度小时，初始凝固的坯壳尖端短小，在随后形成的振痕深度浅；反之，振痕的深度就会很深，恶化了坯壳表面质量，严重时还要经修磨处理后才能进行热轧，这将大大增加生产成本。
为了控制结晶器初始凝固过程，减少振痕等相关缺陷的产生，改善坯壳质量，专利“可控制初始凝固的金属连铸结晶器复合装置”虽然可以很好地控制初始凝固坯壳的生长，明显改善坯壳质量，但由于线圈位置固定不可调，而受结晶器振动和浇注不稳定等条件的影响，结晶器内自由液面将会产生波动，这就有可能造成由于自由液面的上升而接触到线圈，或者由于自由液面的下降而使线圈的加热效果不明显；同时，也没有考虑到通过改变线圈的功率来更好的控制初始凝固坯壳的生长。因此，本发明在此基础上提出了一种更有效的控制初始凝固坯壳生长的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，为有效控制金属连铸过程中结晶器初始凝固提供了一种新方法。利用本方法可使初始凝固区域的坯壳生长更均匀，振痕深度减小，表面质量提高。
本发明通过下述技术方案得以实现：
一种连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，其特征在于主要包括结晶器内液面位置测量、初始凝固区域温度测量以及感应线圈位置和功率调整等功能，具体步骤如下：
首先，在浇注开始之前，把一感应线圈置于结晶器内壁自由液面上方，线圈位置上下可调，并调整线圈位置使其处于有效加热距离Le之内(5mm≤Le≤10mm)，有效加热距离是指感应线圈在该距离处对结晶器内初始凝固区域的加热效果最好，如果线圈与液面之间的距离过小(小于5mm)，液面的突然上升则有可能接触到线圈，如果距离过大(大于10mm)，感应线圈的加热效果则会很不明显；
其次，在浇注开始时，启动液面传感器，记录结晶器内初始凝固区域自由液面在不同时刻的位置Li(i代表不同时刻，时间步长从0.001s到1s可调)，并把数据传给信号收集数字化处理系统，计算出液面位置Li与感应线圈底部之间的距离ΔL，并作判断：如果ΔL小于有效加热距离的最小值Lemin(5mm)，或者ΔL大于有效加热距离的最大值Lemax(10mm)，则启用线圈升降系统，把线圈位置向上或向下做相应调整，使之处于有效加热距离之内；
第三，由于结晶器的周期性振动以及液面位置的波动，初始凝固区域的温度或传热状况难免跟着波动起伏，尤其是在负滑脱期间，由于结晶器向下振动速率大于拉坯速率，使得初始凝固区域的温度出现较大幅度的降低，此时温度梯度增大，弯月面在瞬间凝固，并在保护渣道正压力作用下被推离结晶器壁，为振痕的形成创造了条件。本方法用热电偶组测量初始凝固区域的温度，热电偶的个数及分布情况应根据结晶器的形状和大小呈对称分布，最后计算平均值，测量该区域不同时刻的温度值Ti，并把该数据传给信号收集数字化处理系统，时刻记录该区域的温度变化并做判断：若在某一时刻的温度Ti<Tc(Tc为能使弯月面迅速凝固的温度，一般为金属熔点以下10℃，浇注的金属不同，Tc值也不同)，则启动功率控制系统适当增加线圈的加热功率，使温度升高到Tc以上，以抵消负滑脱期间温度的损失，减小初始凝固区域的温度梯度，防止弯月面凝固过快过多随后形成较深的振痕。
所述的感应线圈的相对位置可调，线圈由升降系统调整位置，最大调节幅度为上下各100mm。所述的感应线圈的功率可调，功率大小由功率控制系统控制，温度控制范围为20～1600℃。所述的感应线圈中通以交变电流或调幅电流，输入的电流为0.1～100A，频率为1～108Hz。
另外，由于初始凝固区域温度的升高，使得结晶器内的结渣现象得以消除，拓宽了保护渣道进口，有效改善了坯壳与结晶器壁之间的润滑，从而提高了坯壳的表面质量。
经过方案的实施，加热线圈可以实现对结晶器初始凝固区域坯壳生长状况更为有效的控制，使坯壳生长更加均匀，振痕深度更浅，坯壳质量更高。
附图说明
图1为初始凝固控制方法总框图；
图2为结晶器内初始凝固区域示意图，其中1为结晶器，2为渣圈，3为固态保护渣，4为液态保护渣，5为保护渣粉，6为凝固坯壳，7为液态金属液，8为振痕，9为初始凝固区域，10为加热线圈。
图3为锡连铸坯的表面形貌图片，其中a图为无感应线圈连铸，b图为有感应线圈连铸。
具体实施方式
下面以金属锡的连铸过程为例来说明本方法的应用：
在锡的连铸过程中，把感应线圈装在结晶器内距自由液面上方5mm的位置，如图2所示，感应线圈与升降系统和功率控制系统相连，位置可以在一定范围内上下移动，并且功率大小可调；感应线圈内通入频率5Hz、大小5A的交变电流，以加热结晶器内初始凝固区域。随着结晶器的振动以及锡液不断的从水口流入结晶器，结晶器内自由液面发生不稳定的上下波动，此时，用液面传感器记录自由液面在不同时刻的位置Li，并把数据传入信号收集数字化处理系统，计算线圈与液面之间的距离ΔLi，如果在某一时刻ΔLi＝3mm，即小于有效加热距离的最小距离Lemin(Lmin＝5mm)，则通过线圈升降系统把线圈向上移动2mm；同样，如果在某一时刻ΔLi＝15mm，即大于有效加热距离的最大值Lemax10mm，则需通过升降系统把线圈向下移动5mm。
同时，分布在初始凝固区域的热电偶也会把不同时刻的温度值Ti传给信号收集数字化处理系统，时刻记录该区域的温度变化，若在某一时刻的温度Ti低于Tc＝221.9℃(锡的熔点为231.9℃，则根据前文定义Tc为221.9℃)，则启动功率控制系统适当增加线圈的加热功率，直到反馈温度高于231.9℃为止，这样即可保证初始凝固区域的温度变化均匀，有效防止了弯月面凝固过快而形成较深的振痕。
这样不仅可以消除结晶器边缘的结渣现象，还可以更好的控制初始凝固坯壳在一个传热相对平稳的环境下均匀生长，同时还可以抑制较大较深振痕的产生，大大改善坯壳表面质量，如图3所示。
Claims (4)
1.一种连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，其特征在于主要包括结晶器内液面位置测量、初始凝固区域温度测量以及感应线圈位置和功率调整功能，具体步骤如下：
a)在浇注开始之前，先把一感应线圈置于结晶器内壁自由液面上方，线圈位置上下可调，然后调整线圈位置使其处于有效加热距离Le之内，5mm≤Le≤10mm；
b)在浇注开始之后，利用液面传感器记录结晶器内初始凝固区域自由液面在不同时刻的位置Li，并把数据传给信号收集数字化处理系统，计算出液面位置Li与感应线圈底部之间的距离ΔL，并作判断：如果ΔL小于有效加热距离的最小值Lemin＝5mm，或者ΔL大于有效加热距离的最大值Lemax＝10mm，则启用线圈升降系统，把线圈位置向上或向下做相应调整，使之处于有效加热距离之内；
同时，利用分布在结晶器初始凝固区域的热电偶组测量该区域不同时刻的温度值Ti，热电偶的个数及分布情况应根据结晶器的形状和大小呈对称分布，最后计算平均值，并把数据传给信号收集数字化处理系统，时刻记录该区域的温度变化并做判断：若在某一时刻的温度Ti＜Tc，Tc为能使弯月面迅速凝固的温度，则启动功率控制系统适当增加线圈的加热功率，使温度升高到Tc以上，以减小初始凝固区域的温度梯度，防止弯月面凝固过快过多随后形成较深的振痕。
2.如权利要求1所述的连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，其特征在于所述的感应线圈的相对位置可调，线圈由升降系统调整位置，最大调节幅度为上下各100mm。
3.如权利要求1所述的连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，其特征在于所述的感应线圈的功率可调，功率大小由功率控制系统控制，温度控制范围为20～1600℃。
4.如权利要求1所述的连铸结晶器内金属初始凝固的控制方法，其特征在于所述的感应线圈中通以交变电流或调幅电流，输入的电流为0.1～100A，频率为1～108Hz。
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