CN102380588A - 中频感应定向凝固铸锭方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中频感应定向凝固铸锭方法及其装置，生产保证铸锭内部质量和压缩比要求的特厚板原料。本发明的内容包括：经炉外精炼后的钢水，由钢包运至铸锭台进行浇铸。钢包内钢水通过长水口铸入中间包，中间包内钢水经滑动水口、埋入式水口，保护浇铸入结晶器。结晶器振动装置振动，开启设置在水冷结晶器外的中频感应线圈，通过感应电流发热并产生电磁搅拌效果，控制感应线圈在钢锭各部停留时间和功率、频率，以控制钢锭内部质量。开动水冷底盘拉引装置，将钢锭从水冷结晶器中脱出，送去轧制。本发明利用了中频感应电炉中感应磁场分布特性，防止钢锭倒V型偏析的产生；利用电磁搅拌原理去除气体夹杂；利用感应加热的上部热中心，保证钢锭补缩良好，铸出的钢锭内部致密、无偏析，夹杂物少；头部补缩较好，钢锭成材率和生产效率得以提高。

Description

中频感应定向凝固铸锭方法及其装置

技术领域

本发明涉及炼钢生产过程中铸锭方法及其装置，尤其是一种中频感应定向凝固铸锭方法及其装置。

背景技术

100mm以上特厚钢板常用于原子能发电站外壳、高层建筑底座、海洋石油平台、高压容器、航空母舰装甲板、重化工反应塔、水电、火电、风电机组底座等，属高性能、高纯净度、高附加值产品，其中大部分要求超声波探伤，有的还要求Z向性能。目前生产上述设备所用原料有几种选择，当采用连铸宽厚板坯时，因压缩比不够，效果不好；当采用常规大型扁钢锭时，又因存在先天倒V型偏析、中心偏析、中心疏松等铸造缺陷而无法保证特厚板探伤合格；当采用水平定向凝固钢锭时，虽然内部质量良好，且能保证Z向性能，但由于最后清除其顶部溶质富集层较为困难，也影响到它的推广应用。中国舞阳钢铁公司和中国东北大学合作，开发了双极串联方法生产电渣重熔扁锭的技术。该技术先铸出连铸板坯，经剪裁，焊接成自耗电极，然后利用化渣炉将电渣熔化后铸入水冷结晶器，然后利用自耗电极与保护渣之间的电弧放电，将自耗电极重新熔化成钢液滴，液滴经渣洗下落至熔池，以去除硫和夹杂，再经水冷结晶器强冷凝固，得到内部致密、纯净的扁钢锭，能够满足要求。但此法生产效率较低、电耗高、工序多，所以从技术、经济指标方面考虑该技术还不理想。因此需要寻求一种工艺相对简单，又能充分保证铸锭内部质量和压缩比要求的特厚板原料生产方法。

发明内容

本发明提供了一种中频感应定向凝固铸锭方法及其装置，生产保证铸锭内部质量和压缩比要求的特厚板原料。

本发明提供的中频感应定向凝固铸锭方法包括以下内容：

经炉外精炼后的钢水，由钢包运至铸锭台进行浇铸。钢包内钢水通过长水口铸入中间包，经分流可同时铸1只或数只钢锭。中间包内钢水经滑动水口、埋入式水口，保护浇铸入结晶器。浇铸时先将水冷底盘伸入水冷结晶器中，升至埋入水口下方，并向结晶器中钢液面加入保护渣，然后开浇。采用30-40度的钢水过热度和0.5-1t/min细流慢铸的方法，以利于钢锭自下而上的逐步凝固。随着钢液的浇入，水冷底盘在其升降装置的牵引下，缓缓下降至结晶器内某一高度停止，下降结晶器内的高度，由下式计算

$H=\frac{G}{\mathrm{BL\γ}}$

其中H为锭高，单位m；G为锭重(30-80)，单位t；B为锭宽(2-3)，单位m；L为锭厚(0.6-1.1)，单位m；γ为钢液密度取7.0t/m³。

在此过程中，结晶器振动装置振动，防止结晶器表面粘钢。用此方法可以用同一截面的结晶器浇出所需不同锭重的钢锭。当钢锭浇到上式计算的高度时，开启设置在水冷结晶器外的中频感应线圈，通过感应电流的发热，维持钢锭上部一定区域的热源，使其与水冷底盘和水冷结晶器的下部冷却区存在100-200度的温差，以保证钢锭自下而上定向凝固，同时利用电磁搅拌原理，使液相穴钢液循环流动，以除去钢中气体夹杂，并使结晶前沿偏析分散。在凝固末期，逐渐利用升降装置抬起线圈，并减少中频感应线圈的功率，以减少钢锭上部热流，对钢锭头部进行补缩，直至全部凝固。钢锭全凝后，开动水冷底盘拉引装置，将钢锭从水冷结晶器中脱出，送去轧制。

本发明提供中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置，该装置包括：

钢包1、带保护浇铸的中间包系统2、带振动装置的水冷结晶器系统3、中频感应线圈及其升降系统4、中频感应控制系统5、水冷底盘及其升降装置6、钢锭推出装置7、水冷系统及其控制装置8组成。

带保护浇铸的中间包系统2由钢包与中间包之间的长水口9、中间包体10、盖在中间包体上的中间包盖11、中间包体下面的滑动水口12、连接滑动水口的多孔扁型埋入水口13组成，多孔埋入扁型水口为Al-C质，其端部开有多个吐出孔，配合细流慢铸要求，将钢水均匀分布在模底面积内。中间包为大容量中间包，可同时浇铸1-2只钢锭；

带振动装置的水冷结晶器系统3由结晶器和结晶器振动装置14组成。结晶器在开浇过程中以正弦波型式振动，防止钢液和结晶器粘连。钢水铸满结晶器后，振动装置停止振动，以防结晶器磨损。结晶器由Cu-Ag-Zr质材料构成，内表面镀Ni-Cr，以减少磨损。结晶器由大面铜板15、小面铜板16、顶紧液压缸17组成。结晶器的内腔尺寸由所需钢锭断面尺寸决定，结晶器的高度由所需的最大重量钢锭确定，但可以控制不同浇高，以浇出截面相同，高度和重量不同的钢锭。结晶器大面、小面铜板16带有1-2％的锥度，以利于脱模；结晶器振动装置14由电机18、减速机19、凸轮机构20组成，其振动波为正弦波，振频为20-40次/分。结晶器水冷系统，采用狭缝式，保证水量、水压，使水速在7-10m/s以上，以打破蒸汽膜加强传热，进出水管为金属软管，所用水质为软水，防止结垢。

中频感应线圈及其升降系统4由感应线圈及线圈固定装置21、传动齿条22、传动齿轮23和电动机24组成，感应线圈由矩形铜管制成，盘成螺旋状，分成A、B、C三组，采用不同功率和频率，来满足铸锭工艺要求。线圈包围在水冷器外侧，与水冷结晶器外壁间隙5-20mm，高度为500-700mm，每组间隔100-200mm，铜管内通水冷却。

A、B、C三组感应线圈可根据浇铸、凝固进程而以5-15mm/min的速度同步向上移动或停止在钢锭头部位置。上述线圈的电磁功率可调，以改变钢锭头部发热区的大小及发热量，并控制钢液环流大小，防止钢液面保护渣被重新卷入。当C或B线圈移出钢锭头部范围时，该线圈停电。而当A线圈到达钢锭头部时，线圈停止移动，对钢锭进行补缩，补缩末期A线圈再徐徐升起，脱离钢锭头部，完成钢锭的全部凝固。线圈固定装置21由绝缘材料制成，感应线圈固定在其上，线圈固定装置21的外侧设有传动齿轮23、齿条22，由电动机24经减速机带动传动齿轮和传动齿条上下移动。为防止电磁感应，传动机构采用不导磁的材质制成。感应线圈升降装置采用速度可调的变频电机或直流电机传动，以灵活调节线圈的上升速度与凝固前沿保持一致。

中频感应控制系统5由控制柜25、阻抗器26、电容27和电缆28组成，其频率、功率可调，每组感应线圈电功率为150-350kW，频率为200-500HZ。

水冷底盘及其升降装置6由水冷底盘、齿条29、齿轮30、减速机31、电机32组成。水冷底盘在开浇时升至结晶器埋入水口下方，随着浇铸进行逐渐下降至结晶器出口或某一由锭重确定的高度位置后停止，待钢锭全凝后再下降，将钢锭由模内脱出。水冷底盘升降装置通过电机32、减速机31、齿轮30、齿条29，驱动，速度可调。钢锭全凝后向下拉出钢锭，齿条长度比最大锭高长300mm。水冷底盘由Cu-Ag-Zr质材料制成，其截面大小与水冷钢锭模内腔尺寸匹配，使其在模内自由移动，与模间隙≤2mm，以防止漏钢。水冷底盘内通水速7-10m/s的冷却软水冷却。进出水采用金属软管，水冷底盘上表面设有沟槽，以利于向下拉引钢锭。

钢锭推出装置7由液压缸33、推头34、滑板35组成。

水冷系统及其控制装置8由冷却塔、软水系统、泵、晾水池组成。

本发明的方法及其装置与现有技术相比其有益效果和显著的进步在于：

利用了中频感应电炉中感应磁场分布特性，使靠近水冷结晶器壁处(特别是矩形线圈的四个角部)的感应加热量大于结晶器芯部，从而抑制钢锭模内横向凝固枝晶的产生。同时由于磁感应的作用，水冷结晶器内液相部分钢液将产生环流。此环流的作用一是可以均匀结晶器内温度场；二是可以使枝晶前沿的溶质富集分散，防止倒V型偏析的产生；三是有利于钢中气体夹杂上浮。始终在钢锭上部的热中心还有利于钢锭自下而上的补缩，防止中心疏松的产生。如此一来，铸出的钢锭内部致密、偏析少，夹杂物也很少，可以达到水平定向凝固或电渣重熔的水平，而工效、耗电量、成本会大大低于电渣重熔(耗电量只用于维持钢锭头部处于液相线以上)。而由于扁钢锭是直立放置在结晶器中，且头部补缩较好，因而没有水平定向凝固大面积去除溶质富集层的麻烦，钢锭成材率也得以提高。由于钢锭是自下而上、自外而内冷却，因此凝固速度比水平定向凝固方法快，生产率也高。由于是用水冷铜结晶器取代了中频感应电炉的耐火材料炉衬，因此也没有耐火材料受钢水冲刷带进钢内夹杂问题。由于铜结晶器不导磁，电阻也小，因此也不会担心结晶器被感应加热熔化。与传统特厚板连铸机相比，由于省略了钢包回转台、拉引矫直设备、二冷区及配水设备、火焰切割设备，自动化设备也不复杂，而且更适于小批量多品种的生产。与水平定向凝固法相比，省略了砌筑绝热板，加顶部保温罩等工序。与传统电渣重熔相比，省略了制备自耗电极及熔化保护渣等工序，功效也大为提高，因而不但投资少，钢种、规格适应性也较强。

附图说明

图1是中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置结构示意图。

具体实施方式

采用如图1所示中频感应定向凝固铸锭装置，根据某宽厚板轧机需要铸40t的钢锭，由成品规格和设备能力确定的钢锭尺寸为厚700mm，宽2300mm，高3600mm，由此可以得水冷结晶器内腔尺寸为厚700mm，宽2300mm，高4000mm，中频感应线圈采用A、B、C三组，功率分别为200、260、320kW，频率分别为200、350、500HZ，线圈高度均为600mm，每组间距150mm。

将过热度为40度的钢水经钢包1、带保护浇铸的中间包系统2、注入带振动装置的水冷结晶器系统3内，同时向钢液面加保护渣。水冷底盘及其升降装置6控制水冷底盘以每分钟50mm的速度下降，同时带振动装置的水冷结晶器以25次/分的频率振动，当钢锭达到40吨锭重时，水冷底盘达到模底停止，锭高达到3600mm，振动装置停止振动，进入静态凝固阶段，此阶段耗时72分钟，每分钟铸钢0.56t。在此过程中，由于水冷底盘和水冷结晶器的作用，钢水在模内自下而上，自外而内凝固，凝固率约30％。然后开动中频感应线圈及其升降系统4，使未凝固的液相穴内产生环流，同时产生感应热量，此热量成为钢锭上部的热源，使钢锭能自下而上地凝固，此时中频感应线圈A的底部处于锭模钢液面以下1500mm处。随着钢锭凝固进行，线圈以10mm/分的速度整体上移，此时由于A、B、C线圈的功率不同，产生热量不同而使结晶前沿呈V型，由于A、B、C线圈频率不同，搅拌能力也由高变低，可以防止钢液面卷渣和有利于分散偏析。当B、C线圈移出钢锭头部范围时，可分别停电。当A线圈到达钢锭头部时，线圈升降装置停止，对钢锭进行补缩90分钟，然后以10mm/分钟速度抬起A线圈，移出钢锭头部，并完成全凝后停电。然后下降水冷底盘，将钢锭从水冷结晶器内脱出。全部浇铸、凝固时间为72+210+90＝372分钟。最后通过钢锭推出装置7推出，送去轧制。整个装置的水冷及其控制由水冷及其控制系统5完成。该实施例铸成的钢锭内部质量良好，无倒V型偏析，夹杂也少。由于补缩较好，内部致密无疏松，切头率为8％，电耗为2505kWh。与同锭重的电渣重熔锭相比，电耗是其1/18-1/19。与普通扁钢锭相比，不但内部质量好，成材率可提高6％-8％。与水平定向凝固钢锭相比质量相当，但由于减少了清除顶部溶质富集区的麻烦，工效提高，成材率也可以提高1％-2％。

本法与水平定向凝固相比，全凝时间可减少4.18小时；与电渣重熔相比，同锭重的浇铸时间可减少6小时左右。且本法没有水平定向凝固砌筑绝热板的时间、整脱模也方便得多，与电渣重熔相比，没有焊接自耗电极及熔化电渣的麻烦，功效要大很多。

Claims (5)

1.一种中频感应定向凝固铸锭方法，其特征在于该方法包括以下内容：

经炉外精炼后的钢水，由钢包运至铸锭台进行浇铸，钢包内钢水通过长水口铸入中间包，中间包内钢水经滑动水口、埋入式水口，保护浇铸入结晶器，浇铸时先将水冷底盘伸入水冷结晶器中，升至埋入水口下方，并向结晶器中钢液面加入保护渣，然后开浇，采用30-40度的钢水过热度和0.5-1t/min细流慢铸的方法，随着钢液的浇入，水冷底盘在其升降装置的牵引下，缓缓下降至结晶器内某一位置停止，下降结晶器内的高度，由下式计算

$H=\frac{G}{\mathrm{BL\γ}}$

其中H为锭高，单位m；G为锭重，单位t；B为锭宽，单位m；L为锭厚，单位m；γ为钢液密度取7.0t/m³；

在此过程中，结晶器振动装置振动，当钢锭浇到上式计算的高度时，开启设置在水冷结晶器外的中频感应线圈，通过感应电流的发热，维持钢锭上部区域的热源，使其与水冷底盘和水冷结晶器的下部冷却区存在100-200度的温差，同时利用电磁搅拌作用去除钢锭内气体、夹杂，并使偏析分散，在凝固末期，逐渐利用升降装置抬起线圈，并减少中频感应线圈的功率，减少钢锭上部热流，对钢锭头部进行补缩，直至全部凝固，钢锭全凝后，开动水冷底盘拉引装置，将钢锭从水冷结晶器中脱出，送去轧制。

2.一种权利要求1所述的中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置，其特征在于该装置包括：钢包(1)、带保护浇铸的中间包系统(2)、带振动装置的水冷结晶器系统(3)、中频感应线圈及其升降系统(4)、中频感应控制系统(5)、水冷底盘及其升降装置(6)、钢锭推出装置(7)、水冷系统及其控制装置(8)；

带保护浇铸的中间包系统(2)由钢包与中间包之间的长水口(9)、中间包体(10)、盖在中间包体上的中间包盖(11)、中间包体下面的滑动水口(12)、连接滑动水口的多孔扁型埋入水口(13)组成，多孔埋入扁型水口为Al-C质，其端部开有吐出孔，中间包为大容量中间包，能够同时浇铸1-2只钢锭；

带振动装置的水冷结晶器系统(3)由结晶器和结晶器振动装置(14)组成，结晶器在开浇过程中以正弦波型式振动，钢水铸满结晶器后，振动装置停止振动，结晶器由Cu-Ag-Zr质材料构成，内表面镀Ni-Cr，结晶器由大面铜板(15)、小面铜板(16)、顶紧液压缸(17)组成，结晶器大面、小面铜板(16)带有1-2％的锥度，结晶器振动装置(14)由电机(18)、减速机(19)、凸轮机构(20)组成，其振动波为正弦波，振频为20-40次/分，结晶器水冷系统，采用狭缝式，水质为软水，水速在7-10m/s以上，进出水管为金属软管；

中频感应线圈及其升降系统(4)由感应线圈及线圈固定装置(21)、传动齿条(22)、传动齿轮(23)和电动机(24)组成，线圈固定装置(21)由绝缘材料制成，感应线圈固定在其上，线圈固定装置(21)的外侧设有传动齿轮(23)、齿条(22)，由电动机(24)带动传动齿轮和传动齿条上下移动，传动机构采用不导磁的材质制成，感应线圈升降装置采用速度可调的变频电机或直流电机传动；

中频感应控制系统5由控制柜25、阻抗器26、电容27和电缆28组成；

水冷底盘及其升降装置6由水冷底盘、齿条29、齿轮30、减速机31、电机32组成，水冷底盘在开浇时升至结晶器埋入水口下方，水冷底盘升降装置通过电机32、减速机31、齿轮30、齿条29，驱动，速度可调，齿条长度比最大锭高长300mm，水冷底盘由Cu-Ag-Zr质材料制成，其截面大小与水冷钢锭模内腔尺寸匹配，使其在模内自由移动，与模间隙≤2mm，水冷底盘内通水速7-10m/s的冷却软水冷却，进出水采用金属软管，水冷底盘上表面设有沟槽；

钢锭推出装置7由液压缸33、推头34、滑板35组成；

水冷系统及其控制装置8由冷却塔、软水系统、泵、晾水池组成，水量600-800m³/h，水压0.4-0.6MPa。

3.根据权利要求2所述的中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置，其特征在于所说的感应线圈由矩形铜管制成，盘成螺旋状，分成A、B、C三组，其频率、功率能够由小到大调节，线圈包围在水冷器外侧，与水冷结晶器外壁间隙5-15mm，铜管内通水冷却，总电功率为800-1000kW，每组高500-700mm，间隙150mm。

4.根据权利要求3所述的中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置，其特征在于所说的A、B、C三组感应线圈的功率分别为150-250、250-350、350-450kW，频率分别为100-200，200-350，350-500HZ。

5.根据权利要求4所述的中频感应定向凝固铸锭方法所采用的装置，其特征在于所说的A、B、C三组感应线圈能够根据凝固过程向上移动，并调整上升速度。

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