CN103962523A - 一种模拟薄带连铸工艺过程的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟薄带连铸工艺过程的方法，将熔炼坩埚设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间内，上方设冷却模具；冷却模具安装在传动杆上；实验时传动杆带动冷却模具插入到熔炼坩埚内的钢水中，在冷却模具插入钢水后，钢水迅速填充到两冷却模的间隙中，受到冷却模的激冷作用后开始凝固形成凝固坯壳，在正对于凝固坯壳表面位置安装有冷却喷嘴，利用测温热电偶记录凝固坯壳在冷却过程中温度变化；在达到设定的冷却温度后，关闭冷却喷嘴；开启设于熔炼坩埚外的感应线圈对试样凝固试样进行快速加热保温，试样保温的温度根据实验设计的卷取温度要求设定，利用感应线圈保温缓冷来模拟薄带连铸产品在线卷取后的缓冷过程。

Description

一种模拟薄带连铸工艺过程的方法和装置

技术领域

本发明涉及钢铁冶金，特别涉及一种模拟薄带连铸工艺过程的方法和装置。

背景技术

近年来，近终型连铸技术迅速发展，尤其以双辊薄带连铸工艺为代表。双辊薄带连铸过程中，有两个结晶辊和侧封板构成的熔池内钢水与结晶辊接触后，在极短的时间内快速凝固形成凝固壳，经过双辊的铸轧作用后形成铸带，随后铸带经过二次冷却及卷取后形成成品卷。薄带连铸工艺与传统带钢生产工艺存在较大的差异，新产品的开发除了研究薄带连铸亚快速凝固的影响外，还需要了解薄带连铸铸带在经过二次冷却和卷取后，产品的组织特点及后续冷却工艺的影响。上述研究如果只能在薄带连铸中试机组上进行试验，无疑会导致实验成本高昂、研发周期加长。

目前对于双辊薄带连铸技术的实验室研究手段和研究设备还非常单一，大部分的是集中在薄带连铸的亚快速凝固过程研究中。如美国专利US5720336和文献《Experimental Studies of Interfacial Heat Transfer andInitial Solidification Pertinent to Strip Casting》(Les STREZOV等，ISIJ，Vol.38，9，1998：959-966)介绍了一种实验室研究亚快速凝固的实验装置，通过动力传动机构将装有单面传热的铜质试样块快速插入熔融的钢液中，采集钢水与试样块之间传热的温度信号，通过计算，可以得到钢水与试样块表面(冷却基底)之间的界面热流。该实验同时得到的样品是一侧枝晶高度发达的凝固坯壳，可以研究不同工艺下的亚快速凝固组织变化情况。文献《Observing and Measuring Solidification Phenomena at HighTemperatures》(A.W.Cramb等，JOM，Vol.51(7)，1999)中公布了研究吹落到基体上的钢液滴亚快速凝固过程中瞬态热流的研究装置，该方法优点是能够快速测定瞬间界面换热系数，缺点是设备结构复杂，而且要求液滴中心点正好落在热电偶测试点，因此对测试精度要求高，成功率相对较低。

文献《Analysis and Prevention of Dent Defects Formed during StripCasting of Twin-Induced Plasticity Steels》(MANJIN HA，WAN-SOO KIM等，METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A，Vol.39A，2008：1087-1098)公开了一种模拟研究薄带连铸亚快速凝固过程的实验装置，将以一定间隔对放的冷却基体插入到钢水中，研究基体表面形貌与环境气氛对亚快速凝固过程的影响，该方法能够获得与双辊薄带连铸铸带相同的凝固组织，可以模拟薄带连铸的快速凝固过程。

文献《熔体过热对AISI304不锈钢亚快速凝固薄带组织的影响》(马建超，杨院生等，金属学报，Vol.43，8，2007：879-882)介绍了另一种实验室模拟研究薄带连珠亚快速凝固过程的实验装置，通过水冷铜模的冷却作用，使浇铸的钢水快速凝固形成薄带，该装置可以得到一定规则尺寸的薄带，可以较为方便的进行微观组织方面的研究工作。但其缺点是，(1)该装置由于水冷铜模的冷速较大，钢水注入后，很快在熔池浇铸口被凝固，后续钢水很难继续注入，试验过程中会经常出现熔池堵塞现象；(2)该装置在得到凝固试样后无法快速取出，不能进行后续控冷模拟薄带连铸的后续冷却工艺，无法验证产品在薄带连铸工艺下的生产可行性。

发明内容

本发明的目的在于设计一种模拟薄带连铸工艺过程的方法和装置，在实验室中能够模拟薄带连铸的工艺过程，最终获得与薄带连铸工艺过程及组织相同的实验样品。

在双辊薄带连铸工艺中，主要通过浇铸凝固、二次冷却和卷取温度控制三个工艺过程来影响铸带产品的最终组织。本发明即是通过对上述三个过程的模拟来获得与薄带连铸产品相同组织的实验样品，以便进行后续的分析处理。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种模拟薄带连铸工艺过程的方法，将熔炼坩埚设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间内，熔炼坩埚上方的密闭空间或真空空间开设一开口及相应的盖体；密闭空间或真空空间上方设置一个冷却模具，该模具主要由两个中间保持一定缝隙的冷却模构成，其缝隙间距为2～5mm，缝隙间距可调节，用于模拟薄带连铸结晶辊的辊缝；冷却模具安装在传动杆上，在传动杆的作用下冷却模具可自开口出入密闭空间或真空空间；两冷却模间隙安装有测温热电偶，钢水在冷却模缝隙中凝固时将测温热电偶直接包覆嵌入到凝固样品中，在实验过程中可以测量凝固坯壳的温度变化；实验时传动杆带动冷却模具插入到熔炼坩埚内的钢水中，通过钢水在冷却模内的相对运动来模拟实际生产中熔池内钢水与旋转结晶辊的相对运动；传动杆传动速度的设定可根据薄带连铸的浇铸速度确定；在冷却模具插入钢水后，钢水迅速填充到两冷却模的间隙中，受到冷却模的激冷作用后开始凝固形成凝固坯壳，通过计时器控制冷却模具在钢水中的停留时间，在达到设定的停留时间后，传动杆带动冷却模具脱离钢水，将冷却模具迅速分离；在正对于凝固坯壳表面位置安装有冷却喷嘴，根据实验需要可以不同冷却速度对凝固坯壳进行气体冷却、气雾冷却或喷水冷却；利用测温热电偶记录凝固坯壳在冷却过程中温度变化，并对冷却喷嘴的流量进行调节，控制凝固试样以实验设定的冷却速度进行二次冷却；在达到设定的冷却温度后，关闭冷却喷嘴，停止冷却；开启设置于熔炼坩埚外的感应加热线圈对凝固试样进行快速加热保温，试样保温的温度根据实验设计的的卷取温度要求设定，利用感应加热线圈保温缓冷来模拟薄带连铸产品在线卷取后的缓冷过程。

进一步，所述的密闭空间为一箱体结构；所述的真空空间为真空炉。

所述的冷却模为铜块。

所述冷却模除了与钢水接触的内表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料包覆，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

本发明的一种模拟薄带连铸工艺过程的装置，其包括，熔炼坩埚，其绕设感应熔炼线圈；熔炼坩埚设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间内，熔炼坩埚上方的空间开设一开口及相应的盖体；一个冷却模具，设置在熔炼坩埚上方，该模具安装在可上下运动的传动杆上，其主要由两个中间保持一定缝隙的冷却模构成；传动杆连接于驱动电机；测温热电偶，设置于两冷却模间隙中；冷却喷嘴，设置于密闭空间或真空空间外对应所述传动杆的两侧；感应加热线圈，设置于密闭空间或真空空间外对应所述传动杆的两侧；数据采集装置及计算机，测温热电偶连接数据采集装置及计算机。

通过本发明模拟方法，可以模拟双辊薄带连铸工艺的快速凝固、二次冷却及卷取过程，获得的凝固样品可以进行后续的室温组织、析出物研究分析以及热轧冷轧等工艺研究。

本发明与已有技术的区别和改进之处：

在现有以公开的专利文献中，对薄带连铸工艺的模拟主要集中于钢水与结晶辊接触时的快速凝固过程的模拟。如美国专利US5720336和文献《Experimental Studies of Interfacial Heat Transfer and Initial SolidificationPertinent to Strip Casting》(Les STREZOV等，ISIJ，Vol.38，9，1998：959-966)中公开了一种实验方法和装置，通过将铜块插入钢水中研究界面传热和初始凝固过程，该装置仅适于薄带连铸初期的凝固和传热过程模拟研究，其模拟获得的凝固样品与薄带连铸组织只有部分一致，且不具备薄带连铸二次冷却及卷取过程模拟研究的能力。本发明与之不同，采用特别设计的冷却模保证凝固样品与实际薄带连铸凝固组织相一致，采用冷却喷嘴对凝固试样控温喷淋冷却，及感应加热保温缓冷等措施，实现了薄带连铸快速凝固、二次冷却及卷取的全过程模拟。

欧洲专利EP362983A1公开了一种薄带的生产方法，通过将一个中间有间隙、四周绝热的模具浸入到钢水中，钢水在模具的间隙中凝固，从模具的上方将凝固的薄带从模具中拉出进行轧制或卷取。由于薄铸带高温下强度极低，拉伸过程中铸带断裂是无法避免的。本发明中采用将冷却模具快速插入钢水中，利用冷却模具与钢水的相对运动使钢水进入高冷却模的间隙中凝固，并通过对凝固样品后续的控温冷却来模拟双辊薄带连铸的工艺过程。

文献《Analysis and Prevention of Dent Defects Formed during StripCasting of Twin-Induced Plasticity Steels》(MANJIN HA，WAN-SOO KIM等，METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A，Vol.39A，2008：1087-1098)公开了一种模拟研究薄带连铸亚快速凝固过程的实验装置。本发明与之不同在于，在特别设计的冷却模内安装热电偶，可以在钢水填充进冷却模凝固后，将热电偶嵌入在凝固样品上，实时监测控制凝固样品的冷却过程，保证凝固样品与实际薄带连铸的工艺过程相一致。冷却模快速分离后特别采用冷却喷嘴对凝固试样控温喷淋冷却，及感应加热保温缓冷等措施，实现了薄带连铸快速凝固、二次冷却及卷取的全过程模拟。

本发明的有益效果是：

1.本发明中，通过冷却模实现一维传热模拟薄带连铸快速凝固过程，与实际生产工况符合性好。

2.本发明中，将冷却模插入钢水中，通过钢水与冷却模相对运动模拟实际生产中熔池内钢水与结晶辊的相对运动。

3.本发明中，可以获得与薄带连铸铸带产品凝固组织一致的实验室样品。

4.本发明中，利用热电偶实时监测凝固试样温度变化并控制凝固试样的二次冷却及卷取过程。

5.本发明中，凝固样品二次冷却过程与薄带连铸铸带产品一致。

6.本发明中，利用快速感应加热对样品进行保温缓冷模拟实际生产中铸卷的冷却过程。

7.本发明中，可以获得与与薄带连铸铸带产品室温组织一致的实验室样品。

附图说明

图1为本发明实验装置的示意图。

图2为图1的放大示意图。

图3为本发明方法制备的试样的枝晶组织的示意图。

图4为薄带连铸工艺制备的试样的枝晶组织的示意图。

图5为本发明与薄带连铸工艺二次冷却过程对比示意图。

图6为本发明方法制备的试样的室温组织照片。

图7为薄带连铸工艺制备的试样的室温组织照片。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明的模拟薄带连铸工艺过程的装置，其包括，熔炼坩埚2，其绕设感应熔炼线圈3；熔炼坩埚2设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间1内，熔炼坩埚2上方的空间开设一开口及相应的盖体101；一个冷却模具4，设置在熔炼坩埚2上方，该模具安装在可上下运动的传动杆5上，其由两个中间保持一定缝隙的冷却模41、42构成；传动杆5连接于驱动电机6，驱动电机6由支架13支撑；测温热电偶7，设置于两冷却模41、42间隙中；冷却喷嘴8，设置于密闭空间或真空空间1外对应所述传动杆5的两侧；感应加热线圈9，设置于密闭空间或真空空间1外对应所述传动杆5的两侧；数据采集装置及计算机10，测温热电偶7连接到数据采集装置及计算机10。

进一步，所述的密闭空间为一箱体结构；所述的真空空间为真空炉。

所述的冷却模41、42为铜块。所述冷却模41、42除了与钢水11接触的内表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料12包覆，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

本发明一种模拟薄带连铸工艺过程的方法，将熔炼坩埚2设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间1内，熔炼坩埚2上方的密闭空间或真空空间开设一开口及相应的盖体；密闭空间或真空空间上方设置一个冷却模具4，该模具主要由两个中间保持一定缝隙的冷却模构成，其缝隙间距为2～5mm，缝隙间距可调节，用于模拟薄带连铸结晶辊的辊缝；冷却模具安装在传动杆5上，在传动杆5的作用下冷却模具4可自开口出入密闭空间或真空空间1；两冷却模间隙安装有测温热电偶7，钢水在冷却模缝隙中凝固时将测温热电偶直接包覆嵌入到凝固样品中，在实验过程中可以测量凝固坯壳的温度变化；实验时传动杆带动冷却模具插入到熔炼坩埚2内的钢水11中，通过钢水11在冷却模内的相对运动来模拟实际生产中熔池内钢水与旋转结晶辊的相对运动；传动杆传动速度的设定可根据薄带连铸的浇铸速度确定；在冷却模具插入钢水后，钢水11迅速填充到两冷却模41、42的间隙中，受到冷却模41、42的激冷作用后开始凝固形成凝固坯壳，通过计时器控制冷却模具4在钢水中的停留时间，在达到设定的停留时间后，传动杆5带动冷却模具4脱离钢水11，将冷却模具4迅速分离；在正对于凝固坯壳表面位置安装有冷却喷嘴8，根据实验需要可以不同冷却速度对凝固坯壳进行气体冷却、气雾冷却或喷水冷却；利用测温热电偶7记录凝固坯壳在冷却过程中温度变化，并对冷却喷嘴8的流量进行调节，控制凝固试样以实验设定的冷却速度进行二次冷却；在达到设定的冷却温度后，关闭冷却喷嘴8，停止冷却；开启感应加热线圈9对凝固试样进行快速加热保温，试样保温的温度根据实验设计的的卷取温度要求设定，利用感应加热线圈保温缓冷来模拟薄带连铸产品在线卷取后的缓冷过程。

进一步，所述的密闭空间为一箱体；所述的真空空间为真空炉。所述的冷却模为铜块。所述冷却模除了与钢水接触的内表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料包覆，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

实施例

本发明冷却模具由两个中间有一定缝隙的冷却模(铜块)构成，其缝隙间距为2.5mm，用于模拟薄带连铸结晶辊的辊缝。在两冷却模间隙安装有测温热电偶，热电偶分度号为S型，钢水在冷却模缝隙中凝固时可以将热电偶直接包覆嵌入到凝固样品中，热电偶与数据采集系统相联，在实验过程中可以监控凝固样品的温度变化。两冷却模(铜块)可以快速分离，除了与钢液接触的内相对表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料包覆，耐火材料材质为氧化铝，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

实验钢水为0.06％C低碳钢，钢水温度为1560℃。实验时将冷却模具安装在传动杆上，传动杆被传动机构以1m/s的速度带动冷却模插入到钢水中，通过钢水在冷却模内的相对运动来模拟实际生产中熔池内钢水与旋转结晶辊的相对运动。在冷却模具插入钢水后，钢水迅速填充到两冷却模的间隙中，受到冷却模的激冷作用后开始凝固，通过计时器控制冷却模具在钢水中停留0.3s，在达到设定的停留时间后，传动杆带动冷却模具脱离钢水，将冷却模具迅速分离。在正对于凝固坯壳表面位置安装有冷却喷嘴，冷却喷嘴对凝固样品进行气雾喷淋冷却。利用测温热电偶记录凝固坯壳在冷却过程中温度变化，并对冷却喷嘴的流量进行调节，控制凝固试样以30℃/s的冷却速度进行二次冷却。在达到650℃温度后，关闭冷却喷嘴，停止冷却。开启感应加热线圈对试样凝固试样进行快速加热保温并缓冷，试样保温的温度为600℃，利用感应加热线圈保温缓冷来模拟薄带连铸产品在线卷取后的缓冷过程，凝固样品的缓冷速度为1℃/min。通过本模拟方法，可以模拟双辊薄带连铸工艺的快速凝固、二次冷却及卷取过程。获得的凝固样品可以进行后续的室温组织、析出物研究分析以及热轧冷轧等工艺研究。

在采用上述实验参数、利用本发明实验方法得到的含碳0.06％的低碳钢与成分工艺相同的低碳钢薄带样品进行对比：

1、凝固枝晶组织

试样的枝晶组织可以表征凝固过程中的枝晶生长状况，从图3、图4中可以看到，实验室模拟样品的枝晶组织为两侧发达的柱状晶组织向内生长，这与薄带连铸样品的枝晶组织相似。利用两种样品的二次枝晶臂间距定量表征两种样品之间的枝晶组织相似程度，测量结果表明，两种样品的二次枝晶臂间距均为6～10um左右，说明两种样品在凝固过程中的冷却速度范围是一致的，采用本发明实验方法可以模拟薄带连铸的凝固过程。

2、二次冷却速度

为检测控制样品冷却速度，采用热电偶实时记录试样在插入钢水后的冷却情况，并与薄带连铸工艺产品冷却降温过程进行对比，如图5所示。可以看到实验室模拟的样品的二次冷却速度与薄带连铸低碳钢产品的冷却速度大致相当，都在30～40℃/s左右，说明采用本发明实验室模拟的方法可以模拟薄带连铸产品的冷却过程。

3、样品室温组织

利用本发明实验方法得到的含碳0.06％的低碳钢的室温组织与薄带连铸室温组织对比(见图6、图7)可以看到，两种方法的得到的样品组织均为多边形铁素体+贝氏体组织，两者的室温组织具有相似性，说明采用本发明实验方法可以模拟薄带连铸产品的组织特征。

通过上述三个方面的对比验证表明，采用本发明实验方法在实验室中模拟薄带连铸的产品组织工艺是可靠的。可以利用本发明方法进行新产品(钢种)的工艺组织模拟实验，同时，所获得的实验室样品还可以进行后续的组织性能分析以及热轧、冷轧等工艺探索。

Claims (8)

1.一种模拟薄带连铸工艺过程的方法，将熔炼坩埚设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间内，熔炼坩埚上方的密闭空间或真空空间开设一开口及相应的盖体；密闭空间或真空空间上方设置一个冷却模具，该模具主要由两个中间保持一定缝隙的冷却模构成，其缝隙间距为2～5mm，缝隙间距可调节，用于模拟薄带连铸结晶辊的辊缝；冷却模具安装在传动杆上，在传动杆的作用下冷却模具可自开口出入密闭空间或真空空间；两冷却模间隙安装有测温热电偶，钢水在冷却模缝隙中凝固时将测温热电偶直接包覆嵌入到凝固样品中，在实验过程中可以测量凝固坯壳的温度变化；实验时传动杆带动冷却模具插入到熔炼坩埚内的钢水中，通过钢水在冷却模内的相对运动来模拟实际生产中熔池内钢水与旋转结晶辊的相对运动；传动杆传动速度的设定可根据薄带连铸的浇铸速度确定；在冷却模具插入钢水后，钢水迅速填充到两冷却模的间隙中，受到冷却模的激冷作用后开始凝固形成凝固坯壳，通过计时器控制冷却模具在钢水中的停留时间，在达到设定的停留时间后，传动杆带动冷却模具脱离钢水，将冷却模具迅速分离；在正对于凝固坯壳表面位置安装有冷却喷嘴，根据实验需要可以不同冷却速度对凝固坯壳进行气体冷却、气雾冷却或喷水冷却；利用测温热电偶记录凝固坯壳在冷却过程中温度变化，并对冷却喷嘴的流量进行调节，控制凝固试样即凝固坯壳以实验设定的冷却速度进行二次冷却；在达到设定的冷却温度后，关闭冷却喷嘴，停止冷却；开启设置于熔炼坩埚外的感应加热线圈对凝固试样进行快速加热保温，试样保温的温度根据实验设计的的卷取温度要求设定，利用感应加热线圈保温缓冷来模拟薄带连铸产品在线卷取后的缓冷过程。

2.如权利要求1所述的模拟薄带连铸工艺过程的方法，其特征是，所述的密闭空间为一箱体结构；所述的真空空间为真空炉。

3.如权利要求1所述的模拟薄带连铸工艺过程的方法，其特征是，所述冷却模除了与钢水接触的内表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料包覆，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

4.如权利要求1或3所述的模拟薄带连铸工艺过程的方法，其特征是，所述的冷却模为铜块。

5.一种模拟薄带连铸工艺过程的装置，其特征是，包括，

熔炼坩埚，其绕设感应熔炼线圈；熔炼坩埚设置于一内充保护性气体的密闭空间或真空空间内，熔炼坩埚上方的空间开设一开口及相应的盖体；

一个冷却模具，设置在熔炼坩埚上方，该模具安装在可上下运动的传动杆上，其主要由两个中间保持一定缝隙的冷却模构成；传动杆连接于驱动电机；

测温热电偶，设置于两冷却模间隙中；

冷却喷嘴，设置于密闭空间或真空空间外对应所述传动杆的两侧；

感应加热线圈，设置于密闭空间或真空空间外对应所述传动杆的两侧；

数据采集装置及计算机，测温热电偶连接数据采集装置及计算机。

6.如权利要求5所述的模拟薄带连铸工艺过程的装置，其特征是，所述冷却模除了与钢水接触的内表面外，冷却模其余侧面和底面均采用绝热耐火材料包覆，保证钢水在冷却模内表面的一维传热强度。

7.如权利要求5所述的模拟薄带连铸工艺过程的方法，其特征是，所述的密闭空间为一箱体结构；所述的真空空间为真空炉。

8.如权利要求5所述的模拟薄带连铸工艺过程的方法，其特征是，所述的冷却模具的两个冷却模间的缝隙间距为2～5mm。