CN104266899B - 一种连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置及方法，在感应电炉中熔化待试验用钢；将与该钢种配套的结晶器保护渣加在熔池液面，待保护渣完全熔化，测量保护渣温度、钢液温度，确保钢液温度保持在浇注温度。将模拟结晶器的铜模插入熔池，保护渣在铜模上快速冷却，形成保护渣膜；当铜模上凝固一定长度的初始凝固坯壳后，铜模停止向下运动，停留几秒钟后铜模带动凝固坯壳向上移出熔池，拉坯装置带动刚凝固的初始凝固坯壳向下运动。初始凝固坯壳相对铜模进行向下运动，铜模上的凸台将初始凝固坯壳顶凸，初始凝固坯壳表面产生裂纹。本发明的方法可精确控制不同受力条件下初始凝固坯壳表面裂纹的产生，实时测量其受力数据，数据精度高。

Description

一种连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁生产过程中连铸结晶器内初始凝固坯壳表面裂纹形成模拟装置和方法。

背景技术

在连铸过程中，铸坯表面裂纹长期以来一直是国内外钢厂的一大难题，由于其影响因素很多，虽然经过科研工作者的大量努力，大部分也只能减轻其发生率，未能根本解决。随着生产率的提高与热送热轧率增加的要求，铸坯表面裂纹成为影响连铸生产顺行的重要缺陷，防止铸坯表面裂纹越来越被重视。

铸坯在结晶器内冷却过程中，初始凝固坯壳受到来自结晶器铜板冷却产生的热应力与拉坯时摩擦阻力等的影响，最容易产生裂纹。铸坯表面裂纹由于隐藏在铸坯表面氧化铁皮下面很难发现，因此难以检查和清理，只能通过火焰清理的方式进行挽救。表面裂纹的存在，不但增加板坯降级和报废量，更严重的是，会导致钢板边部组织异常，致密性差，冲击韧性、强度降低。这就极大地降低了钢材的成材率，恶化了板材的表面质量和深加工性能，严重影响了企业的经济效益。为提高铸坯表面质量，提高企业经济效益，必须解决连铸生产过程中铸坯表面裂纹问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种钢铁生产过程中连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置和方法，解决现有钢铁冶金连铸过程中结晶器内钢液初始凝固坯壳受到包括热应力、钢液静压力、摩擦力等各种力的作用下而产生裂纹无法模拟，从而难以研究凝固坯壳裂纹产生的机理，无法提出针对性防止措施的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种钢铁生产过程中连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置，包括基座，所述基座上固定有感应电炉、液面定位支架、结晶器铜模运动系统支架和振动系统电机，所述感应电炉用于熔炼目标实验钢种；所述感应电炉上方设置有液面定位电极和结晶器铜模，所述液面定位电极固定在能在液面定位电机带动下在竖直方向上移动的液面定位支架上；所述结晶器铜模固定在能在结晶器铜模运动系统电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动系统支架上，所述振动系统电机带动所述结晶器铜模按设定的振动幅度及振动频率振动，所述结晶器铜模内部的冷却管路与冷却系统管路连通；所述液面定位电机、结晶器铜模运动系统电机、振动系统电机均与计算机电连接；所述液面定位电极与所述计算机、直流电源连接组成低电压回路；所述结晶器铜模内固定有至少两个温度传感器，所述计算机通过温度采集器与固定在所述结晶器铜模内的温度传感器电连接；所述钢模与钢液接触的面设置有一个可以调节大小的凸台，该凸台模拟连铸过程中凝固坯壳受到的力的作用而使坯壳产生裂纹；所述拉坯电机电流数据采集器可采集拉坯电机的电流值变化，由此可计算出拉坯受到的阻力大小，用于调整加在凝固坯壳上的力。

本发明还提供了一种利用上述装置模拟连铸结晶器内初始凝固坯产生裂纹的方法，该方法为：

1) 在感应电炉中熔化20-25Kg实验钢种，在1600℃下保温5-10分钟，使连钢液成分与温度均匀一致，加入100-300克铝块强脱氧后将熔池温度降至该钢种液相线温度以上摄氏30-50度（浇注温度）保温；

2）然后加入该钢种对应的连铸结晶器保护渣300-500克，使熔池内液态保护渣厚度保持5-10mm，并使其温度与成分均匀；

3) 用液面定位电极标定液态保护渣液面，当液面定位电极接触高温液面时，低电压回路接通，计算机记录此时液面定位电极的位置，计算机根据液面定位电极的位置信息给结晶器铜模运动系统电机发送运行指令；

4) 结晶器铜模运动系统电机带动结晶器铜模运动系统支架向下移动，使结晶器铜模插入熔池，在振动系统电机的驱动下，结晶器铜模按设定的振幅（1-5mm）与振频(60-300次/分钟)振动，结晶器铜模内最上面一排温度传感器的位置与液面定位电极标定的液面保持在同一平面；结晶器铜模内通水冷却，液态连铸结晶器保护渣在结晶器铜模上冷却，形成保护渣膜；

5) 随后液态钢液在凝固了一层保护渣的水冷铜模上开始凝固，形成初始凝固坯壳，随着铜模不断向下运行，保护渣与钢液相继在铜模上凝固，凝固坯壳不断生长；

6) 当铜模按设定的速度（0.5-1.0米/分钟）与时间(3-5秒)运行到设定的位置(液面下250-800mm)时，铜模停止向下运行，停留一定时间(3-10秒)使凝固壳有一定的厚度(1-5mm)后，铜模以一定速度(0.5-1.0米/分钟)上升运动，当铜模底部出熔池时，拉坯机启动向下拉坯(位移1-5mm)后停止；

7)在拉坯过程中，计算机通过采集拉坯机的工作电流数据变化，然后计算出其受到的阻力变化，该阻力变化即可模拟实际生产过程中凝固坯壳所受的力，包括各种应力（热应力、收缩应力等）与摩擦力等。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对连铸生产工况条件的真实模拟，尤其是结合钢铁生产连铸晶器内初始凝固坯壳受到的各种阻力的模拟，并可调节阻力的大小。实验条件接近生产实际，能测量坯壳在结晶器内受到瞬时和稳态条件下的阻力，并通过改变阻力的大小模拟出坯壳所受阻力超过其强度所能承受能力而产生裂纹；实验过程熔池温度精确可控、熔池液面位置精确可控、测试拉坯机的电流变化数据精度高、可进行模拟结晶器内坯壳受不同阻力条件下，研究坯壳裂纹的产生机理与裂纹行为与各种工艺参数的相互关系，为减少或消除结晶器内凝固坯壳表面裂纹奠定基础；实验过程方便，设备使用方便，稳定可靠，实验费用较低，解决了现有的钢铁冶金连铸过程中铸坯裂纹产生难以模拟与进行实验研究的难题，该装置与方法还能用于研究铸坯出结晶器后在弯曲或矫直过程中各种阻力对铸坯表面裂纹的影响。

附图说明

图1为本发明一种连铸结晶器内初始凝固坯裂纹形成模拟装置示意图；

图2为本发明实验设备的液面定位电极电路原理图；

图3为水冷铜模内部结构、拉坯机及凸台示意图；

图4为图3中A部分放大图；

图5为实验得到的模拟坯壳表面裂纹。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明一实施例包括基座11，其上固定有感应电炉8、液面定位支架5、结晶器铜模运动系统支架2和振动系统电机3、拉坯电机14，感应电炉8内设有用于盛放熔化钢液10与连铸结晶器保护渣16的坩埚9；感应电炉8上方设置有液面定位电极7、拉坯装置13和结晶器铜模6，液面定位电极7固定在能在液面定位电机5带动下在竖直方向上移动的液面定位支架上；结晶器铜模6固定在能在结晶器铜模运动系统电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动系统支架2上，振动系统电机3可带动结晶器铜模6按设定的振动幅度及振动频率振动，结晶器铜模6内部的冷却管路与冷却系统管路4连通，的拉坯装置13通过拉坯电机14按设定的程序进行拉坯；计算机1控制液面定位电机、结晶器铜模运动系统电机、振动系统电机3运行；液面定位电极7与计算机1、直流电源连接组成低电压回路；结晶器铜模6内固定有八排温度传感器，且每排温度传感器包括两个位于同一水平面上的温度传感器，内部通水冷却，计算机1通过温度采集器12与固定在所述结晶器铜模6内的温度传感器电连接，计算机1通过电流数据采集器15采集拉坯电机14的电流数据。

本实施例中，连铸结晶器内铸坯凝固坯壳表面裂纹模拟方法步骤如下：

1) 在感应电炉中熔化25Kg实验钢种，在1600℃下保温10分钟，使连钢液成分与温度均匀一致，加入300克铝块强脱氧；

2）然后加入该钢种对应的连铸结晶器保护渣300克，使熔池内液态保护渣厚度保持10mm，并使其温度与成分均匀；

3) 用液面定位电极标定液态保护渣液面，当液面定位电极接触高温液面时，低电压回路接通，计算机记录此时液面定位电极的位置，计算机根据液面定位电极的位置信息给结晶器铜模运动系统电机发送运行指令；

4) 结晶器铜模运动系统电机带动结晶器铜模运动系统支架向下移动，使结晶器铜模插入熔池，在振动系统电机的驱动下，结晶器铜模按设定的振幅（1-5mm）与振频(60-300次/分钟)振动，结晶器铜模内最上面一排温度传感器的位置与液面定位电极标定的液面保持在同一平面；结晶器铜模内通水冷却，液态连铸结晶器保护渣在结晶器铜模上冷却，形成保护渣膜；

5) 随后液态钢液在凝固了一层保护渣的水冷铜模上开始凝固，形成初始凝固坯壳，随着铜模不断向下运行，保护渣与钢液相继在铜模上凝固，凝固坯壳不断生长；

6) 当铜模按设定的速度（0.5-1.0米/分钟）与时间(3-5秒)运行到设定的位置(液面下250-800mm)时，铜模停止向下运行，停留一定时间(3-10秒)使凝固壳有一定的厚度(1-5mm)后，铜模以一定速度(0.5-1.0米/分钟)上升运动，当铜模底部出熔池时，拉坯机启动向下拉坯(位移1-5mm)后停止；

7)在拉坯过程中，计算机通过采集拉坯机的工作电流数据变化，然后计算出其受到的阻力变化。

Claims (3)

1.一种模拟连铸结晶器内初始凝固坯壳表面裂纹形成的方法，利用模拟装置进行，模拟装置包括基座（11），所述基座（11）上固定有感应电炉（8）、液面定位支架（5）、结晶器铜模运动系统支架（2）、振动系统电机（3）和拉坯电机（14），所述感应电炉（8）内设有用于盛放熔化钢液（10）与连铸结晶器保护渣（16）的坩埚（9）；所述感应电炉（8）上方设置有液面定位电极（7）、下部表面设有凸台的结晶器铜模（6）和能在所述拉坯电机（14）驱动下带动所述结晶器铜模（6）上的初始凝固坯壳向下运动的拉坯装置（13），所述液面定位电极（7）固定在能在液面定位电机带动下在竖直方向上移动的液面定位支架（5）上；所述结晶器铜模（6）固定在能在结晶器铜模运动系统电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动系统支架（2）上，所述振动系统电机（3）带动所述结晶器铜模（6）按设定的振动幅度及振动频率振动，所述结晶器铜模（6）内部的冷却管路与冷却系统管路（4）连通；计算机（1）控制所述液面定位电机、结晶器铜模运动系统电机、振动系统电机（3）运行；所述液面定位电极（7）与所述计算机（1）、直流电源连接组成低电压回路；所述结晶器铜模（6）内固定有至少一排温度传感器，且每排温度传感器包括两个位于同一水平面上的温度传感器，所述计算机（1）通过温度采集器（12）与固定在所述结晶器铜模（6）内的温度传感器电连接，所述计算机（1）通过电流数据采集器（15）采集拉坯电机（14）的电流数据；其特征在于，该方法为：

1) 在感应电炉中熔化待试验用钢20-25Kg，待试验用钢温度保持在浇注温度，即液相线温度以上摄氏30-80度，使待试验用钢的成分与温度均匀；将与待试验用钢配套的结晶器保护渣加在熔池液面，待结晶器保护渣完全熔化，测量结晶器保护渣的温度；

2）使待试验用钢熔化后的钢液温度保持在上述浇注温度，用液面定位电极标定结晶器保护渣液面，当液面定位电极接触高温液面时，低电压回路接通，计算机记录此时液面定位电极的位置，计算机根据液面定位电极的位置信息给结晶器铜模运动系统电机发送运行指令，使结晶器铜模向下运动；

3）将结晶器铜模插入熔池，结晶器铜模内通水冷却，结晶器铜模通过在振动系统电机驱动下按设定的振动频率与振动幅度振动，结晶器保护渣在铜模上冷却后形成保护渣膜，随结晶器铜模的插入，钢液在包裹了保护渣膜的结晶器铜模上快速凝固；

4）当结晶器铜模上凝固250-800mm长的初始凝固坯壳后，结晶器铜模停止向下运动，停留1-10秒钟，使钢液凝固形成的初始凝固坯壳厚度达到1-5mm，然后，结晶器铜模带动初始凝固坯壳一起向上运动移出熔池，拉坯装置启动，拉坯装置带动初始凝固坯壳向下运动；

5）拉坯过程中，初始凝固坯壳相对结晶器铜模向下运动，结晶器铜模的凸台将初始凝固坯壳顶凸，初始凝固坯壳表面产生裂纹；

6）记录拉坯电机的电流变化，并由电流变化计算出拉坯装置所受阻力变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结晶器铜模下部的凸台，尺寸为宽1-5mm，高1-5mm，长度与结晶器铜模宽度相同。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述结晶器铜模振幅为1-5mm，振频为60-300次/分钟。