CN104399923B - 一种生产特厚板连铸坯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属连续铸造领域，特别涉及一种采用快速冷却及非对称大压下生产特厚板连铸坯的方法。该方法的连铸坯在结晶器(1)下方依次经过垂直段(2)、弧形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)，通过在铸机的二次冷却区域实施快速冷却和非对称性大压下，该快速冷却工艺使得弯曲或矫直前实现铸坯表层的铁素体化过程，并确保第二相粒子在晶内与晶界均衡析出，改善了铸坯的表层组织，同时该非对称性大压下工艺可增加坯料芯部的变形，防止了弯曲和矫直过程中特厚铸坯表面裂纹的发生，同时改善了特厚铸坯的中心偏析与中心疏松。本发明能更好地改善特厚板连铸坯的表面质量和中心质量，使特厚板铸坯可实现低压缩比轧制生产120mm厚以上特厚钢板。

Description

一种生产特厚板连铸坯的方法
技术领域
本发明涉及金属连续铸造领域，特别涉及一种采用快速冷却及非对称大压下的生产特厚板连铸坯的方法。
背景技术
特厚板广泛用于海洋平台、造船、核电、锅炉、压力容器、高压力管线、水利、桥梁、机械模具、建筑及重要结构等特厚板产品，而特厚板一般是采用模铸铸坯开坯后轧制或是采用复合坯轧制的方法，通过合理的压缩比保证了板材芯部的性能。
目前，国内生产特厚板(≥100mm厚的钢板)主要采用模铸钢锭或电渣重熔钢锭法来生产，比如舞钢、宝钢和营口厚板厂等，以及用复合铸坯法来生产特厚板，如柳钢和济钢等。通过模铸工艺来生产特厚钢板具有能耗高、生产率较低、金属成材率低、环境污染大等特点，因而不适合当前绿色冶金的发展方向。
采用连铸坯生产特厚板(≥50mm厚的钢板)一般会受到以下两个方面的影响：1)板厚方向的力学性能，钢锭的V形偏析、倒V形偏析和连铸坯的中心偏析会因钢水成分富集程度不同而影响钢板芯部的强度和韧性；2)由于轧制压缩比偏低，钢锭坯中微细孔隙会影响钢板的内部质量；3)高品质特厚板对厚度方向的力学性能及均匀性都有严格的要求，如板厚方向拉伸、Z向抗撕裂性和Z向冲击韧性等。
随着连铸坯厚度不断增加，使用连铸坯生产特厚板(≥100mm厚的钢板)的制造技术成为一个重要的发展方向。为避免坯料内部组织疏松和偏析等缺陷向板材延伸，特厚板轧制时需要采用高温、低速、大压下工艺，特别是需要较大的压下率来增强坯料芯部的变形，而单道次的大压下率对工作辊材料和尺寸、主电机的功率都有更高的要求，这样才能保证每道次都在较高的压下率进行轧制。目前我国现有的连铸机可稳定生产出最大厚度420mm的连铸坯，虽然能保证轧制压缩比大于3，但由于轧机装备能力(轧制力、电机扭矩等)的限制难以实现单道次较大的压下量和变形率，不能完全消除铸坯中心的偏析与疏松对100mm厚以上钢板的芯部质量的影响。因此要提高低轧制压缩比下特厚板的中心性能，就必须提高连铸坯的中心质量。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种生产特厚板连铸坯的方法，通过在铸机的冷却区域实施快速冷却和非对称性大压下，改善特厚板铸坯的表层组织、中心偏析与中心疏松，提高特厚板连铸坯的表面质量和中心质量，可实现低压缩比轧制生产120mm厚以上特厚钢板。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种生产特厚板连铸坯的方法，连铸坯在结晶器1下方依次经过垂直段2、弧形段3、矫直段4和水平段5，所述方法包括如下快速冷却和非对称性压下步骤：
a.在连铸坯弯曲或矫直前实施快速冷却，其中，
在所述垂直段2上部实施快速冷却，使铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，提高该区域的冷却强度，使铸坯表面温度快速降到700℃以下，同时，在垂直段2的下端实施弱冷，使进入弧形段3的铸坯表面温度回升到950℃以上；或者在矫直段4之前实施快速冷却工艺，并且使矫直段4内的铸坯表面温度回升到900℃以上；
b.连铸坯非对称性大压下，其中，
在铸坯的凝固末端或全凝固初期，通过连铸机的扇形段3、矫直段4和水平段5的框架对铸坯施以3-15mm/m的非对称大压下量，和/或
在铸机的凝固末端位置之前，即在矫直段4或水平段凝固末端快冷区7实施表面快速冷却，在凝固末端的两个或三个扇形区采用非对称性大压下，压下量为3-15mm/m，和/或
独立应用于铸机出口的任一位置，在特厚板连铸机的出口或切割之后采用非对称性大压下。
所述步骤a中，在弯曲或矫直前实现铸坯表面的铁素体化过程，并确保第二相粒子在晶内与晶界均衡析出。
所述步骤a中，快速冷却区的冷却强度范围为800-4000w/m2/℃，铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，冷却介质可采用纯水冷却或气雾冷却。
使用板坯连铸机或方坯连铸机进行快速冷却控制，对于板坯连铸机，铸机拉速在0.4m/min-1.5m/min，二冷区的比水量为0.45-1.5l/kg；对于方坯连铸机，铸机拉速在0.6m/min-2.8m/min，二冷区的比水量为0.25-1.0l/kg。
所述步骤b中，控制钢水过热度在10-30℃，铸机工作拉速在0.4m/min-1.5m/min，二比水量为0.45-1.5l/kg，同时在压下段前一段与当前段实施铸坯表面强制冷却控制。
所述连铸坯非对称性大压下工艺压下率为0.025-0.12mm/s。
所述非对称性大压下采用非对称性辊对框架11。
铸机扇形段辊列为大小辊对的设计，即采用五对辊或三对辊的非对称辊，使得在压下过程中实现铸坯中心的非对称变形。
该方法中的非对称性辊对的非对称性压下为下列操作或其组合：a.铸坯变形非对称性；b.铸坯温度非对称性；c.压下辊的直径或辊速非对称性。
该方法用于厚度100-120mm或更厚的特厚板连铸坯生产。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过降低铸坯的表面温度提高了铸坯表层的强度，使铸坯压下过程的变形向铸坯中心传递，同时非对称大变形量的压下过程也对铸坯的中心产生较大的剪切变形，从而实现特厚板连铸坯的中心质量控制。
2)快速冷却装置主要针对连铸二冷的喷淋架与管路的改造，对铸机扇形段结构无明显改动，且快速冷却区域可灵活调整，快速冷却装置可以有效地实现铸坯表面温度的控制。
3)通过非对称辊对的设计，利用上下辊对铸坯施加较大的剪切力，在铸坯的中心产生较大的剪切变形，从而实现铸坯中心的轧制变形，使铸坯中心组织更均匀、晶粒更细小，可以有效控制特厚板连铸坯的中心偏析与疏松，消除铸坯中心的铸态组织，提高铸坯中心的各向同性，也可生产压缩比较小的板材，并具备与现有扇形段互换的功能。
4)也可在铸机扇形段之后或铸坯切割之后设计安装一组非对称性大变形压下框架，从而实现连铸坯的非对称性压下。
5)本发明主要是改善了特厚板连铸坯的中心质量和表面缺陷，为生产120mm厚特厚板的特厚连铸坯母材提供技术保障。
6)非对称大压下与传统的连铸机轻压下机理不同，传统的轻压下工艺由于传递到铸坯中心的变形量较小，同时凝固末端的大压下还受到压下位置精度的影响，因此这种压下工艺对于改善铸坯中心的疏松和偏析仍存在一定的不足。非对称大压下工艺与轧制工艺也存一点不同，即铸坯内部的温度分布不同，轧制过程中铸坯内外温度差小，而非对称压下过程中铸坯内外温度大，这样压下过程的变形更容易向温度高的芯部集中。
附图说明
图1为本发明的连铸机快速冷却和非对称压下位置图
图2为本发明的非对称性辊对框架示意图。
【主要组件符号说明】
1结晶器2垂直段(零段)
3弧形段(扇形段)4矫直段
5水平段
6垂直段快冷区
7水平段凝固末端快冷区
8水平段凝固末端非对称压下区
9铸机出口或切割后非对称压下区
10连铸坯
11非对称性辊对框架
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明，本发明并不局限于以下实施例。
在连铸坯轧制过程中，通常铸坯内外温度几乎一致，而在连铸机内，铸坯表面温度比芯部温度约低300-400℃，此时铸坯内热外冷、内软外硬，因此，压下过程中坯料的变形更趋于向中心集中。常规板坯连铸机凝固末端轻压下工艺的压下量为4-5mm，压下率约为0.6-1.0mm/m，对应的压下速率约为0.01-0.02mm/s，而特厚板连铸机大压下工艺产生的压下率和压下速率分别可达到3-15mm/m、0.025-0.12mm/s。目前特厚板连铸机动态轻压下的最大压下量为10-12mm，最大压下率约为1.25mm/m，对应的压下率约为0.013％。
常规板坯在轧制过程中的最大变形率为15％-20％，对于轧制厚度大于90mm的钢板在轧制过程中的最大压下率小于10％。与轧制过程压下10mm(压下率5mm/m)时坯料中心的变形相比，扇形段内铸坯大压下10mm时坯料中心节点的总应变量由0.021增加到0.157，此时厚度方向的应变量分别为0.020、0.138，表面强冷后，铸坯中心节点的应变量增加到0.164，因此连铸过程铸坯的大压下使坯料中心产生的变形远大于轧制过程，表面强冷更有利于坯料中心的变形。
如图1所示，为本发明的连铸机快速冷却和非对称压下位置图，其中，在特厚板连铸机凝固末端，结晶器1下方依次为垂直段(零段)2、弧形段(扇形段)3、矫直段4和水平段5。
1)连铸坯弯曲或矫直前实施快速冷却，其原理是在弯曲或矫直前实现铸坯表面的铁素体化过程，并确保第二相粒子在晶内与晶界均衡析出；在铸坯非对称大压下过程，降低表面温度还可以使铸坯的变形向芯部延伸。
在所述垂直段2上部即垂直段快冷区6实施快速冷却，使铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，提高该区域的冷却强度，使铸坯表面温度快速降到700℃以下，同时，在垂直段2的下端实施弱冷，使进入弧形段3的铸坯表面温度回升到950℃以上，使特厚板坯在弯曲之前完成一次铁素体化过程，从而提高铸坯表面的组织和强度，防止铸坯表面裂纹的产生。或者在矫直段4之前实施快速冷却工艺，并且使矫直段4内的铸坯表面温度回升到900℃以上，避免矫直裂纹的产生。
依据快速冷却区的长度与冷却强度要求，快速冷却区的冷却强度范围为800-4000w/m2/℃，铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，冷却介质可采用纯水冷却或气雾冷却；通用于现有的板坯和方坯连铸机进行快速冷却控制，对于板坯连铸机，铸机拉速在0.4m/min-1.5m/min，二冷区的比水量为0.45-1.5l/kg；对于方坯连铸机，铸机拉速在0.6m/min-2.8m/min，二冷区的比水量为0.25-1.0l/kg。
2)连铸坯非对称性大压下，降低铸坯的中心偏析及消除中心疏松。
在铸坯的凝固末端或全凝固初期，通过连铸机的扇形段3、矫直段4和水平段5的框架对铸坯施以3-15mm/m的非对称大压下量，利用五对或三对非对称辊的非对称压下，实现在铸坯中心产生较大的变形，降低铸坯的中心偏析及消除中心疏松。根据特厚板坯铸机的特点，控制钢水过热度在10-30℃，铸机工作拉速在0.4m/min-1.5m/min，二冷比水量为0.45-1.5l/kg，同时在压下段前一段与当前段实施铸坯表面强制冷却控制。
其中，非对称性大压下可以是铸坯变形非对称性、铸坯温度非对称性、以及压下辊的直径或辊速非对称性。所述连铸坯非对称性大压下，还可应用于连铸机水平段5间的扇形区或铸机外部似扇形区的压下框架。
3)在铸机的凝固末端位置之前，即在矫直段4或水平段凝固末端快冷区7实施表面快速冷却；在凝固末端的两个或三个扇形段，即在水平段凝固末端非对称压下区8，采用非对称性大压下，压下量为3-15mm/m，使铸坯的中心产生较大的剪切变形，从而达到消除或减小铸坯的中心偏析、消除中心疏松的效果。
4)在特厚板连铸机的出口或切割之后，即在铸机出口或切割后非对称压下区9设置非对称性辊对框架，对特厚板连铸坯实施大压下，从而在铸坯的中心产生较大的变形量，提高铸坯的中心质量。
图2为所述非对称性辊对框架的示意图。其中，非对称辊对设计主要是针对扇形段内三对或五对辊的辊径进行大小辊设计，通过不同辊径向铸坯内传递力的路径与大小的不同，实现非对称辊对对连铸坯10中心产生一定的剪切变形。扇形段非对称辊对的辊径比依据铸坯凝壳厚度及温度的不同可以设计成1-5，从而实现连铸坯10中心剪切变形量的控制。
通过对铸机扇形段辊列进行大小辊对的设计，将七辊改造成五对辊或三对辊的非对称性辊对框架11，在压下过程中实现连铸坯10中心的非对称变形。该扇形段可单独用于全凝固后的任一水平段，也可自由组合成多个扇形段对铸坯实施非对称性大变形压下，该非对称性辊对扇形段可与常规扇形段互换通用。该压下框架也可独立应用于铸机出口的任一位置(铸机出口或切割后)。
本发明可以改善铸坯过弯曲与矫直时铸坯的表面组织与性能，防止弯曲与矫直过程中表面裂纹的发生；同时利用凝固末端的非对称大压下与快冷技术、结合全凝固后的非对称变形工艺，实现铸坯中心的铸轧，可以明显改善特厚板铸坯中心的凝固组织特性，可为120mm厚以上特厚钢板的中心质量提供质量保证。

Claims (12)

1.一种生产特厚板连铸坯的方法，连铸坯在结晶器(1)下方依次经过垂直段(2)、弧形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)，其特征在于：所述方法包括如下快速冷却和非对称性压下步骤：
a.在连铸坯弯曲前实施快速冷却，其中，
在所述垂直段(2)上部实施快速冷却，使铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，提高该区域的冷却强度，使铸坯表面温度快速降到700℃以下，同时，在垂直段(2)的下端实施弱冷，使进入弧形段(3)的铸坯表面温度回升到950℃以上；
b.连铸坯非对称性大压下，其中，
在铸坯的凝固末端或全凝固初期，通过连铸机的扇形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)的框架对铸坯施以3-15mm/m的非对称大压下量，和/或
在铸机的凝固末端位置之前，即在矫直段(4)或水平段凝固末端快冷区(7)实施表面快速冷却，在凝固末端的两个或三个扇形段采用非对称性大压下，压下量为3-15mm/m，和/或
独立应用于铸机出口的任一位置，在特厚板连铸机的出口或切割之后采用非对称性大压下。
2.一种生产特厚板连铸坯的方法，连铸坯在结晶器(1)下方依次经过垂直段(2)、弧形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)，其特征在于：所述方法包括如下快速冷却和非对称性压下步骤：
a.在连铸坯矫直前实施快速冷却，其中，
在矫直段(4)之前实施快速冷却工艺，并且使矫直段(4)内的铸坯表面温度回升到900℃以上；
b.连铸坯非对称性大压下，其中，
在铸坯的凝固末端或全凝固初期，通过连铸机的扇形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)的框架对铸坯施以3-15mm/m的非对称大压下量，和/或
在铸机的凝固末端位置之前，即在矫直段(4)或水平段凝固末端快冷区(7)实施表面快速冷却，在凝固末端的两个或三个扇形段采用非对称性大压下，压下量为3-15mm/m。
3.一种生产特厚板连铸坯的方法，连铸坯在结晶器(1)下方依次经过垂直段(2)、弧形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)，其特征在于：所述方法包括如下快速冷却和非对称性压下步骤：
a.在连铸坯矫直前实施快速冷却，其中，
在矫直段(4)之前实施快速冷却工艺，并且使矫直段(4)内的铸坯表面温度回升到900℃以上；
b.连铸坯非对称性大压下，其中，
在铸坯的凝固末端或全凝固初期，通过连铸机的扇形段(3)、矫直段(4)和水平段(5)的框架对铸坯施以3-15mm/m的非对称大压下量，和/或
在铸机的凝固末端位置之前，即在矫直段(4)或水平段凝固末端快冷区(7)实施表面快速冷却，在凝固末端的两个或三个扇形段采用非对称性大压下，压下量为3-15mm/m，和
独立应用于铸机出口的任一位置，在特厚板连铸机的出口或切割之后采用非对称性大压下。
4.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：所述步骤a中，在弯曲或矫直前实现铸坯表面的铁素体化过程，并确保第二相粒子在晶内与晶界均衡析出，改善铸坯表层的组织与性能。
5.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：所述步骤a中，快速冷却区的冷却强度范围为800-4000w/m2/℃，铸坯表面的冷却速率达到5-15℃/s，冷却介质采用纯水冷却或气雾冷却。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：使用板坯连铸机或方坯连铸机进行快速冷却控制，对于板坯连铸机，铸机拉速在0.4m/min-1.5m/min，二冷区的比水量为0.45-1.5l/kg；对于方坯连铸机，铸机拉速在0.6m/min-2.8m/min，二冷区的比水量为0.25-1.0l/kg。
7.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：所述步骤b中，控制钢水过热度在10-30℃，铸机工作拉速在0.4m/min-1.5m/min，二比水量为0.45-1.5l/kg，同时在压下段前一段与当前段实施铸坯表面强制冷却控制。
8.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：所述连铸坯非对称性大压下工艺压下率为0.025-0.12mm/s。
9.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：所述非对称性大压下采用非对称性辊对框架(11)。
10.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：铸机扇形段辊列为大小辊对的设计，即采用五对辊或三对辊的非对称辊，使得在压下过程中实现铸坯中心的非对称变形。
11.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：该方法中的非对称性压下为下列操作或其组合：a.铸坯变形非对称性；b.铸坯温度非对称性；c.压下辊的直径或辊速非对称性。
12.如权利要求1、2、3之一所述的方法，其特征在于：该方法用于厚度100-120mm或更厚的特厚板连铸坯生产。
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