CN105033216A - 一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，该方法为采集厚板坯连铸过程结晶器工况参数，利用厚板坯连铸过程结晶器工况参数，根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量，采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型，利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和凝固液相穴深度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热，以低幅高频振动的方式从厚板坯结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。

Description

一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法

技术领域

本发明属于厚板坯连铸生产领域，具体涉及一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法。

背景技术

相对传统模铸工艺，连铸工艺是一项重大的技术进步，但与生俱来的诸多产品缺陷制约连铸产品的质量。中厚板坯和超厚板坯及较厚的矩形坯要解决的普遍性问题是中心偏析、中心疏松、中心裂纹和等轴晶率低等内部质量缺陷。连铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷是制约厚板坯质量进一步提高的瓶颈，因此消除或控制中心偏析、中心疏松和裂纹等问题是解决厚板坯质量问题的关键。

常规连铸坯冷却凝固方式都是由表及里冷却凝固方式，关于常规连铸坯凝固传热及结晶过程已有大量的研究结果发表，就中心偏析、中心疏松及裂纹的形成机理也已有很深入的认识。针对不同的连铸坯品种、规格及条件，目前已采用改善钢液质量、液芯末端轻压下、电磁搅拌、优化连铸工艺等技术来提高连铸坯产品质量。改善钢液质量的措施是将碳、硅和锰控制在较窄范围内，减少钢中的[P]、[S]、[O]、[N]和[H]有害元素含量，去除夹杂物并控制其分布形态，通过气体搅拌等方法均匀钢水成分等。这些措施是清洁、均质钢液和降低铸坯内部缺陷的好办法；但是改善的程度是有限的，要求过高将导致冶炼难度加大、冶炼成本上升。液芯末端轻压下通过在连铸坯液芯末端附近施加压力产生一定压下量来补偿铸坯的凝固收缩量，一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促进液芯中心富集溶质元素的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用，该技术对改进薄板坯内部质量效果很明显，但对于厚板作用效果不显著。电磁搅拌技术能提高铸坯断面上的等轴晶率，从而有效改善中心偏析，但存在的问题是电磁搅拌位置难以准确控制，适应性差，维护费用高；特别是当铸坯厚度和规格较大时，固相率较高，因感应电流的集肤效应影响，对铸坯中心失去搅拌作用。低过热度浇铸是最有效增加等轴晶率的方法，在接近液相线温度的低过热度区会形成大量等轴晶的晶核，等轴晶的长大可以进一步阻止柱状晶的发展。但实际生产中将过热度降低到液相线附近浇铸是不可行的，因为这会造成水口堵塞，钢包和中间包结壳严重。

为了解决厚板连铸坯内部质量缺陷问题，乌克兰亚速钢厂(乌克兰专利No.40053A)提出了向连铸结晶器内喂钢带的技术。向结晶器内喂入钢带，藉借钢带熔化吸收热量快速降低钢液过热度，凝固前沿大范围内造成零过热度钢液区，同时将由表及里的冷却传热凝固过程变成在断面几乎同时进行凝固结晶过程，增加了结晶核，从而有效消除了中心偏析、增加等轴晶率，同时提高了中心组织致密度。从工艺可行性、工艺效果和经济合理的角度看，这是解决中厚板坯内部质量问题的一项切实可行的技术。然而工业化过程中却出现一个重要问题：喂入钢带量控制不准，经常在连铸坯中残留没有完全熔化的钢带。这是由于不明确钢带喂入量与钢带喂入参数和铸坯状态之间的关系导致的。这个问题制约喂钢带技术的广泛应用。

现有国内公开的报道(专利：CN200610044356.0、CN201210565960.3、CN201410799131.0)只限于对喂钢带设备或技术的笼统介绍，具体操作参数(喂入钢带的断面尺寸和速度等)的确定缺乏理论依据，使之无法快速、准确地适应复杂多变的连铸操作。目前对于工艺制度、操作参数和涉及的应用基础研究方面的内容还未见诸报道。采用数学解析方法分析冷钢带喂入钢液过程中的传热特征，推导理论喂带速度，是建立完整熔化模型的关键。但是目前研究文献中提出的熔化模型或理论喂带速度模型都不同程度的作了过多的简化，使其不能够准确地确定结晶器喂带工艺参数。如“一种中低碳高强度钢均质化铸坯的生产方法”(CN201410740946.1)一文中提出的喂入冷钢带的速度公式，只是考虑了由中间包到结晶器过程的钢水过热度，没有考虑结晶器冷却水带走的热量以及冷钢带熔化过程潜热的影响，这样的计算结果与实际生产实验相差甚远。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法：

一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，包括以下步骤：

步骤1：采集厚板坯连铸过程结晶器工况参数，所述工况参数包括中间包出口的钢液温度、工作拉速、厚板坯的断面面积、冷钢带的初始温度和钢液的化学成分；

步骤2：利用厚板坯连铸过程结晶器工况参数，根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量；

所述的根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量的公式表示如下：

$Q_{strip}=\frac{\mathrm{\α}\·C_P\·(T_{tundish}-T_{liquidus})\·A_{slab}\·V_{casting}}{C_P\·(T_{liquidus}-T_0)+q_{latent}}$

其中，Q_strip为冷钢带的喂入量，C_P为钢液定压比热，T_tundish为中间包出口的钢液温度，T_liquidus为钢液的液相线温度，A_slab为厚板坯的断面面积，V_casting为工作拉速，T₀为冷钢带初始温度，q_latent为冷钢带的熔化潜热，α为钢液过热量修正系数。

步骤3：采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型；

所述的采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，公式表示如下：

lnt_melting＝4.082+2.085lnh-0.497lnΔT-0.356lnT₀

其中，t_melting为冷钢带熔化时间，h为冷钢带喂入厚度，ΔT＝T_tundish-T_liquidus为浇铸钢水的过热度，T₀为冷钢带初始温度。

步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和凝固液相穴深度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度；

步骤5：在厚板坯连铸过程中，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热，以低幅高频振动的方式从厚板坯结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。

所述的冷钢带以低幅高频振动的方式喂入结晶器内钢液中，冷钢带在结晶器表面的振幅≤1mm，频率为50～300Hz。

所述的将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热的预热温度为100～300℃。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，以液相线共熔法为依据确定冷钢带喂入量，使得喂入钢带不但在浇注区能快速降低钢液过热度，而且在凝固前沿的液芯中形成较大范围的零或接近零过热度钢液区。该区域的钢液凝固后将会大大地减轻碳的宏观偏析，同时增加钢坯中心区域的等轴晶率，密实钢坯中心组织结构，防止疏松等缺欠；本发明引入广义热焓方法建立分析连铸坯-冷带体系相变传热理论模型，在连铸结晶器喂入钢带工艺中，钢坯内发生的是多元合金的凝固现象；钢带发生的是多元合金的复杂熔化现象，即熔化前期由于钢带升温吸热还要先凝固紧邻部分结晶器内钢液、形成钢带壳，待钢带温度达到熔化温度、吸收完熔化热后钢带连同先期凝固的钢带壳再一起逐渐熔化。钢坯/冷带系焓温关系复杂且不确定，仅仅使用温度作为热变量必然带来偏离实际过程的重大假定，因而采用广义热焓法描述连铸坯-冷带体系相变行为可以避免引入新的假定，使得研究结果更合理可靠。因此，本发明可以低成本、灵活地确定不同连铸工艺下的喂带工艺参数，从而保证厚板坯连铸结晶器喂带工艺的精确控制，保证连铸坯质量。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

本发明提出一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：采集厚板坯连铸过程结晶器工况参数，所述工况参数包括中间包出口的钢液温度、工作拉速、厚板坯的断面面积、冷钢带的初始温度和钢液的化学成分。

本实施方式中，采用在直弧型连铸机上浇铸厚板坯的断面面积A_slab为220mm×1800mm的低碳钢连铸坯，中间包出口的钢液温度T_tundish为1539～1551℃，工作拉速V_casting为0.8～1.2m·min^-1，冷钢带的初始温度T₀为25～600℃，钢液的化学成分及其质量百分数(wt％)如表1所示：

表1钢液的化学成分及其质量百分数(wt％)

成分	C	Si	Mn	Ti	S	P
							钢液	0.12539	0.26572	1.41	0.01388	0.00129	0.0112

步骤2：利用厚板坯连铸过程结晶器工况参数，根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量。

根据液相线共熔及相变传热理论，利用钢液过热量作为计算冷钢带喂入量的计算基础，即所喂入的冷钢带可以被浇注钢坯的过热量全部熔化，根据热量守恒，即钢液过热量等于喂入冷钢带熔化吸热量，同时考虑到结晶器以及二冷区带走的热量，引入钢液过热量修正系数α，得到计算公式如式(1)所示：

α·C_P·(T_tundish-T_liquidus)·A_slab·V_casting＝[C_P·(T_liquidus-T₀)+q_latent]·Q_strip(1)

其中，Q_strip为冷钢带的喂入量；C_P为钢液定压比热，J/(kg·k)；T_tundish为中间包出口的钢液温度，℃；T_liquidus为钢液的液相线温度，℃；A_slab为厚板坯的断面面积，m²；V_casting为工作拉速，m/s；T₀为冷钢带的初始温度，℃；q_latent为冷钢带的熔化潜热，J/kg；α为钢液过热量修正系数。

因此得到确定冷钢带的喂入量的公式如式(2)所示：

$Q_{strip}=\frac{\mathrm{\α}\·C_P\·(T_{tundish}-T_{liquidus})\·A_{slab}\·V_{casting}}{C_P\·(T_{liquidus}-T_0)+q_{latent}}---\left(2\right)$

本实施方式中，钢液定压比热C_P为710J/(kg·k)，冷钢带的熔化潜热q_latent为270000J/kg，钢液过热量修正系数α为0.4。

钢液的液相线温度T_liquidus根据钢液化学成分及其质量百分数计算得到，如式(3)所示：

T_liquidus＝1536-(78C+7.6Si+5Mn+18Ti+30S+34P)＝1516℃(3)

步骤3：采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型。

采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，公式如式(4)所示：

lnt_melting＝4.082+2.085lnh-0.497lnΔT-0.356lnT₀(4)

其中，t_melting为冷钢带熔化时间，s；h为冷钢带喂入厚度，mm；ΔT＝T_tundish-T_liquidus为浇铸钢水的过热度，℃。

本实施方式中，浇铸钢水的过热度ΔT取值为23～35℃，冷钢带喂入厚度h为2～4mm。

步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和凝固液相穴深度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度。

本实施方式中，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和凝固液相穴深度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度，公式如式(5)和式(6)所示：

$V_{strip}\≤\frac{\mathrm{\β}\·H}{t_{melting}}---\left(5\right)$

$w=\frac{Q_{strip}}{V_{strip}\·h}---\left(6\right)$

其中，V_strip为冷钢带喂入速度，m/s；β为直弧型连铸机液相穴调节系数，取值为0.25～0.4；H为凝固液相穴深度为7.705～11.674m；w为冷钢带喂入宽度，mm。

本实施方式中，确定的冷钢带的断面尺寸和喂入速度如表2所示：

表2确定的冷钢带的断面尺寸和喂入速度

步骤5：在厚板坯连铸过程中，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热，以低幅高频振动的方式从厚板坯结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。

冷钢带以低幅高频振动的方式喂入结晶器内钢液中，冷钢带在结晶器表面的振幅≤1mm，频率为50-300Hz。

所述的将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热的预热温度为100～300℃。

Claims (5)

1.一种厚坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集厚板坯连铸过程结晶器工况参数，所述工况参数包括中间包出口的钢液温度、工作拉速、厚板坯的断面面积、冷钢带的初始温度和钢液的化学成分；

步骤2：利用厚板坯连铸过程结晶器工况参数，根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量；

步骤3：采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型；

步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和凝固液相穴深度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度；

步骤5：在厚板坯连铸过程中，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热，以低幅高频振动的方式从厚板坯结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。

2.根据权利要求1所述的厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，其特征在于，所述的根据液相线共熔及相变传热理论确定冷钢带的喂入量的公式表示如下：

$Q_{strip}=\frac{\mathrm{\α}\·C_P\·(T_{tundish}-T_{liquidus})\·A_{slab}\·V_{casting}}{C_P\·(T_{liquidus}-T_0)+q_{latent}}$

其中，Q_strip为冷钢带的喂入量，C_P为钢液定压比热，T_tundish为中间包出口的钢液温度，T_liquidus为钢液的液相线温度，A_slab为厚板坯的断面面积，V_casting为工作拉速，T₀为冷钢带初始温度，q_latent为冷钢带的熔化潜热，α为钢液过热量修正系数。

3.根据权利要求1所述的厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，其特征在于，所述的采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，公式表示如下：

lnt_melting＝4.082+2.085lnh-0.497ln△T-0.356lnT₀

其中，t_melting为冷钢带熔化时间，h为冷钢带喂入厚度，△T＝T_tundish-T_liquidus为浇铸钢水的过热度，T₀为冷钢带初始温度。

4.根据权利要求1所述的厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，其特征在于，所述的冷钢带以低幅高频振动的方式喂入结晶器内钢液中，冷钢带在结晶器表面的振幅≤1mm，频率为50～300Hz。

5.根据权利要求1所述的厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，其特征在于，所述的将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热的预热温度为100～300℃。