CN105170951B - 一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置。该方法的步骤包括：以定向铸模两段为挤压头，挤压头内通入冷却水冷却；计算水冷装置的凝固系数β；确定水冷装置中的冷却水流量和流速；挤压头向内施加压力，向内挤压钢锭；确定压下开始时间；计算压下量；计算压下速率；生产运行；该装置包括：定向铸模、浇道、碳质发热体、挡渣板、浇口、排渣排钢口、链接杆、液压系统、计算机、水冷挤压头、进水口和出水口。本发明采用双向水平定向凝固工艺将竖直反向生长的柱状晶组织加和，生产超长柱状晶的特厚板坯，显著增加了特厚板坯的厚度；通过挤压排除中心溶质富集钢液并有效压合中心疏松缩孔，能够灵活有效进行生产。

Description

一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置

技术领域

本发明涉及钢铁冶金工业铸造厚板坯定向凝固方法及其装置，特别是一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置。

背景技术

海工、军工、化工、核工等先进装备朝大型化、重型化发展，需要越来越多的特厚钢板，这些板类件趋于大重量、超厚度，而且要求具有大压缩比、高致密度、高洁净度、高均匀性和低缺陷率，保证良好的内部质量和厚度方向性能。钢板越厚生产越困难，解决开口度1米以上特厚板轧机所需优质坯料，满足大型装备制造业对特厚板的需求是一项紧迫的任务。

目前主要采用连铸、模铸、焊接复合连铸板、定向凝固和电渣重熔等工艺生产特厚板坯。连铸难于生产厚度超过440mm的板坯，受压缩比限制，不能生产超过160mm的优质厚板。模铸大型钢锭冷速慢，容易产生偏析、孔洞和疏松，内部质量无法满足探伤要求。电渣重熔大型板锭质量较好，但是生产效率低、生产成本极高，工艺装备复杂、投资大。只适用对板坯质量有极特殊要求的板材生产。

采用焊接复合连铸板坯轧制特厚钢板，焊缝的化学成分不稳，焊接易产生热变形，复合界面强度差。采用锻压坯和初轧坯料等特殊工艺手段，需要二火成材，整个流程投资大、工艺复杂，生产不经济，只有较少企业采用。

水平定向凝固生产的特厚板坯料枝晶粗大且密实，Z向性能好，倒V型偏析很少，轧制后的特厚钢板具有优良的力学性能，表现出良好的抗回火脆性、断裂韧性、加工性和焊接性。该工艺方法被认为是解决特厚板轧机用钢锭的大型化与内部高品质这一矛盾的有效手段。用于生产特厚板坯的水平定向凝固是单向的，由于钢的热传导限制，柱状晶极限长度为870mm左右，特厚板的厚度难于突破；另外，需要通过机械加工或火焰清理去除占总体积7-8％的顶面溶质富集区，清理困难、费用高。以上两个问题是水平定向凝固特厚板坯的瓶颈。

专利公开号：CN 104249142 A，公开了一种纯净化、均质化、致密化和细晶化钢铁大板坯的压力铸造方法。该方法可以解决现有大断面板坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大板坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高板坯成材率。但是该方法对设备要求较高，且在凝固结束之前，要保持倒置加压状态，周期较长。

专利公开号：CN 102921914 A，公开了一种改善特厚板坯中心偏析和中心疏松的大压下技术。通过大压下手段的实施，可以使压下力传递到板坯中心，控制和改善厚板坯中心偏析、中心疏松和缩孔。但是，并没有对最后凝固区域所处的位置进行改变，所以无法从根本上解决坯料在轧制过程中，此处的缺陷难以压合的问题。此外，该技术适用于连板坯，无法解决钢锭内部缺陷的有效压合问题。

专利公开号：CN102161079B，公开了一种高质量宽厚板坯制造工艺。该工艺在工装水冷底盘上的前后左右四面分体设置水冷动模，前后左右四面设置的水冷动模和下部置的水冷底盘形成组合式水冷模具。采用液压动力系统对板坯实施挤压，使宽厚板坯在压力作用下凝固结晶，消除宽厚板坯内部缩孔与疏松。但是，该工艺附带的设备较多，使用期间的保养与维护较复杂，势必造成坯料的生产成本增加。

专利公告号：CN101654743B，公开了一种电渣炉凝固超大截面钢锭的装置与方法。该装置主要由可移动炉体、假电极、石墨电极、短网、变压器、移动渣包、渣包液压缸、横臂升降系统装置、结晶器、轨道、移动炉体液压缸、横臂和横臂夹头构成。使用本装置及其方法能够实现超大截面钢锭定向凝固，降低生产成本，节约吨钢能耗，缩短作业时间，提高工作效率，提高了钢材质量，增加钢水收得率。但是在倒入渣，插入电极过程中，会对钢液的纯净度造成影响。同时在电弧加热的过程中，加大了结晶器的负担，对结晶器的要求较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置。

本发明提供的一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法包括以下步骤：

a.以定向铸模两端为挤压头，挤压头内通入冷却水冷却；

b.计算水冷装置的凝固系数β

钢液在挤压头的一侧，β值通过式(2)来进行确定：

式中：T_f为液态钢液的温度，T₀为水冷压头的温度，C_pm为单位质量定向铸模所能吸收的热容量，L_f为铁的结晶潜热；

c.确定水冷装置中的冷却水流量和流速

1)冷却水流量Q与凝固系数β通过经验公式(3)得到：

式中：m为钢锭的吨位；

2)冷却水流量Q与流速V的关系由式(4)得到：

Q＝3600πD²V/4 式(4)

式中：D为管路的直径。

d.确定压下开始时间

压下开始时间由不同钢种，不同吨位的板坯确定，当钢液在水冷压头处开始凝固，柱状晶开始搭接时，开始挤压；

e.计算压下量

钢液在密封铸模内，铸模的长为A₁,宽为A₂，中心的液态金属随着挤压头的挤压，沿着浇道回流，挤压过程中，锭高H₁发生变化，H₂为挤压后的锭高，W1为钢锭的上表面面积，定义V₁、V₂为挤压前后钢锭的体积，被挤出的液体体积为V₃，在挤压过程中，坯壳发生变形，由体积不变定律可得压下量ΔH为：

V₁＝V₂+V₃

ΔH＝V₃/W1 式(5)

f.计算压下速率

最大压下速率首先是钢种本身所要求的，最大压下速率与钢种能承受的最大形变速率有关，最大压下速率引起的形变不能超过钢的某一临界值,否则会产生裂纹，其次与冷却条件、断面及铸机设备本身条件有关，估算压下速率半经验公式:

式中:V_R—压下速率/mm·min^-1，D—厚度/mm，W—板坯宽度/mm，T_L—液相线温度/℃，T_S—固相线温度/℃。

g.生产运行

完成以上步骤，进入生产流程，钢液从浇道流入定向铸模内前，开启冷却水，等钢液注满铸模，在两侧挤压头上顺利结壳并冷却后，通过电脑控制液压装置，液压装置通过链接杆驱动挤压头，开始挤压操作，此时，碳质发热体对浇道内的钢液进行加热，待挤压操作完成后，保留足够的液态金属，对钢锭进行补缩，挡渣板在钢液注入时撇渣，防止渣进入钢液中。

一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法采用的装置，该装置包括：定向铸模1、浇道2、碳质发热体3、挡渣板4、浇口5、排渣排钢口6、链接杆7、液压系统8、计算机9、水冷挤压头10、进水口11和出水口12，所述的碳质发热体3在浇道2的外部，浇道2连接在定向铸模1的一侧，两个水冷挤压头10安装在定向铸模1两侧开口处，并连接链接杆7和液压系统8，通过计算机9控制进行挤压，冷却水经进水口11流入水冷挤压头10，从出水口12流出，挡渣板4安装在浇口5的后侧，在浇注时起到挡渣的作用；所述的浇道2和定向铸模1加热电路分别独立控制，定向铸模1为对开式，定向铸模1和水冷挤压头10的材质均采用钨合金，其余部分均为镁质复合耐火材料，定向铸模1侧面的开孔与浇道2螺纹连接，在定向凝固前期枝晶生长过程中，加热的浇道2作为冒口起补缩作用，在挤出心部钢液时作为排出通道；所述的水冷挤压头10安放位置能够调节，上部水冷装置通过连接链接杆7连接液压系统8，当钢液浇注完成后将手冷挤压头移至工作位，在凝固过程前期浇道无法满足钢液凝固收缩需求时，可启用压下装置带动上部水冷挤压头向下运动补缩；当柱状晶生长到一定长度时，调整液压装置的压力和压下量，控制上部水冷挤压头向下运动速度和压力，将溶质富集钢液挤出心部；然后切换较小压力工作，融合完成后停止压下工作。

本发明与现有同类技术相比，其显著地有益效果体现在：

采用双向水平定向凝固工艺将竖直反向生长的柱状晶组织加和，生产超长柱状晶的特厚板坯，显著增加了特厚板坯的厚度；通过挤压排除中心溶质富集钢液并有效压合中心疏松缩孔，可压下挤出中心溶质富集钢液，上下双向冷却的熔铸装置可操作性强，能够灵活有效进行生产。

附图说明

图1是一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法生产的厚板坯示意图。

图2是一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法采用的装置结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法，该方法的步骤如下：

1)准备工作

浇注前，通过碳质发热体3对定向铸模1和浇道2进行预热，预热至1000℃以上，并通过进水口11向水冷压头处供给冷却水，进行冷却，冷却水从出水口12流出；

2)计算水冷装置的凝固系数β

钢液在挤压头的一侧，β值通过式(2)来进行确定：

冷却水流量Q与凝固系数β通过经验公式(3)得到：

冷却水流量Q与流速V的关系可由式(4)得到：

Q＝3600πD²V/4 式(4)

求出β值结合式(3)式(4)选定合适的冷却水流量与压强；

3)挤压操作

a.确定压下时间

压下开始时间由不同钢种，不同吨位的板坯确定，当钢液在水冷压头处开始凝固，横向柱状晶开始搭接时，开始挤压；

b.确定压下量与压下速率

钢液在密封铸模1内，铸模1的长为A₁,宽为A₂，中心的液态金属随着挤压头10的挤压，沿着浇道2回流，挤压过程中，锭高H₁发生变化，H₂为挤压后的锭高，W1为钢锭的上表面面积，定义V₁、V₂为挤压前后钢锭的体积，被挤出的液体体积为V₃，在挤压过程中，坯壳发生变形，压下量ΔH为：

V₁＝V₂+V₃

ΔH＝V₃/w1 式(5)

最大压下速率首先是钢种本身所要求的，最大压下速率与钢种能承受的最大形变速率有关，最大压下速率引起的形变不能超过钢的某一临界值,否则会产生裂纹，其次与冷却条件、断面及铸机设备本身条件有关估算压下速率半经验公式:

由(5)～(6)式确定所需尺寸大小的钢锭，在进行压下时的压下速率及压下量；

4)生产运行

完成以上三个步骤，即可进行正式生产流程进行生产。钢液从浇道2流入铸模1内前，开启冷却水，等钢液注满铸模，在两侧挤压头10上结壳并冷却后，通过电脑9控制液压装置8，液压装置8通过链接杆7驱动挤压头10，开始挤压操作。按特定钢种调整不同的挤压速度以及挤压量。此时，碳质发热体3对浇道2内的钢液进行加热，待挤压操作完成后，为钢锭提供足够的热能，保留足够的液态金属，对钢锭进行补缩。挡渣板4在钢液注入时，起到撇渣的作用，防止渣进入钢液中。

生产中，增加从上部向下生长的柱状晶，通过与向上生长的柱状晶融合，使柱状晶组织长度增加，进而突破水平定向凝固生产特厚板坯厚度的限制。同时在柱状晶生长到一定长度时，将中心液态溶质富集钢液挤出板坯，彻底解决单向凝固溶质富集区的清理问题。同时还可起到有效压实中心疏松缩孔的作用，很好的控制由凝固收缩导致的板坯中心缺陷。

Claims (2)

1.一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法，其特征是该方法包括以下步骤：

a.以定向铸模两端为挤压头，挤压头内通入冷却水冷却；

b.计算水冷装置的凝固系数β

钢液在挤压头的一侧，β值通过式(2)来进行确定：

式中：T_f为液态钢液的温度，T₀为水冷压头的温度，C_pm为单位质量定向铸模所能吸收的热容量，L_f为铁的结晶潜热；

c.确定水冷装置中的冷却水流量和流速

1)冷却水流量Q与凝固系数β通过经验公式(3)得到：

式中：m为板坯的吨位；

2)冷却水流量Q与流速V的关系由式(4)得到：

Q＝3600πD²V/4 式(4)

式中：D为管路的直径；

d.确定压下开始时间

压下开始时间由不同钢种，不同吨位的板坯确定，当钢液在水冷压头处开始凝固，柱状晶开始搭接时，开始挤压；

e.计算压下量

钢液在定向铸模内，定向铸模的长为A₁,宽为A₂，中心的液态金属随着挤压头的挤压，沿着浇道回流，挤压过程中，锭高H₁发生变化，H₂为挤压后的锭高，W1为钢锭的上表面面积，定义V₁、V₂为挤压前后钢锭的体积，被挤出的液体体积为V₃，在挤压过程中，坯壳发生变形，由体积不变定律可得压下量ΔH为：

V₁＝V₂+V₃

ΔH＝V₃/W1 式(5)

f.计算压下速率

最大压下速率首先是钢种本身所要求的，最大压下速率与钢种能承受的最大形变速率有关，最大压下速率引起的形变不能超过钢的某一临界值,否则会产生裂纹，其次与冷却条件、断面及铸机设备本身条件有关，估算压下速率半经验公式:

式中:V_R—压下速率/mm·min^-1，D—厚度/mm，W—板坯宽度/mm，T_L—液相线温度/℃，T_S—固相线温度/℃；

g.生产运行

完成以上步骤，进入生产流程，钢液从浇道流入定向铸模内前，开启冷却水，等钢液注满铸模，在两侧挤压头上顺利结壳并冷却后，通过电脑控制液压系统，液压系统通过链接杆驱动水冷挤压头，开始挤压操作，此时，碳质发热体对浇道内的钢液进行加热，待挤压操作完成后，保留足够的液态金属，对钢锭进行补缩，挡渣板在钢液注入时撇渣，防止渣进入钢液中。

2.权利要求1所述的一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法采用的装置，其特征是该装置包括：定向铸模(1)、浇道(2)、碳质发热体(3)、挡渣板(4)、浇口(5)、排渣排钢口(6)、链接杆(7)、液压系统(8)、计算机(9)、水冷挤压头(10)、进水口(11)和出水口(12)，所述的碳质发热体(3)在浇道(2)的外部，浇道(2)连接在定向铸模(1)的一侧，两个水冷挤压头(10)安装在定向铸模(1)两侧开口处，并连接链接杆(7)和液压系统(8)，通过计算机(9)控制进行挤压，冷却水经进水口(11)流入水冷挤压头(10)，从出水口(12)流出，挡渣板(4)安装在浇口(5)的后侧；所述的浇道(2)和定向铸模(1)加热电路分别独立控制，定向铸模(1)为对开式，定向铸模(1)侧面的开孔与浇道(2)螺纹连接；所述的水冷挤压头(10)安放位置能够调节，上部水冷装置通过连接链接杆(7)连接液压系统(8)。