CN105964958A - 一种渐变曲率斜长倒角结晶器及其设计方法 - Google Patents

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    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
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Abstract

本发明属于宽厚板连铸坯生产领域，具体涉及一种渐变曲率斜长倒角结晶器及其设计方法。本发明通过倒角面的渐变曲率和水冷设计，充分补偿结晶器与铸坯间的气隙，从而有效提高倒角面传热效率，细化倒角面晶粒，抑制铌、钒、钛等微合金碳、氮化物在晶界的链状析出，提升角部热塑性，抑制边角裂纹缺陷的产生。

Description

一种渐变曲率斜长倒角结晶器及其设计方法
技术领域
本发明属于宽厚板连铸坯生产领域，具体涉及一种渐变曲率斜长倒角结晶器及其设计方法。
背景技术
凝固末端轻压下技术是改善铸坯中心偏析与疏松的有效手段，已经成为新建连铸机的普遍配备技术。然而，对于宽厚板连铸坯而言，由于坯壳的增宽加厚，压下量向铸坯心部的渗透效率明显降低，常规轻压下的压下量已不能充分挤压排出溶质偏析元素，也不能完全补偿凝固收缩。与此同时，通过增加凝固末端压下量提升铸坯致密度的凝固末端重压下技术也日益发展。因此，对于宽厚板坯连铸机而言，由于受限于扇形段设备能力，难以通过增加凝固末端压下量改善铸坯质量。
为解决这一问题，研究者们对倒角结晶器进行了大量研究，首钢等提出了通过倒角结晶器减少角部横裂纹的机制(钢铁研究学报，2012，24(9)，21-26)。专利CN102642000A、CN201410379418、CN201410066528、CN201320350661、CN103286285A、CN102896284A等提出了不同类型的板坯结晶器倒角及窄边铜板结构。然而，这些倒角面大多针对板坯角部横裂纹提出，且其思路为通过倒角面设计提升铸坯角部温度，从而保障铸坯高温过矫直，避开脆性区，一般在四个角部都有倒角。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种渐变曲率斜长倒角结晶器及其设计方法，目的是通过设计结晶器内弧倒角，使铸辊压下过程中避开两侧已凝固坯壳，大幅降低辊坯接触抗力，在不改造升级宽厚板连铸机液压、机械、驱动系统的前提下，显著提升压下量，同时通过倒角面的曲率设计，减少铸坯倒角面与铸坯间气隙，以提升冷却速度，改善铸坯边角塑形，从而降低铸坯角部缺陷。
本发明的渐变曲率斜长倒角结晶器，是四面组合式结晶器，在结晶器弯月面位置处设有结晶器内弧倒角，结晶器内弧倒角的窄边长度n为10-40mm，宽边长度w距铸坯边部80-300mm，沿结晶器的高度方向，由结晶器内弧倒角所组成的结晶器内弧倒角面是曲率渐变的直角面或弧形面，其渐变的曲率满足补偿结晶器与铸坯间的收缩气隙，所述的n和w数值也随结晶器高度变化而变化；所述的结晶器内弧倒角面对应有若干个水冷槽，水冷槽设置在结晶器内弧宽面上，其宽度与结晶器水冷槽一致，每个水槽底部距结晶器内弧宽面距离的d数值相同。
本发明的渐变曲率斜长倒角结晶器的设计方法，按照以下步骤进行：
（1）针对不同钢种，测定某特定钢种在不同温度下的热膨胀或收缩系数；
（2）根据结晶器的铜板结构：铜板厚度、水槽深度、结晶器液面位置斜倒角尺寸与铸坯尺寸及步骤（1）中测定得到的具体钢种热膨胀或收缩系数，建立以1/2坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，通过模型计算得到工作拉速下，铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量；
（3）根据结晶器液面位置斜倒角尺寸，以及铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，确保沿结晶器高度方向上倒角的连续、稳定、渐增的变化，即设计沿结晶器高度方向上结晶器倒角面为渐变曲率，渐变曲率倒角面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
连铸坯凝固末端压下过程中辊坯接触抗力主要源自铸坯两侧已凝固坯壳，如果能避开两侧已凝固坯壳，无疑会显著降低辊坯接触过程的变形抗力，大大提升压下量。本发明的结晶器斜长倒角能够保障凝固末端压下过程中避开板坯两侧已凝固区域，且可以保障铸坯中间区域的充分压下，而偏析、疏松缺陷只产生于宽向两侧1/8内的中间区域，实现保证压力不变条件下压下量的倍增，有益于铸坯内部质量的改善。本发明中斜长倒角宽边长度w设定为距铸坯边部80-300mm是根据铸坯凝固传热计算得到的宽向1/8位置凝固终点为依据，凝固传热计算方法如文献“C. Ji, S. Luo, M. Y. Zhu and Y. Sahai, UnevenSolidification during Wide-thick Slab Continuous Casting Process and itsInfluence on Soft Reduction Zone, ISIJ Int 54, 103-111 (2014).”所述，倒角宽面传热边界条件与结晶器宽面一致，倒角窄面传热边界条件与结晶器窄面一致。
本发明在倒角面对应位置进行了水冷结构增强，保证了倒角面与铸坯宽面冷却强度的一致。通过倒角面沿结晶器高度方向的渐变曲率设计，实现了倒角面的与铸坯间气隙的有效补偿，从而提升了铸坯角部传热速率，从而显著提高结晶器角部冷速，细化了倒角接触面晶粒，抑制了边角缺陷的产生。
本发明通过倒角面的渐变曲率和水冷设计，充分补偿结晶器与铸坯间的气隙，从而有效提高倒角面传热效率，细化倒角面晶粒，抑制铌、钒、钛等微合金碳、氮化物在晶界的链状析出，提升角部热塑性，抑制边角裂纹缺陷的产生。
附图说明
图1是本发明的渐变曲率斜长倒角结晶器内腔沿结晶器高度方向的截面示意图；
图2是本发明的渐变曲率斜长倒角结晶器上口的形状；
图3是图2所示渐变曲率斜长倒角结晶器的沿结晶器高度方向的倒角面示意图；
其中：1：结晶器内弧宽面；2：结晶器斜长倒角；3：结晶器外弧宽面；4：结晶器窄面；5：倒角面对应的水冷槽；6：结晶器水冷槽；7：倒角面；8：结晶器上口；9：结晶器下口；10：结晶器宽边；11：结晶器窄边；A和B是结晶器斜长倒角的斜边起点和终点；
图4是实施例中连铸坯中心剖面固相率等值线分布图；
图5是实施例中连铸坯凝固末端横剖面温度分布云图；
其中：（a）是常规结晶器下铸坯凝固末端云图；（b）是斜倒角设计后凝固末端云图；
图6是本实施例的结晶器出口位置铸坯的热收缩量图。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例的渐变曲率斜长倒角结晶器具体结构如图1~图3所示，是四面组合式结晶器，在结晶器弯月面位置处设有结晶器内弧倒角，结晶器内弧倒角的窄边长度n为10-40mm，宽边长度w距铸坯边部80-300mm，沿结晶器的高度方向，由结晶器内弧倒角所组成的结晶器内弧倒角面7是曲率渐变的直角面或弧形面，其渐变的曲率满足补偿结晶器与铸坯间的收缩气隙，所述的n和w数值也随结晶器高度变化而变化；所述的结晶器内弧倒角面对应有若干个水冷槽5，水冷槽设置在结晶器内弧宽面上，其宽度与结晶器水冷槽6一致，每个水槽底部距结晶器内弧宽面距离的d数值相同。
其应用在某钢厂Q235A钢宽厚板连铸机上，具体的设计方法按照以下步骤进行：
（1）采用热膨胀/收缩系数测定仪测得本实施例Q235A钢在不同温度下的热膨胀系数如表1所示；
表1 Q235A钢热膨胀系数数据
温度（℃） Q235A
700 -1.39E-05
720 -2.82E-05
750 -2.05E-05
780 4.48E-06
800 1.54E-05
820 2.07E-05
850 2.26E-05
880 2.20E-05
900 2.22E-05
950 2.36E-05
980 2.26E-05
1000 2.27E-05
1050 2.23E-05
1100 2.26E-05
1150 2.32E-05
（2）根据结晶器的铜板结构：铜板厚度40mm，设计水槽底部距结晶器热面5mm，结晶器液面位置的斜倒角尺寸 w=170mm、n=30mm，铸坯尺寸2100mm×250mm，以及及步骤（1）中测定得到的热收缩系数，建立以1/2坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，根据论文“Uneven thermal shrinkage of wide-thick continuous casting slaband its influence on caster taper, 2016.10, Materials Science & Technology2016”与“板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为研究, 2011.06, 金属学报”所述方法，通过模型计算得到工作拉速下，铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量，如图4所示的2100mm×250mm包晶钢连铸坯厚度中心剖面上不同固相率（fs）等值线的分布，其中x=0.0m为铸坯中心位置，可以看出，铸坯宽向1/4-1/8区域是凝固的最前沿，若要改善整个铸坯断面的偏析与疏松，就必须将最大宽度范围内的铸坯都压下，因此倒角长边设计应保证铸坯整个压下区域内的充分受压，一般压下区间起点取铸坯固相率fs=0.3等值线，在此等值线上最前沿位置距铸坯中心0.88m如图5所示，铸坯半宽1.05m条件下，倒角长度应≤1.05-0.88m，即结晶器液面位置处，倒角面长度w=170mm，倒角面高度n=30mm是合理的；
（3）根据晶器液面位置的斜倒角尺寸 w=170mm，n=30mm，以及铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，确保沿结晶器高度方向上倒角的连续、稳定、渐增的变化，即设计沿结晶器高度方向上结晶器倒角面为渐变曲率，渐变曲率倒角面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增，本实施例中图6为结晶器出口位置铸坯的热收缩量。

Claims (2)

1.一种渐变曲率斜长倒角结晶器，是四面组合式结晶器，其特征在于在结晶器弯月面位置处设有结晶器内弧倒角，结晶器内弧倒角的窄边长度n为10-40mm，宽边长度w距铸坯边部80-300mm，沿结晶器的高度方向，由结晶器内弧倒角所组成的结晶器内弧倒角面是曲率渐变的直角面或弧形面，其渐变的曲率满足补偿结晶器与铸坯间的收缩气隙，所述的n和w数值也随结晶器高度变化而变化；所述的结晶器内弧倒角面对应有若干个水冷槽，水冷槽设置在结晶器内弧宽面上，其宽度与结晶器水冷槽一致，每个水槽底部距结晶器内弧宽面距离的d数值相同。
2.如权利要求1所述的一种渐变曲率斜长倒角结晶器的设计方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）针对不同钢种，测定某特定钢种在不同温度下的热膨胀或收缩系数；
（2）根据结晶器的铜板结构：铜板厚度、水槽深度、结晶器液面位置斜倒角尺寸与铸坯尺寸及步骤（1）中测定得到的具体钢种热膨胀或收缩系数，建立以1/2坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热力耦合计算模型，通过模型计算得到工作拉速下，铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量；
（3）根据结晶器液面位置斜倒角尺寸，以及铸坯倒角面在结晶器内沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，确保沿结晶器高度方向上倒角的连续、稳定、渐增的变化，即设计沿结晶器高度方向上结晶器倒角面为渐变曲率，渐变曲率倒角面边界的过渡弧长按气隙生长规律递增。
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