CN108296460A - 一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其包括：采集生产工况参数；确定供给速度va、增材厚度d和增材宽度w，w>d；基于标准溶质浓度C标计算液芯末端偏析指数，得到溶质浓度Coi，反推出增材的溶质浓度Ca；根据Ca≤C选<C标得到选取浓度C选，依据增材厚度d、增材宽度w和选取浓度C选，选用和/或制造增材，将增材连续、振动的输送到液芯末端。本发明提供的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，利用合金成分配比来减轻和消除中心线偏析，同时增材可以消除中心缩松。增材到达液芯末端时完全熔化，在振动作用下，熔化的液团与液芯末端内的浇铸液完全混合；从而同时解决连铸坯内中心线偏析以及中心疏松两大内部质量缺陷。

Description

一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法
技术领域
本发明涉及连续铸造领域，尤其是一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法。
背景技术
连铸坯中心偏析伴随中心疏松，同时加上内部夹杂物的存在会严重恶化铸坯性能。高过热度浇注有利于夹杂物的上浮，但会加重中心偏析程度，尽量减小中心偏析度对于进一步提高铸坯质量十分重要。
在常规的连铸生产过程中，目前已采用的能够减轻中心偏析的方法有：凝固末端电磁搅拌及轻压下等。然而，这些措施都存在一些弊端。凝固末端施加电磁搅拌的位置难以准确确定，且应用于规格较大的铸坯时，由于集肤效应的存在效率较低。同时尽管凝固末端轻压下可密实铸坯中心结构，但富集的溶质会重新回到液相穴从而不断积累，不能从根本上消除中心偏析。
除上述方法，现有国外公开报道(乌克兰专利No.40053A)提出了向连铸坯结晶器内喂入冷钢带的技术。利用钢带熔化吸热改变了铸坯原本的由外向内的凝固方式，增加了铸坯中心的等轴晶率，密实了中心结构，从而提高铸坯内部质量。国内公开报道(专利：CN200610044356.0、CN201210565960.3、CN201410799131.0)对喂带设备或技术进行了笼统介绍，但没有提出具体实施参数。专利“一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法”(CN.105033216)介绍了喂入钢带的参数确定方法，本设计中在此技术的基础上，考虑铸坯凝固过程中溶质富集的情况，提出一种利用增材稀释铸坯凝固末端中心线偏析的技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种同时消除偏析和疏松、改善中心线合金成分的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其包括：
S1，采集连铸坯生产工况参数；确定供给速度va，并确定增材厚度d和增材宽度w，w>d；
S2，基于连铸坯溶质的标准溶质浓度C标，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co，再反推出增材的溶质下限浓度Ca；
S3，根据Ca≤C选<C标得到选取浓度C选，依据增材厚度d、增材宽度w和选取浓度C选，选用和/或制造增材，以供给速度va将增材连续输送到连铸坯的液芯末端，输送时对增材施加振动。
优选的，S1包括：
S11，采集的工况参数至少包括，液芯末端在液相穴内的深度位置H，浇注温度T浇、浇铸钢液的液相线温度Tl，工作拉速vc、连铸坯截面尺寸及冷却条件；
S12，由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0计算增材完全熔化所需的时间tm，浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl，增材厚度d取1mm至8mm以内，T0为增材初始温度；再由va≤H/tm得到供给速度va；
S13，由得到增材横截面面积Aa，其中，Cp为钢液比热，Ac为连铸坯截面积，QB为连铸坯的冷却热量，L为增材的熔化潜热；
由Aa＝d×w，得到增材宽度w。
优选的，S2包括：
S21，依据凝固过程中的溶质析出重新分配规律，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co；
S22，由得到增材的溶质下限浓度Ca，其中Ao为液芯末端的截面积，υc为工作拉速，Aa＝d×w。
进一步的，S21中：连铸坯中包括n种溶质，n≥1，n中溶质各自的标准溶质浓度为C标i，i＝1、…、n、；
对C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；
基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述n种溶质各自的溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括Coi。
进一步的，S21中：设立宏观模型时还包括多种杂质的杂质浓度C杂j，j＝n+1、…、m，m≥n+1；经过微观模型计算得到液芯末端的杂质浓度Coj；
S22，计算得到增材中的杂质上限浓度Caj；
S3，还选取增材中的杂质浓度C选j≤Caj。
进一步的，S21中：将浓度场、液相率和枝晶结构返回宏观模型，对宏观模型的结果进行修正，再对宏观模型的结果进行微观模型计算，得到优化的微观模型结果。
优选的，S3中：在增材加入到浇铸液相穴中之前，对增材加热，使增材初始温度T0达到200℃-500℃。
优选的，所述振动的振幅小于3mm，振动的频率不小于100Hz。
优选的，液相穴的液面处，增材的送入位置位于水口与结晶器窄面之间，且距水口的距离为水口与结晶器窄面间距离的三分之一。
优选的，所述增材送入液相穴过程中，在液面处的增材送入位置周围采用气体保护。
(三)有益效果
本发明提供一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，利用合金成分配比来减轻和消除中心线偏析，同时增材可以消除中心缩松。增材到达凝固前沿的液芯末端时完全熔化，并且在振动作用下，熔化的液团与液芯末端内的浇铸液完全混合；增材与连铸坯本身内溶质拥有浓度差，因此对中心富集的溶质进行稀释，从而同时解决连铸坯内中心线偏析以及中心疏松两大内部质量缺陷。
先确定增材厚度，一来此厚度范围方便增材的制作，可以均匀轧制，能较好的保持增材厚度一致，另一方面也便于增材有效的熔化，当确定选用的厚度之后，计算得到供给速度。本拟合公式比较适合铁元素为主的合金连铸，也可以用于近似计算其他类型的合金连铸工艺。通过供给速度与增材厚度的匹配，保证增材前端在到达液芯末端时完全熔化。后续的固态增材不断向前运送，不断地向液芯末端输送液态的增材。
通过计算得到的增材溶质浓度更准确，是具体采用的浓度值的下限。此公式计算的增材溶质浓度值随着增材截面尺寸的变化而变化，便于实际使用和调整，计算步骤简单、快捷。
宏观模型与微观模型利用了较少的输入参数，囊括了较多的影响因素，全面准确的对实际过程进行了数学建模，快速、准确的得到液芯末端的溶质浓度，为后续计算提供准确的参数。
通过杂质浓度的调整，更好的提高了连铸坯中心质量，提高连铸坯性能。
将微观模型的输出返回宏观模型用作修正，实现了数据在宏观尺度和微观尺度之间的传输，使得模型的立体性更好，所给出的值的偏差更小。
对增材进行预加热，可以减少液相穴内的热量损耗，而且增材可以更快的达到熔点。同时增材初始温度也没有过高，避免了在达到液芯末端之前就熔化。
对增材施以小幅高频振动，有利于将增材熔化的液团和浇铸液搅拌均匀。结晶器窄面与水口之间送入增材，同时增材偏向靠近水口，能更有效的利用液相穴加热增材。同时增材的输送路径更稳定。
在液面处对增材送入位置施加气体保护，可以防止液面上层的保护渣随增材进入液相穴。
附图说明
图1为一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法的实施示意图；
图2为一种构建交互的宏观模型和微观模型的方法的示意图。
【附图标记说明】
1：水口；2：增材体；3：液相穴；4：糊状区；5：凝固坯壳；d：增材厚度；D：液芯直径。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，浇铸液从水口1流出，浇铸液流入到结晶器之中。结晶器的侧壁不断对液相穴3降温，使得液相穴3侧部和底部不断结晶，形成糊状区4，糊状区4继续降温形成凝固坯壳5。凝固坯壳5被从下部拉出。液相穴3、糊状区4和凝固坯壳5不断流动演变，整体形成连铸坯。在条件不变的前提下，液相穴3与糊状区4的边界、糊状区4与凝固坯壳5的边界是稳定处在一定的位置，稳定保持一定的形状。
本实施例连铸坯为低碳连铸厚板坯，为消除中心线的偏析采用如下方法：
S11，连铸坯截面Ac＝Dc×Wc＝220mm×1800mm。液芯直径D＝30mm，液芯末端在液相穴3内的深度其中工作拉速vc＝0.8m/min，凝固系数K2＝20。浇注温度T浇＝1536℃，结晶器、二冷区及空冷区的冷却量总和QB＝399843J即连铸坯冷却热量。浇铸钢液的液相线温度Tl＝1516℃，钢液定压比热Cp＝710J/(kg·℃)，钢液的化学成分及其质量百分数(wt％)如下表：
代号 C标1 C标2 C标3 C标4 C标5 C标6
成分 C Si Mn Ti S P
钢液 0.125 0.265 1.41 0.0138 0.00129 0.0112
S12，准备选取或制造厚度d＝3mm、初始温度T0＝200℃的增材时，增材完全熔化所需的时间tm由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0确定，其中浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl。
再由va≤H/tm得到供给速度va＝0.3m/s。
S13，由得到增材横截面面积Aa，其中增材的熔化潜热L为276000J/kg，此时取增材的熔化潜热与连铸坯相同，可以根据结构返回修正；
再由Aa＝d×w，得到增材宽度w＝10mm。
S21，对连铸坯中各溶质的标准溶质浓度C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；
基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述各溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括液芯末端碳元素的浓度Co1＝0.143wt％；Si，Co2＝0.278wt％；Mn,Co3＝1.49wt％；Ti,Co4＝0.014wt％；S,Co5＝0.00142wt％；P,Co6＝0.012wt％。
本步骤中，还可以对现有连铸坯中心区取样，进行理化检测，检测数据中的溶质浓度可以作为理论计算的结果的参考。
如图2所示，对连铸坯的流动建立连续性方程和动量方程，对温度建立能量方程，对溶质的浓度建立溶质传输控制方程。温度造成的热浮力可以造成流动的变化，同时溶质元素在温度作用下形成热扩散；流动可以造就热对流，对流扩散的同时也造成了溶质迁移；溶质浓度的区别使得液相线固相线漂移，结晶影响温度的分布，不同溶质的密度不同，造成浮力流动。对宏观模型进行完全耦合模拟计算，得到的数据输入微观模型。
枝晶结构可以影响孔隙率，返回宏观模型用于修正流动。溶质扩散造成微观偏析，返回宏观模型用于修正浓度。
S22，由得到增材的溶质浓度，其中碳元素浓度Ca1＝0.106wt％，其中Ao为液芯末端的截面积，
S3，选取碳元素浓度C选1＝Ca1＝0.106wt％，Si，C选2＝Ca2＝0.253wt％；Mn,C选3＝Ca3＝1.335wt％；Ti,C选3＝Ca4＝0.0136wt％；S,C选5＝Ca5＝0.00116wt％；P,C选5＝Ca6＝0.0104wt％；d×w＝3mm×10mm制造增材，预热至初始温度T0＝200℃，添加入液相穴3。
如图1所示，增材在液相穴3上部的送入位置距离水口1的距离，为水口1距离结晶器侧壁距离的三分之一。本实施例的连铸坯截面为矩形，增材的送入位置为结晶器距离较窄的两面之间。增材的送入方向为斜向下，保证增材末端到达液相穴3的液芯末端。增材末端到达液芯末端时刚好被加热至熔化。
在送入增材的过程中，对增材体2施加振幅2.5mm，振动的频率350Hz的振动。振动方向与送入方向可以垂直、平行或是交叉。当垂直时，振动方向优选沿着厚度方向。平行时，增材的固态增材体2会高频低幅的冲击液芯末端甚至是糊状区4，击碎枝晶结构促进浇铸液流动。同时对增材的送入位置施加气体保护，吹走液相穴3表面增材送入位置处的保护渣，防止保护渣在高速运动的增材体2带动下进入液相穴3。
实施例2
如实施例1的计算结果，选取C选1＝0.11wt％>Ca1，C选2＝0.26wt％>Ca2,C选3＝1.40wt％>Ca3,C选4＝0.0137wt％>Ca4,C选5＝0.0012wt％>Ca5，C选6＝0.011wt％>Ca6，制造增材。元素比例更好控制，增材制造方便，工艺更简单。也可以极大地减轻连铸坯中心偏析并解决中心缩松。
实施例3
如实施例1的，在宏观模型的输入中加入杂质浓度C标7，最终输出中包括Ca7，选取C选7<Ca7制造增材，增材截面为环形，环形内外半径差为3mm，环形面积等于30mm2，增材制造方便。在送入增材的过程中，对增材体2施加振幅2mm，振动的频率500Hz的振动。可以进一步提高连铸坯中心性能并解决中心缩松。
上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1，采集连铸坯生产工况参数；确定供给速度va，并确定增材厚度d和增材宽度w，w>d；
S2，基于连铸坯溶质的标准溶质浓度C标，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co，再反推出增材的溶质下限浓度Ca；
S3，根据Ca≤C选<C标得到选取浓度C选，依据增材厚度d、增材宽度w和选取浓度C选，选用和/或制造增材，以供给速度va将增材连续输送到连铸坯的液芯末端，输送时对增材施加振动。
2.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S1包括：
S11，采集的工况参数至少包括，液芯末端在液相穴内的深度位置H，浇注温度T浇、浇铸钢液的液相线温度Tl，工作拉速vc、连铸坯截面尺寸及冷却条件；
S12，由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0计算增材完全熔化所需的时间tm，浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl，增材厚度d取1mm至8mm以内，T0为增材初始温度；
再由va≤H/tm得到供给速度va；
S13，由得到增材横截面面积Aa，其中，Cp为钢液比热，Ac为连铸坯截面积，QB为连铸坯的冷却热量，L为增材的熔化潜热；
由Aa＝d×w，得到增材宽度w。
3.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S2包括：
S21，依据凝固过程中的溶质析出重新分配规律，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co；
S22，由得到增材的溶质下限浓度Ca，其中Ao为液芯末端的截面积，vc为工作拉速，Aa＝d×w。
4.如权利要求3所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S21中：连铸坯中包括n种溶质，n≥1，n中溶质各自的标准溶质浓度为C标i，i＝1、…、n、；
对C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；
基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述n种溶质各自的溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括Coi。
5.如权利要求4所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：S21中还设立宏观模型时还包括多种杂质的杂质浓度C杂j，j＝n+1、…、m，m≥n+1；经过微观模型计算得到液芯末端的杂质浓度Coj；
S22中还计算得到增材中的杂质上限浓度Caj；
S3中还选取增材中的杂质浓度C选j≤Caj。
6.如权利要求4所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S21中：将浓度场、液相率和枝晶结构返回宏观模型，对宏观模型的结果进行修正，再对宏观模型的结果进行微观模型计算，得到优化的微观模型结果。
7.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S3中：在增材加入到浇铸液相穴中之前，对增材加热，使增材初始温度T0达到200℃-500℃。
8.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：所述振动的振幅小于3mm，振动的频率不小于100Hz。
9.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：液相穴的液面处，增材的送入位置位于水口与结晶器窄面之间，且距水口的距离为水口与结晶器窄面间距离的三分之一。
10.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：所述增材送入液相穴过程中，在液面处的增材送入位置周围采用气体保护。
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