CN108380837A - 一种确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法。本发明的方法包括对铸坯渐次压下，统计压力变化；确定临界压下状态；对铸坯横截面进行处理；制成致密度网格、标准致密度、画出等值线等步骤。本发明的方法进行未凝固区域的形状尺寸的测量，具有测量值准确，测量成本低廉和容易实施等优点，使板坯特定位置处铸坯凝固形状尺寸的测量成为可能，为单辊重压下工艺分析提供了基础。

Description

一种确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种测定板坯沿拉坯方向上特定位置处横截面凝固形状的方法。

背景技术

由于形状和喷嘴布置等特点，板坯一般在凝固后期容易形成“W型”凝固终点，尤其是对于宽度比较大的板坯和两相区范围较宽的钢种。从横截面看，在中心还没有完全凝固位置，凝固形状类似于“狗骨头型”，即铸坯中心区域两相区薄，宽度方向两边1/4区域两相区厚；在中心区域已经凝固，则出现“眼镜型”，即中心区域已经凝固，宽度方向两边1/4区域还存在两个未凝固两相区。甚至在更恶劣情况下，凝固后期会形成更复杂的形状。

“W型”凝固终点对于内部质量的均匀性会带来影响。对于动态配水来说，可以通过喷嘴布置尽量消除这种凝固形状，“W型”凝固终点对动态配水模型实施却不带来影响；对于轻压下技术，由于压下区间大，两个扇形段执行压下会有3～4m的压下区间，所以“W型”凝固终点对轻压下工艺影响也不甚大。而对于重压下技术，单辊大量的压下才能提高致密度，只有精确地确定了实施压下位置处“狗骨头型”或者“眼镜型”的具体尺寸，才能有的放矢的确定重压下位置和制定压下量，这会严重影响铸坯内部质量的改善效果和均质性。所以要制定板坯重压下的压下位置和压下量，必须要确定压下位置处铸坯的凝固形状尺寸。

目前，板坯横截面“狗骨头型”的凝固形状通过模型计算可以获得，并且至少有两个证据也可以间接支持模型计算结果：(1)通过观察或者测量铸坯表面温度变化发现表面中心温度低于两侧1/4区域温度，形成反“W型”温度分布；(2)铸坯切割后，从切割的横截面也可以明显看出1/4区域处有两个亮点。但是并没有一种方法能真正确定某个位置处凝固形状的具体尺寸，一方面对模型计算结果进行最基本的验证，另一方面指导板坯重压下工艺制定。如果用传统的射钉方法，则必须沿铸坯宽度方向上同时射钉多处，成本太高，实现很困难，且只能得到射钉处的坯壳厚度，并不能得到横截面的凝固形状和具体尺寸数据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种确定板坯特定位置处横截面凝固形状和具体尺寸的方法。本发明通过压力陡增的方法确定板坯特定位置处凝固形状，通过对板坯临界位置的分析实现板坯横截面凝固的具体形状和不同位置的详细精确尺寸。本发明的结果可以作为重压下工艺制定的依据，同时对板坯温度场模型计算结果进行最基本的验证。

本发明的技术方案是：一种确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：

确定临界压下量；

执行压下到临界压下量；

取在临界压下量工况的铸坯横截面试样，划分致密度网格；

测定各致密度网格的致密度；

确定标准致密度；

依据标准致密度在致密度网格上做等值线；

确定压下位置处凝固形状尺寸。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的确定临界压下量的方法是：以板坯单辊压下设备，对铸坯进行渐次压下，统计压力变化数据，做成压力随压下量变化的曲线，对曲线求导，每个曲率变化对应铸坯内部凝固状态的改变；第一个曲率变化开始点对应的压下量为临界压下量。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的板坯单辊压下设备为，通过左右布置的两个压力机构对单辊实施压下，压力机构包括拉杆和液压缸，通过位移传感器获得位置信息，通过压力传感器得到实时反馈的压力值，且设备的两个液压缸有同步压下功能。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的渐次压下的压下步长为1～2mm。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述致密度网格大小范围为2～5mm*5～15mm，厚度方向上范围为2～5mm，宽度方向上范围为5～15mm。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的致密度网格为均匀或非均匀，在具备地方可以加密或者稀疏；同时，致密度网格完全覆盖可能的凝固形状尺寸即可。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的致密度网格为2mm*10mm，厚度方向上为2mm，宽度方向上为10mm。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：铸坯在厚度方向上的凝固中心线与致密度网格的中心重叠，铸坯凝固中心位于致密度网格的中心网格的中心。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：对于“狗骨头型”凝固形状，标准致密度为中心致密度网格对应的致密度；对于非“狗骨头型”凝固形状，标准致密度确定方法为：去掉宽度方向上两边各40mm以内的致密度网格，剩余过铸坯凝固中心线致密度网格中最大的致密度为标准致密度。

根据如上所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：确定压下位置处凝固形状尺寸方法为：将等值线在厚度方向上分别加上临界压下量，即为压下位置处未压下情况时铸坯凝固形状和具体尺寸。

本发明的有益效果是：基于临压力状态下分析铸坯横截面，分析面少，但能够获得全面的未凝固区域的形状具体的尺寸数据，采用本发明的方法进行未凝固区域的形状尺寸的测量，具有测量值准确，测量成本低廉和容易实施等优点，同时为板坯单辊重压下工艺分析提供了基础。

附图说明

图1为“W型”凝固终点；

图2为图1中a处横截面凝固形状；

图3为图1中a处横截面凝固形状；

图4为现场切割后的铸坯照片；

图5为圧下力的变化趋势；

图6为压下开始时刻铸坯内部凝固状态示意图；

图7为第一个输出力徒增时铸坯内部凝固组织状态变化示意图；

图8为铸坯内部凝固组织状态变化示意图；

图9为铸坯横截面划分成致密度网格示意图；

图10为求标准致密度的等值线示意图；

图11为求凝固形状示意图；

图12为重压装置结构示意图；

图13为本发明的流程示意图。

附图标记说明：重压下辊1、拉杆2、液压缸3、位移传感器4、压力传感器5。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

板坯由于宽厚比跨度大，同时加上喷嘴布置、二冷工艺和钢种等因素，在凝固后期凝固结束的终点并不同步，沿拉坯方向看，形成各种凝固结构，一般会是“W型”，如图1所示，即中心处先凝固，最后距离宽面约1/4处区域凝固。沿着图1中的(a)和(b)进行剖面，从铸坯横截面视角看，铸坯在宽度和厚度的横截面上的形状如图2和图3所示，其中图2为图1中a位置剖面对应的凝固形状，其中图3为图1中b位置剖面对应的凝固形状。图2是中心未凝固区域小，沿宽度方向1/4处未凝固区域大，一般称为“狗骨头型”；图3是中心区域已经凝固，而沿宽度方向1/4处未凝固，一般称为“眼镜型”。这两种凝固形状通过温度场计算程序可以模拟出来，并且现场也有数据可以间接证明，一方面是铸坯表面温度分布，一方面是铸坯切割后明显在宽度方向1/4处附近有两个高亮区域，可以证明此处是最后才凝固，如图4所示。对于板坯单辊重压下，在图1的a位置压下还是在b位置压下，还是其余位置压下更优，同时在不同位置压下量多少会取得最优结果，这些工艺的制定前提是必须确定不同位置处铸坯的凝固形状，据此有的放矢地制定压下工艺。本发明方案给出了确定板坯特定位置处凝固形状和具体尺寸数据，本发明方法不仅适合于“W型”凝固终点类型，也适合各种类型的凝固终点形状，只要在找出标准致密度基础上，完全可以确定各种凝固终点类型的横截面凝固形状。

如图12所示，本发明的板坯单辊包括重压下辊1、拉杆2、液压缸3、位移传感器4、压力传感器5，拉杆2和液压缸3组成压力机构，重压下辊1也称为单辊，重压下辊1两侧上部对称设置拉杆2，拉杆2与液压缸3连接，位移传感器4安装在液压缸3的顶端，且位移传感器4中轴通过油缸活塞的贯孔穿过油缸活塞，延伸至拉杆2并与拉杆2相连接。两个液压缸3具有同步功能，即在工作时，两侧的液压缸3同步向下或向上，确保重压下辊1保持水平状态上下移动。本发明的液压缸3设置压力传感器5，通过压力传感器5采集油压的变化，从而计算出重压下辊1向下的压力。

如某钢厂板坯连铸机，断面为210*1650mm，生产拉速为1.2m/min，在距离结晶器液面17.8m的位置处有一对重压下辊，宽度方向上左右两侧有两个液压缸，通过从铸坯上部执行压下，两个液压缸具有同步功能，保证执行相同的压下量，同步误差为±0.1mm。

在拉速稳定后，以每次执行1mm的压下量进行渐次压下。每执行1mm压下后，保持30s，让压力数据稳定，并记录压力数据。最终根据缸径等设备信息计算出设备输出力，如表1所示。表1中坯壳厚度是指宽度方向上一侧的坯壳厚度，其中825.0mm代表铸坯已经全凝固。

表1

压下量(mm)	输出力(KN)	坯壳厚度(mm)
			1	422.81	132.1
2	428.07	134.0
			3	436.32	136.3
4	449.83	140.1
			5	462.34	144.5
6	1133.85	360.2
			7	1270.95	400.1
8	1388.04	440.4
			9	1501.13	480.3
10	1636.23	520.1
			11	1761.32	560.2
12	2570.07	825.0
			13	2765.37	825.0

将表1的数据做处理，可以得到每压下1mm输出力的变化趋势，如图5所示。从图5可以看出：随着压下量的增加，输出力增加，总体上随着坯壳厚度的增加，输出力增大；在不同内部状态压下，输出力增加的趋势不同，通过单位压下量变化下的输出力变化曲线可以清楚地看出不同内部状态变化，极值开始出现点为内部状况变化的临界点。这就说明可以通过对不同压下量下的输出力曲线做曲率分析，极值点即为内部状态变化的临界点。

结合图6、图7和图8，可以更清楚的理解图5的内容。

压下开始时刻铸坯内部凝固状态为图6所示，凝固形状为“狗骨头型”，整个中心区域还有未凝固的两相区，此时压下后，由于中心区域可以自由变形，抵抗力只是来自于两侧的已凝固区域，所以整个输出力并不大，并且随着压下量的增加，单位压下量变化下的输出力变化也不大，基本上在一个量级，即基本上变化曲率相同。

当压下大于5mm后，(即压下量为6mm时)输出力发生了一个徒增，从单位压下量变化下的输出力变化看的更为明显，即曲线的曲率变化很大，此时的铸坯内部凝固状态对应图7所示。在压下5mm后，铸坯中心区域的两相区基本上已经没有了，“狗骨头型”凝固状态开始向“眼镜型”状态转变了，随着压下进行，铸坯中心区域开始出现抵抗，所以输出力会有较大幅度的增加！并且随着压下量的增加，中心区域抵抗的长度也在迅速扩展，输出力变化更明显。

当压下量大于11mm后，单位压下量变化下的输出力变化曲线又出现一个极值，此时的铸坯内部状态对应图8所示，“眼镜型”凝固状态的最后两个未凝固区也将消失，铸坯进入全凝固状态。此时再压下，整个铸坯都将产生抵抗，所以需要的输出力更大，增加单位压下量，需要的输出力也更大。

通过结合图5至图8的论述，可以得出：通过分析不同压下量下的输出力曲线，可以得到铸坯不同凝固状态。对输出力曲线求曲率，每个极值开始出现的地方对应铸坯凝固状态将要发生变化的临界点。

更加需要注意的是，第一个极值出现点更具有参考价值，是得到标准致密度的关键步骤信息。如图5压下5mm的点，同时对应图7的铸坯凝固状态，此时如果继续压下，中心区域将要产生抵抗力，也意味着中心区域铸坯的致密度将会随着压下发生增大！而压下5mm时候，正好是中心致密度增加的临界值，即在压下5mm之前，中心处的致密度基本上不发生变化，此时的中心处致密度依然是铸坯自然凝固前沿形成的致密度，而压下量大于5mm后，中心处致密度会随着压下量的增大而增大。也就是说，在压下5mm状态下，铸坯自然凝固前沿刚好位于铸坯中心区域，此时，铸坯中心区域的致密度可以作为标准致密度。通过此致密度，可以确定当前状态下铸坯的凝固前沿位置，从而勾勒出凝固形状尺寸细节！

于是，结合上面工况的具体描述，寻找压下位置处凝固形状尺寸具体步骤如下，结合图9～图11做说明：

(1)利用压下辊压下5mm，保持稳定状态。然后取此工况下的铸坯，切出横截面做分析；

(2)将铸坯横截面划分成致密度网格，如图9所示。网格可以是非均匀的，可以在局部区域进行加密，从而增加结果的精度。本例致密度网格为2mm*10mm，厚度方向为2mm，宽度方向为10mm；保证铸坯凝固中心一定位于中心网格的中心。此处还应该注意：致密度网格的太小，会影响原位分析致密度结果的误差；

(3)做原位分析，以每个致密度网格范围内的平均致密度为致密度网格对应的致密度，得到每个致密度网格的致密度；

(4)致密度网格位于中心的网格对应的致密度取为标准致密度，本例标准致密度为0.771；

(5)以致密度网格为数据分布基础，做出标准致密度的等值线，如图10所示。此等值线即为压下5mm后铸坯的凝固形状尺寸；

(6)将等值线所有点的坐标，在厚度方向，对称的上下各扩展5mm，得到没有压下时压下位置处凝固形状的具体尺寸数据，如图11所示。

如图13所示，本确定板坯特定位置处凝固形状的技术方案分以下三步：

第一步：进行以步进为1mm～2mm压下量渐次压下，统计单位步进下的压力变化。在压下过程中出现板坯中心区域两相区消失后，单位步进下的压力变化会陡增，则停止压下，以此确定中心区域彻底凝固消失的临界点。通过压下过程压力的变化可以分析出压下位置处于“W型”凝固终点的具体位置，即是处在“狗骨头型”处、还是“眼镜型”处、还是整个横截面已完全凝固；

第二步：对第一步执行了到临界压下量的铸坯进行切割，并且对横截面进行处理，抛光、打磨成具有原位分析需要的光洁度；并将此铸坯横截面划分成网格，网格大小为2mm*10mm，即厚度方向上为2mm，宽度方向上为10mm，并将此网格定义为“致密度网格”。“致密度网格”尺寸范围：厚度方向上为2～5mm，宽度方向上为5～15mm，“致密度网格”在不同区域可以不一样。保证铸坯凝固中心位于“致密度网格”的中心；对铸坯横截面进行原位分析，统计出每个“致密度网格”内的平均致密度，作为本网格的致密度值，做成致密度二维分布图(类似于温度节点)；然后以铸坯中心所在“致密度网格”的致密度作为“标准致密度”，以此为准，在致密度网格分布图上做出“标准致密度”的等值线，标准致密度的等值线区域即为压下后未凝固区域的具体形状；

第三步：将压下后未凝固区域在厚度方向上分别加上临界压下量，即为压下位置处未压下情况时铸坯凝固形状和具体尺寸。

Claims (10)

1.一种确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：

确定临界压下量；

执行压下到临界压下量；

取在临界压下量工况的铸坯横截面试样，划分致密度网格；

测定各致密度网格的致密度；

确定标准致密度；

依据标准致密度在致密度网格上做等值线；

确定压下位置处凝固形状尺寸。

2.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的确定临界压下量的方法是，以板坯单辊压下设备，对铸坯进行渐次压下，统计压力变化数据，做成压力随压下量变化的曲线，对曲线求导，每个曲率变化对应铸坯内部凝固状态的改变；第一个曲率变化开始点对应的压下量为临界压下量。

3.根据权利要求2所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的板坯单辊压下设备为，通过左右布置的两个压力机构对单辊实施压下，压力机构包括拉杆和液压缸，通过位移传感器获得位置信息，通过压力传感器得到实时反馈的压力值，且设备的两个液压缸有同步压下功能。

4.根据权利要求2所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的渐次压下的压下步长为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述致密度网格大小范围为2～5mm*5～15mm，厚度方向上范围为2～5mm，宽度方向上范围为5～15mm。

6.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的致密度网格为均匀或非均匀，在局部可以加密或者稀疏；同时，致密度网格完全覆盖可能的凝固形状尺寸即可。

7.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：所述的致密度网格为2mm*10mm，厚度方向上为2mm，宽度方向上为10mm。

8.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：铸坯在厚度方向上的凝固中心线与致密度网格的中心重叠，铸坯凝固中心位于致密度网格的中心网格的中心。

9.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：对于“狗骨头型”凝固形状，标准致密度为中心致密度网格对应的致密度；对于非“狗骨头型”凝固形状，标准致密度确定方法为：去掉宽度方向上两边各40mm以内的致密度网格，剩余过铸坯凝固中心线的致密度网格中最大的致密度为标准致密度。

10.根据权利要求1所述的确定板坯特定位置处凝固形状尺寸的方法，其特征在于：确定压下位置处凝固形状尺寸方法为，将等值线在厚度方向上分别加上临界压下量，即为压下位置处未压下情况时铸坯凝固形状和具体尺寸。