CN109317629A - 一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法，该系统包括连铸结晶器和超声波振动装置，连铸结晶器包括多个铜板和多个背板，多个铜板的内壁围合形成铸坯形状空间。超声波振动装置能够将超声波换能器产生的功率超声经由超声变幅杆传递到结晶器铜板，并经由结晶器铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的空隙区域，作用于之间的结晶器保护渣。本发明的系统及方法能够根据连铸坯质量控制的本质要求，结合功率超声的结晶器保护渣的结构与物性控制效果，将功率超声应用于钢的连铸领域，旨在不改变熔渣成分的条件下，实现工业生产条件下结晶器保护渣冶金行为的区域化时时调控、促进了结晶器保护渣冶金功能的发挥，进而提高连铸坯质量。

Description

一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法

技术领域

本发明属于外场冶金和钢的连铸技术领域，具体涉及一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法。

背景技术

在现代钢铁工业中，连铸具有节约能源、成材率高等优势，世界上绝大数商品钢材通过连铸工艺生产。为适应钢材质量要求不断提高的需要，对连铸坯洁净度、表面和内部质量的要求越来越严格。另外，保证连铸生产顺行、提高作业率，对于钢铁企业提高产量、提高成材率，进而提升经济效益具有重要意义。

对于连铸坯的表面质量来说，主要涉及到表面裂纹、角部裂纹、夹渣、重皮等表面缺陷，这些缺陷的产生绝大多数起源于连铸结晶器，与钢水在结晶器内的初始凝固行为密切相关，主要受到凝固坯壳与结晶器壁(具体为结晶器的铜板内壁)间的润滑与传热影响。在浇铸过程中，结晶器保护渣在钢水热量的作用下熔化并在钢水液面上形成液渣层，可起到防止钢水氧化和增氮的作用，更重要的是，熔融的结晶器保护渣流入凝固坯壳与结晶器壁间的空隙(壳壁间隙)而起到润滑和控制传热的作用。结晶器保护渣的物理性质对于其在壳壁间隙的流入行为具有重要影响，进而影响其润滑功能及连铸坯表面质量。保护渣黏度越小，其流动性越好，越易于流入壳壁间隙而保证润滑效果和传热；保护渣表面张力越大，与凝固坯壳间的界面张力越小，则二者间的粘附功越大，即二者间的键接强度越高，保护渣越易随拉坯的进行而被带入壳壁间隙。在结晶器内，初始凝固坯壳生成后不断下行，随着钢水凝固，坯壳收缩量不断增加，坯壳与结晶器内壁间的间隙越来越大，需要充足的结晶器保护渣补充来充满间隙。

对于板坯、方坯和异型坯来说，铸坯角部收缩量更大，易引起角部裂纹产生；尤其是对于以包晶钢为代表的收缩量大的钢种，由于结晶器保护渣不能及时补充，裂纹等缺陷的发生几率更高。在实际生产中，通过结晶器振动模式与参数优化，倒角结晶器、弧面结晶器等技术应用，一定程度上控制了表面缺陷的产生，但效果并不稳定，在钢种适应性、灵活性等方面存在不足。

钢中非金属夹杂物，特别是大颗粒非金属夹杂物的存在，对钢材的强度、韧性等机械性能和表面质量均具有不利影响，尤其对于汽车板用钢、管线钢和轴承钢等精品钢材品种，严重制约了成材率和经济效益的提高。结晶器是连铸坯的初始凝固区域，非金属相一旦进入钢水再次去除的机率很低，易于以夹杂的形式永久存在于钢中，特别是浇铸过程结晶器保护渣的卷入成为钢中大颗粒非金属夹杂物的重要来源之一。结晶器保护渣的物理性质对于结晶器内的卷渣行为同样具有重要影响，结晶器卷渣与结晶器保护渣的黏度、表面张力及渣金界面性质密切相关。

结晶器卷渣可分为剪切卷渣、漩涡卷渣和气泡卷渣等形式，对于剪切卷渣和漩涡卷渣，保护渣黏度越大，其抗剪切能力越强，卷渣越不易发生；保护渣表面张力越小，渣金界面张力越大，则渣金两相粘附功越小，即渣金两相键接强度越低，卷渣发生几率越低。对于气泡卷渣，保护渣黏度越大，其抵抗气泡破裂所产生冲击力的能力越强，卷渣越不易发生。在实际浇铸过程中，为抑制卷渣，多通过控制拉速、水口浸入深度等连铸工艺参数来保持结晶器流场和液面稳定，但由于拉速波动等非稳态浇铸过程，结晶器流场和液面波动难以稳定控制，卷渣往往难以避免。

对比可知，欲抑制结晶器卷渣，黏度高、表面张力小和渣金两相粘附功小的结晶器保护渣是有利的，而欲保证其润滑效果，黏度低、表面张力大和渣金两相粘附功大的结晶器保护渣是有利的，也就是说，抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是矛盾的。

因此，针对上述的矛盾成为目前亟需解决的问题。

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，本发明提供一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法，解决现有技术中存在的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是矛盾的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一方面提供一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统，包括：连铸结晶器，包括多个铜板和多个背板，多个铜板的内壁围合形成铸坯形状空间，每个背板均固定设置在对应的铜板的外侧；以及超声波振动装置，能够产生超声波振动，并将超声波振动经由铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的结晶器保护渣区域。

可选地，超声波振动装置包括超声波发生器、多个超声波换能器和多个超声变幅杆；多个超声波换能器均与超声波发生器连接；每个超声变幅杆的第一端与对应的超声波换能器连接，每个超声变幅杆的第二端贯穿背板并伸入铜板的内部；每个超声变幅杆与背板和铜板同时固定连接。

可选地，背板上设有多个通孔，铜板上设有与通孔相对应的多个盲孔，超声变幅杆的第二端贯穿背板上的通孔后与铜板的盲孔螺纹连接。

可选地，盲孔底部的轴截面为梯形，且梯形的上底靠近铜板的内壁，超声变幅杆的第二端的形状与盲孔的形状相匹配。

可选地，还包括计算机控制装置；计算机控制装置与超声波发生器连接。

可选地，连铸结晶器为立弯连铸机结晶器或弧形连铸机结晶器。

可选地，铸坯形状空间的横截面的形状为长方形、正方形或者异型。

可选地，超声变幅杆的材质为钛合金、碳素钢、微合金钢或者不锈钢。

可选地，超声变幅杆的长度与背板的厚度相匹配。

可选地，超声变幅杆与背板外侧的固定选择在超声变幅杆的节点位置。

本发明另一方面提供一种利用功率超声控制连铸坯质量的方法，包括：将超声波振动经由连铸结晶器的铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的结晶器保护渣中，以促进结晶器保护渣在壳壁间隙中的流动。

可选地，该方法采用上述的系统实现。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明中的系统通过将超声波振动装置产生的超声波振动经由结晶器铜板发射到结晶器铜板围成的铸坯形状空间内，装置并不会伸入到上述的铸坯形状空间内，能够不消耗装置的本身，不改变熔渣成分。产生的超声波振动经由铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的结晶器保护渣中。此时，结晶器保护渣在超声波的作用下黏度将会降低、表面张力和渣金两相粘附功增大，进而能够促进结晶器保护渣在壳壁间隙中的流动，能够有效地利用卷渣和结晶器保护渣的流入发生在连铸结晶器的区域的不同，巧妙地利用超声波作用在结晶器保护渣上，由此，解决了上述的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是相互矛盾的问题。

本发明中的方法将超声波振动经由连铸结晶器的铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的结晶器保护渣中，以促进结晶器保护渣在壳壁间隙中的流动。同样能够解决上述的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是相互矛盾的问题。

附图说明

图1为如下实施例1提供的利用功率超声控制连铸坯质量的系统的结构示意图。

【附图标记说明】

1：铜板；2：背板；3：超声波发生器；4：超声波换能器；5：超声变幅杆；6：计算机控制装置；7：渣圈；8：结晶器保护渣；9：凝固坯壳；10：钢水。

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

参照图1，本实施例提供一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统，包括连铸结晶器以及超声波振动装置。

其中，连铸结晶器包括多个铜板1和多个背板2，多个铜板1的内壁围合形成铸坯形状空间，每个背板2均固定设置在对应的铜板1的外侧。超声波振动装置能够产生超声波振动，并将超声波振动经由铜板1发射到铜板1的内壁与凝固坯壳9之间的结晶器保护渣8中。

具体地，凝固坯壳9是浇铸过程中钢水10在铸坯形状空间内形成的。整个系统的工作频率为10～30kHz，超声施加的功率在0～3000W之间，具体根据不同的钢种进行具体的选择。根据选择的超声功率的不同，铜板1输出的振幅在0～100μm之间。

上述的连铸结晶器现有技术，本申请对此并不做限定。在实际应用时，铸坯形状空间的横截面的形状可以为长方形、正方形或者异型，这样得到的连铸坯分别为板坯、方坯和异型坯，根据实际需要进行选择。一般在使用时，超声波振动装置产生的超声波振动会传递至连铸结晶器的每个铜板1上，这样才能使超声的导入效果更佳，连铸坯的表面质量更好。对于板坯结晶器，一般分为宽面铜板1和窄面铜板1各两块；对于大方坯结晶器，一般为相近规格的铜板1四块；铜板1的材质一般选择Cr-Zr-Cu合金。

此外，本实施例的方案主要适用于立弯连铸机结晶器或弧形连铸机结晶器，主要是由于这两种结晶器是采用结晶器保护渣8操作，而本实施例的核心作用目标就是结晶器保护渣8，使超声波振动作用到结晶器保护渣8上。对于水平连铸结晶器来说，在铜板1的内壁与凝固坯壳9之间的并没有结晶器保护渣8，因此，水平连铸结晶器不适于采用本实施例中的系统进行改善连铸坯的质量。

在本申请的具体实施例中，上述的超声波振动装置包括超声波发生器3、多个超声波换能器4和多个超声变幅杆5，多个超声波换能器4均与超声波发生器3连接。每个超声变幅杆5的第一端与对应的超声波换能器4连接，每个超声变幅杆5的第二端贯穿背板2并伸入铜板1的内部。每个超声变幅杆5与背板2和铜板1同时固定连接。

这样，超声变幅杆5只伸入到铜板1的内部，而并不穿透铜板1，即超声变幅杆5并不会伸入到上述的铸坯形状空间内，因此，超声变幅杆5不会与钢水10接触，并不会造成超声变幅杆5本身材质的消耗。另外，将超声变幅杆5伸入到铜板1的内部，而并不是仅仅与铜板1的外侧壁接触，这样能够保证稳定的超声波传输。而假若超声变幅杆5经与铜板1的外侧壁接触并未伸入到铜板1的内部，在超声变幅杆5的端部与铜板1之间往往存在空隙，造成超声波在传输过程中损耗极大，则达不到预期的效果。

其中，超声波发生器3的作用是将市电转换为超声波换能器4相应的大功率高频交流电流，以驱动超声波换能器4进行工作。实际应用中一般采用数字电路，包括整流电路，振荡电路，放大电路，反馈电路，跟踪电路、保护电路，匹配电路等。并具有如下功能：

(1)工作状态监控功能：可实时监控工作状态、超声频率、功率和振幅等参数；(2)自动跟踪功能：初始设置完成后，可实现连续作业而无需对超声波发生器3进行调节；(3)振幅调整功能：当超声波换能器4工作过程中负载特性发生变化时，能自动调整驱动特性，从而输出稳定的振幅；(4)系统保护功能：当系统在不适宜的操作环境下工作时(如温度过高、过流、过压、欠压、系统错误等)，超声波发生器3将停止工作并报警显示，以保护超声波发生器3和其他的系统组件不被损坏。也就是说，超声波发生器3能够根据操作者设置的设定值进行自我调节，以使各参数保持在设定值，以保证系统稳定的工作。

超声波换能器4的功能是在合适的电场激励下能产生有规律的振动，以将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少一部分功率。在实际应用中，为了产生振幅更加稳定均匀的超声波，超声波换能器4一般采用压电换能方式。超声波换能器4一般主要由压电陶瓷元件、金属盖板、预应力螺杆、电极片、绝缘管等组成，具有能量转换效率高、输出振幅稳定、寿命长等优点。

超声变幅杆5主要是改变超声波振动幅度的功能部件，其功能主要是改变超声波换能器4产生的原始超声波振幅，使其适用于特定目标(即结晶器保护渣8)。在实际应用中，为了降低声阻，保证超声传递效率，超声变幅杆5的材质一般采用钛合金、碳素钢、微合金钢或者不锈钢，当然也可以根据实际需要选择有利于超声传递的其他材质。为了避免漏波，保证超声波换能器4的工作效率，超声变幅杆5的长度一般与背板2的厚度相匹配，超声变幅杆5与背板2外侧的固定选择在超声变幅杆5的节点位置。

需要说明的是，上述的超声波发生器3、超声波换能器4以及超声变幅杆5均为现有技术，本实施例对此并不做限定。

在具体使用过程中，背板2上设有多个通孔，铜板1上设有与通孔相对应的多个盲孔，超声变幅杆5的第二端贯穿背板2上的通孔后与铜板1的盲孔螺纹连接。

具体地，在现有技术中，连铸结晶器的背板2和铜板1之间一般通过多个螺栓连接，进行连接时，背板2上为通孔，铜板1上为盲孔，螺栓的一端贯穿背板2上的通孔后与铜板1的盲孔螺纹连接，螺栓的另一端旋接有螺母，螺母旋紧抵靠在背板2的外侧表面上，进而将铜板1和背板2连接。而本实施例中设有超声变幅杆5后，能够借助背板2和铜板1上本来就开设的螺纹插孔(通孔和盲孔)，将超声变幅杆5巧妙地替换了螺栓和螺母的作用，起到了铜板1和背板2的连接和固定的作用，在保证连铸结晶器原有功能的前提下同时实现了超声的有效导入，结构简单。

因此，在具体使用过程中，铜板1和背板2的冷却水槽布置、热电偶插孔布置与连接用螺纹插孔布置是根据结晶器冷却要求与尺寸精度要求确定的，连接用螺纹插孔的数量和分布决定了超声波换能器4和超声变幅杆5的数量以及分布，两者相对应。

为保证超声变幅杆5与铜板1之间的有效传递，并防止铜板1在超声传输过程中受到破坏，上述的盲孔底部的轴截面为梯形，且梯形的上底靠近铜板1的内壁(也就是说，该梯形的两个平行边中较短的一边靠近铜板1的内壁)，超声变幅杆5的第二端的形状与盲孔的形状相匹配(超声变幅杆5的第二端的轴截面的形状也为梯形)。由于超声波在传输时是沿着超声变幅杆5的轴线方向运动的，因此，将超声变幅杆5的第二端以及盲孔底部的轴截面均设计成梯形，当超声波作用在该梯形的斜边上时就会产生一个与斜边垂直的分力，进而将超声振动以更加发散的方式通传输到铜板1中，使超声振动的传输更加发散、作用面积更大。

当然，在实际应用中，超声变幅杆5与盲孔连接时，可以在轴截面为梯形处采用锥螺纹连接，也可以将轴截面为梯形处的部分均设计成光滑面，除轴截面为梯形之外的部分进行螺纹连接即可。此外，也可以将超声变幅杆5的第二端的轴截面形状设计成阶梯式的多级梯形的方式，或者也可以其他的形状，只要超声变幅杆5的第二端和盲孔的形状设计能够满足如下三个条件即可：(1)铜板1和背板2的固定作用；(2)保证超声变幅杆5的第二端与盲孔的底部能够紧密接触(由于超声波是纵波，振幅为微米级，如果材料是一体的或者紧密接触的，则不会造成冲击，超声波能够尽量无损通过，因此，保证紧密接触能够防止冲击铜板1而导致铜板1受损甚至破裂)；(3)还能够起到使超声波更加发散。本实施例均为举例说明，对此并不进行限定。

在实际应用中，上述的系统还包括计算机控制装置6。计算机控制装置6与超声波发生器3连接，用于调整超声波的频率、功率和振幅以及超声波发生器3的开闭状态。

具体地，计算机控制装置6一般设在连铸操作室，与至少一个超声波发生器3连接，能够通过计算机控制装置6上的按钮操作实现对每一个超声波发生器3的超声波的频率、功率和振幅等各个参数的初始值进行设定以及调整，对每个超声波发生器3的开启和关闭进行操作，具有良好的人机对话界面，操作简单方便。

当然，在实际使用时，上述的计算机控制装置6还可以与连铸机状态监控系统连接，以根据连铸机状态监控系统实时监测的连铸结晶器的工作状态来实时调整超声波的频率、功率和振幅以及超声波发生器3的开闭状态，以使整个控制更加准确方便。其中，连铸机状态监控系统为现有技术，计算机控制装置6可以与连铸机状态监控系统集成在一起，也可以单独设计，本申请对此并不进行限定。

整个系统的工作原理如下：

对于在背景技术中提到的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣8性质的要求是相互矛盾的问题。在研究中发现：卷渣主要发生在结晶器钢水10液面处，而结晶器保护渣8的流入则发生在结晶器弯月面及以下区域的壳壁间隙。也就是说，连铸结晶器内的结晶器保护渣8和钢水10的空间结构特征为上述矛盾问题的解决提供了可能。

因此，采用抑制卷渣能力强的结晶器保护渣8，其熔化后在结晶器钢水10液面上部呈现较高的黏度、较小的表面张力和较小的渣金两相粘附功，而在结晶器弯月面及其以下区域的壳壁间隙，通过结晶器壁输入某种外来能量的扰动，使结晶器保护渣8的黏度降低、表面张力和渣金两相粘附功增大，从而促进其在壳壁间隙的流入。即同一成分的结晶器保护渣8，通过外部调控使其在结晶器的不同区域表现出不同的物理性质，实现其冶金行为的控制，促进其冶金功能发挥。

而超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得集中能量的特点，当超声波在介质中传播时，与介质相互作用，会产生机械效应、空化效应等一系列物理化学效应。机械效应可促进液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散及悬浮；空化效应可使介质结构发生改变，并可促使发生或加速某些化学反应。随着超声波发生器3、超声换能材料及其控制技术的发展，大功率超声设备的设计与制造有了长足的进步，超声应用领域不断拓展，在材料加工与制备、军事、医疗、环保、化工等领域得到了广泛应用。尤其是在有机大分子聚合物降解领域，超声波的应用得到了广泛研究，包括超声功率对降解程度的影响、对溶液黏度和表面张力的影响，以及聚合物原始结构的影响等。

超声场下聚合物的降解主要归功于空化效应。在足够强度超声波的作用下，溶液中高低压高频交替产生，在低压相位，大量微气泡产生，在高压相位，微气泡崩溃，产生高速液体射流及高强度剪切力。在空化效应作用下，聚合物链状或网状结构中的C-C健或C-N键断裂而生成分子量较小的结构单元，即发生了降解行为，表现为分子量降低，黏度永久性降低。

结晶器保护渣8通常是基于CaO-SiO₂体系添加作为熔剂的碱金属氧化物(Na₂O)和氟化物(CaF₂)制备而成的，其熔化温度、熔化速度、黏度和表面张力和结晶性能等物理性质与其化学成分密切相关。从本质上看，熔融结晶器保护渣8属于硅酸盐熔体，其黏度和表面张力等物理性质决定于其熔体结构。在硅酸盐熔体中，SiO₂提供Si⁴⁺阳离子形成硅氧四面体并通过桥氧(BO)形成网状或链状结构；而碱金属氧化物和碱土金属氧化物则提供氧离子形成更多非桥氧(NBO)而降低熔体聚合程度，并提供Na⁺、Ca²⁺等阳离子用于电荷平衡作为网络修饰体存在；通常以单位四面体中非桥氧的数量(NBO/T)表征熔体的聚合程度，随着渣中SiO₂含量的升高，NBO/T值减小，熔体聚合程度升高，黏度升高，表面张力减小，渣金两相粘附功也减小。

对比结晶器保护渣8熔体结构和有机大分子聚合物分子结构可知，二者同为链状或网状结构，存在相似性，只是链接键的种类不同，有机大分子聚合物是以C-C、C-N等键链接而成的，而硅氧四面体结构单元是以Si-O键链接而成的。在双原子分子状态下，C-C键和C-N键的离解能分别为601.9±19.3kJ·mol-1(298K)和524.5±4.2kJ·mol-1(298K)，在聚合物分子中，二者的离解能将更低一些；而Si-O键的离解能为478±13.4kJ·mol-1(298K)，低于C-C键和C-N键的离解能，在高温熔融状态下的硅氧四面体链状或网状结构中，桥接状态Si-O键的离解能将更低。

在超声空化效应下，有机大分子聚合物中的C-C键和C-N键可以断裂而导致聚合物降解，因此，在足够强度的超声波作用下，Si-O键同样也可以发生断裂而生成聚合程度较低的硅氧四面体结构单元，进而改变结晶器保护渣8的物理性质。

基于上述的研究，本实施例中通过将超声波振动装置产生的超声波振动经由结晶器铜板1发射到结晶器铜板1围成的铸坯形状空间内，装置并不会伸入到上述的铸坯形状空间内而与钢水10接触，能够不消耗装置的本身，不改变熔渣成分。具体是通过超声波发生器3、超声波换能器4与超声变幅杆5相配合，同时超声变幅杆5的第二端伸入铜板1的内部来实现将超声波换能器4产生的功率超声经由超声变幅杆5传递到结晶器铜板1，并经由结晶器铜板1发射到铜板1的内壁与凝固坯壳9之间的空隙区域，作用于之间的结晶器保护渣8中。

此时，结晶器保护渣8在超声波的作用下黏度将会降低、表面张力和渣金两相粘附功增大，进而能够促进结晶器保护渣8在壳壁间隙中的流动，能够有效地利用卷渣和结晶器保护渣8的流入发生在连铸结晶器的区域的不同，巧妙地利用超声波作用在结晶器保护渣8上，由此，解决了上述的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣8性质的要求是相互矛盾的问题。

综上，本实施例中根据连铸坯质量控制的本质要求，结合功率超声的结晶器保护渣8的结构与物性控制效果，将功率超声应用于钢的连铸领域，旨在不改变熔渣成分的条件下，实现工业生产条件下结晶器保护渣8冶金行为的区域化时时调控、促进了结晶器保护渣8冶金功能的发挥，进而提高连铸坯质量。主要具备如下效果：

(1)在结晶器弯月面附近，可有效减小渣圈7的厚度，渣道口扩大，降低了结晶器保护渣8流入凝固坯壳9与结晶器内壁间的空隙的阻力，促进了润滑与传热。

(2)可有效降低连铸结晶器的结晶器保护渣8的黏度，提高其流动性，有效填充了凝固坯壳9与结晶器内壁间的空隙，改善了润滑，加强了传热，铸坯角部裂纹、表面裂纹等缺陷发生几率显著降低。

(3)由于超声作用下的结晶器保护渣8的黏度降低行为，在采用较高黏度的结晶器保护渣8的条件下也可保证铸坯润滑，这有利于抑制结晶器内卷渣行为的发生，降低了铸坯中大颗粒夹杂物含量。

(4)由于凝固坯壳9与结晶器内壁间润滑的改善，有效降低了结晶器铜板1的磨损，提高了结晶器铜板1的寿命，服役期延长。

(5)在超声作用下，结晶器保护渣8在凝固坯壳9与结晶器内壁间的空隙的有效填充，结晶器铜板1各位置间温差有效降低，有效遏制了结晶器变形，提高了使用寿命。

实施例2

本实施例提供一种利用功率超声控制连铸坯质量的方法，该方法包括：

将超声波振动经由连铸结晶器的铜板1发射到铜板1的内壁与凝固坯壳9之间的结晶器保护渣8中，以促进结晶器保护渣8在壳壁间隙中的流动。进而能够有效地利用卷渣和结晶器保护渣的流入发生在连铸结晶器的区域的不同，巧妙地利用超声波作用在结晶器保护渣上，由此，解决了上述的抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是相互矛盾的问题。具体的作用机理参见上述实施例1中的具体介绍。

在实际应用中，上述的方法可以采用实施例1中所说的系统来实现，当然，也可以根据实际需要采用其他的系统来实现，只要能够实现将超声波振动作用于结晶器保护渣中的系统均可，本实施例均为举例说明，对此并不进行限定。

以下将以板坯连铸和大方坯连铸为例，采用上述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统进行连铸，并对连铸得到的连铸坯的表面质量进行检测，具体如下：

测试例1

本实施例针对于板坯连铸。连铸坯最大断面为2200mm×230mm，结晶器锥度为1.2％，结晶器宽面铜板1尺寸为2300mm×900mm，窄面铜板1尺寸为242mm×900mm。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器宽面铜板1上布置：在宽度方向上间隔150mm布置，计为15组，中间为结晶器水缝；在长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为120组。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器窄面铜板1上布置：在宽度方向上间隔70mm布置，计为3组，中间为结晶器水缝；在结晶器铜板1长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为24组。

连铸参数：浇铸钢种为SPHC钢，铸机平均拉速为1.2m/min；结晶器保护渣8成分及指标如下：CaO 34.22％，SiO₂ 34.30％，R₂O 8.30％，Al₂O₃4.02％，F 7.05％，游离C3.35％，熔速为31.5s(1350℃)，熔点为1123℃，黏度为0.28Pa·s。

应用效果：超声施加功率为600W，保护渣消耗量由非无超声施加条件下的平均0.47kg/t钢增加至0.53kg/t钢，增幅约为12.6％，表面裂纹发生率由原来的6.8％降低至2.2％。

测试例2

本实施针对于板坯连铸，连铸坯断面尺寸为1500mm×250mm，结晶器锥度为1.0％，结晶器宽面铜板1尺寸为1600mm×900mm，窄面铜板1尺寸为264mm×900mm。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器宽面铜板1上布置：在宽度方向上间隔150mm布置，计为11组，中间为结晶器水缝；在长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为88组。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器窄面铜板1上布置：在宽度方向上间隔75mm布置，计为3组，中间为结晶器水缝；在结晶器铜板1长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为24组。

连铸参数：浇铸钢种为超低碳ST14钢，铸机平均拉速为1.1m/min；结晶器保护渣8成分及指标如下：CaO39.6％，SiO₂30.5％，MgO 7.9％，Al₂O₃ 6.3％，Na₂O 4.1％，F 4.5％，C1.2％，熔点为1010℃，黏度(1300℃)为0.35Pa·s。为防止结晶器卷渣，通过调整保护渣碱度和Al₂O₃含量，提高其黏度(1300℃)至0.52Pa·s。

应用效果：超声施加功率为1000W，保护渣消耗量与非无超声施加条件下基本相同，均约为0.51kg/t钢，表面裂纹发生率由原来的4.2％降低至0.8％，由结晶器卷渣导致的冷轧板表面缺陷发生率由1.36％降低至0.45％。

测试例3

本实施针对于大方坯连铸，连铸坯断面为280mm×380mm，结晶器锥度为1.1％，结晶器宽面铜板1尺寸为400mm×900mm，窄面铜板1尺寸为295mm×900mm。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器宽面铜板1上布置：在宽度方向上间隔90mm布置，计为4组，中间为结晶器水缝；在长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为32组。

超声波换能器4与超声变幅杆5在结晶器窄面铜板1上布置：在宽度方向上间隔90mm布置，计为3组，中间为结晶器水缝；在结晶器铜板1长度方向上间隔110mm布置，计为8组，总计为24组。

连铸参数：浇铸钢种为20#钢，铸机平均拉速为0.95m/min；结晶器保护渣8成分及指标如下：CaO21.52％，SiO₂ 30.43％，R₂O 8.92％，Al₂O₃5.66％，F 6.05％，游离C 2.18％，熔速(1300℃)为128s，熔点为1080℃，黏度(1300℃)为0.41Pa·s。

应用效果：超声施加功率为800W，保护渣消耗量由非无超声施加条件下的平均0.34kg/t钢增加至0.48kg/t钢，漏钢报警次数从每月47次降低至每月4次，角部裂纹发生率由原来的10.6％降低至3.3％。

由上述的各个测试例也可以看出，采用上述的系统能够有效地提高连铸坯质量。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，包括：

连铸结晶器，包括多个铜板(1)和多个背板(2)，多个所述铜板(1)的内壁围合形成铸坯形状空间，每个所述背板(2)均固定设置在对应的所述铜板(1)的外侧；

以及超声波振动装置，能够产生超声波振动，并将超声波振动经由所述铜板(1)发射到所述铜板(1)的内壁与凝固坯壳(9)之间的结晶器保护渣(8)中。

2.如权利要求1所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，所述超声波振动装置包括超声波发生器(3)、多个超声波换能器(4)和多个超声变幅杆(5)；

多个所述超声波换能器(4)均与所述超声波发生器(3)连接；

每个所述超声变幅杆(5)的第一端与对应的所述超声波换能器(4)连接，每个所述超声变幅杆(5)的第二端贯穿所述背板(2)并伸入所述铜板(1)的内部；

每个所述超声变幅杆(5)与所述背板(2)和所述铜板(1)同时固定连接。

3.如权利要求2所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，

所述背板(2)上设有多个通孔，所述铜板(1)上设有与所述通孔相对应的多个盲孔，所述超声变幅杆(5)的第二端贯穿所述背板(2)上的通孔后与所述铜板(1)的盲孔螺纹连接。

4.如权利要求3所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，

所述盲孔底部的轴截面为梯形，且所述梯形的上底靠近所述铜板(1)的内壁，所述超声变幅杆(5)的第二端的形状与所述盲孔的形状相匹配。

5.如权利要求1-4任一项所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，还包括计算机控制装置(6)；

所述计算机控制装置(6)与所述超声波发生器(3)连接。

6.如权利要求1所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，

所述连铸结晶器为立弯连铸机结晶器或弧形连铸机结晶器。

7.如权利要求1所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，

所述铸坯形状空间的横截面的形状为长方形、正方形或者异型。

8.如权利要求2所述的利用功率超声控制连铸坯质量的系统，其特征在于，

所述超声变幅杆(5)的材质为钛合金、碳素钢、微合金钢或者不锈钢；和/或

所述超声变幅杆(5)的长度与所述背板(2)的厚度相匹配；和/或

所述超声变幅杆(5)与所述背板(2)外侧的固定选择在所述超声变幅杆(5)的节点位置。

9.一种利用功率超声控制连铸坯质量的方法，其特征在于，包括：

将超声波振动经由连铸结晶器的铜板(1)发射到所述铜板(1)的内壁与凝固坯壳(9)之间的结晶器保护渣(8)中，以促进所述结晶器保护渣(8)在壳壁间隙中的流动。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-8任一项所述的系统实现。