CN111531142B - 一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置及方法，包括用于熔化金属的熔炼系统、位于熔炼系统上方的冷却基体组件、控制冷却基体组件升降以插入熔炼系统内熔化金属中的升降机构以及对冷却基体组件表面进行冷却的冷却系统，冷却基体组件包括平行并排设置的一对冷却基体，一对冷却基体之间留有用于模拟薄带连铸结晶辊辊缝的空隙，空隙内设有测温热电偶，还包括带动一对冷却基体相向运动的热轧系统以及连接在一对冷却基体之间的弹性复位件，冷却基体中设有冷却流道，测温热电偶和冷却系统均与温度采集系统连接。该装置可以模拟双辊的挤压过程和薄带的在线热轧过程，这对于提高钢薄带的表面质量和力学性能具有重要的指导意义。

Description

一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁铸造技术领域，尤其涉及一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置及方法。

背景技术

薄带连铸包括单带薄带连铸、双带薄带连铸、单辊薄带连铸和双辊薄带连铸。其中双辊薄带连铸技术被认为是21世纪钢铁冶金领域最具革命意义的前沿技术。双辊薄带铸轧过程中，钢水直接在水冷铜质结晶辊上被浇铸成厚度约为1～5mm薄钢带，钢水产生了亚快速凝固的效果，同时省去了传统连铸过程所需再加热和大量轧制工序，从而实现了铸造和轧制一体化生产。双辊薄带连铸技术由于可以免去铸坯的热轧工序或只有少量的热轧工序，与传统连铸和薄板坯连铸连轧技术相比较，其生产线得以大大缩短，相应的设备投资、场地占用和能耗等都得到了显著降低，钢材生产周期大大降低。因此，近年来双辊薄带连铸技术成为世界各大钢铁公司竞相发展的先进铸造技术。但是，实际薄带连铸生产过程中，依然存在很多关键技术问题亟待解决，比如结晶辊和侧封板的成本高、寿命短，使得吨钢实际生产成本的增加；钢薄带特别是中碳钢钢带的表面经常存在缺陷，降低产品的合格率，增加生产成本和影响铸机产能。对于钢铁的双辊薄带连铸过程而言，稳定、连续的铸造出表面质量良好的钢带是冶金工作者追求的首要目标。

解决这些关键技术问题，研究人员开展了大量的相关研究，有些研究工作者通过水模拟、数值模拟的方法开展薄带连铸的相关研究，但是数值模拟很难精确和全面反应钢水在水冷结晶辊内瞬态和复杂的热、动力学行为；而水模拟不能真实还原钢水的亚快速凝固过程。也有研究人员直接通过工业双辊薄带连铸机或者中试双辊薄带连铸机进行相关研究，但是这种研究手段研发周期长、成本高、危险性高以及相关实验参数难以准确控制。因此很多研究人员开发了各种各样的以实际钢水为实验原料的实验室规模薄带连铸热模拟装置，以便实现更经济且更有科研价值的薄带连铸相关基础研究。

但是目前的薄带连铸热模拟装置只能够实现亚快速凝固并获取铸态的薄带样品，并不能真实模拟双辊之间的挤压力，同时不具备在线热轧功能。例如，申请号为201310027733.X的中国专利公开了一种模拟薄带连铸工艺过程的方法和装置，将一对耐火材料包裹的有一定间距的铜块快速浸入钢液中，实验过程中钢液会在间隙中凝固，凝固的坯壳将热电偶包裹起来，这样就可以得到钢液的凝固过程和凝固后的冷却过程的温度数据，然而并不能真实模拟实际双辊薄带连铸过程中双辊的挤压力以及薄带的在线热轧过程，并且铜基体没有通冷却水，基体冷却强度不够，与实际薄带连铸过程的水冷结晶辊不符。申请号为201611031168.4的中国专利公开了一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及该装置的应用和应用方法，将单个无耐材保护的水冷基体直接快速插入钢水熔池，获得薄带钢坯，然而该装置不能控制获取的薄带的厚度而且不能实现薄带的在线热轧过程；同时也无法实现后续的薄带二次冷却速度的控制。申请号为201910056241.0的中国专利公开了一种模拟薄带连铸结晶器初始凝固的装置及方法，该装置使得钢水在负压吸附作用下被快速的压入条形孔中并在冷却介质的作用下快速凝固成壳，冷却基体保留了薄带连铸激冷和挤压两个特征。但是该装置内腔四周封闭的水冷基体构造使得基体表面的粗糙度难以控制，同时获取的薄带厚度也难以实现随时调节，而且不能模拟薄带的在线热轧过程。实际上薄带连铸生产过程中，不仅包含了钢水亚快速凝固及挤压过程，还有薄带在线热轧、二次控冷过程。综上所述，如何更加接近真实工况的实现实际双辊薄带连铸过程的全流程模拟，以保证相关研究结果的可靠性，是行业内亟待解决的一个关键技术问题。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置及方法，该装置可以模拟双辊的挤压过程和薄带的在线热轧过程，这对于提高钢薄带的表面质量和力学性能具有重要的指导意义，从而实现双辊薄带连铸过程的稳定生产和获取性能优良的薄带。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置，包括用于熔化金属的熔炼系统、位于熔炼系统上方的冷却基体组件、控制冷却基体组件升降以插入熔炼系统内熔化金属中的升降机构以及对冷却基体内的薄带进行冷却的冷却系统，所述冷却基体组件包括平行并排设置的一对冷却基体，一对所述冷却基体之间留有用于模拟薄带连铸结晶辊辊缝的空隙，所述空隙内设有测温热电偶；

该装置还包括带动一对所述冷却基体相向运动的热轧系统以及连接在一对所述冷却基体之间的弹性复位件，所述冷却基体中设有冷却流道，所述测温热电偶和冷却系统均与温度采集系统连接。

具体的，所述热轧系统包括设置在一对所述冷却基体两侧的两个热轧臂以及驱动所述热轧臂靠近或远离所述冷却基体的线性驱动机构。

具体的，所述冷却基体组件还包括与所述升降机构连接的基体连接架，所述基体连接架包括水平并排布置的至少两根滑杆，所述滑杆的两端分别穿过一对所述冷却基体与对应的调节螺母连接，所述弹性复位件套设在所述滑动杆上。

具体的，至少两根所述滑杆通过横向布置的横杆连接。

具体的，所述升降组件包括可上下运动的传动杆以及与传动杆连接的运动电机，所述传动杆与所述横杆固定连接。

具体的，所述滑杆靠近所述冷却基体的上部设置。

具体的，所述熔炼系统包括炉体、设置于炉体内的熔炼坩埚、控制熔炼坩埚加热温度的温控系统以及向炉体内通入保护气体的气氛控制系统。

具体的，所述炉体的上方还设有密封罩体，所述密封罩体与所述炉体之间围成密封腔，所述冷却基体组件以及热轧系统设置于所述密封腔中，所述炉体上正对所述冷却基体组件位置处设有可启闭的盖体，所述密封腔上设有排气阀以及与所述炉体连通的进气孔。

具体的，所述冷却系统包括对准所述冷却基体的气冷喷嘴，所述气冷喷嘴上设有与所述温度采集系统连接的电子流量阀。

一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的方法，采用上述装置，包括：

步骤一：将一定量的炼钢原料放入熔炼系统中加热熔化并使得钢水温度达到一定的过热度；

步骤二：利用升降机构带动冷却基体组件以设定的速度快速插入熔炼系统中的钢水熔池中，同时开启温度控制系统；

步骤三：冷却基体组件浸入钢水熔池一定深度后在熔池中停留一段时间，此时冷却基体组件的一对冷却基体之间的钢水凝固形成薄带，接着金属基体通过升降机构的带动快速向上运动离开钢水熔池并停留在熔炼系统外预设的位置；

步骤四：立刻启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，进而使得刚钢凝固完成的薄带在短时间内产生一定百分比的挤压变形；

步骤五：通过温度采集系统控制冷却系统，使得挤压后的钢薄带按照预设冷却速率降温，达到热轧温度后，再次启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，从而使得一对冷却基体之间的高温薄带以一定的轧制速率变形，产生一定的压下率，轧制完成后，薄带继续以一定的冷却速率降温。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过两个分离的冷却基体构成组合式冷却基体组件，使得冷却基体表面粗糙度易于控制，便于研究粗糙度对薄带连铸过程的影响。

2、一对冷却基体通过滑杆+调节螺母进行连接，且滑杆上安装有弹性复位件，使得冷却基体之间的距离易于调节，可方便获取不同厚度的钢薄带，同时保证了挤压变形和在线热轧的顺利进行以及热轧后薄带与冷却基体的分离。

3、气冷喷嘴的电子流量阀与温度采集系统连接，可实现喷嘴气体流量和流速的控制，从而实现精准控制薄带的冷却速率。

综上所述，该模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置可以用来模拟钢水在结晶辊内的亚快速凝固及挤压过程，以及实现薄带的在线热轧和控制薄带的二次冷却过程，准确的实现了实际双辊薄带连铸过程的全流程模拟，实验成本低，实验结果科研价值高；这对于提高钢薄带的表面质量和力学性能具有重要的指导意义，从而实现双辊薄带连铸过程的稳定生产和获取性能优良的薄带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例涉及的冷却基体组件的左视图；

图3为本发明实施例涉及的冷却基体组件的俯视图；

图4为本发明实施例涉及的冷却基体的剖面示意图；

图5为本发明实施例获取的热轧钢薄带酸洗后的上表面形貌；

图6为本发明实施例获取的热轧钢薄带酸洗后的下表面形貌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图4，一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置，包括用于熔化金属的熔炼系统、位于熔炼系统上方的冷却基体组件、控制冷却基体组件升降以插入熔炼系统内熔化金属中的升降机构以及对冷却基体内的薄带进行冷却的冷却系统，冷却基体组件包括平行并排设置的一对冷却基体，一对冷却基体10之间留有用于模拟薄带连铸结晶辊辊缝的空隙，空隙内设有测温热电偶14。该装置还包括带动一对冷却基体相向运动的热轧系统以及连接在一对冷却基体之间的弹性复位件26，冷却基体中设有冷却流道，冷却流道中通有冷却液，测温热电偶14和冷却系统均与温度采集系统17连接。

参见图1，具体的，熔炼系统包括炉体1、设置于炉体1内的熔炼坩埚3、控制熔炼坩埚3加热温度的温控系统2以及向炉体1内通入保护气体的气氛控制系统。气氛控制系统包括与炉体1连接的抽真空机4以及与炉体1上的惰性气体进气口5连接的惰性气体源，抽真空机4上装有真空度测量计8，惰性气体源可以为氩气、氮气等的一种及其混合气体。

参见图1，在实际设计中，在炉体1的上方还设有密封罩体，密封罩体与炉体1之间围成密封腔9，冷却基体组件以及热轧系统设置于密封腔9中，炉体1上正对冷却基体组件位置处设有可启闭的盖体25，盖体25打开后，冷却基体可以穿过盖体25处的开口插入炉体1内的熔炼坩埚3中，在密封腔9上设有可启闭排气阀6以及与炉体1连通的进气孔7，炉体1内的保护气体可以通过进气孔7进入密封腔9内，从而使得冷却基体提升至密封腔后，空隙中的钢液可以得到气氛保护，防止氧化。

具体的，冷却系统包括对准冷却基体内的薄带的气冷喷嘴15，气冷喷嘴15与高压冷却气源连接，气冷喷嘴15上设有与温度采集系统17连接的电子流量阀16。

参见图1，可以理解的是，在实际设计中，热轧系统包括设置在一对冷却基体10两侧的两个热轧臂22以及驱动热轧臂22靠近或远离冷却基体的线性驱动机构21，而线性驱动机构21可以采用驱动油缸、驱动气缸或线性电机等机构，通过轧臂的运动可以实现不同的压下率和轧制速率。

本申请实施例中，通过两个分离的冷却基体构成组合式冷却基体组件，使得冷却基体表面粗糙度易于控制，便于研究粗糙度对薄带连铸过程的影响，通过设置在一对冷却基体外侧的两个热轧臂22，可以带动冷却基体相向运动实现对空隙内薄带的挤压，不仅可以模拟实际双辊薄带连铸工艺过程双辊之间的挤压，而且可以模拟后续工程过程中的在线热轧，整个装置结构简单，实用性强；另外，一对冷却基体通过滑杆23+调节螺母24进行连接，且滑杆23上安装有弹性复位件26，使得冷却基体之间的距离易于调节，可方便获取不同厚度的钢薄带，同时保证了挤压变形和在线热轧的顺利进行以及热轧后薄带与冷却基体的分离。

参见图3和图4，在实际应用中，冷却基体组件还可以包括与升降机构连接的基体连接架，基体连接架包括水平并排布置的至少两根滑杆23，每根滑杆23通过横向布置的横杆20连接为一体，滑杆23的两端分别穿过冷却基体顶部的连接板与对应的调节螺母24连接，弹性复位件26为套设在滑动杆上弹簧，通过旋拧调节螺母24，可以带动冷却基体在滑杆23上滑动，从而实现两者之间间距的灵活调节，可方便获取不同厚度的钢薄带，同时保证了挤压变形和在线热轧的顺利进行以及热轧后薄带与金属板的分离，冷却基体插入坩埚内的钢水中时，需要避免滑杆23浸入钢水中。

具体的，升降组件包括可上下运动的传动杆19以及与传动杆19连接的运动电机18，而传动杆19则与横杆20固定连接，此外，滑杆23一般靠近冷却基体的上部设置，这样可以使得冷却基体可以较深的插入到坩埚的钢水中。测温热电偶14可以采用高灵敏度的细丝铠装热电偶，型号为Omega R型热电偶，用于准确测量薄带的温度。

在冷却基体10的顶部设有与其内部的冷却流道连通的进水管道11和出水管道12，冷却基体除开面向空隙的端面裸露外，其余所有的端面均覆盖有耐火绝热材料13，冷却基体组件由两块相互平行的金属板构成，金属材质为高硬度和高导热性合金，可以为合金铸钢、合金锻钢、铸铁、硬质合金等。

一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的方法，包括如下步骤：

步骤一：将一定量的实验炼钢原料放入坩埚中，抽真空以达到一定的真空度；

步骤二：开启高频感应炉加热炼钢原料使之熔化并使得钢水温度达到一定的过热度；

步骤三：开启惰性气体进气口5，使得惰性气体充满整个炉体1，当炉体1气压与外界气压达到平衡后，打开炉体1上的盖体25，接着通过运动电机18，使得冷却基体10以一定的速度快速向钢熔池运动，同时开启温度采集系统17；

步骤四：冷却基体10浸入钢熔池一定深度后在熔池中停留一段时间，此时冷却基体组件的两块金属板之间的钢水凝固形成薄带，接着金属基体快速向上运动离开钢熔池并停留在炉体1上部的密封腔9内预设的位置；

步骤五：立刻启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，将热轧臂22作用在组合式冷却基体10的外侧，进而使得刚钢凝固完成的薄带在短时间内产生一定百分比的挤压变形，模拟双辊薄带连铸过程中双辊之间的挤压；

步骤六：通过温度采集系统17控制电子流量阀16，从而控制气冷喷嘴15的气体流量和流速，使得挤压变形后的钢薄带按照预设冷却速率降温，达到热轧温度后，按照热轧系统设定的参数，进一步将热轧臂22作用在组合式冷却基体10的外侧，使得高温薄带以一定的轧制速率变形，产生一定的压下率。轧制完成后，薄带继续以一定的冷却速率降温。以下通过具体实验案例进行说明。

具体操作如下：

1)将总共10kg的马氏体钢炼钢原料放入坩埚中，接着抽真空使得真空度控制在10^-10atm；

2)开启高频感应炉加热炼钢原料使之熔化并使得钢水的过热度为50℃；

3)开启惰性气体进气口5，使得氩气充满整个炉体1，当炉体1气压与外界气压达到平衡后，打开炉体1与密封腔9之间的盖体25，两块冷却基体间距调节为4mm，接着通过运动电机18，使得冷却基体以1.1m/s的速度快速向钢熔池运动，同时开启温度采集系统17；

4)冷却基浸入钢熔池的深度为60mm，接着在熔池中停留的时间为0.4s，此时冷却基之间的钢水凝固形成4mm厚的薄带，接着冷却基快速向上运动离开钢熔池并停留在炉体1上部的密封腔9内预设的位置；

5)立刻启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，将热轧臂22作用在组合式冷却基体10的外侧，进而使得刚钢凝固完成的薄带在0.5s内产生10％的挤压变形，模拟双辊薄带连铸过程中双辊之间的挤压；

6)通过测温系统控制电子流量阀16，进而控制气冷喷嘴15的气体流量和流速，使得出挤压变形后的钢薄带按照预设冷却速率降温，热轧前的冷却速率控制为45℃/s，降温达到热轧温度1000℃后，按照热轧控制台设定的参数，将热轧臂22作用在冷却基体的外侧，使得高温薄带以0.2/s的轧制速率变形，产生0.5压下率。接着热轧后的薄带的冷却速率控制为20℃/s,冷至500℃时，在炉温和气冷喷嘴15的共同作用下使得薄带以每秒1℃/s速率降温，以模拟实际薄带连铸中的卷曲过程，模拟获得的热轧钢薄带上、下表面形貌如图5和图6所示，热轧薄带酸洗后的表面平整、无裂纹，表面质量良好，与实际双辊薄带生产线生产得到的薄带表面质量接近。

通过本发明的模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置，能够严格控制薄带的冷却速率和热轧条件，并且所获取的钢薄带的厚度、微观组织和表面形貌与实际生产的同个钢种的薄带产品很接近，如图5和图6所示，说明本发明方法可以准确的实现实际双辊薄带连铸过程的全流程模拟。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的装置，包括用于熔化金属的熔炼系统、位于熔炼系统上方的冷却基体组件、控制冷却基体组件升降以插入熔炼系统内熔化金属中的升降机构以及对冷却基体内的薄带进行冷却的冷却系统；其特征在于：所述冷却基体组件包括平行并排设置的一对冷却基体，一对所述冷却基体之间留有用于模拟薄带连铸结晶辊辊缝的空隙，所述空隙内设有测温热电偶；

该装置还包括带动一对所述冷却基体相向运动的热轧系统以及连接在一对所述冷却基体之间的弹性复位件，所述冷却基体中设有冷却流道，所述测温热电偶和冷却系统均与温度采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述热轧系统包括设置在一对所述冷却基体两侧的两个热轧臂以及驱动所述热轧臂靠近或远离所述冷却基体的线性驱动机构。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述冷却基体组件还包括与所述升降机构连接的基体连接架，所述基体连接架包括水平并排布置的至少两根滑杆，所述滑杆的两端分别穿过一对所述冷却基体与对应的调节螺母连接，所述弹性复位件为套设在所述滑杆上的弹簧。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：至少两根所述滑杆通过横向布置的横杆连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述升降机构包括可上下运动的传动杆以及与传动杆连接的运动电机，所述传动杆与所述横杆固定连接。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述冷却基体的四周被耐火材料包围，只留下一个裸露的基体面与熔化金属液接触。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述熔炼系统包括炉体、设置于炉体内的熔炼坩埚、控制熔炼坩埚加热温度的温控系统以及向炉体内通入保护气体的气氛控制系统。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述炉体的上方还设有密封罩体，所述密封罩体与所述炉体之间围成密封腔，所述冷却基体组件以及热轧系统设置于所述密封腔中，所述炉体上正对所述冷却基体组件位置处设有可启闭的盖体，所述密封腔上设有排气阀以及与所述炉体连通的进气孔。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述冷却系统包括对准所述冷却基体内的薄带的气冷喷嘴，所述气冷喷嘴上设有与所述温度采集系统连接的电子流量阀。

10.一种模拟双辊薄带连铸工艺过程的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的装置，包括：

步骤一：将一定量的炼钢原料放入熔炼系统中加热熔化并使得钢水温度达到一定的过热度；

步骤二：利用升降机构带动一对冷却基体以设定的速度快速插入熔炼系统中的钢水熔池中，同时开启温度采集系统；

步骤三：冷却基体组件浸入钢水熔池一定深度后在熔池中停留一段时间，此时冷却基体组件的一对冷却基体之间的钢水凝固形成薄带，接着金属基体通过升降机构的带动快速向上运动离开钢水熔池并停留在熔炼系统外预设的位置；

步骤四：立刻启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，进而使得刚钢凝固完成的薄带在短时间内产生一定百分比的挤压变形；

步骤五：通过温度采集系统控制冷却系统，使得挤压后的钢薄带按照预设冷却速率降温，达到热轧温度后，再次启动热轧系统使得一对冷却基体按照设定的速度相向运动，从而使得一对冷却基体之间的高温薄带以一定的轧制速率变形，产生一定的压下率，轧制完成后，薄带继续以一定的冷却速率降温。

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