CN113198994A - 一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，所属金属铸造技术领域，本发明方法在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.2～0.5m/min，过热度为20～30℃，结晶器冷却水流量5000～8000L/min，结晶器电磁搅拌电流为200～400A，结构性旋流浸入式水口浸入深度为120～140mm，采用三孔旋流型水口。本发明制备的铸坯经计算对比，采用直通型水口不加电磁搅拌距离弯月面2m处皮下碳偏析系数为0.825，采用旋流水口加300A结晶器电磁搅拌距离弯月面2m处皮下碳偏析系数为1.0，连铸坯皮下负偏析问题得到明显改善。
Description
技术领域
本发明属金属铸造技术领域，特别涉及一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法。
背景技术
钢铁工业是各个工业化国家的基础工业之一，也是衡量一个国家经济实力的重要指标，同样人类文明的发展也离不开钢铁材料。连铸大圆坯产品广泛应用于交通运输、机械制造、石油化工、风力发电等领域重大装备的制造，具有重要的战略意义和经济价值。随着装备制造不断向大型化、高端化方向发展，连铸圆坯产品也在向大断面、高性能方向前进。目前，国内生产的连铸圆坯断面直径在350mm～1000mm范围，800mm大圆坯在多家钢铁企业顺利投产，少数企业的连铸圆坯尺寸已达1000mm。随着连铸大圆坯断面尺寸不断增大，连铸圆坯已经进入一些传统的模铸产品领域。与模铸产品相比，连铸圆坯产品具有生产效率高、后续加工方便、金属收得率高、产品质量稳定等优势。但是，随着连铸圆坯断面尺寸不断增大，凝固时间延长，连铸坯液心长度也在增加；另一方面，为满足产品性能，连铸圆坯合金化程度不断增加；生产过程中，大断面连铸圆坯皮下负偏析等问题比较突出，影响了产品质量。为了使圆坯产品质量更上一个台阶，解决大圆坯表面负偏析成为圆坯连铸普遍存在的共性问题。
常用的宏观偏析控制技术包括冷却制度控制，低过热度浇铸技术，轻压下技术和电磁搅拌技术等，实际应用时常常几种技术相互配合。然而这些控制手段都是用来改善连铸坯中心偏析常用的手段，针对铸坯表面的质量问题一直没有得到足够的重视，也没有一种有效的手段来改善表面负偏析。并且部分技术在实际生产中也存在着各种条件的限制，例如：
低过热度浇铸虽然可以改善铸坯中心偏析状况，增大等轴晶区面积，提高铸坯质量。然而，实现低过热度浇铸的关键是：(1)控制钢中夹杂物，防止低过热度浇铸过程的水口结瘤；(2)准确控制连铸过程中间包钢水温度稳定；(3)控制炼钢-连铸生产节奏的稳定。因此，在实际生产操作中，低过热度浇铸技术的控制难度很高。
轻压下技术广泛应用在板坯和方坯连铸过程，通过与冷却制度相配合，可以有效改善中心偏析、消除中心缩孔。但是，大圆坯连铸过程中，为了达到压下效果，非常容易产生内裂和表面裂纹。目前，轻压下技术在圆坯连铸中的应用仍需进一步探索。
因此，如何改善大圆坯皮下负偏析，提高铸坯表面质量，加强铸坯的均质化控制，成为了一个十分重要的课题。针对这一问题，提出改善连铸坯皮下负偏析问题的连铸方法也变得十分具有意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，通过改善大圆坯C元素皮下负偏析，从而提高铸坯成分均匀性及改善铸坯质量。其具体技术方案如下：
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.2～0.5m/min，过热度为20～30℃，结晶器冷却水流量5000～8000L/min，结晶器电磁搅拌电流为200～400A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为120～140mm，采用三孔旋流型水口，侧孔垂直倾角为-15～15°，侧孔水平倾角为120°。
本发明的一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，与现有技术相比，有益效果为：
一、本发明通过对连铸过程工艺参数和浸入式水口进行了合理的调整和优化，使大圆坯的皮下负偏析得到明显改善。理论上来说，连铸过程结晶器内初生坯壳的凝固及其溶质元素的分布与其流场的分布有着最为直接紧密的联系。想要改善大圆坯皮下负偏析问题，最直接的方法就是改变结晶器内流场分布形状。考虑到钢液的特性以及基于目前现场生产的常用连铸方法，本发明采用三孔旋流水口加电磁搅拌的方法改变了结晶器内流场分布，使得溶质元素富集在顶部区域用于补充损失的偏析元素。由于在坯壳凝固过程中会发生选分结晶，使得溶质元素从固相析出。这时，顶部溶质元素会对固相溶质元素进行补偿，从而达到降低连铸坯皮下负偏析的效果。
二、经铸坯计算对比，采用直通型水口不加电磁搅拌距离弯月面2m处皮下碳偏析系数(皮下负偏析C含量/平均C含量)为0.825，采用旋流水口加300A结晶器电磁搅拌距离弯月面2m处皮下碳偏析系数为1.0，连铸坯皮下负偏析问题得到明显改善。本发明方法是通过改变结晶器内流场分布实现的：
1)有利于连铸过程中抑制铸坯皮下负偏析的产生，以协同调控铸坯皮下负偏析带及中心偏析，实现铸坯均质性的提高。
2)有利于连铸过程中抑制铸坯顶部正偏析的产生，更有利于渣层温度均匀升高使得渣层熔化。
附图说明
图1为对比例1和对比例3的直通型水口示意图；
图2为对比例2和实施例1的三孔旋流型水口示意图；
图3为对比例1和对比例2的无电磁搅拌作用下大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况图；
图4为对比例3和实施例1的300A电磁搅拌作用下大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况图；
图5为对比例1的无电磁搅拌作用下直通型水口大圆坯模型出口处溶质元素C分布云图；
图6为对比例2的无电磁搅拌作用下旋流型水口大圆坯模型出口处溶质元素C分布云图；
图7为对比例3的300A电磁搅拌作用下直通型水口大圆坯模型出口处溶质元素C分布云图；
图8为实施例1的300A电磁搅拌作用下旋流型水口大圆坯模型出口处溶质元素C分布云图；
图9为本发明连铸方法改善大圆坯皮下负偏析的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例和附图1-8对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
下表1为实际所生产钢种42CrMo钢的物性参数。
表1钢种参数
| 物性参数 | 数值 | 物性参数 | 数值 |
| 固相线温度 | 1733K | 导热系数 | 34W/m/℃ |
| 液相线温度 | 1783K | 比热 | 680J/kg/℃ |
| 潜热 | 272e<sup>3</sup>J/kg | 密度 | 7020kg/m<sup>3</sup> |
| 过热度 | 20℃ | 粘度 | 5.5e<sup>-3</sup>J/kg |
| 结晶器热流量 | 75e<sup>4</sup>W/m<sup>2</sup>/℃ | 碳含量 | 0.4％ |
下表2为三维数学模型具体尺寸。
表2三维数学模型参数
| 参数 | 数值 |
| 铸坯断面尺寸，mm | R250mm |
| 模型计算长度，mm | 2000mm |
| 水口浸入深度，mm | 140mm |
| 结晶器有效高度，mm | 780mm |
对比例1
采用直通型水口，如图1所示；不采用电磁搅拌工艺，其他参数如表1、表2所示。本实施例所得的大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况及皮下负偏析系数如图3、图5、表3所示。
对比例2
采用三孔旋流型水口，如图2所示；不采用电磁搅拌工艺，其他参数如表1、表2所示。本实施例所得的大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况及皮下负偏析系数如图3、图6、表3所示。
对比例3
采用直通型水口，如图1所示；结晶器电磁搅拌电流为300A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，其他参数如表1、表2所示。本实施例所得的大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况及皮下负偏析系数如图4、图7表3所示。
实施例1
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.23m/min，过热度为25℃，结晶器冷却水流量5300L/min，结晶器电磁搅拌电流为300A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为130mm，采用三孔旋流型水口，如图2所示；侧孔垂直倾角为-15°，侧孔水平倾角为120°。其他参数如表1、表2所示。本实施例所得的大圆坯模型出口处溶质元素C分布情况及皮下负偏析系数如图4、图8、表3所示。
从上述图表中可以发现，采用当前连铸工艺时，大圆坯皮下负偏析问题得到明显改善。大圆坯皮下负偏析问题的解决归功于改变结晶器流场后产生的溶质富集现象。采用旋流水口后，在弯月面处发生溶质富集现象。加入电磁搅拌后，溶质元素从无电磁搅拌时的0.9％降低至300A时的0.5％。合理的电磁搅拌使得顶部上旋流得以被打破，流场分布更加合理，顶部富集的溶质元素可以向下补充。对于改善皮下负偏析的机理如图9所示，因此采用三孔旋流水口改变了结晶器内流场分布，使得溶质元素富集在顶部区域用于补充损失的偏析元素。由于在坯壳凝固过程中会发生选分结晶，使得溶质元素从固相析出。这时，顶部溶质元素会对固相溶质元素进行补偿，从而达到降低连铸坯皮下负偏析的效果。所以旋流水口+M-EMS的方法，可以有效降低连铸坯皮下负偏析，有利于铸坯均质化，且经济实用，成本低。
表3对比例1-3和实施例1大圆坯皮下负偏析结果
| 实例 | 皮下负偏析系数 |
| 对比例1 | 0.825 |
| 对比例2 | 1.025 |
| 对比例3 | 0.800 |
| 实施例1 | 1.000 |
实施例2
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.2m/min，过热度为20℃，结晶器冷却水流量5000L/min，结晶器电磁搅拌电流为200A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为120mm，采用三孔旋流型水口；侧孔垂直倾角为15°，侧孔水平倾角为120°。
实施例3
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.5m/min，过热度为30℃，结晶器冷却水流量8000L/min，结晶器电磁搅拌电流为400A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为140mm，采用三孔旋流型水口；侧孔垂直倾角为-15°，侧孔水平倾角为120°。
实施例4
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.3m/min，过热度为24℃，结晶器冷却水流量6000L/min，结晶器电磁搅拌电流为250A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为125mm，采用三孔旋流型水口；侧孔垂直倾角为-15°，侧孔水平倾角为120°。
实施例5
一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.4m/min，过热度为28℃，结晶器冷却水流量7000L/min，结晶器电磁搅拌电流为350A，结晶器电磁搅拌频率为1.2HZ，结构性旋流浸入式水口浸入深度为135mm，采用三孔旋流型水口；侧孔垂直倾角为15°，侧孔水平倾角为120°。
Claims (4)
1.一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，其特征在于，如下：
在连铸过程中采用结晶器电磁搅拌与结构性旋流浸入式水口相结合，设置参数为：拉速为0.2～0.5m/min，过热度为20～30℃，结晶器冷却水流量5000～8000L/min，结晶器电磁搅拌电流为200～400A；结构性旋流浸入式水口浸入深度为120～140mm，采用三孔旋流型水口。
2.根据权利要求1所述的一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，其特征在于，所述结晶器电磁搅拌的频率为1.2HZ。
3.根据权利要求1所述的一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，其特征在于，所述三孔旋流型水口的侧孔垂直倾角为-15～15°。
4.根据权利要求1所述的一种改善连铸过程中大圆坯结晶器内皮下负偏析的方法，其特征在于，所述三孔旋流型水口的侧孔水平倾角为120°。
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