CN113231611B - 一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法 - Google Patents

一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，该方法为采集厚板坯连铸过程连铸机工况参数，根据低过热度等温共熔法确定冷钢带的喂入量，利用连铸坯‑冷钢带体系相变传热理论模型得到冷钢带熔化时间，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带进行预热，以振动的方式在结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。本发明可以低成本、灵活地确定不同连铸工艺下的喂带工艺参数，保障了连铸厚板坯的质量。

Description

一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法
技术领域
本发明属于厚板坯连铸生产领域，具体涉及一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法。
背景技术
连铸工艺是最主要的钢铁生产工艺，拥有着许多传统模铸工艺难以比拟的优势，但是连铸坯经常存在的中心偏析、中心疏松、中心裂纹和等轴晶率低等内部质量缺陷，随着连铸坯厚度的增加这些缺陷愈发严重。由于中心偏析和中心疏松在后期热处理中不能被完全消除，严重影响产品质量，因此需要采取措施提高铸坯内部质量。
针对连铸存在的中心偏析、中心疏松、中心裂纹等问题的形成机理及解决方法目前已经取得了一定的进展。根据不同铸坯条件，人们相继提出改善钢液质量、电磁搅拌、液芯末端轻压下、低过热度浇铸等工艺用以改善连铸坯中心质量。改善钢液质量工艺是指控制钢液中某些有害元素含量，去除或控制夹杂物的含量与分布，利用氩气泡均匀钢液的成分等方式提高铸坯质量。但是采用此种工艺对钢坯质量改善有限，并且过高钢液质量要求会大大增加冶炼的成本和难度。电磁搅拌工艺是利用旋转磁场产生电磁力引起铸坯内钢液的强制对流，流动的钢液冲刷柱状晶前端导致其破碎或熔断，形成等轴晶核，从而有效改善中心偏析，同时该技术能够提高铸坯内温度场的均匀性并促进钢液中气泡、夹杂物的上浮。但存在的问题是使用不当会使铸坯出现白亮带，难以准确控制电磁搅拌位置，适应性差，且维护费用高，当铸坯厚度和规格较大时，受感应电流的集肤效应影响，对铸坯中心失去搅拌作用。液芯末端轻压下可通过对已经凝固的坯壳施加一定压力，使其发生塑性变形来补偿钢液的凝固收缩量，并将铸坯液芯末端富集的溶质元素重新挤压回钢液中，从而消除铸坯收缩形成的小孔洞，并改善中心偏析。但该工艺对于大尺寸坯作用效果不显著，且对施加铸坯的形状有一定要求。低过热度浇铸工艺是最有效的增加等轴晶率的方法，低过热度钢液在浇筑入结晶器时会快速形成大量晶核，提高等轴晶占比从而提高铸坯中心的致密度。但实际生产中过低的浇注温度会造成水口堵塞，且造成钢包结壳严重，夹杂物和气泡难以上浮。
连铸喂钢带技术已被证实可有效减少连铸坯的内部缺陷，目前该技术已被乌克兰亚速钢厂(乌克兰专利No.40053A)采用进行产品的生产。薄钢带通过喂带装置被连续不断地加入到连铸结晶器中，过冷钢带在液芯升温和熔化吸收热量，快速降低液芯过热度，降低了铸坯中心的温度，增加了铸坯内的形核率，使等轴晶区变宽柱状晶区变窄，显著消除中心偏析。此外，喂入钢带的高频低幅振动，会对钢带周围的钢液有一定的搅拌作用，并且会击碎附近的晶枝增加凝固核心，促进柱状晶转变为等轴晶(Columnar to equiaxedtransition，CET)，而钢带自身融化形成的微粒也会使凝固核心的数目有所增加。同时，结晶器喂钢带技术加快了铸坯内部的凝固速度，可进一步提升生产效率。但在实际生产过程中仍缺乏对现场有指导意义的喂钢带工艺参数，过快的喂入钢带将导致钢带不能完全熔化，造成“夹芯”现象的出现，喂入速度过慢则会使喂钢带的效果不明显。正是因为目前还未明确喂钢带参数与连铸过程参数之间的关系，制约着该技术推广应用。
现有国内公开的报道，专利CN200610044356.0、CN201210565960.3、CN201220718943.4、CN201410799131.0、CN201710064793.7只粗略介绍了喂钢带技术的原理与设备，具体钢带的喂入参数缺乏理论依据。其他国内公开的报道专利CN201410690953.5、CN201410698178.8、CN202010320643.X只大致的给出了冷钢带的尺寸和喂入速度范围，无法良好适应实际生产环境。目前喂钢带工艺相关参数主要依靠实验和建立数学模型进行确定。但实验法耗费大且得到的相关参数只能适用于实验的特定连铸机构。而已有的确定喂钢带参数的数学模型大多做了大量的简化，无法良好适用实际生产过程，如专利CN201410740946.1一种中低碳高强度钢均质化铸坯的生产方法，提出的喂入冷钢带的速度公式，只是考虑了由中间包到结晶器过程的钢水过热度，未考虑结晶器水冷壁与其他冷却区带走的热量以及钢带熔化潜热吸收的热量，假设计算结果与实际生产实验情况相差甚远；专利CN201510532688.2一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法，提出的计算方法能够较灵活的调整钢带喂入量，但未考虑实际生产过程中限制喂入冷钢带的断面尺寸和喂入速度的重要因素为连铸垂直段长度。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而本发明提出一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，包括以下步骤：
步骤1：采集厚板坯连铸过程中连铸机工况参数；
步骤2：基于采集的厚板坯连铸过程中连铸机工况参数，根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量；
步骤3：利用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度，计算冷钢带熔化时间；
步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度。
进一步地，步骤1的所述工况参数包括：步骤1的所述连铸机工况参数包括：钢坯、冷钢带成分；钢液密度；钢坯、冷钢带密度；钢坯厚度；钢坯宽度；钢坯凝固系数；工作拉速；中间包钢液温度；冷钢带熔化潜热；钢坯、冷钢带比热容；钢液比热容；连铸垂直段长度。
进一步地，所述步骤2中根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量的公式表示如下：
Figure BDA0003072874370000031
其中，m为单位时间冷钢带喂入量，CL为钢液比热容，T为中间包钢液温度，Tsuperheat为混合钢液等效的低过热度温度，T0为冷钢带初始温度，TL为液相线温度，TS为固相线温度，CS为冷钢带比热容，qlatent为冷钢带熔化潜热；qm为单位时间浇铸至液芯的钢液质量流量；
其中，单位时间浇铸至液芯的钢液质量流量qm通过如下公式确定：
Figure BDA0003072874370000032
Figure BDA0003072874370000033
其中，α为液相穴锥度，D为钢坯厚度，Lliquid为钢坯液芯长度，ρL为钢液密度，L为钢坯宽度，v为工作拉速。
进一步地，所述步骤3中利用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型，公式表示如下：
lntmelting＝4.082+2.085lnδ-0.497ln(T-TL)-0.356lnT0
其中，tmelting为冷钢带熔化时间，δ为冷钢带喂入厚度，(T-TL)为浇铸钢水的过热度，T为中间包钢液温度，TL为液相线温度，T0为冷钢带初始温度。
进一步地，所述步骤4中通过如下公式，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度：
Figure BDA0003072874370000034
Figure BDA0003072874370000035
其中，vstrip为垂直段限制的冷钢带喂入速度，Lplumb为连铸垂直段长度，tmelting为冷钢带熔化时间；
w为对应喂入速度的冷钢带理论宽度，m为单位时间冷钢带喂入量，δ为冷钢带喂入厚度，ρS为冷钢带密度；冷钢带的断面尺寸包括对应喂入速度的冷钢带理论宽度w，以及冷钢带喂入厚度δ。
进一步地，若冷钢带经预热后喂入，则步骤2、3中冷钢带初始温度T0为冷钢带预热后的温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，以低过热度等温共熔法为依据确定冷钢带喂入量，所谓低过热度等温熔法是指冷钢带在垂直段吸热升温超过液相线温度熔化吸热在液芯内形成低温钢液区，单位时间浇铸至液芯的高过热度钢液在射流、氩气泡等的搅拌作用下迅速与液芯内的低温钢液混合成为过热度较低的钢液，此时两种钢液等温共熔，单位时间从中间包流入液芯的高过热度钢液降低至低过热度温度释放的热量与冷钢带熔化吸热至该低过热度温度吸收的热量恰好相等，达到与某一温度的低过热度浇铸相似的效果。解决了由于坯壳凝固释放潜热和冷却区吸热带来难以准确计算冷钢带吸收热量总热量的问题；本发明采用广义热焓方法建立连铸坯-冷带体系相变传热理论模型，利用冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度和冷钢带初始温度计算得出冷钢带熔化时间；喂入冷钢带在液芯内发生的是多元合金复杂相变现象，即多元合金钢液在冷钢带表面放热凝固形成钢鞘，随后钢鞘与钢带继续吸热升温熔化成为钢液，利用连铸坯-冷带体系相变传热理论模型，避免了由于喂入冷钢带在液芯内多元合金复杂相变带来的计算困难的问题。因此，本发明可以低成本、灵活地确定不同连铸工艺下的喂带工艺参数，保障了连铸厚板坯的质量。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法的流程图；
图2为采用低过热度等温熔法时用于计算单位时间高过热度钢液流入量的等效示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明提出一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：采集厚板坯连铸过程中连铸机工况参数，所述工况参数包括步骤1的所述连铸机工况参数包括：钢坯、冷钢带成分；钢液密度；钢坯、冷钢带密度；钢坯厚度；钢坯宽度；钢坯凝固系数；工作拉速；中间包钢液温度；冷钢带熔化潜热；钢坯、冷钢带比热容；钢液比热容；连铸垂直段长度。
本实施方式中，钢坯与冷钢带种类相同，均为中碳钢，其具体成分见表1。
表1中碳钢的主要化学成分(质量分数％)
成分 C Si Mn P S Ni Al
百分比 0.17 0.15 1.0 0.015 0.01 0 0.015
本实施方式以某钢厂板坯连铸机为例，钢坯凝固系数取定值，具体数值如下表2所示。
表2结晶器流场模型其他输入参数
Figure BDA0003072874370000051
步骤2：利用采集厚板坯连铸过程中连铸机工况参数，根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量；
利用钢液中化学成分及其质量百分数，根据如下经验公式确定铸锭液相线理论温度，即本发明所需的液相线温度TL；
Figure BDA0003072874370000052
利用钢的化学元素确定钢的固相线温度TS，计算公式如下：
TS＝1534-410Te([C]≤0.1％) (2)
TS＝1493(0.1％<[C]≤0.2％) (3)
TS＝1534-184Te([C]>0.2％) (4)
其中，
Figure BDA0003072874370000061
利用钢坯厚度、凝固系数和工作拉速等参数计算钢坯液芯长度Lliquid，计算公式如下：
Figure BDA0003072874370000062
其中：D为钢坯厚度，K为凝固系数，v为工作拉速。
根据本实施方式中具体的钢液中化学成分、质量百分数及连铸结晶器参数，通过经验公式计算得，液相线温度TL＝1516.2735℃，固相线温度TS＝1493℃，钢坯液芯长度Lliquid＝29.96m。
将液芯近似视为一等腰三角形，根据计算出的钢坯液芯长度和钢坯厚度计算出液相穴锥度α，公式如(1)所示：
Figure BDA0003072874370000063
再根据钢坯尺寸、密度、连铸机拉速和上式得到的液相穴锥度α可将钢坯等效如图2所示，计算出每分钟结晶器前段液芯钢液流量qm公式如(2)所示：
Figure BDA0003072874370000064
其中：ρL为钢液密度，L为钢坯宽度。
本实施方式选取1分钟作为单位时间，研究单位时间内连铸过程各相关参数的变化。低过热度等温熔法是指冷钢带在垂直段吸热升温超过液相线温度熔化吸热在液芯内形成低温钢液区，单位时间浇铸至液芯的高过热度钢液在射流、氩气泡等的搅拌作用下迅速与液芯内的低温钢液混合成为过热度较低的钢液，此时两种钢液等温共熔，单位时间从中间包流入液芯的高过热度钢液降低至低过热度温度释放的热量与冷钢带熔化吸热至该低过热度温度吸收的热量恰好相等，达到与某一温度的低过热度浇铸相似的效果。
喂入结晶器内的冷钢带在液芯处熔化吸收的热量可分为三部分。第一部分，钢带过冷吸热升温，吸收部分热量；第二部分，钢带逐渐升温发生相变，钢带潜热吸收部分钢液热量；第三部分，钢带熔化得到的温度较低的钢液升温，并与液芯内的钢液混合达到等温共熔的状态，再次吸收部分过热钢液的热量。所述的根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量的公式表示如(3)所示：
Figure BDA0003072874370000071
其中，m为单位时间冷钢带喂入量，CL为钢液比热容，T为中间包钢液温度，Tsuperheat为混合钢液等效的低过热度温度，T0为冷钢带初始温度，CS为冷钢带比热容，qlatent为冷钢带熔化潜热。
步骤3：采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型，根据冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度，计算冷钢带熔化时间；
所述的采用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，公式表示如(4)所示：
lntmelting＝4.082+2.085lnδ-0.497ln(T-TL)-0.356lnT0 (10)
其中，tmelting为冷钢带熔化时间，δ为冷钢带喂入厚度，(T-TL)为浇铸钢水的过热度，T为中间包钢液温度，TL为液相线温度，T0为冷钢带初始温度，计算时δ单位为mm，T0单位为℃。
步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，通过如下公式，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度：
Figure BDA0003072874370000072
Figure BDA0003072874370000073
其中，vstrip为垂直段限制的冷钢带喂入速度，Lplumb为连铸垂直段长度，tmelting为冷钢带熔化时间；
w为对应喂入速度的冷钢带理论宽度，m为单位时间冷钢带喂入量，δ为冷钢带喂入厚度，ρS为冷钢带密度；冷钢带的断面尺寸包括对应喂入速度的冷钢带理论宽度w，以及冷钢带喂入厚度δ。
实际生产过程中低过热度温度范围为10～20℃，本实施方式中，混合钢液等效的低过热度温度取TL+15℃，若冷钢带经预热后喂入，则冷钢带初始温度T0为冷钢带预热后的温度。确定的冷钢带的断面尺寸和喂入速度如表3所示：
表3确定的冷钢带的断面尺寸和喂入速度
Figure BDA0003072874370000081
本发明在厚板坯连铸过程中，将确定断面尺寸和喂入速度的冷钢带，以低幅高频振动的方式(振动频率70～150Hz)从厚板坯结晶器的水口与窄面的中间位置处平行于结晶器宽面喂入结晶器内钢液中。本发明将钢带的喂入位置固定在水口附近区域，增强了钢带对钢坯中心的作用效果，同时对钢带施加振动，能够加速钢带的熔化，提高形核率，并防止钢带携渣；本发明同时通过对喂入钢带进行预热的方式，调整冷钢带喂入初温(表3钢带初始温度)，控制钢带在液芯不同位置处的吸热量与冷钢带喂入宽度。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集厚板坯连铸过程中连铸机工况参数；
步骤2：基于采集的厚板坯连铸过程中连铸机工况参数，根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量；
根据低过热度等温共熔法确定冷钢带喂入量的公式表示如下：
Figure FDA0003444958760000011
其中，m为单位时间冷钢带喂入量，CL为钢液比热容，T为中间包钢液温度，Tsuperheat为混合钢液等效的低过热度温度，T0为冷钢带初始温度，TL为液相线温度，TS为固相线温度，CS为冷钢带比热容，qlatent为冷钢带熔化潜热；qm为单位时间浇铸至液芯的钢液质量流量；
其中，单位时间浇铸至液芯的钢液质量流量qm通过如下公式确定：
Figure FDA0003444958760000012
Figure FDA0003444958760000013
其中，α为液相穴锥度，D为钢坯厚度，Lliquid为钢坯液芯长度，ρL为钢液密度，L为钢坯宽度，v为工作拉速；
步骤3：利用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度，计算冷钢带熔化时间；
步骤4：利用连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度。
2.根据权利要求1所述的一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，其特征在于，步骤1的所述连铸机工况参数包括：钢坯、冷钢带成分；钢液密度；钢坯、冷钢带密度；钢坯厚度；钢坯宽度；钢坯凝固系数；工作拉速；中间包钢液温度；冷钢带熔化潜热；钢坯、冷钢带比热容；钢液比热容；连铸垂直段长度。
3.根据权利要求1所述的一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，其特征在于，所述步骤3中利用广义热焓方法建立连铸坯-冷钢带体系相变传热理论模型，即冷钢带熔化时间和冷钢带喂入厚度、浇铸钢水的过热度、冷钢带初始温度之间的关系模型，公式表示如下：
lntmelting＝4.082+2.085lnδ-0.497ln(T-TL)-0.356lnT0
其中，tmelting为冷钢带熔化时间，δ为冷钢带喂入厚度，(T-TL)为浇铸钢水的过热度，T为中间包钢液温度，TL为液相线温度，T0为冷钢带初始温度。
4.根据权利要求1所述的一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，其特征在于，所述步骤4中通过如下公式，根据冷钢带的喂入量、冷钢带熔化时间和连铸垂直段长度确定冷钢带的断面尺寸和喂入速度：
Figure FDA0003444958760000021
Figure FDA0003444958760000022
其中，vstrip为垂直段限制的冷钢带喂入速度，Lplumb为连铸垂直段长度，tmelting为冷钢带熔化时间；
w为对应喂入速度的冷钢带理论宽度，m为单位时间冷钢带喂入量，δ为冷钢带喂入厚度，ρS为冷钢带密度；冷钢带的断面尺寸包括对应喂入速度的冷钢带理论宽度w，以及冷钢带喂入厚度δ。
5.根据权利要求1所述的一种低过热度等温共熔法确定连铸喂钢带工艺参数的方法，其特征在于，若冷钢带经预热后喂入，则步骤2、3中冷钢带初始温度T0为冷钢带预热后的温度。
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