CN114309505B - 一种采用动量布流的金属薄带连铸方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，包括步骤：调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；熔融金属经过布流装置后形成具有初始动量的均匀片状熔融金属流；片状熔融金属流以50‑100℃的过热度和0.5‑2m/s的初速度进入熔池内，布流装置与熔池间隔设置；在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；随着两个冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固。本申请充分利用熔融金属的动能，在熔池内形成与冷却辊辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流，可以在过热度高达50‑100℃时制备出等轴晶，而且还能够提高等轴晶比例至100％，从而能够细化晶粒、改善偏析。
Description
技术领域
本申请涉及一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，适用于金属薄带连铸的技术领域。
背景技术
在各方向上尺寸相差较小的晶粒叫等轴晶，对应地，在各方向上尺寸相差较大的晶粒叫柱状晶。等轴晶的性能均匀，柱状晶的性能具有方向性，金属材料获得致密且均匀的等轴晶组织可以提高金属材料的力学性能和工艺性能。
双辊薄带连铸是一种近终形连铸技术，采用该技术可以制备接近成品厚度的带坯，实现金属薄带的短流程生产，该工艺极大地简化了生产工序，缩短了生产线长度，从而减少了设备投资，不仅能够显著降低成本，还能节约能源、保护环境，具有极高的市场前景。双辊薄带连铸采用两个水冷辊作为运动结晶器，根据铸造薄带的运动方向，铸机的布置形式可以分为冷却辊垂直布置的水平式双辊薄带连铸设备、冷却辊水平布置的垂直式双辊薄带连铸设备和冷却辊倾斜布置的倾斜式双辊薄带连铸设备。现有技术中，在水平式双辊薄带连铸过程中，低压头的熔融金属通过供料嘴都是以层流形式进入熔池；在垂直式双辊薄带连铸过程中，熔融金属通过浸入式布流器进入熔池，并采取各种措施降低熔融金属的动能，抑制熔池中的紊流；倾斜式双辊薄带连铸过程中，熔融金属也都是以层流形式进入熔池。
中国专利CN103464702A公开了一种金属薄板近终形成形装置及其成形方法，具有一对倾斜布置、内部水冷、反向旋转的铸轧辊，下铸轧辊一侧设置熔融金属布流装置，由布流装置将熔融金属均匀平铺在下铸轧辊辊面上，随后熔融金属在上下铸轧辊之间形成熔池、进而完成熔融金属的凝固与轧制，实现金属薄板的近终形成形。该专利中熔融金属是均匀平铺在下铸轧辊辊面上，因此不能形成具有动量搅拌作用的涡流。
美国专利US7604039B2公开了一种布流装置，钢包内的钢水通过水口进入中间包，然后通过耐火设备进入到布流器，在布流器底部侧面有多个布流出口，该布流装置的布流器喷嘴浸入到钢液内，并尽可能降低布流器出口的钢液流速，减缓熔池液面及弯月面的波动，控制熔池的稳定。由于布流器有多个布流出口，会导致钢液在轴向上的布流不均匀，从而使熔池内的温度场分布不均匀，导致薄带出现裂纹。同时，钢液缓慢进入到较大的熔池中，不能形成具有动量搅拌作用的涡流。钢液的温度更新速度较慢，熔池内的温度梯度较大，单向生长条件充足，容易形成以柱状晶为主的凝固组织，固态相变组织中的晶粒也比较粗大，需要轧制变形等后续工序来改善，以得到细小的等轴晶组织，满足薄带产品的力学性能要求。如果能提高铸带凝固组织中的等轴晶比例，这将细化晶粒、改善偏析，减少后续工序的负担。
中国专利CN100493745C公开了一种双辊薄带连铸提高等轴晶率的方法，在浇注工艺中向钢水内引入氩气和氢气的混合气体，以降低氧分压，从而降低钢水的过冷度，改变钢水的凝固条件，增加钢水与结晶辊在液态的接触的时间，因此提高结晶辊和凝固坯壳之间的传热。该方法能够提高薄板的表面质量，而且通过控制混合气体的比例还可以控制薄板的凝固组织，提高薄板的等轴晶比例，细化晶粒。该方法的缺陷在于：设备相对复杂，操作不便，而且该方法中混合气体与钢水以及旋转的结晶辊辊面的局部接触状态难以控制，将会造成钢水与结晶辊之间的热传导不稳定，从而使薄带坯组织不均。该方法虽然能够扩大等轴晶区，但还是无法得到100％等轴晶组织的薄板。
中国专利CN102069167A公开了一种利用双辊薄带连铸技术制备取向硅钢等轴晶薄带坯的方法，包括控制薄带连铸过程中的钢水过热度、熔池内钢水与结晶辊辊面的接触弧长及接触时间等关键工艺参数，从而获得等轴晶粒。该方法的缺陷在于：需要控制钢水过热度在15-30℃之间，温度控制范围较窄，增加了控制难度，而且得到的等轴晶组织仍很粗大。一方面，在浇注到一定程度时，随着钢包内钢水温度的降低，钢水容易在中间包及水口处凝固，或者由于凝固段过长导致轧卡事故；另一方面，如果过热度高于上述温度范围，由于该专利中熔池内搅拌效果不明显，不利于等轴晶发展。该专利之所以能在15-30℃的条件下制备出等轴晶薄带，是因为初始的过热度较低，过冷度较大，导致形核率增加，又因为形核率增加的幅度不大，才形成了相对粗大的等轴晶组织。本领域技术人员知晓，若是过热度高于50℃，则会认为制备金属薄带的组织为柱状晶组织，而不是等轴晶组织。
由此可见，现有技术中并未出现充分利用熔融金属动能，在熔池内形成与冷却辊辊面相邻的涡流，从而制备等轴晶组织的技术启示。相反，现有技术中为了避免进入布流器的熔融金属液体发生波动，一般会将布流喷嘴浸入金属液体中或者以微弱的平流进入布流喷嘴中，即便是能够制备等轴晶组织，也需要将过热度控制在30℃以下，而且制备的等轴晶组织也相对粗大。因此，现有技术中需要一种在更高过热度下，能够制得100％等轴晶组织的金属薄带连铸方法和设备。
发明内容
本申请的目的是提供一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，其充分利用熔融金属的动能，在熔池内形成与冷却辊辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流，可以在过热度高达50-100℃时制备出等轴晶薄带，而且还能够提高铸带凝固组织中的等轴晶比例至100％，从而能够细化晶粒、改善偏析。
本申请涉及一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，包括以下步骤：
(1)调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；
(2)熔融金属进入布流装置，熔融金属经过布流装置后形成轴线方向均匀且具有初始动量的片状熔融金属流；
(3)片状熔融金属流以50-100℃的过热度和0.5-2m/s的初速度进入熔池内，布流装置与熔池间隔设置，使得布流装置不与熔池接触；
(4)在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；
(5)随着两个冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，金属薄带的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
其中，所述双辊薄带连铸设备可以为倾斜式双辊薄带连铸设备，包括上冷却辊和下冷却辊，所述上冷却辊和所述下冷却辊倾斜布置且两者之间形成辊缝，所述下冷却辊的上方设有所述布流装置。所述布流装置可以包括：向上开口的入口段，用于承接熔融金属；与入口段相连的竖直出口段，所述竖直出口段的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流；与竖直出口段的一侧相连的导流板，用于引导片状熔融金属流流出。所述竖直出口段的长度可以为所述竖直出口段的厚度的3-10倍，所述导流板的长度可以为所述竖直出口段的厚度的5-10倍，所述导流板与所述竖直出口段的交点到所述竖直出口段底部之间的距离可以为所述竖直出口段的厚度的1.5-3倍。所述布流装置的出口端点和下冷却辊轴心的连线与竖直线的角度α可以为0-70°，两冷却辊轴心连线与竖直线之间的角度β可以为30-90°，角度α＜角度β；所述导流板的板面与水平线的角度γ与角度α的差值可以为0-5°。
其中，所述双辊薄带连铸设备还可以为垂直式双辊薄带连铸设备，包括水平布置的第一冷却辊和第二冷却辊，所述第一冷却辊和所述第二冷却辊中间对称位置的上方设有布流装置且两者之间形成辊缝。所述布流装置可以包括：向上开口的入口段，用于承接熔融金属；与所述入口段相连的竖直出口段，所述竖直出口段的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流。所述竖直出口段的长度可以为所述竖直出口段的厚度的3-10倍。
根据本申请的一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，采用动量布流的方式，即布流装置提供轴线方向均匀、且具有初始动量的片状熔融金属流，保证熔融金属流进入熔池时的动量较大，熔池内的动量搅拌效果明显。通过熔池内涡流较强的动量搅拌效果，促进等轴晶组织的形成，能够在50-100℃的过热度下制备出等轴晶薄带，而且能够形成100％的等轴晶状组织。
附图说明
图1为实施例1的金属薄带连铸设备的示意图。
图2为实施例1的布流装置立体图。
图3为实施例1的布流装置剖视图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5为实施例1的动量布流与熔池涡流示意图。
图6为实施例2的金属薄带连铸设备的示意图。
图7为实施例2的布流装置立体图。
图8为实施例2的布流装置剖视图。
图9为图8的B-B剖视图。
图10为实施例2的动量布流与熔池涡流示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请涉及一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，包括以下步骤：
(1)调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；
(2)熔融金属进入布流装置，熔融金属经过布流装置后形成轴线方向均匀且具有初始动量的片状熔融金属流；此处的轴线方向是指双辊的轴线方向；
(3)片状熔融金属流以50-100℃的过热度和0.5-2m/s的初速度进入熔池内，布流装置与熔池间隔设置，使得布流装置不与熔池接触；
(4)在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；
(5)随着两个冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，金属薄带的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
本申请中的动量布流方式需要熔融金属有较大的初速度，进而保证进入熔池的动量较大，熔池内的动量搅拌效果明显，通过熔池内涡流较强的动量搅拌效果，促进等轴晶组织的形成。涡流的动量搅拌效果，有利于加强熔融金属与冷却辊的换热，有利于促进熔池各部分温度均匀，降低温度梯度，提高过冷度和形核率；涡流的动量搅拌能打碎枝晶，从而抑制柱状晶的形成与生长，从而细化晶粒；涡流的动量搅拌还能使成分更加均匀，从而改善偏析。涡流发展越充分，细化凝固组织、提高等轴晶比例和改善偏析的效果越好。这种动量搅拌效果能够实现过热度在50-100℃时形成等轴晶，能够有效防止中间包及水口处阻塞。同时，由于进入熔池的片状熔融金属流均匀且连续，使得熔池内形成的涡流沿冷却辊轴线方向保持均匀，以实现均匀凝固，改善表面质量。
实施例1
如图1-5所示，本申请的采用动量布流的金属薄带连铸方法可以采用倾斜式双辊薄带连铸设备实现，该方法包括以下步骤：
(1)调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；
(2)熔融金属进入布流装置，熔融金属经过布流装置后形成轴线方向均匀且具有初始动量的片状熔融金属流；
(3)熔融金属以50-100℃的过热度和0.5-2m/s的初速度沿下辊辊面进入两个冷却辊与两个侧封构成的熔池内，布流装置与熔池间隔设置，使得布流装置不与熔池接触；
(4)在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；
(5)随着两冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，金属薄带的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
如图1-4所示，倾斜式双辊薄带连铸设备包括位于下方的第一冷却辊1和位于上方的第二冷却辊6，第一冷却辊1和第二冷却辊6倾斜布置且两者之间形成辊缝，第一冷却辊1的上方设有布流装置2，熔融金属3从布流装置2中流出形成轴线方向均匀、且具有初始动量的片状熔融金属流4。布流装置2的出口端点和下辊轴心的连线与竖直线的角度α为0-70°，优选为20-60°，例如可以为40°；两冷却辊轴心连线与竖直线之间的角度β为30-90°，优选为60-80°，例如可以为70°，且角度α＜角度β。初始动量可通过中间包或流槽的液位高度和布流装置之间的高度进行调节，为了保证涡流的充分发展，布流装置不与熔池接触。片状熔融金属流以0.5-2m/s的初速度沿第一冷却辊的辊面进入第一冷却辊1和第二冷却辊6之间的辊缝，形成熔池5，后续进入的片状熔融金属流在熔池5中形成涡流动量。第一冷却辊1和第二冷却辊6以相反的方向同步旋转，辊速可以为0.1-3m/s。在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备得到的金属薄带7从第一冷却辊1和第二冷却辊6之间的辊缝引出，金属薄带7的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
布流装置2包括向上开口的入口段8，用于承接来自中间包的熔融金属；与入口段8相连的竖直出口段9，竖直出口段9的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流；与竖直出口段9的一侧相连的导流板10，用于引导片状熔融金属流的流出方向。其中，竖直出口段9的长度l1为竖直出口段9厚度t1的3-10倍，优选为5-7倍；导流板10长度l2为竖直出口段9厚度t1的5-10倍，优选为7-8倍；导流板10与竖直出口段9的交点到竖直出口段9底部之间的距离b为竖直出口段9厚度t1的1.5-3倍，优选为2-2.5倍；导流板10的板面与水平线的角度γ＝α+δ，δ为α和γ之间的角度偏差量，可以为0-5°。通过上述尺寸关系和角度关系的组合设置，可以使得沿着导流板流入辊面上的片状熔融金属流能够在熔池内形成良好的动量搅拌效果，实现制备100％等轴晶所需的涡流搅拌。
在一种对比实例中，熔融金属以过热度70℃和初速度1m/s沿下辊辊面进入熔池空间，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，其凝固组织为均匀细小的100％等轴晶组织，晶粒尺寸为80μm。
实施例2
如图6-10所示，本申请的采用动量布流的金属薄带连铸方法还可以采用垂直式双辊薄带连铸设备实现。该方法包括以下步骤：
(1)调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；
(2)熔融金属通过中间包或流槽进入布流装置，熔融金属经过布流装置后形成轴线方向均匀且具有初始动量的片状熔融金属流；
(3)熔融金属以50-100℃的过热度和0.5-2m/s的初速度沿两个冷却辊相邻辊面的对称面进入两个冷却辊与两个侧封构成的熔池内，布流装置与熔池间隔设置；
(4)在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；
(5)随着两冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，金属薄带的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
如图7-9所示，垂直式双辊薄带连铸设备包括水平布置的第一冷却辊11和第二冷却辊16，两者之间形成辊缝，第一冷却辊11和第二冷却辊16对称位置的上方设有布流装置12，熔融金属13从布流装置12中流出形成轴线方向均匀、且具有初始动量的片状熔融金属流14。布流装置12包括向上开口的入口段18，用于承接来自中间包或流槽的熔融金属；与入口段18相连的竖直出口段19，竖直出口段19的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流14。其中，竖直出口段19的长度l3为竖直出口段19的厚度t2的3-10倍，优选为5-7倍。片状熔融金属流14以0.5-2m/s的初速度进入第一冷却辊11和第二冷却辊16之间的辊缝形成熔池15，后续进入的片状熔融金属流14在熔池15中形成涡流动量。第一冷却辊11和第二冷却辊16以相反的方向同步旋转，辊速可以为0.1-3m/s，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备得到的金属薄带17从第一冷却辊11和第二冷却辊16之间的辊缝引出，金属薄带17的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
在一种对比实例中，熔融金属以过热度60℃和初速度0.8m/s从两个冷却辊的上方中间位置进入熔池空间，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，其凝固组织为均匀细小的100％等轴晶组织，晶粒尺寸为100μm。
采用本申请提出的金属薄带连铸方法，操作简单方便，在不改变原始材料成分，不用降低过热度的前提下，可以提高金属薄带凝固组织的等轴晶比例，等轴晶比例最大可达100％，从而能够细化晶粒、改善偏析。本申请可用于钢铁和有色金属等各种金属薄带的近终形连铸。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种采用动量布流的金属薄带连铸方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）调整布流装置的位置，启动双辊薄带连铸设备；
（2）熔融金属进入布流装置，熔融金属经过布流装置后形成沿双辊的轴线方向均匀且具有初始动量的片状熔融金属流；
（3）片状熔融金属流以50-100℃的过热度和0.5-2m/s的初速度进入熔池内，布流装置与熔池间隔设置，使得布流装置不与熔池接触；
（4）在熔融金属初速度的作用下，在熔池内形成与两个冷却辊面相邻且具有动量搅拌作用的涡流；
（5）随着两个冷却辊的转动，在涡流动量搅拌的作用下完成熔融金属的凝固，制备出金属薄带，金属薄带的凝固组织为均匀细小的等轴晶组织。
2.根据权利要求1所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述双辊薄带连铸设备为倾斜式双辊薄带连铸设备，包括上冷却辊和下冷却辊，所述上冷却辊和所述下冷却辊倾斜布置且两者之间形成辊缝，所述下冷却辊的上方设有所述布流装置。
3.根据权利要求2所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述布流装置包括：
向上开口的入口段，用于承接熔融金属；
与所述入口段相连的竖直出口段，所述竖直出口段的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流；
与竖直出口段的一侧相连的导流板，用于引导片状熔融金属流流出。
4.根据权利要求3所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述竖直出口段的长度为所述竖直出口段的厚度的3-10倍，所述导流板的长度为所述竖直出口段的厚度的5-10倍，所述导流板与所述竖直出口段的交点到所述竖直出口段底部之间的距离为所述竖直出口段的厚度的1.5-3倍。
5.根据权利要求4所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述竖直出口段的长度为所述竖直出口段的厚度的5-7倍，所述导流板的长度为所述竖直出口段的厚度的7-8倍，所述导流板与所述竖直出口段的交点到所述竖直出口段底部之间的距离为所述竖直出口段的厚度的2-2.5倍。
6.根据权利要求4或5所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述布流装置的出口端点和下冷却辊轴心的连线与竖直线的角度α为0-70°，两冷却辊轴心连线与竖直线之间的角度β为30-90°，角度α＜角度β；所述导流板的板面与水平线的角度γ与角度α的差值为0-5°。
7.根据权利要求6所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述布流装置的出口端点和下冷却辊轴心的连线与竖直线的角度α为20-60°，两冷却辊轴心连线与竖直线之间的角度β为60-80°，角度α＜角度β；所述导流板的板面与水平线的角度γ与角度α的差值为0-5°。
8.根据权利要求1所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述双辊薄带连铸设备为垂直式双辊薄带连铸设备，包括水平布置的第一冷却辊和第二冷却辊，所述第一冷却辊和所述第二冷却辊中间对称位置的上方设有布流装置且两者之间形成辊缝。
9.根据权利要求8所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述布流装置包括：
向上开口的入口段，用于承接熔融金属；
与所述入口段相连的竖直出口段，所述竖直出口段的底部设有连续的条状出口，用于输出片状熔融金属流。
10.根据权利要求9所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述竖直出口段的长度为所述竖直出口段的厚度的3-10倍。
11.根据权利要求9所述的金属薄带连铸方法，其特征在于，所述竖直出口段的长度为所述竖直出口段的厚度的5-7倍。
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