CN115555531B - 一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金工业连铸技术领域，具体为一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺，通过设置两段二冷区，即密闭强冷区和开放空冷区，完成方坯的二次冷却过程，其中密闭强冷区能够根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果调整气体喷嘴的高度、角度和间距，也可以实现气体喷嘴压力、流量的调节，能够提高铸坯的冷却均匀性，有效减少气雾冷却对铸坯的不利影响，并且经济环保，可操作性强，具有良好的应用前景；且本发明从源头避免方坯表面产生氧化铁皮，提高了金属收得率，同时可以在密闭强冷区安装方坯表面缺陷检测设备，实现方坯表面缺陷的在线检测，也可以大幅提高方坯表面缺陷的检测精度，降低方坯表面缺陷发生的几率。

Description

一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺

技术领域

本发明涉及冶金工业连铸技术领域，具体为一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺。

背景技术

在连铸过程中，高温钢水在结晶器内形成一定的凝固坯壳，由于内部存在液芯，需要进入连铸二次冷却段继续凝固。目前，连铸二冷段多采用全水冷却或气雾冷却的模式，其中气雾冷却模式主要是在喷嘴内通过高压水和高压空气混合将水雾化，然后喷射到铸坯表面来实现冷却铸坯的效果。该方法存在一些不足，首先，气雾冷却受喷嘴安装位置和水质造成出口堵塞的影响，易出现方坯表面冷却强度不均，进而引发凝固裂纹或其他质量缺陷。另一方面，水雾落在高温方坯上时，由于坯壳表面温度较高，会出现莱顿弗罗斯特现象，即液滴不会润湿高温方坯表面，而是仅在其上面形成一层蒸汽膜，阻碍液滴于铸坯表面接触换热。此外，高温方坯会与水蒸气分解产生的氧发生氧化反应，生成氧化铁皮，不利于生产过程中方坯表面质量检测，也降低了金属收得率。

二冷区气体冷却可以通过去除水介质参与冷却的方式解决上述问题，然而二冷区气体冷却多见于有色金属铸造和薄带连铸工艺，其中专利CN105642852B和专利CN107164692B分别公布了一种高活性合金气冷半连续铸造系统及方法和一种基于薄带连铸工艺的取向硅钢快速二次再结晶的方法，都引入了气体冷却的操作工艺。但在钢坯连铸生产过程中较为少见，专利CN1640583B公开了一种连铸二冷室气体冷却的方法及装置，该方法针对整个二冷段进行气体冷却必然会导致密闭室过大，一旦二冷段内设备出现故障很难进行维修。专利CN111906267B通过计算与数值模拟公布并验证了连铸二冷段采用气体冷却的可行性。专利CN114769546B公布了一种通过调节气体冷却喷嘴的布置优化铸坯冷却均匀性的方法。

轧材表面缺陷的在线检测已较为成熟，然而连铸坯表面缺陷在线检测一直是连铸领域亟待解决的难题，其关键问题就是连铸过程的高温会使铸坯表面覆盖一层氧化铁皮，严重影响检测的精度。曾有人提出在火焰切割处通过高压水除鳞的方式去除铸坯表面的氧化铁皮，进而实现铸坯表面缺陷的检测，但是该方法具有严重的滞后性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种方坯连铸二冷区气体冷却装置，包括：

密闭强冷区、开放空冷区；

所述密闭强冷区位于开放空冷区之前；

所述密闭强冷区布置有气体喷嘴，用于对方坯进行强制气冷；

所述开放空冷区用于对方坯进行空冷。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述密闭强冷区还布置有，

方坯表面缺陷检测设备，用于对方坯表面缺陷进行检测；

方坯表面温度检测设备，用于对方坯表面温度进行检测；

气体出口，用于排出密闭强冷区的气体。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述密闭强冷区的长度为5~10m，具体地，密闭强冷区的长度可以为例但不限于5m、6m、7m、8m、9m、10m中的任意一者或者任意两者之间的范围。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述方坯包括小方坯、大方坯和矩形坯等，其断面尺寸在80mm×80mm~800mm×800mm之间：具体的，所述断面尺寸可以为例但不限于80mm×80mm、150mm×150mm、220mm×220mm、320mm×410mm、410mm×530mm、800mm×800mm的中的任意一者或者任意两者之间的范围；

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述方坯表面缺陷检测设备为摄像扫描设备，摄像扫描设备可为CCD成像器等。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述冷却装置还包括喷嘴集成控制设备、气体处理设备，

所述喷嘴集成控制设备包括储气室，所述喷嘴集成控制设备与气体喷嘴相连，用于根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴进行控制；

所述气体处理设备一端与气体出口相连，另一端与储气室相连，用于对强制气冷气体进行循环利用。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：对气体喷嘴进行控制包括调节气体喷嘴的高度、角度、间距，也包括调节气体喷嘴的气体流量、压力。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：强制气冷的气体为干燥无水或者低水含量的气体，具体包括惰性气体（如氮气、氩气、氦气、二氧化碳等）、还原气体（如氢气、一氧化碳等）的至少一种。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：气体处理设备对气体进行干燥、冷却和提纯处理，干燥采用无水硫酸铜、无水氯化钙等干燥剂，冷却采用制冷设备或热交换设备实现，提纯保证所分离的气体纯度（体积含量）不低于98%。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却装置的优选方案，其中：所述气体喷嘴和气体出口的材质可为铜或其它耐高温金属材料。

为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种方坯连铸二冷区气体冷却工艺，包括如下步骤：

S1.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区进行强制气冷；

S2.经密闭强冷区冷却后的方坯进入开放空冷区进行空冷。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却工艺的优选方案，其中：所述步骤S1为：

S11.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区进行强制气冷；

S12.通过密闭强冷区设置的方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备对方坯表面缺陷和温度进行在线检测；

S13.根据在线检测结果采用喷嘴集成控制设备对气体喷嘴进行控制。

作为本发明所述的一种方坯连铸二冷区气体冷却工艺的优选方案，其中：所述步骤S13中，所述对气体喷嘴进行控制包括调节气体喷嘴的高度、角度、间距，也包括调节气体喷嘴的气体流量、压力。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺，通过设置两段二冷区，即密闭强冷区和开放空冷区，完成方坯的二次冷却过程，其中密闭强冷区能够根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果调整气体喷嘴的高度、角度和间距，也可以实现气体喷嘴压力、流量的调节，能够提高铸坯的冷却均匀性，有效减少气雾冷却对铸坯的不利影响，并且经济环保，可操作性强，具有良好的应用前景；且本发明从源头避免方坯表面产生氧化铁皮，提高了金属收得率，同时可以在密闭强冷区安装方坯表面缺陷检测设备，实现方坯表面缺陷的在线检测，也可以大幅提高方坯表面缺陷的检测精度，降低方坯表面缺陷发生的几率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明方坯连铸二冷区气体冷却装置示意图；

图2为本发明方坯连铸二冷区气体冷却工艺流程图；

图3为本发明实施例1的小方坯在线实时检测局部图像；

图4为本发明实施例2的矩形坯缺陷在线识别局部图像；

图5为本发明实施例3的大方坯在线检测图像缺陷查看器界面。

附图标号说明：

1-密闭强冷区，2-气体喷嘴，3-方坯表面温度检测设备，4-气体出口，5-方坯表面缺陷检测设备，6-喷嘴集成控制设备，7-气体处理设备，8-储气室。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合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的一部分实施例，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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种方坯连铸二冷区气体冷却装置及工艺，通过设置两段二冷区，即密闭强冷区和开放空冷区，完成方坯的二次冷却过程，其中密闭强冷区能够根据根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果调整气体喷嘴的高度、角度和间距，也可以实现气体喷嘴压力、流量的调节，能够提高铸坯的冷却均匀性，有效减少气雾冷却对铸坯的不利影响，并且经济环保，可操作性强，具有良好的应用前景；且本发明从源头避免方坯表面产生氧化铁皮，提高了金属收得率，同时可以在密闭强冷区安装方坯表面缺陷检测设备，实现方坯表面缺陷的在线检测，也可以大幅提高方坯表面缺陷的检测精度，降低方坯表面缺陷发生的几率。具有如下优势：

（1）经济环保：避免了水资源消耗，采用全气体冷却，气体可以循环利用，并能进行有效热量回收，同时减少氧化铁皮产生，提高了金属收得率，具有良好的经济效益。

（2）安全可靠：可以改善水雾冷却造成的二冷段恶劣环境，同时全气体冷却避免了喷嘴受二冷水质影响堵塞。

（3）可操作性：方坯或矩形坯二冷段长度较短，密闭强冷区安装便于操作，成本较低，容易实现。

（4）灵活性强：气体喷嘴的多重控制，可以灵活根据钢种和温度进行各方面调整，来实现铸坯的均匀冷却，减少铸坯缺陷；

（5）在线检测：在密闭强冷区安装方坯表面缺陷检测设备，避免了氧化铁皮的影响，可以完成方坯表面缺陷在线检测，根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴进行调节，降低方坯表面缺陷发生的几率。

以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种方坯连铸二冷区气体冷却装置，包括：

密闭强冷区1、开放空冷区、喷嘴集成控制设备6、气体处理设备7；

所述密闭强冷区1位于开放空冷区之前；

所述密闭强冷区1的长度为5.5m，其布置有气体喷嘴2，用于对方坯进行强制气冷；方坯表面缺陷检测设备5，用于对方坯表面缺陷进行检测；所述方坯表面缺陷检测设备5为摄像扫描设备，摄像扫描设备为CCD成像器；方坯表面温度检测设备3，方坯表面温度检测设备3为红外测温仪，用于测定小方坯表面的实时温度，并将温度结果反馈给气体喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴进行实时调节；气体出口4，用于排出密闭强冷区1的气体；密闭强冷区1除方坯出口和气体出口4外是完全封闭的，以保存纯度更高的气体，便于气体的回收再利用；

所述开放空冷区用于对方坯进行空冷；

所述喷嘴集成控制设备6包括储气室8，所述喷嘴集成控制设备6与气体喷嘴2相连，用于根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴2的包括高度、角度、间距以及气体流量、压力等进行调节。

所述气体处理设备7一端与气体出口4相连，另一端与储气室8相连，用于对强制气冷气体进行干燥、冷却和提纯处理以实现循环利用，干燥采用无水硫酸铜作为干燥剂，冷却采用制冷设备实现，提纯保证所分离的气体纯度（体积含量）不低于98%。

所述强制气冷的气体为干燥无水或者低水含量的气体，具体为氩气；所述气体喷嘴和气体出口的材质为铜。

如图2所示，本实施例还提供了采用上述方坯连铸二冷区气体冷却装置实现气体冷却的工艺，本实施例浇铸的是钢种为45#钢，断面尺寸为150mm×150mm的小方坯，包括如下步骤：

S11.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区1进行强制气冷；

S12.通过密闭强冷区1设置的方坯表面缺陷检测设备5和方坯表面温度检测设备3对方坯表面缺陷和温度进行在线检测；

S13.根据在线检测结果，采用喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴2进行控制；

S2.经密闭强冷区1冷却后的方坯进入开放空冷区进行空冷。

图3为本实施例的小方坯在线实时检测局部图像，可观察到小方坯表面光滑，无明显氧化铁皮覆盖，能较准确的显示出小方坯的表面质量情况，达到在线检测的目的。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种方坯连铸二冷区气体冷却装置，包括：

密闭强冷区1、开放空冷区、喷嘴集成控制设备6、气体处理设备7；

所述密闭强冷区1位于开放空冷区之前；

所述密闭强冷区1的长度为7m，其布置有气体喷嘴2，用于对方坯进行强制气冷；方坯表面缺陷检测设备5，用于对方坯表面缺陷进行检测；所述方坯表面缺陷检测设备5为摄像扫描设备，摄像扫描设备为CCD成像器；方坯表面温度检测设备3，方坯表面温度检测设备3为红外测温仪，用于测定小方坯表面的实时温度，并将温度结果反馈给气体喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴进行实时调节；气体出口4，用于排出密闭强冷区1的气体；密闭强冷区1除方坯出口和气体出口4外是完全封闭的，以保存纯度更高的气体，便于气体的回收再利用；

所述开放空冷区用于对方坯进行空冷；

所述喷嘴集成控制设备6包括储气室8，所述喷嘴集成控制设备6与气体喷嘴2相连，用于根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴2的包括高度、角度、间距以及气体流量、压力等进行调节。

所述气体处理设备7一端与气体出口4相连，另一端与储气室8相连，用于对强制气冷气体进行干燥、冷却和提纯处理以实现循环利用，干燥采用无水氯化钙作为干燥剂，冷却采用热交换设备实现，提纯保证所分离的气体纯度（体积含量）不低于98%。

所述强制气冷的气体为干燥无水或者低水含量的气体，具体为氩气；所述气体喷嘴和气体出口的材质为铜。

如图2所示，本实施例还提供了采用上述方坯连铸二冷区气体冷却装置实现气体冷却的工艺，本实施例浇铸的是钢种为GCr15，断面尺寸为280mm×360mm的矩形坯，包括如下步骤：

S11.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区1进行强制气冷；

S12.通过密闭强冷区1设置的方坯表面缺陷检测设备5和方坯表面温度检测设备3对方坯表面缺陷和温度进行在线检测；

S13.根据在线检测结果，采用喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴2进行控制；

S2.经密闭强冷区1冷却后的方坯进入开放空冷区进行空冷。

图4为矩形坯缺陷在线识别局部图像，通过对实时摄像进行数值处理获得，图中不同标志物为不同缺陷种类，因此可以观察到铸坯表面缺陷不同种类的分布情况，利用程序计算减少了人工识别，有效地提高了工作效率。

实施例3

如图1所示，本实施例提供一种方坯连铸二冷区气体冷却装置，包括：

密闭强冷区1、开放空冷区、喷嘴集成控制设备6、气体处理设备7；

所述密闭强冷区1位于开放空冷区之前；

所述密闭强冷区1的长度为10m，其布置有气体喷嘴2，用于对方坯进行强制气冷；方坯表面缺陷检测设备5，用于对方坯表面缺陷进行检测；所述方坯表面缺陷检测设备5为摄像扫描设备，摄像扫描设备为CCD成像器；方坯表面温度检测设备3，方坯表面温度检测设备3为红外测温仪，用于测定小方坯表面的实时温度，并将温度结果反馈给气体喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴进行实时调节；气体出口4，用于排出密闭强冷区1的气体；密闭强冷区1除方坯出口和气体出口4外是完全封闭的，以保存纯度更高的气体，便于气体的回收再利用；

所述开放空冷区用于对方坯进行空冷；

所述喷嘴集成控制设备6包括储气室8，所述喷嘴集成控制设备6与气体喷嘴2相连，用于根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴2的包括高度、角度、间距以及气体流量、压力等进行调节。

所述气体处理设备7一端与气体出口4相连，另一端与储气室8相连，用于对强制气冷气体进行干燥、冷却和提纯处理以实现循环利用，干燥采用无水硫酸铜作为干燥剂，冷却采用热交换设备实现，提纯保证所分离的气体纯度（体积含量）不低于98%。

所述强制气冷的气体为干燥无水或者低水含量的气体，具体为氩气；所述气体喷嘴和气体出口的材质为铜。

如图2所示，本实施例还提供了采用上述方坯连铸二冷区气体冷却装置实现气体冷却的工艺，本实施例浇铸的是钢种为Q235B，断面尺寸为700mm×700mm的大方坯，包括如下步骤：

S11.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区1进行强制气冷；

S12.通过密闭强冷区1设置的方坯表面缺陷检测设备5和方坯表面温度检测设备3对方坯表面缺陷和温度进行在线检测；

S13.根据在线检测结果，采用喷嘴集成控制设备6对气体喷嘴2进行控制；

S2.经密闭强冷区1冷却后的方坯进入开放空冷区进行空冷。

图5为大方坯在线监测图像缺陷查看器界面，可通过在线识别图像查看缺陷形貌，并显示缺陷大小和所处位置，极大地提高了缺陷监测精度，并能根据位置及时反馈给喷嘴集成控制设备6进行在线调整，从而降低方坯表面缺陷发生的几率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种方坯连铸二冷区气体冷却装置，其特征在于，包括：

密闭强冷区、开放空冷区、喷嘴集成控制设备；

所述密闭强冷区位于开放空冷区之前；

所述密闭强冷区布置有气体喷嘴，用于对方坯进行强制气冷；

所述密闭强冷区还布置有方坯表面缺陷检测设备，用于对方坯表面缺陷进行检测；方坯表面温度检测设备，用于对方坯表面温度进行检测；

所述开放空冷区用于对方坯进行空冷；

所述喷嘴集成控制设备包括储气室，所述喷嘴集成控制设备与气体喷嘴相连，用于根据方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备的检测结果对气体喷嘴进行包括调节气体喷嘴的高度、角度、间距的控制。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述密闭强冷区还布置有，

气体出口，用于排出密闭强冷区的气体。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述冷却装置还包括气体处理设备，

所述气体处理设备一端与气体出口相连，另一端与储气室相连，用于对强制气冷气体进行循环利用。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，对气体喷嘴进行控制，也包括调节气体喷嘴的气体流量、压力。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述密闭强冷区的长度为5~10m。

6.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述方坯表面缺陷检测设备为摄像扫描设备。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，强制气冷的气体为干燥无水或者低水含量的气体。

8.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，气体处理设备对气体进行干燥、冷却和提纯处理。

9.一种方坯连铸二冷区气体冷却工艺，采用权利要求1-8任一项所述的冷却装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区进行强制气冷；

S2.经密闭强冷区冷却后的方坯进入开放空冷区进行空冷。

10.根据权利要求9所述的冷却工艺，其特征在于，所述步骤S1为：

S11.在方坯结晶器内形成高温坯壳的方坯进入密闭强冷区进行强制气冷；

S12.通过密闭强冷区设置的方坯表面缺陷检测设备和方坯表面温度检测设备对方坯表面缺陷和温度进行在线检测；

S13.根据在线检测结果采用喷嘴集成控制设备对气体喷嘴进行控制。

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