CN115870461B - 用于高、低碳钢快换的连铸结晶器及其设计方法和高、低碳钢快换连铸的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器及其设计方法和高、低碳钢快换连铸的方法，涉及冶金领域。用于高、低碳钢快换的连铸结晶器，其纵断面曲线为：

。用于高、低碳钢快换的连铸结晶器的设计方法包括：根据连铸结晶器的纵断面曲线，得到连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式：

，获取不同高、低碳钢的凝固系数k，对工况条件下高、低碳钢连铸过程结晶器锥度曲线进行计算，得到多条锥度曲线；对多条锥度曲线进行拟合，得到最佳结晶器纵断面曲线，然后根据最佳结晶器纵断面曲线制作连铸结晶器。高、低碳钢快换连铸的方法，使用所述的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸。该连铸结晶器，不仅满足了快换的要求，还提高铸坯表面质量。

Description

用于高、低碳钢快换的连铸结晶器及其设计方法和高、低碳钢 快换连铸的方法

技术领域

本申请涉及冶金领域，尤其涉及一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器及其设计方法和高、低碳钢快换连铸的方法。

背景技术

连铸是目前钢铁生产的核心环节，而结晶器作为连铸机的“心脏”，结晶器性能好坏对连铸机的生产能力和铸坯表面质量有着决定性作用，结晶器锥度曲线的设计是结晶器设计的重中之重。理想的结晶器锥度曲线应能够完全适应坯壳收缩和结晶器变形，一方面避免坯壳和晶界器之间出现气隙制约拉坯速度，另一方面防止产生过分挤压加剧结晶器磨损甚至拉漏。高碳钢由于碳含量高，在连铸过程中，两相区宽且凝固时间长，冷却缓慢。与低碳钢相比在结晶器内凝固时形成的气隙小，坯壳较厚，拉坯阻力大。实际连铸生产过程中，高、低碳钢转化时通常采用更换结晶器的方法来保障连铸坯质量，结晶器的更换既增加了生产成本又降低了生产效率。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器及其设计方法和高、低碳钢快换连铸的方法，以解决上述问题。

为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：

一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器，所述连铸结晶器的纵断面曲线为：

，

其中，

为𝑥位置处坯壳外表面的位移收缩量，

表示坯壳在冷却凝固过程的收缩率，k为凝固系数，v为拉坯速度，

为连铸结晶器上口宽度，

为𝑥位置处坯壳内表面位移收缩量。

优选地，所述连铸结晶器的纵断面曲线由以下方法获得：

设定结晶器内腔的体积收缩为

，坯壳外表面向内的体积收缩为

，则：

，

，

其中，

为弯液面到结晶器下口的距离，g

为

位置处坯壳内表面的位移收缩量；

为在

位置处的坯壳厚度；

令

=

，则：

，

对于理想结晶器，每一个x位置都有

=

，则：

，

采用数值模拟方法计算得到坯壳内表面位移收缩与x的函数关系，记为

，则：

，

坯壳在位置x处的厚度为：

，

代入

即可得到所述连铸结晶器的纵断面曲线。

优选地，坯壳在冷却凝固过程的收缩率为：

，

其中，

为液态收缩系数，

为浇铸温度，

为液相线温度，

表示钢液的凝固收缩率，

为固态收缩系数，

为固相线温度，

为

位置的坯壳平均温度。

优选地，坯壳在冷却凝固过程的收缩率由以下方法获得：

将钢液的液态收缩率、钢液的固态收缩率代入钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式，将低碳钢和高碳钢的相变收缩率

忽略，即可得到坯壳在冷却凝固过程的收缩率公式。

优选地，所述钢液的液态收缩率为：

。

优选地，所述钢液的固态收缩率为：

。

优选地，所述钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式为：

。

本申请还提供一种所述的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器的设计方法，包括：

根据所述连铸结晶器的纵断面曲线，得到所述连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式：

，

获取不同高、低碳钢的凝固系数k，对工况条件下高、低碳钢连铸过程结晶器锥度曲线进行计算，得到多条锥度曲线；

对多条锥度曲线进行拟合，得到最佳结晶器纵断面曲线，然后根据所述最佳结晶器纵断面曲线制作连铸结晶器。

本申请还提供一种高、低碳钢快换连铸的方法，使用所述的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸。

优选地，高碳钢的碳含量为0.6%-1.0%，低碳钢的碳含量为0.1%-0.25%。

与现有技术相比，本申请的有益效果包括：

本申请提供的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器，综合考虑了高、低碳钢的凝固特性、拉坯速度以及冷却强度。新型连铸结晶器的应用，不仅满足了连铸过程高、低碳钢快换的要求，即使在浇铸同一钢种时也能根据结晶器使用情况进行实时调整，提高铸坯表面质量并增加结晶器使用寿命，对提高生产效率、降低生产成本具有重要现实意义。

本申请提供的高、低碳钢快换连铸的方法，在实际连铸过程中，通过适当调整弯月面的水平高度，使结晶器上固定的抛物线锥度可以满足不同钢种的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。

图1为理想连铸结晶器示意图；

图2为实施例2得到的最佳结晶器纵断面曲线；

图3为实施例3得到的低碳钢低倍组织照片；

图4为实施例3得到的高碳钢低倍组织照片；

图5为实施例4得到的高碳钢低倍组织照片；

图6为实施例4得到的低碳钢低倍组织照片；

图7为对比例1得到的高碳钢低倍组织照片；

图8为对比例2得到的低碳钢低倍组织照片。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK（K为任意数，表示倍数因子）。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器，所述连铸结晶器的纵断面曲线为：

，

其中，

为𝑥位置处坯壳外表面的位移收缩量，

表示坯壳在冷却凝固过程的收缩率，k为凝固系数，v为拉坯速度，

为连铸结晶器上口宽度，

为𝑥位置处坯壳内表面位移收缩量。

同时适用于高、低碳钢浇铸的新型高速连铸结晶器，核心为结晶器锥度曲线设计，结晶器锥度指在结晶器高度方向上，内腔横断面尺寸的相对变化。结晶器锥度主要用于补偿凝固坯壳的收缩变形和结晶器铜管自身的变形，从而减小铸坯与结晶器气隙的厚度，影响结晶器锥度设计的因素包括结晶器热流、拉坯速度、浇注钢种钢液过热度及冷却强度等。

在一个可选的实施方式中，所述连铸结晶器的纵断面曲线由以下方法获得：

设定结晶器内腔的体积收缩为

，坯壳外表面向内的体积收缩为

，则：

，

，

其中，

为弯液面到结晶器下口的距离，g

为

位置处坯壳内表面的位移收缩量；

为在

位置处的坯壳厚度；

令

=

，则：

，

对于理想结晶器，每一个x位置都有

=

，则：

，

采用数值模拟方法计算得到坯壳内表面位移收缩与x的函数关系，记为

，则：

，

坯壳在位置x处的厚度为：

，

代入

即可得到所述连铸结晶器的纵断面曲线。

由于坯壳内表面的位移收缩量生产中难以获得，因此本设计中采用数值模拟方法（使用Procast、Fluent等软件可以较为精确的计算出某一位置处的坯壳内表面收缩和温度）计算得到坯壳内表面位移收缩与x的函数关系，记为

。

在一个可选的实施方式中，坯壳在冷却凝固过程的收缩率为：

，

其中，

为液态收缩系数，

为浇铸温度，

为液相线温度，

表示钢液的凝固收缩率，

为固态收缩系数，

为固相线温度，

为

位置的坯壳平均温度。

在一个可选的实施方式中，坯壳在冷却凝固过程的收缩率由以下方法获得：

将钢液的液态收缩率、钢液的固态收缩率代入钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式，将低碳钢和高碳钢的相变收缩率

忽略，即可得到坯壳在冷却凝固过程的收缩率公式。

以低碳钢和高碳钢方坯连铸为例，钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率由液态收缩率、凝固收缩率、δ→γ相变收缩率和固态收缩率四部分构成。对于低、高碳钢而言，相变收缩率

可以忽略。

在一个可选的实施方式中，所述钢液的液态收缩率为：

。

钢液的液态收缩对于成分变化并不敏感。钢液的凝固收缩率

与钢液的碳含量密切相关，钢液的凝固收缩率随着碳含量和浇铸温度的增加而增加。

在一个可选的实施方式中，所述钢液的固态收缩率为：

。

坯壳的固态收缩与坯壳某位置处的平均温度有关，该温度可通过数值模拟方法进行计算。

在一个可选的实施方式中，所述钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式为：

。

本申请还提供一种所述的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器的设计方法，包括：

根据所述连铸结晶器的纵断面曲线，得到所述连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式：

，

获取不同高、低碳钢的凝固系数k，对工况条件下高、低碳钢连铸过程结晶器锥度曲线进行计算，得到多条锥度曲线；

对多条锥度曲线进行拟合，得到最佳结晶器纵断面曲线，然后根据所述最佳结晶器纵断面曲线制作连铸结晶器。

本申请还提供一种高、低碳钢快换连铸的方法，使用所述的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸。

在一个可选的实施方式中，高碳钢的碳含量为0.6%-1.0%，低碳钢的碳含量为0.1%-0.25%。

下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本申请设计的结晶器具有连续锥度，采用锥度曲线表示锥度沿结晶器高度的变化情况，锥度设计时认为连铸过程中结晶器同一横断面上各处冷却条件相同、拉坯速度不变同时忽略结晶器振动影响，理想连铸结晶器示意图如图1所示。

实施例1

本实施例提供一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器，该连铸结晶器的纵断面曲线为：

，

其中，

为𝑥位置处坯壳外表面的位移收缩量，

表示坯壳在冷却凝固过程的收缩率，k为凝固系数，v为拉坯速度，

为连铸结晶器上口宽度，

为𝑥位置处坯壳内表面位移收缩量。

上述纵断面曲线的获得包括以下步骤：

1.设定结晶器内腔的体积收缩为

，坯壳外表面向内的体积收缩为

，则：

，

，

其中，

为弯液面到结晶器下口的距离，g

为

位置处坯壳内表面的位移收缩量；

为在

位置处的坯壳厚度；

2.令

=

，则：

，

对于理想结晶器，每一个x位置都有

=

，则：

，

采用数值模拟方法计算得到坯壳内表面位移收缩与x的函数关系，记为

，则：

，

3.坯壳在位置x处的厚度为：

，

代入

即可得到上述连铸结晶器的纵断面曲线。

得到上述连铸结晶器的纵断面曲线之后，还包括：

依据钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式

，代入钢液的液态收缩率

、钢液的固态收缩率

，并将低碳钢和高碳钢的相变收缩率

忽略，得到坯壳在冷却凝固过程的收缩率为：

，

其中，

为液态收缩系数，

为浇铸温度，

为液相线温度，

表示钢液的凝固收缩率，

为固态收缩系数，

为固相线温度，

为

位置的坯壳平均温度。

实施例2

本实施例提供一种用于高、低碳钢快换的连铸结晶器的设计方法，包括：

根据实施例1得到的连铸结晶器的纵断面曲线，得到连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式：

，

获取不同高、低碳钢的凝固系数k，对工况条件下高、低碳钢连铸过程结晶器锥度曲线进行计算，得到多条锥度曲线；

采用最小二乘法对多条锥度曲线进行拟合，得到最佳结晶器纵断面曲线，然后根据最佳结晶器纵断面曲线制作连铸结晶器。

具体的，相关参数如下表1所示：

表1 相关参数

将各个参数代入至连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式中，得到多条锥度曲线，然后利用最小二乘法进行拟合得到最佳结晶器纵断面曲线，如图2所示。根据该最佳结晶器纵断面曲线制作得到连铸结晶器。

实施例3

本实施例提供一种高、低碳钢快换连铸的方法，使用实施例2制备得到的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸。具体包括：

铁水预脱磷→120t顶底复吹转炉→LF钢包精炼→RH真空脱气→φ180方坯连铸机→坯料验收→编批装炉→高压水除鳞→连轧→控轧控冷→修剪→成品外观检验→包装。

首先对15CrMoG进行连铸生产，其平均碳含量为0.15%，生产过程中精炼炉出站温度为1630℃，上连铸回转台温度为1575℃，中间包温度为1545℃，一冷水量为105 m³/h，拉速为1.1 m/min。低碳钢中间包停止浇注后，拉矫机拉速降为0 m/min，然后将碳素钢作为后钢种进行中间包快换。碳素钢的碳含量为0.71%，生产过程中精炼炉温度为1555℃，上连铸回转台温度为1540℃，中间包温度为1510℃。新中间包落至目标位置后，开始向新型结晶器浇注，结晶器液面上涨，启动拉矫机。同时根据高低碳钢的铸坯收缩系数差值动态调整结晶器液面高度，拉矫机拉速在30~60s内递增到0.7m/min，一冷水量在30~60s内调整至128 m³/h，进行正常生产。经检测铸坯内部质量和表面质量良好，低碳钢低倍组织如图3所示（其中左侧为整体图，右侧为放大图），高碳钢低倍组织如图4所示（其中左侧为整体图，右侧为放大图）。

实施例4

本实施例提供一种高、低碳钢快换连铸的方法，使用实施例2制备得到的用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸。具体包括：

铁水预脱磷→120t顶底复吹转炉→LF钢包精炼→RH真空脱气→φ180方坯连铸机→坯料验收→编批装炉→高压水除鳞→连轧→控轧控冷→修剪→成品外观检验→包装。

首先对碳素钢的碳含量为0.71%，生产过程中精炼炉温度为1555℃，上连铸回转台温度为1540℃，中间包温度为1510℃，一冷水量为128 m³/h，拉速为0.7 m/min。低碳钢中间包停止浇注后，拉矫机拉速降为0 m/min，然后将12Cr1MoVG作为后钢种进行中间包快换。12Cr1MoVG的碳含量为0.12%，生产过程中精炼炉出站温度为1636℃，上连铸回转台温度为1580℃，中间包温度为1553℃。新中间包落至目标位置后，开始向新型结晶器浇注，结晶器液面上涨，启动拉矫机。同时根据高低碳钢的铸坯收缩系数差值动态调整结晶器液面高度，拉矫机拉速在30~60s内递增到1.2 m/min，一冷水量在30~60s内调整至105 m³/h，进行正常生产。经检测铸坯内部质量和表面质量良好，高碳钢低倍组织如图5所示，低碳钢低倍组织如图6所示。

对比例1

采用180×180mm低碳钢连铸结晶器对某低碳钢种进行连铸生产，钢液参数与实施例3相同，低碳钢中间包停止浇注后，拉矫机拉速降为0 m/min，然后将高碳钢作为后钢种进行中间包快换。新中间包落至目标位置后，开始向所述低碳钢连铸结晶器浇注，结晶器液面上涨，启动拉矫机。结晶器液面在30~60s内恢复至低碳钢浇注液面位置，拉矫机拉速在30~60s内递增到0.7~0.8m/min，一冷水量在30~60s内调整至128m³/h，进行正常生产。由于连铸过程中拉坯阻力较大，经检测铸锭边部出现裂纹，其低倍组织如图7所示。

对比例2

采用180×180mm高碳钢连铸结晶器对某高碳钢种进行连铸生产，钢液参数与实施例3相同，高碳钢中间包停止浇注后，拉矫机拉速降为0m/min，然后将低碳钢作为后钢种进行中间包快换。新中间包落至目标位置后，开始向所述高碳钢连铸结晶器浇注，结晶器液面上涨，启动拉矫机。结晶器液面在30~60s内恢复至高碳钢浇注液面位置，拉矫机拉速在30~60s内递增到1.1~1.2m/min，一冷水量在30~60s内调整至105m³/h，进行正常生产。经检测铸坯经检测铸坯疏松中心等轴晶区出现疏松，柱状晶区未显示出明显疏松情况，其低倍组织如图8所示。

本申请提供了一种适应多钢种浇铸的新型连铸结晶器，结晶器设计时综合考虑了不同钢种的凝固特性、拉坯速度以及冷却强度。在实际连铸过程中，动态调整弯月面的水平高度，使结晶器上固定的抛物线锥度可以满足不同钢种的需求。与现有结晶器相比，该新型结晶器较长，加速了结晶器内钢水凝固，可进一步提高拉坯速度。新型连铸结晶器的应用，不仅满足多钢种浇铸要求，即使在浇铸同一钢种时也能根据结晶器使用情况进行实时调整，提高铸坯表面质量并增加结晶器使用寿命，对提高生产效率、降低生产成本具有重要现实意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种高、低碳钢快换连铸的方法，其特征在于，使用用于高、低碳钢快换的连铸结晶器进行连铸；

高碳钢的碳含量为0.6%-1.0%，低碳钢的碳含量为0.1%-0.25%；

所述连铸的方法包括：

连铸过程中根据高低碳钢的铸坯收缩系数差值动态调整结晶器液面高度、拉速和一冷水量；

所述连铸结晶器的纵断面曲线为：

，

其中，

为

位置处坯壳外表面的位移收缩量，

表示坯壳在冷却凝固过程的收缩率，k为凝固系数，v为拉坯速度，

为连铸结晶器上口宽度，

为

位置处坯壳内表面位移收缩量；

所述连铸结晶器的纵断面曲线由以下方法获得：

设定结晶器内腔的体积收缩为

，坯壳外表面向内的体积收缩为

，则：

，

，

其中，

为弯液面到结晶器下口的距离，

为

位置处坯壳内表面的位移收缩量；

为在

位置处的坯壳厚度；

令

，则：

，

对于理想结晶器，每一个

位置都有

，则：

，

采用数值模拟方法计算得到坯壳内表面位移收缩与

的函数关系，记为

，则：

，

坯壳在位置

处的厚度为：

，

代入

即可得到所述连铸结晶器的纵断面曲线；

坯壳在冷却凝固过程的收缩率为：

，

其中，

为液态收缩系数，

为浇铸温度，

为液相线温度，

表示钢液的凝固收缩率，

为固态收缩系数，

为固相线温度，

为

位置的坯壳平均温度；

坯壳在冷却凝固过程的收缩率由以下方法获得：

将钢液的液态收缩率、钢液的固态收缩率代入钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式，所述钢液的液态收缩率为：

；所述钢液的固态收缩率为：

；所述钢液在连铸结晶器中的总体积收缩率公式为：

；

将低碳钢和高碳钢的相变收缩率

忽略，即可得到坯壳在冷却凝固过程的收缩率公式；

所述用于高、低碳钢快换的连铸结晶器的设计方法，包括：

根据所述连铸结晶器的纵断面曲线，得到所述连铸结晶器的弯液面下x处的锥度计算式：

，

获取不同高、低碳钢的凝固系数k，对工况条件下高、低碳钢连铸过程结晶器锥度曲线进行计算，得到多条锥度曲线；

对多条锥度曲线进行拟合，得到最佳结晶器纵断面曲线，然后根据所述最佳结晶器纵断面曲线制作连铸结晶器。

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