CN101658911A - 一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，涉及一种钢铁生产中的大方坯连铸轻压下工艺，方法如下：根据轻压下压下量补偿液芯凝固收缩才能消除中心偏析和疏松的基本原则，在线计算各压下点的铸坯表面压下量，从而确定各拉轿机机架的辊缝设定值，将辊缝设定值下发到一级基础自动化控制***，远程调节拉轿机辊缝，实现轻压下。应用本发明后改善铸坯质量的具体指标为：铸坯中心偏析≤1.0级，铸坯中心碳偏析指数0.95－1.10，平均1.05；可明显改善轴承钢铸坯中心疏松和中心缩孔，铸坯中心疏松≤1.0级，比例达到90％以上，中心缩孔≤0.5级，采用本发明显著的减轻大方坯中心偏析、中心疏松、中心缩孔等缺陷。

Description

一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁生产中的大方坯连铸轻压下工艺，特别是涉及一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法。

背景技术

连铸生产过程中，铸坯在外界冷却作用下，从外向内不断凝固，产生的凝固收缩量由中心可以流动的自由钢液补充进来，但在凝固末期，由于钢液在类似多孔介质的两相区中流动阻力的增加，凝固收缩量无法得到及时补偿，形成的压降将导致铸坯中心附近枝晶间的富集偏析元素钢液向中心流动、汇集并最终凝固，从而形成中心宏观偏析，同时得不到补偿的凝固收缩量将最终形成中心疏松。

连铸坯中心偏析、疏松和缩孔等内部质量问题成为影响帘线用钢质量的重要因素。它们会降低钢材的综合性能，缩短钢材的使用寿命；降低钢材韧性，对于高碳钢来说，中心偏析使它拉丝极限和延展性降低，尤其会明显降低其韧性，影响拉拔性能，中心偏析明显的线材在进行拉拔时，因偏析处碳含量较高，强度及塑性与基体相差较大，无法与基体同步协调变形，拉拔时裂纹首先在钢丝中心处产生并扩展，作为裂纹源，很快导致“V”形笔尖状断裂，使拉拔断线；引起钢材氢脆，降低耐腐蚀性能；降低钢材疲劳性能，容易造成断丝等等。

在已经公开的论文文献中，大方坯轻压下压下量的确定多采用现场试验的方法，由于大方坯连铸机设备各不相同，影响实验结果的因素较多，其不具备通用性，费时费力，如《特殊钢》杂志2009年2月(第30卷第1期第44、45页，静态轻压下技术在GCr15轴承钢连铸生产中的应用，刘伟等)记载了北满特殊钢采用静态轻压下技术改善GCr15轴承钢240mm×240mm大方坯偏析，GCr15轴承钢大方坯的中心疏松级别由2.0～2.5级降低为1.0～1.5级，铸坯中心碳偏析指数由1.17～1.26降低为1.07～1.13，并且沿浇注方向，铸坯中心碳含量趋于均匀；《工艺技术》杂志2008年2月(第2期第1～4页，轻压下技术在轴承钢连铸中的应用实践，吴巍、刘伟等)报道了东北特钢采用末端轻压下技术改善GCr15轴承钢240mm×240mm大方坯铸坯质量，在一、二、三拉矫机位置上同时实施轻压下，压下量为7～8mm，三机架的分配比分别为3∶3∶2，3∶2∶2。实施轻压下后，铸坯横向偏析指数由1.06～1.28降至1.00～1.18，铸坯纵向偏析指数由1.07～1.5降至0.95～1.18；《炼钢》杂志2005年6月(第21卷第3期5～8，SWRH82B连铸坯中心偏析的改善，何金平著)报道了武汉钢铁(集团)公司第一炼钢厂采用静态轻压下技术降低SWRH82B高碳钢200mm×200mm大方坯偏析；《黑龙江冶金》杂志2003年4月(第4期第9～12页，轴承钢连铸工艺技术的探讨，宋留成、张文明)报道了法国SOLLAC公司大方坯连铸拉速为0.7～1.10m/min时，在4m长的区域内压下量在0～12mm之间调节铸坯中心碳偏析指数由1.15～1.30降到1.1～12。

目前已公开的有关连铸轻压下技术的专利文献，如CN200710048924.9，CN200810304476.9号的专利文献，公开了一种实现连铸轻压下压下量控制方法，其方法为根据铸坯中心固相率计算轻压下压下量；CN01122537.8号专利，公开了一种连铸轻压下方法及其实施该方法的装置，其主要提出了一种轻压下实施的装置。这些方法都是事先设定好轻压下压下量，难以有效地改善连铸坯中心偏析、疏松和缩孔等质量问题。

发明内容

针对现有技术存在缺点，本发明提供一种能够显著减轻中心偏析、中心疏松、中心缩孔的大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法。

本发明的技术方案如下：包括如下步骤：

步骤1：确定两相邻压下点内铸坯的液芯凝固收缩量，公式如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_b=\frac{{\∫}_0^{L_{a-b}}(\frac{{\mathrm{dM}}_b}{\mathrm{dz}}-\frac{{\mathrm{dM}}_a}{\mathrm{dz}})\mathrm{dz}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(1\right)$

式中，M_b为B点沿z方向单位长度的质量，Ma为A点沿z方向单位长度的质量，ρ_s为固相密度，L_a-b为A～B间铸坯长度；

步骤2：利用步骤1中的液芯凝固收缩量，确定液芯压下量，公式如下：

$R_{\mathrm{center}}^b=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_b}{X_b\·L_{a-b}}---\left(2\right)$

式中，X_b为B点处的铸坯宽度；

步骤3：确定压下效率，公式如下：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{\Δ}{A}_H}---\left(3\right)$

式中，ΔA_i为压下前后铸坯横截面液芯面积的减少量、ΔA_H为压下前后铸坯横截面总面积的减少量；

步骤4：利用步骤2中的液芯压下量和步骤3中的压下效率，确定铸坯表面压下量，公式如下：

$R_a^i=\frac{{\∫}_0^{Y_i}{\∫}_0^{X_i}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_i}\mathrm{dxdy}-{\∫}_0^{Y_{i-1}}{\∫}_0^{X_{i-1}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_{i-1}}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\ρ}}_s\·X_i}\·\frac{1}{{\mathrm{\η}}_i}---\left(4\right)$

步骤5：利用步骤4的铸坯表面压下量和铸坯厚度，确定各拉轿机机架的辊缝设定值，公式如下：

式中，i≥2；Gap_H为进入空冷区的铸坯厚度，mm；为第i个机架压下量的修正系数，与铸机结构有关；R_a ⁱ为第i个机架压下辊的压下量，mm；

步骤6：将辊缝设定值下发到一级基础自动化控制***，远程调节拉轿机辊缝，完成轻压下工艺的在线实施。

所述的铸坯，是指中、高碳合金钢连铸大方坯，其钢种成分按质量百分比分配：C含量为0.2-1.7％、Cr含量为0.5~1.65％、Si含量为0.15-0.35％、Mn含量为0.25-0.65％。

所述的铸坯，其断面尺寸大于220mm×220mm。

步骤6所述的远程调节拉轿机辊缝，其调节周期一般为2-10秒。

本发明的有益效果是，将本发明方法应用在大方坯的连铸中能显著的减轻中心偏析、中心疏松、中心缩孔等缺陷，稳定和提高连铸大方坯铸坯质量和性能。应用本发明后改善铸坯质量的具体指标为：铸坯中心偏析≤1.0级，铸坯中心碳偏析指数0.95-1.10，平均1.05；可明显改善轴承钢铸坯中心疏松和中心缩孔，铸坯中心疏松≤1.0级，比例达到90％以上，中心缩孔≤0.5级。

附图说明

图1、为本发明实施例大方坯连铸流线上铸坯凝固坯壳厚度及压下辊的分布示意图；

图2、为本发明实施例压下起点的铸坯截面示意图，对应图1中的A点；

图3、为本发明实施例压下区间内第1个压下机架下的铸坯截面示意图；

图4、为本发明实施例压下区间内第i个压下机架下的铸坯横截面示意图；

图5、为本发明实施例大方坯连铸动态轻压下压下量在线计算流程图。

图6、为本发明实施例大方坯连铸机示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：图1为大方坯连铸流线上铸坯凝固坯壳厚度及压下辊的分布示意图，其中A点表示压下起点，B点为第一个压下点，i点为第i个压下点，且压下点均处于两相区内。图2为本发明实施例压下起点的铸坯截面示意图，对应图1中的A点；图3为本发明实施例压下区间内第1个压下机架下的铸坯截面示意图；图4为本发明实施例压下区间内第i个压下机架下的铸坯横截面示意图；图5为大方坯连铸动态轻压下压下在线计算流程图，结合图1、图2、图3和图4对大方坯连铸动态轻压下压下量计算过程具体说明如下：

宽为x、厚为y、长为z的大方坯连铸坯铸坯质量M为：

$M={\∫}_0^X{\∫}_0^Y{\∫}_0^Z\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}(x,y,z)\mathrm{dxdydz}---\left(1\right)$

式中，X-铸坯宽度；Y-铸坯厚度；Z-铸坯长度；x-铸坯的宽度方向；y-铸坯的厚度方向；z-铸坯的拉坯方向；ρ(x，y，z)-铸坯密度函数。

铸坯密度函数与铸坯不同位置处的固相率f_s相关，公式如下：

ρ＝ρ_l(1-f_s)+ρ_sf_s      (2)

式中，ρ_l-液相密度；ρ_s-固相密度；f_s-固相率。

其中，f_s的公式如下：

$f_s\left(T\right)=\frac{T_l-T+\frac{2}{\mathrm{\π}}(T_s-T_l)\{1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π}(T-T_l)}{2(T_s-T_l)}\right)\}}{(T_l-T_s)(1-\frac{2}{\mathrm{\π}})}---\left(3\right)$

式中，T为铸坯中心温度，T_l和T_s分别为液相温度和固相温度。

同理，B点和第i点处铸坯沿Z方向单位长度的质量可表示为：

$\frac{{\mathrm{dM}}_b}{\mathrm{dz}}={\∫}_0^{Y_b}{\∫}_0^{X_b}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}(x,y)|}_{z=Z_b}\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$

$\frac{{\mathrm{dM}}_i}{\mathrm{dz}}={\∫}_0^{Y_i}{\∫}_0^{X_i}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}(x,y)|}_{z=Z_i}\mathrm{dxdy}---\left(5\right)$

式中，X_b-第-个压下点即B点处铸坯的宽度；Y_b-第一个压下点即B点处铸坯的厚度；X_i-为第i个压下点处铸坯的宽度；Y_i-为第i个压下点处铸坯的厚度。

在未实施动态轻压下时，由于凝固坯壳的支撑作用，不同位置铸坯的宽度和厚度差值很小仅为坯壳热收缩的变化值。

理想状态下，不断凝固收缩的液芯被涌入的钢液补充时，铸坯不产生中心疏松和偏析，铸坯质量增加。实际过程中，没有补缩钢液的填充，形成内部疏松及孔洞。利用两点之间的铸坯质量增量差值，反向推导求出A、B两点之间凝固收缩引起的体积收缩量ΔV_b。

$\mathrm{\Δ}{V}_b=\frac{{\∫}_0^{L_{a-b}}(\frac{{\mathrm{dM}}_b}{\mathrm{dz}}-\frac{{\mathrm{dM}}_a}{\mathrm{dz}})\mathrm{dz}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(6\right)$

式中，L_a-b-A～B间铸坯长度。

根据需要补偿的凝固收缩体积ΔV_b，确定施加在液芯上的压下量。

假设铸坯表面的压下量能够完全补偿补偿A-B段内铸坯内部疏松和缩孔的体积增量ΔV_b，并忽略铸坯宽度方向的变形，在B点施加的压下量R_center ^b为：

$R_{\mathrm{center}}^b=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_b}{X_b\·L_{a-b}}---\left(7\right)$

联立式(1-7)推导可得B点处应施加在液芯上的R_center ^b压下量为：

$R_{\mathrm{center}}^b=\frac{{\∫}_0^{X_b}{\∫}_0^{Y_b}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_b}\mathrm{dxdy}-{\∫}_0^{X_a}{\∫}_0^{Y_a}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_a}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\ρ}}_s\·X_b}---\left(8\right)$

因此，第i点的大方坯动态轻压下液芯压下量R_center ⁱ的计算公式为：

$R_{\mathrm{center}}^i=\frac{{\∫}_0^{Y_i}{\∫}_0^{X_i}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_i}\mathrm{dxdy}-{\∫}_0^{Y_{i-1}}{\∫}_0^{X_{i-1}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_{i-1}}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\ρ}}_s\·X_i}---\left(9\right)$

上述计算出的R_center ⁱ仅是为补偿液芯两相区内钢液凝固收缩所需施加在液芯上的压下量，实际的轻压下工艺实施过程中，大部分的压下量消耗在了铸坯坯壳的展宽和延伸变形中，即铸坯表面施加的压下量并不能完全传递到液芯上。为解决这一问题，引入压下效率参数：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{\Δ}{A}_H}---\left(10\right)$

式中，ΔA_i-压下前后铸坯横截面液芯面积的减少量、ΔA_H-压下前后铸坯横截面总面积的减少量。

根据上述求取的液芯压下量和压下效率参数，可进一步得到表面压下量。

$R_a^{i^{\′}}=\frac{{\∫}_0^{Y_i}{\∫}_0^{X_i}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_i}\mathrm{dxdy}-{\∫}_0^{Y_{i-1}}{\∫}_0^{X_{i-1}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}|}_{z=Z_{i-1}}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\ρ}}_s\·X_i}\·\frac{1}{{\mathrm{\η}}_i}---\left(11\right)$

如图6所示，大方坯动态轻压下大多依靠空冷区拉矫机上辊压下实现的，第一个拉矫机上辊为检测辊即1#，负责检测进入空冷区的铸坯厚度。工艺实施过程中，根据进入空冷区的铸坯厚度和第i个机架压下辊压下量叠加处理后即可求得第i个机架压下辊最终的设定值Gapⁱ。

式中，i≥2；Gap_H为进入空冷区的铸坯厚度，mm；

为第i个机架压下量的修正系数，与铸机结构有关；R_a ⁱ为第i个机架压下辊的压下量，mm。

实施例：

在某大方坯连铸机上采用本发明生产中高碳合金钢。具体设备参数为：大方坯连铸机冷坯断面尺寸280mm×325mm，冶金长度33.149m。如图6所示，其空冷区内有7个拉矫机机架1#～7#，动态轻压下控制方法通过远程调节各机架内弧辊压坯位置，使铸坯受辊压力收缩变形，完成动态轻压下实施过程，生产钢种为轴承钢GCr15、帘线钢72A、硬线钢82B。

生产铸坯质量如表1和表2所示。

表1投用前后的铸坯低倍检测结果

表2投用前后的铸坯碳偏析

由表1可见，***投用后各钢种铸坯低倍检测结果均明显改善，全部钢种中心疏松缺陷评级0~1.5级比例提高38.14％，中心缩孔缺陷评级0~1.5级比例提高27.74％，铸坯裂纹缺陷、一般收缩缺陷均得到明显改善。

由表2可知，各钢种铸坯碳偏析指数均有明显的降低，其中GCr15钢中心碳偏析控制在0.924-1.06，72A钢中心碳偏析控制在0.868-1.129，82B钢中心碳偏析控制在0.918-1.069，中心碳偏析均不超过1.13。

Claims (4)

1、一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定两相邻压下点内铸坯的液芯凝固收缩量，公式如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_b=\frac{{\∫}_0^{L_{a-b}}(\frac{{\mathrm{dM}}_b}{\mathrm{dz}}-\frac{{\mathrm{dM}}_a}{\mathrm{dz}})\mathrm{dz}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(1\right)$

式中，M_b为B点沿z方向单位长度的质量，Ma为A点沿z方向单位长度的质量，ρ_s为固相密度，L_a-b为A～B间铸坯长度；

步骤2：利用步骤1中的液芯凝固收缩量，确定液芯压下量，公式如下：

$R_{\mathrm{center}}^b=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_b}{X_b\·L_{a-b}}---\left(2\right)$

式中，X_b为B点处的铸坯宽度；

步骤3：确定压下效率，公式如下：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}{A}_i}{\mathrm{\Δ}{A}_H}---\left(3\right)$

式中，ΔA_i为压下前后铸坯横截面液芯面积的减少量、ΔA_H为压下前后铸坯横截面总面积的减少量；

步骤4：利用步骤2中的液芯压下量和步骤3中的压下效率，确定铸坯表面压下量，公式如下：

$R_a^i=\frac{{\∫}_0^{Y_i}{\∫}_0^{X_i}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{|}_{z=Z_i}\mathrm{dxdy}-{\∫}_0^{Y_{i-1}}{\∫}_0^{X_{i-1}}\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}{|}_{z=Z_{i-1}}\mathrm{dxdy}}{{\mathrm{\ρ}}_s\·X_i}\·\frac{1}{{\mathrm{\η}}_i}---\left(4\right)$

步骤5：利用步骤4的铸坯表面压下量和铸坯厚度，确定各拉轿机机架的辊缝设定值，公式如下：

式中，i≥2；Gap_H为进入空冷区的铸坯厚度，mm；

为第i个机架压下量的修正系数，与铸机结构有关；R_a ⁱ为第i个机架压下辊的压下量，mm；

步骤6：将辊缝设定值下发到一级基础自动化控制***，远程调节拉轿机辊缝，实现在线轻压下。

2、根据权利要求1所述的一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，其特征在于：所述的铸坯，是指中、高碳合金钢连铸大方坯，其钢种成分按质量百分比分配：C含量为0.2-1.7％、Cr含量为0.5-1.65％、Si含量为0.15-0.35％、Mn含量为0.25-0.65％。

3、根据权利要求1所述的一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，其特征在于：所述的铸坯，其断面尺寸大于220mm×220mm。

4、根据权利要求1所述的一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，其特征在于：步骤6所述的远程调节拉轿机辊缝，其调节周期为2-10秒。

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