CN101722287A - 连铸铸坯的冷却方法及包括该方法的连铸钢坯的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连铸铸坯的冷却方法，该方法包括使铸坯通过喷淋冷却区进行冷却，其特征在于，所述喷淋冷却区至少为3个，铸坯连续通过所述至少3个喷淋冷却区，且依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在各个喷淋冷却区中的温度降低值逐渐减小。本发明还提供了一种连铸钢坯的生产方法，该方法包括将钢水铸造成铸坯，然后将所得铸坯进行冷却，其中，所述冷却的方法为本发明提供的连铸铸坯的冷却方法。采用本发明的连铸铸坯的冷却方法和连铸钢坯的生产方法生产的连铸钢坯没有表面裂纹和内部裂纹，且中心疏松和中心偏析很小。

Description

连铸铸坯的冷却方法及包括该方法的连铸钢坯的生产方法

技术领域

本发明涉及连铸铸坯的冷却方法及包括该冷却方法的连铸钢坯的生产方法。

背景技术

车轴是铁道车辆走行的重要部件，其质量状态直接关系到车轴的承载能力和运输安全。世界各国铁路部门都非常重视车辆用车轴钢的生产工艺技术和实物质量的提高。长期以来一直采用模铸工艺生产车轴钢，然而，连铸工艺较模铸工艺具有工艺流程简单、金属得率高，且生产的连铸钢坯较模铸钢坯具有高表面质量、高成分均匀性及性能稳定性等显著优点，因此，采用连铸工艺生产铁道车辆车轴用钢势在必行。

在现有技术的连铸生产工艺中，将高温钢水连续不断地浇到结晶器中进行凝结，待钢水凝固成一定厚度的铸坯后，将该铸坯从结晶器中拉出，并通过二次冷却区进行均匀、缓慢冷却。通常在二次冷却区采用的冷却方法有空冷、水冷和气水喷雾冷却。当采用这三种冷却方法对连铸铸坯进行二次冷却时，生产的钢坯易产生表面裂纹、内部裂纹、中心疏松和中心偏析等缺陷。

因此，研究制定合理的车轴钢连铸工艺，尤其是连铸二次冷却工艺，解决车轴钢连铸坯存在的表面裂纹、中心裂纹、中心疏松和中心偏析等缺陷的技术难题，稳定地生产出高质量的连铸钢坯，是开发生产高品质车轴的关键环节。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的连铸钢坯二次冷却工艺生产的钢坯的具有表面裂纹、内部裂纹、中心疏松和中心偏析的缺陷，提供能够生产出无表面裂纹和内部裂纹且仅有轻微中心疏松和中心偏析的连铸钢坯的连铸钢坯二次冷却的方法。

本发明提供了一种连铸铸坯的冷却方法，该方法包括使铸坯通过喷淋冷却区进行冷却，其特征在于，所述喷淋冷却区至少为3个，铸坯连续通过所述至少3个喷淋冷却区，且依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在各个喷淋冷却区中的温度降低值逐渐减小。

本发明还提供了一种连铸钢坯的生产方法，该方法包括将钢水铸造成铸坯，然后将所得铸坯进行冷却，其特征在于，所述冷却的方法为本发明提供的连铸铸坯的冷却方法。

由于采用了本发明提供的连铸钢坯的二次冷却方法，从而生产的连铸钢坯没有表面裂纹和内部裂纹，且中心疏松≤1.0级、中心偏析≤0.5级。

具体实施方式

本发明提供了一种连铸铸坯的冷却方法，该方法包括使铸坯通过喷淋冷却区进行冷却，其特征在于，所述喷淋冷却区至少为3个，铸坯连续通过所述至少3个喷淋冷却区，且依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在各个喷淋冷却区中的温度降低值逐渐减小。

在本发明提供的连铸铸坯的冷却方法中，只要满足铸坯在各个喷淋冷却区中的温度降低值依次降低即可实现本发明的目的。优选情况下，依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在相邻两个喷淋冷却区中的温度降低值的比例为1∶0.1-0.9，同时铸坯在第一个冷却区中降低的温度为50-250℃。符合该优选条件，从而生产的铸坯不仅可以完全克服表面裂纹和内部裂纹等缺陷，而且还可以明显降低中心疏松和中心偏析。进一步优选情况下，铸坯在相邻两个喷淋冷却区中的温度降低值的比例为1∶0.4-0.6，铸坯在第一个冷却区中降低的温度为100-200℃。而且，在同一个连铸工艺的冷却过程中，铸坯在各个相邻冷却区中的温度降低值的比例可以为相同或不同。

在本发明中所述喷淋冷却区至少为3个，虽然冷却区的个数越多冷却的效果越好，然而，在铸坯各个相邻冷却区中的温度降低值满足以上条件的情况下，当冷却区的个数超过8个时，铸坯的冷却效果并不会有明显地改善，因此，将喷淋冷却区的个数优选为3-8个，最优选为5个。

在本发明提供的冷却方法中，具体是对从结晶器中结晶后拉出的铸坯进行二次冷却，为了保证经初步冷却后的铸坯的坯壳具有一定的强度，从而使该铸坯能够承受通过喷淋冷却区时的拉力，因此铸坯的温度优选为950-1250℃。本发明中，所述喷淋冷却区可以通过对所述铸坯喷淋冷却剂来实现对铸坯的冷却，在喷淋冷却区中喷淋的冷却剂可以为各种常规的冷却剂，在本发明中优选为水，而且为了节省能源，通常使用环境温度下的水，所述环境温度通常指5-40℃的温度范围，也即，本发明中，所述冷却剂优选为5-40℃的水。

在本发明提供的冷却方法中，对于使铸坯在相邻两个冷却区中的温度降低值不同的控制方法没有限定，在本发明中优选通过冷却强度来控制。依照铸坯通过的先后顺序，相邻两个冷却区的冷却强度逐渐降低，在本文中“冷却强度”是指指单位时间内喷淋到单位长度上的铸坯的冷却剂的量。

在所述喷淋冷却区为3-8个特别是5个的情况下，铸坯以相同的速度通过所述至少3个喷淋冷却区，依照铸坯通过的先后顺序，各个喷淋冷却区的冷却强度分别为：

$q_1=\frac{S}{450\×360}(320.96V_c^2-113.62V_c+138.51)\±7.09$

$q_2=\frac{S}{450\×360}(56.81V_c^2+10.94V_c+19.77)\±1.28$

$q_3=\frac{S}{450\×360}(46.30V_c^2+3.08V_c+14.31)\±1.14$

$q_4=\frac{S}{450\×360}(26.14V_c^2-2.50V_c+8.82)\±0.56$

$q_4=\frac{S}{450\×360}(21.49V_c^2-{2.37V}_c+7.32)\±0.45$

其中，S和V_c各自代表一数值，S的大小等于以平方毫米为单位的铸坯的横截面面积，V_c的大小等于以米/分钟为单位的、铸坯通过所述至少3个喷淋冷却区的速度，q₁、q₂、q₃、q₄和q₅分别表示单位长度的铸坯在第一至第五喷淋冷却区的冷却强度，单位为千克/(米·分钟)。

当所述喷淋冷却区为3或4个时，依照铸坯通过的先后顺序，各个喷淋冷却区的冷却强度分别为以上前3个或者前4个。当所述喷淋冷却区为6-8个时，依照铸坯通过的先后顺序，保证前五个喷淋冷却区的冷却强度分别为以上q₁、q₂、q₃、q₄和q₅且第5个以后的喷淋冷却区的冷却强度依次降低即可。

在所述喷淋冷却区为3-8个特别是5个的情况下，依照铸坯通过的先后顺序，各个所述喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度分别为：

$W_1=\frac{S}{450\×360}({80.88V}_c^2-{28.63V}_c+34.91)\±1.78$

$W_2=\frac{S}{450\×360}({110.66V}_c^2{+21.32V}_c+38.51)\±2.22$

$W_3=\frac{S}{450\×360}({94.21V}_c^2-{6.26V}_c+29.12)\±1.91$

$W_4=\frac{S}{450\×360}({132.26V}_c^2-{12.66V}_c+44.64)\±1.50$

$W_5=\frac{S}{450\×360}({49.42V}_c^2-{5.46V}_c+16.85)\±1.03$

其中，S和V_c各自代表一数值，S的大小等于以平方毫米为单位的铸坯的横截面面积，V_c的大小等于以米/分钟为单位的铸坯通过所述至少3个喷淋冷却区的速度，W₁、W₂、W₃、W₄和W₅分别表示第一至第五喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度，单位为千克/分钟。

当所述喷淋冷却区为3或4个时，依照铸坯通过的先后顺序，各个喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度分别为以上前3个或者前4个。当所述喷淋冷却区为6-8个时，依照铸坯通过的先后顺序，前五个喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度分别为以上W₁、W₂、W₃、W₄和W₅且第5个以后的喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度依次降低即可。

只要所述五个喷淋冷却区分别满足上述的单位长度上的铸坯冷却强度与坯壳通过喷淋冷却区的速度的关系，本发明对于各个冷却区的喷淋方式没有特别地限定，优选情况下，沿浇注方向的第一个喷淋冷却区采用喷水冷却，其余四个喷淋冷却区采用气雾喷淋冷却。由于第一个喷淋冷却区采用喷水强制冷却，可增大冷却强度，确保结晶器出口较薄的凝固坯壳得到高强度的冷却，防止自结晶器出口的铸坯表面回热，有利于防止因热应力造成的铸坯表面或皮下裂纹，同时，通过提高冷却强度，可迅速增大凝固坯壳厚度，有利于防止因结晶器出口坯壳薄而鼓肚严重导致的漏钢事故；而在随后的喷淋冷却区坯壳较厚，采用气雾喷淋冷却，可明显降低冷却强度和改善冷却均匀性，从而可有效减少凝固坯壳的内外温差及由此产生的热应力，降低连铸坯产生内部裂纹的危险性。为了节约能源，本发明采用常温的水和气雾，通常优选水和气雾的温度为5-40℃。所述气雾可以通过使用雾化器将液态水雾化后得到，所述雾化器可以是本领域技术人员公知的各种雾化器，雾化后水滴的直径为20-200μm，优选为50-100μm。

在满足以上各冷却区的冷却强度和喷淋冷却的速度的情况下，在整个冷却过程中比水量为0.3-0.7千克/千克，为了获得中心偏析和中心疏松更小、且无裂纹的连铸钢坯，比水量优选为0.447-0.538千克/千克。其中，比水量是指在冷却区中冷却每千克铸坯所用的总水量。

如上述，本发明的冷却方法中，对铸坯通过各个喷淋冷却区的速度没有特别地限定，然而，考虑到铸坯的坯壳的强度，所述铸坯通过各个喷淋冷却区的速度优选为0.1-1米/分钟，进一步优选为0.3-0.8米/分钟。

本发明提供的方法适用于各种铸坯的冷却和各种钢坯的连铸生产。在本发明提供的冷却方法中，对于生产的连铸钢坯的尺寸没有特别地限定，可以为本领域技术人员公知的各种尺寸型号的钢坯，特别是对于断面尺寸大于200毫米×200毫米的钢坯各项性能提升更显著，因为断面尺寸越大，对于连铸工艺中的冷却过程要求越高。

本发明还提供了一种连铸钢坯的生产方法，该方法包括将钢水铸造成铸坯，然后将所得铸坯进行冷却，其中，所述冷却的方法为本发明提供的连铸铸坯的冷却方法。

在本发明提供的连铸钢坯的生产方法中，对将钢水铸造成铸坯的方法没有特别限定，可以是本领域技术人员公知的各种铸造方法，例如，一般包括将钢水注入结晶器中进行结晶，或者将形成铸坯(或钢坯)的原料进行熔炼，然后将熔炼后的液体注入结晶器中进行结晶。所述熔炼和结晶的具体操作已为本领域技术人员所公知。

以下实施例将对本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢坯的生产方法进一步说明。在以下各个实施例和对比例中，所用到的铸坯是通过将钢水连续注入结晶器中，进行结晶而获得的。铸坯的尺寸根据结晶器的横截面尺寸而确定。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

将横截面尺寸为450毫米×360毫米的、表面温度为950℃的铸坯以0.3米/分钟的速度依次通过五个喷淋冷却区进行二次冷却，坯壳通过第一个喷淋冷却区时采用喷水冷却，从而使铸坯在第一喷淋冷却区中降低的温度为100℃，坯壳通过其余四个喷淋冷却区时采用气雾喷淋冷却，喷淋的水和气雾的温度为15℃，并依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，将铸坯通过各个相邻喷淋冷却区时温度降低值的比例均控制为1∶0.4。依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，五个喷淋冷却区的水量分别为33.60千克/分钟、54.87千克/分钟、35.72千克/分钟、52.75千克/分钟和19.66千克/分钟，五个喷淋冷却区内单位长度上铸坯的冷却强度分别为133.31千克/(分钟米)、28.16千克/(分钟米)、19.40千克/(分钟米)、10.42千克/(分钟米)和8.54千克/(分钟米)，从而得到LZ50车轴连铸钢坯样品A1。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

将横截面尺寸为380毫米×280毫米的、表面温度为1250℃的铸坯以0.8米/分钟的速度依次通过五个喷淋冷却区进行二次冷却，坯壳通过第一个喷淋冷却区时采用喷水冷却，从而使铸坯在第一喷淋冷却区中降低的温度为200℃，坯壳通过其余四个喷淋冷却区时采用气雾喷淋冷却，喷淋的水和气雾的温度为35℃，并依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，将铸坯通过各个相邻冷却区时温度降低值的比例均控制为1∶0.6。依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，五个喷淋冷却区的水量分别为42.09千克/分钟、83.42千克/分钟、55.71千克/分钟、78.65千克/分钟和29.11千克/分钟，五个喷淋冷却区内单位长度上铸坯的冷却强度分别为167.00千克/(分钟·米)、42.82千克/(分钟·米)、30.63千克/(分钟·米)、15.54千克/(分钟·米)和12.66千克/(分钟·米)，从而得到JZ35车轴连铸钢坯样品A2。

实施例3

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

将横截面尺寸为450毫米×360毫米的、表面温度为1100℃的铸坯以0.5米/分钟的速度依次通过五个喷淋冷却区进行二次冷却，其中，坯壳通过第一个喷淋冷却区时采用喷水冷却，从而使铸坯在第一喷淋冷却区中降低的温度为150℃，坯壳通过其余四个喷淋冷却区时采用气雾喷淋冷却，喷淋的水和气雾的温度为25℃，并依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，将铸坯通过各个相邻冷却区时温度降低值的比例均控制为1∶0.5。依照铸坯通过喷淋冷却区的先后顺序，五个喷淋冷却区的水量分别为40.82千克/分钟、76.84千克/分钟、49.54千克/分钟、71.38千克/分钟和26.48千克/分钟，五个喷淋冷却区内单位长度方向上铸坯的冷却强度分别为161.94千克/(分钟·米)、39.44千克/(分钟·米)、27.43千克/(分钟·米)、14.11千克/(分钟·米)和11.51千克/(分钟·米)，从而得到JZ35车轴连铸钢坯样品A3。

实施例4

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

按照实施例3的方法得到JZ35车轴连铸钢坯样品A4，不同的是，将铸坯在第一冷却区降低的温度控制为300℃，且将在各个相邻冷却区中铸坯的温度降低值的比例均控制为1∶0.08。

实施例5

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

按照实施例3的方法得到JZ35车轴连铸钢坯样品A5，不同的是，将铸坯在第一冷却区降低的温度控制为45℃，且将在各个相邻冷却区中铸坯的温度降低值的比例均控制为1∶0.95。

实施例6

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

按照实施例3的方法得到JZ35车轴连铸钢坯样品A6，不同的是，五个喷淋冷却区均采用喷水冷却。

实施例7

本实施例用于说明本发明提供的连铸钢坯的冷却方法和连铸钢的生产方法。

按照实施例3的方法得到JZ35车轴连铸钢坯样品A7，不同的是，喷淋冷却区为3个，且第一个采用喷水冷却，其余两个采用气雾冷却。

对比例1

按照实施例3的方法得到JZ35车轴连铸钢坯参比样品D1，不同的是，铸坯在五个喷淋冷却区内的冷却强度均为161.94千克/(分钟·米)。

连铸钢坯性能测试

目测观察连铸钢坯样品A1-A7和D1是否存在表面裂纹，并根据YB/T153-1999对其内部裂纹、中心疏松和中心偏析缺陷进行检测和评级，其结果示于表1中。

表1

	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	D1
									表面裂纹	无	无	无	无	无	无	无	有

	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	D1
									内部裂纹	0	0	0	0	0	0	0	1.5
中心疏松	0.5	0.5	0.5	1.0	1.0	1.0	1.0	2.0
									中心偏析	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	1.5

从表1可以看出，采用本发明提供的连铸钢坯的冷却方法生产的连铸钢坯没有表面裂纹和内部裂纹，且中心疏松和中心偏析很小，明显提升了连铸钢坯的各项性能。

Claims (9)

1.一种连铸铸坯的冷却方法，该方法包括使铸坯通过喷淋冷却区进行冷却，其特征在于，所述喷淋冷却区至少为3个，铸坯连续通过所述至少3个喷淋冷却区，且依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在各个喷淋冷却区中的温度降低值逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在相邻两个喷淋冷却区中的温度降低值的比例为1∶0.1-0.9，铸坯在第一个冷却区中降低的温度为50-250℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，依照铸坯通过的先后顺序，铸坯在相邻两个喷淋冷却区中的温度降低值的比例为1∶0.4-0.6，铸坯在第一个冷却区中降低的温度为100-200℃。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述喷淋冷却区通过对所述铸坯喷淋冷却剂来实现对铸坯的冷却，通过第一个喷淋冷却区之前，所述铸坯的温度为950-1250℃，所述冷却剂为5-40℃的水，铸坯以相同的速度通过所述至少3个喷淋冷却区，依照铸坯通过的先后顺序，各个所述喷淋冷却区的冷却强度分别为：

$q_1=\frac{S}{450\×360}(320.96V_c^2-113.62V_c+138.51)\±7.09$

$q_2=\frac{S}{450\×360}({56.81V}_c^2+10.94V_c+19.77)\±1.28$

$q_3=\frac{S}{450\×360}({46.30V}_c^2+3.08V_c+14.31)\±1.14$

$q_4=\frac{S}{450\×360}({26.14V}_c^2-2.50V_c+8.82)\±0.56$

$q_5=\frac{S}{450\×360}({21.49V}_c^2-2.37V_c+7.32)\±0.45$

其中，S和V_c各自代表一数值，S的大小等于以平方毫米为单位的铸坯的横截面面积，V_c的大小等于以米/分钟为单位的铸坯通过所述至少3个喷淋冷却区的速度，q₁、q₂、q₃、q₄和q₅分别表示单位长度的铸坯在第一至第五喷淋冷却区的冷却强度，单位为千克/(米·分钟)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，依照铸坯通过的先后顺序，各个所述喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度分别为：

$W_1=\frac{S}{450\×360}({80.88V}_c^2-28.63V_c+34.91)\±1.78$

$W_2=\frac{S}{450\×360}({110.66V}_c^2+21.32V_c+38.51)\±2.22$

$W_3=\frac{S}{450\×360}({94.21V}_c^2-{6.26V}_c+29.12)\±1.91$

$W_4=\frac{S}{450\×360}(132.26V_c^2-12.66V_c+44.64)\±1.50$

$W_5=\frac{S}{450\×360}(49.42V_c^2-5.46V_c+16.85)\±1.03$

其中，S和V_c各自代表一数值，S的大小等于以平方毫米为单位的铸坯的横截面面积，V_c的大小等于以米/分钟为单位的、铸坯通过所述至少3个喷淋冷却区的速度，W₁、W₂、W₃、W₄和W₅分别表示第一至第五喷淋冷却区的冷却剂的喷淋速度，单位为千克/分钟。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述铸坯通过各个喷淋冷却区的速度为0.1-1米/分钟。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铸坯通过各个喷淋冷却区的速度为0.3-0.8米/分钟。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铸坯通过的第一个喷淋冷却区的冷却方式为液流喷淋冷却，其余喷淋冷却区的冷却方式为气雾喷淋冷却。

9.一种连铸钢坯的生产方法，该方法包括将钢水铸造成铸坯，然后将所得铸坯进行冷却，其特征在于，所述冷却的方法为权利要求1-8中任意一项所述的连铸铸坯的方法。