CN104722729A - 一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法，通过在连铸机结晶器上端设置形核投射装置，并将与浇铸钢种成分相同的钢质冷却形核射入结晶器钢液内，从而在铸坯凝固初期在铸坯内部增加冷却，使得铸坯内部和外部凝固均匀，近乎达到同步，从而消除因铸坯内外凝固不同步而产生的疏松、缩孔和偏析。进而使得铸坯内部强度提高，从而可以避免因弯曲、矫直和铸坯鼓肚变形导致的铸坯内部裂纹。此外因增加了内部冷却，根据热平衡，铸坯放热固定，则可减少外部冷却条件。

Description

一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法

技术领域

本发明涉及连铸技术，更具体地说，涉及一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法。

背景技术

在冶金连铸的生产过程中，铸坯的内部与外部质量是冶金工作者十分关注的焦点。随着船舶、海洋、油管等产品的开发和应用，对铸坯的内部质量提出了十分严格的要求。铸坯的内部质量主要表现在成分均匀，无疏松、无缩孔、无裂纹等。而这些缺陷的产生的原因，一方面与铸机本身相关，例如断面大和辊缝设置不适合，另一方面是连铸工艺参数的设置相关，例如浇铸温度、冷却制度等。

经对现有技术的文献检索发现，专利CN1876274A公布一种直接干预铸坯内部质量的方法，该方法通过喂入设备向结晶器钢水中***金属薄带，薄带可以按适用的频率振动。该方法可以降低结晶器钢水过热度、减少柱状晶，增加等轴晶比例，从而改善铸坯的凝固组织，减轻中心偏析。专利CN1962120A和专利CN103056321A通过向钢包或结晶器内加入微粉作为形核剂，经过形核和凝固、得到微小晶粒的铸坯，改善铸坯组织。

但是，结晶器喂带的方法由于需要采用庞大的设备，结构比较复杂，且钢带在结晶器内部随着钢液流动易发生移动，在钢液中位置难以固定。其次，薄带在钢种中的融化速度难以控制，导致该方法实施有一定难度。而在结晶器内加入粉剂的方法由于加入粉剂比较困难，采用喷吹的方法则易对结晶器内的钢液产生搅动，对形成稳定的铸坯初生凝固坯壳是不利的，会对铸坯的表面质量造成影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法，能够在铸坯形成初期，使铸坯的凝固收缩同步，避免在凝固后期产生疏松、缩孔和偏析。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，该形核投射装置装于连铸机结晶器上端，包括至少两个分设于结晶器的中浸入式水口两侧且均可水平移动的投射机构，每个投射机构包括形核输送夹、投射管道、电动弹射器和内通充惰性气体的耐材隔离管，形核输送夹连接设于投射管道的一侧，用以依次提供钢质冷却形核，耐材隔离管一端套设于投射管道外，另一端***结晶器钢液内，电动弹射器设于投射管道末端，将钢质冷却形核连续高速射入钢液内。

所述的钢质冷却形核的成分与浇铸钢种成分相同，其外形为梭形、子弹形或圆形。

所述的梭形或子弹形钢质冷却形核的直径为5～20mm，长度为20～100mm，圆形钢质冷却形核的直径为7～30mm。

另一方面，一种连铸铸坯内部质量改善方法，包括以下步骤：

A.在连铸机结晶器上端设置形核投射装置；

B.当浇铸开始，铸坯形成凝固坯壳，并且铸坯头部经过弯曲段之后，启动形核投射装置，由形核输送夹将成分与浇铸钢种成分相同的钢质冷却形核依次送至电动弹射器，并由电动弹射器沿投射管道及耐材隔离管连续高速地射入结晶器的钢液两个高温区内。

所述的钢质冷却形核的射入速度可根据以下计算公式获得：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+q_v$

q_v=VρC_S(T_S-T₂₀)

z=v·t

式中：

T为钢液温度；

q_v为钢质冷却形核熔化过程所需热量；

ρ为钢液、钢质冷却形核密度；

C_p为钢液热熔；

C_S为钢质冷却形核热熔；

λ为钢液导热系数；

V为钢质冷却形核体积；

T_S为钢质冷却形核固相线；

T₂₀为室温；

v为钢质冷却形核射入速度；

t为钢质冷却形核移动时间；

z为钢质冷却形核移动距离。

所述的钢质冷却形核的成分与浇铸钢种成分相同，其外形为梭形、子弹形或圆形。

所述的梭形或子弹形钢质冷却形核的直径为5～20mm，长度为20～100mm，圆形钢质冷却形核的直径为7～30mm。

在上述技术方案中，本发明的连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置及方法通过在连铸机结晶器上端设置形核投射装置，并将与浇铸钢种成分相同的钢质冷却形核射入结晶器钢液内，从而在铸坯凝固初期在铸坯内部增加冷却，使得铸坯内部和外部凝固均匀，近乎达到同步，从而消除因铸坯内外凝固不同步而产生的疏松、缩孔和偏析。进而使得铸坯内部强度提高，从而可以避免因弯曲、矫直和铸坯鼓肚变形导致的铸坯内部裂纹。此外因增加了内部冷却，根据热平衡，铸坯放热固定，则可减少外部冷却条件。

附图说明

图1是本发明的形核投射装置的结构示意图；

图2a～图2c是三种不同形状的钢质冷却形核。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结晶器钢液在受到结晶器冷却水形成初生凝固坯壳，该凝固坯壳出结晶器后受到二次冷却逐渐释放热量而凝固，直到最后凝固。铸坯在凝固过程中会形成体积收缩，而凝固初期因凝固收缩造成的空间会被从结晶器下来的钢液补充。但在凝固后期，但铸坯中心的钢液达到液相线温度时，形成了两相区，此时的凝固收缩造成的空间不能被钢液补充，因此形成了疏松和缩孔。究其原因是因为铸坯从外部到中心的凝固过程不同步，外部凝固坯壳线性生成，而中心则最后形成。如果在铸坯凝固初期，在铸坯内部或者中心置入钢质形核，则可以使整个铸坯的凝固过程趋向同步，从而使得铸坯的凝固收缩同步，避免在凝固后期产生疏松、缩孔和偏析。

因此，本发明设计了一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，如图1所示，安装于连铸机结晶器6上端，其包括至少两个分设于结晶器6的中浸入式水口8两侧且均可水平移动的投射机构10，每个投射机构10可以左右移动以适应铸坯宽度调整和浸入式水口8调整，且均包括形核输送夹3、投射管道4、电动弹射器2和内通充惰性气体的耐材隔离管5，形核输送夹3连接设于投射管道4的一侧，用以依次提供成分与浇铸钢种成分相同的钢质冷却形核，耐材隔离管5一端套设于投射管道4外，另一端穿过结晶器6内保护渣7并***钢液内，电动弹射器2设于投射管道4末端，可将钢质冷却形核连续高速射入钢液内。

上述钢质冷却形核在钢液凝固过程中，起到冷却和均匀成分的作用。该形核的大小、形状和射入速度、位置与浇铸钢种和浇铸断面直接相关。其目的是保证该钢质形核在钢液浇铸过程中完全融化，并起到冷却形核的作用。

在浇铸速度、温度和形核大小确定的情况下，射入速度慢，会造成形核过早的融化，起不到冷却形核的作用，也起不到均匀成分的作用。铸坯中心所产生的疏松、缩孔和偏析依然存在。如果射入速度过快，形核在融化过程中需要大量的热量和时间，可能在铸坯完全凝固后依然没有融化，则会造成铸坯钢质的不连续，反而恶化了铸坯质量。因此，射入的速度需要根据热平衡，获得形核升温到两相区所需要的热量和时间，依次来判断当前浇铸条件下，即浇铸温度和浇铸速度下所匹配的射入速度。

根据钢液和形核在结晶器6内的热传递能量守恒关系：储存热量=接受热量-支出热量描述钢液和钢质形核在结晶器6内的热平衡方程（1），可计算获得钢质形核在结晶器6内的熔化时间，也可获得结晶器6内钢液的冷却过程，由此可根据铸坯拉速确定出钢质形核熔化时间和速度，以及完全熔化时，钢质形核周边的钢液温度场。具体采用的计算公式如下：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+q_v---\left(1\right)$

q_v=VρC_S(T_S-T₂₀)       （2）

z=v·t                （3）

式中：

T－钢液温度；

q_v－钢质形核熔化过程所需热量；

ρ－钢液、钢质形核密度；

C_p－钢液热熔；

C_S－钢质形核热熔；

λ－钢液导热系数；

V－钢质形核体积；

T_S－钢质形核固相线；

T₂₀－室温；

v－钢质形核射入速度；

t－钢质形核移动时间；

z－钢质形核移动距离。

为了减少形核进入钢液的阻力，该钢质冷却形核9可采用梭形、子弹形或圆形（依次见图2a～图2c）。其由投射装置高速射入到钢液中，因连铸过程是连续不间断的，故形核射入也是连续不间断的。该形核的大小则要严格控制，保证其在接触钢液后，在到达凝固终点之前完全融化，避免铸坯钢质不连续，增加新的缺陷。

根据试验和计算得到，梭形或子弹形钢质冷却形核的直径应为5～20mm，长度应为20～100mm，圆形钢质冷却形核的直径应为7～30mm。

形核的射入速度则要根据铸机的浇铸速度和浇铸温度来匹配。当铸机拉速较高时，则射入速度加快，则拉速较低时，则降低射入速度。当中间包1温度较高时，则提高射入速度，中间包1温度较低时则降低射入速度。形核的射入位置也要根据浇铸断面来设置。浇铸板坯时，因断面较宽，因此至少采用两个投射机构10，分别位于浸入式水口8的两侧。钢液从浸入式水口8流出时，在铸坯四分之一处分别形成两个高温区（即图1中的钢液漩涡虚线的中心位置），这两个高温区也是铸坯最后凝固的位置。因此，投射机构10的位置应分置于这两个高温区的上端，使得形核能够准确地沿着两个高温区进入铸坯，使其能够冷却该两个高温区，并均匀这两个高温区的铸坯成分。

采用本发明的形核投射装置来对连铸铸坯内部质量进行改善的方法具体如下：

以铸机浇铸断面为300×2100mm，浇铸速度为0.8～1.2m/min为例，在结晶器6上口处安装一台形核投射装置，用以连续向结晶器6内部投入直径为8～12mm，长度为40～80mm的子弹形钢质冷却形核，射入速度为20～40粒/分钟。当浇铸铸坯时，电动弹射器2将由形核弹输送夹依次送过来的钢质冷却形核通过投射管道4射入到结晶器6内。由于在结晶器6上方有一层保护渣7，为了防止形核将保护渣7带入到钢液中，污染钢水，因此在投射管道4外还采用耐材隔离管5将其与保护渣7隔离开，管内充有惰性气体保护钢液。形核穿过钢液高温湍流中心，到达结晶器6下部。该形核在钢液热量作用下融化，使得铸坯内部冷却与铸坯外部冷却减少温度梯度，从而减少铸坯柱状晶，扩大等轴晶。同时，降低和消除铸坯内部的缩孔、疏松和偏析。

与常规的连铸相比，本发明在铸坯形成初期的内部增加了冷却，使得铸坯内部和外部凝固均匀，近乎达到同步，从而消除因铸坯内外凝固不同步而产生的疏松、缩孔和偏析。进而使得铸坯内部强度提高，从而可以避免因弯曲、矫直和铸坯鼓肚变形导致的铸坯内部裂纹。此外因增加了内部冷却，根据热平衡，铸坯放热固定，则可减少外部冷却条件，且避免了内部缺陷的产生，因此可以取代现有技术，例如铸坯末端轻压下和末端电磁搅拌工艺，从而简化了铸机设备。再者，由于内部冷却的采用，铸坯从结晶器6出来后到最终完全凝固所需时间也大大缩短，铸机长度也缩短，减少了设备投入和降低了投资成本。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，其特征在于：

该形核投射装置装于连铸机结晶器上端，包括至少两个分设于结晶器的中浸入式水口两侧且均可水平移动的投射机构，每个投射机构包括形核输送夹、投射管道、电动弹射器和内通充惰性气体的耐材隔离管，形核输送夹连接设于投射管道的一侧，用以依次提供钢质冷却形核，耐材隔离管一端套设于投射管道外，另一端***结晶器钢液内，电动弹射器设于投射管道末端，将钢质冷却形核连续高速射入钢液内。

2.如权利要求1所述的连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，其特征在于：

所述的钢质冷却形核的成分与浇铸钢种成分相同，其外形为梭形、子弹形或圆形。

3.如权利要求2所述的连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，其特征在于：

所述的梭形或子弹形钢质冷却形核的直径为5～20mm，长度为20～100mm，圆形钢质冷却形核的直径为7～30mm。

4.一种连铸铸坯内部质量改善方法，其特征在于，

包括以下步骤：

A.在连铸机结晶器上端设置形核投射装置；

B.当浇铸开始，铸坯形成凝固坯壳，并且铸坯头部经过弯曲段之后，启动形核投射装置，由形核输送夹将成分与浇铸钢种成分相同的钢质冷却形核依次送至电动弹射器，并由电动弹射器沿投射管道及耐材隔离管连续高速地射入结晶器的钢液两个高温区内。

5.如权利要求4所述的连铸铸坯内部质量改善方法，其特征在于：

所述的钢质冷却形核的射入速度可根据以下计算公式获得：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+q_v$

q_v=VρC_S(T_S-T₂₀)

z=v·t

式中：

T为钢液温度；

q_v为钢质冷却形核熔化过程所需热量；

ρ为钢液、钢质冷却形核密度；

C_p为钢液热熔；

C_S为钢质冷却形核热熔；

λ为钢液导热系数；

V为钢质冷却形核体积；

T_S为钢质冷却形核固相线；

T₂₀为室温；

v为钢质冷却形核射入速度；

t为钢质冷却形核移动时间；

z为钢质冷却形核移动距离。

6.如权利要求4所述的连铸铸坯内部质量改善方法，其特征在于：

所述的钢质冷却形核的成分与浇铸钢种成分相同，其外形为梭形、子弹形或圆形。

7.如权利要求6所述的连铸铸坯内部质量改善用的形核投射装置，其特征在于：

所述的梭形或子弹形钢质冷却形核的直径为5～20mm，长度为20～100mm，圆形钢质冷却形核的直径为7～30mm。