CN104985163A - 通过金属熔液内部强冷形核提高产品质量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过消除铸造过程金属熔液过热度，同时在液相中产生大量游离等轴晶形核核心来均化铸坯凝固，从而提高铸坯内部质量的设备和方法。通过本发明，能显著降低金属熔液过热度，在铸坯液相的局部形成过冷度，以此产生大量等轴晶形核核心，并通过振动及旋转等方式使其大量游离到铸坯中心的液相内，促使铸坯内部快速均匀冷却，提高铸坯内部质量，从而解决特殊断面(连铸的大圆坯内部质量、大尺寸铸件)和特殊钢种(硅钢、汽车板等)等的质量要求。本发明提供的设备和方法，可以重复使用，设备成本、使用和维护成本低廉，在提高铸坯内部质量的同时，基本上不会增加生产成本。

Description

通过金属熔液内部强冷形核提高产品质量的设备和方法

技术领域

本发明涉及连铸和模铸等金属凝固领域，更加具体地，涉及一种通过内部强冷直接消除金属熔液过热度和产生等轴晶形核核心来提高铸坯内部质量的设备和方法。

背景技术

此处以连铸为例进行技术和实施例的说明，但本发明和方法完全可以不仅仅限于连铸过程，显然适合连铸、模铸等钢铁或者其他金属凝固领域。

在连铸生产过程中，如图1所示，钢水从钢包1和中间包2通过结晶器3一次冷却结晶后，形成凝固外壳，中心为钢液的铸坯100并从结晶器3下口拉出。铸坯100从结晶器下口拉出后，进行二次冷却，然后经过拉矫辊4的矫直后，通过切前辊道到达火切机5进行铸坯切割。在上述过程中，铸坯从外到内冷却，会逐渐消除中心液相钢水的过热度，最终全部凝固，形成了激冷层、枝晶和中心等轴晶组织，也因为补缩等原因最终导致中心质量问题，即缩孔、疏松和偏析。

为了提高连铸坯的内部质量，很多技术手段被开发应用，比如结晶器电搅、二冷电搅、末端电搅(M-EMS、S-EMS、F-EMS)，比如轻压下、重压下技术，比如凝固末端强冷技术等，这些技术手段在一定程度上能大大提高和改善铸坯内部质量。但是对于特殊的断面，比如直径为600mm～1200mm的大圆坯，压下技术无法实施、末端电搅被实践证明无效，现有技术手段基本无法改变内部质量；对于特殊的钢种，比如用板坯生产的硅钢等，要求铸坯具有尽可能多的中心等轴晶组织从而满足产品的各向同性要求，目前的二冷辊式电搅远远不能达到要求，而压下技术对增加铸坯等轴晶率基本没有作用。

另一个技术方向是通过降低过热度的方式来提高铸坯内部质量，实践也证明，降低钢水的过热度能显著提高铸坯等轴晶率和内部质量。因此发展了中间包电磁感应加热和等离子加热技术，可以实现低过热度浇注和恒温浇注，有利于提高铸坯内部质量。但是，一方面该技术的实施要改造传统的中间包结构，耗费大量电能，噪音污染环境，另一方面一次性投入、使用和维护成本很高，大多钢厂承担不起；第三方面，中间包钢水过热度不能无限地降低，当低于某个过热度后，容易引起中间包下水口絮流，导致单流断浇甚至铸机停浇事故。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的上述问题而提出的，是一种全新的技术思路，其目的在于提供一种设备和方法，通过消除结晶器内钢水的过热度和产生等轴晶形核核心提高铸坯内部质量，从而解决特殊金属断面(连铸的大圆坯内部质量、大尺寸铸件)和特殊品种钢(硅钢、汽车板等)的生产要求。本发明选择直接在连铸或模铸过程的结晶器内降低钢水的过热度，克服了目前技术导致中间包下水口絮流的风险，反而可以放松对中间包过热度的要求，并且有效提高铸坯内部质量，有利于铸坯的均匀冷却和提高等轴晶率、细化晶粒。

所述的方法为将本发明带有冷却的设备***铸坯内部的金属熔液中，直接带走液相钢水热量，使得铸坯内部钢水的过热度大大降低甚至消除；同时在强冷的作用下，在冷却设备的外侧会形成稳定的凝固层，在凝固层的外侧会存在很大的过冷度，从而产生大量的形核核心；采用振动或者旋转等移动的方式，促使形核核心连续大量地游离到铸坯内部的液相中，这样在铸坯内部液相过热度降低、局部过冷和大量形核核心的共同作用下，促使铸坯内部快速均匀的冷却。

所述的设备包括冷却设备和振动单元、旋转单元，其中为了保证能在冷却设备的外侧形成一定厚度的钢水凝固层，冷却设备要求具有较高的导热性，冷却介质选择为水，材质为纯铜、铸铜、铸铁、铸钢等导热材料，或者不同部位应用不同材质。为了保证凝固层的稳定性，冷却通道外侧设计了肋-槽或花纹结构；为了形成循环冷却能力，冷却设备包括了进水管路、进水道、出水道和出水管路。另外，为了保证冷却均匀性，即保证出水道水缝的均匀性，冷却设备设计了定位装置；为了保证密封性避免漏水引起的事故，在进水道***和出水道***连接固定的地方，设计了密封垫片。

所述的设备和方法，还包括为了形成足够冷却强度和大量游离形核核心而设计的设备和工艺参数范围，主要有：进水道直径20～50mm、出水道水缝厚度2～7mm、内冷壁厚度8～25mm、外冷壁厚度10～50mm、冷却设备总长度50～1200mm；冷却水流速满足3.0～15.0m/s、冷却设备***结晶器钢液面深度5～1000mm；振动设备振幅0.1～4.0mm、振频30～1000HZ。

所述的设备和方法，还包括为了使用的安全性和满足工艺调整的控制***，主要有：测温装置，包括测冷却壁局部和进出冷却水温度；冷却强度控制软件；振动和旋转控制软件。

本发明提供的设备和方法，可以重复使用，设备自身、使用和维护成本都很低廉，在提高铸坯内部质量的同时，基本上不会增加生产成本。本发明的使用范围至少为连铸和模铸，完全可以应用到所有金属凝固领域。本发明提供的设备和方法，从原理上和功能上可以替代连铸过程的中间包加热技术和二冷、末端电搅技术(S-EMS、F-EMS)。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是根据本发明连铸机的示意图；

图2是根据本发明设备的示意图；

图3是根据本发明设备和方法实施例的示意图

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是根据本发明连铸机的示意图，本发明的方法可以作用在结晶器3的区域内，通过本发明的设备进一步从铸坯内部带走热量，消除过热度，同时产生大量游离到铸坯金属液中的形核核心来加速并且均匀化凝固。

本发明通过降低金属熔液的过热度和产生等轴晶形核核心提高铸坯内部质量的设备和方法，图2是本发明设备的示意图。如图所示，振动/旋转单元200提供设备和钢水的相对移动，内冷壁220和外冷壁230形成了冷却通道，包括进水道260和出水道水缝250，为了保证进水道和出水道不发生漏水，有密封垫片210，同时为了保证出水道水缝的精度，设计了定位装置240。

冷却介质的流向如图2中箭头所示：从进水管280进入进水道260，然后通过内冷壁220下面的通道进入出水道水缝250，最后从冷却设备的上端出水管270排出，这样，通过冷却介质的流动不断带走从外冷壁230外侧传进来的大量热量，一方面对外冷壁230进行冷却，保证其不会被熔化，可以重复使用，另一方面带走金属熔液中大量热量，降低过热度，同时在外冷壁230外侧形成凝固层和大量等轴晶形核核心。这些等轴晶形核核心在振动/旋转单元200的作用下，通过振动和虹吸等作用，离开凝固层，游离进金属熔液中，成为进一步消耗金属熔液过热度和加速凝固的形核核心。

显然，要达到好的效果，除过冷却设备的设计外，工艺参数是很重要的因素，比如冷却介质的流量和流速，冷却介质流速太小，会导致传热的恶化而无法达到有效的冷却，甚至会对冷却设备寿命带来影响；比如振动频率和振幅，太小的振频和振幅可能不足以使形核核心脱离冷却设备，而太大的振频和振幅可能导致凝固层的脱落。

图3是根据本发明设备和方法实施例的示意图，本实施例作用在连铸板坯生产中，具有一定过热度的高温液相钢水从水口310进入结晶器330，在结晶器330的冷却下，形成了坯壳350，同时由于坯壳冷却收缩形成了和结晶器的气缝340，随着不断的下行和冷却，坯壳350会逐渐增厚，最终铸坯脱离结晶器330，完成结晶器内的冷却过程。而在坯壳内部高温钢液360依然具有一定的过热度，并不会很快凝固，同时基于生产、传热和冶金等作用，结晶器330内钢液360的上面一般都会有保护渣320覆盖。

在如图3所示的实施例，将两台本发明的设备1000(包括了振动单元1100和冷却设备1200)，对称布置到连铸板坯中间包长水口310两侧的钢液360内，并位于保护渣320以下，对其进行冷却，同时在振动辅助下，形成大量游离的等轴晶形核核心，不断的进入铸坯内部的钢液360内，加速并且均匀化钢液360凝固。显然，本发明设备***保护渣320以下的深度会对实施例效果产生重要影响。

根据本发明的另一个实施例，是按照图3所述实施例而作用在连铸大圆坯上，可以在大圆坯结晶器水口的周边布置1台，或者对称布置3台、4台甚至更多台本发明设备，从而对大圆坯铸坯内的钢液进行冷却，消除过热度，并且产生大量等轴晶形核核心，通过振动游离进入铸坯钢液内，加速并且均匀化钢液凝固。显然，在本实施例中，布置本发明设备的数量会对实施例效果产生重要影响。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明范围的前提下，可以进行多种改变和修改。这里描述的发明实施例所述的方法权利要求的功能、步骤和或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

Claims (9)

1.通过金属熔液内部强冷形核提高产品质量的设备和方法，包括：

将带有冷却的设备直接***金属熔液中，消除铸坯内部熔液的过热度，同时产生局部过冷度；

采用强冷的方式，在设备的外侧形成稳定凝固层；

在凝固层的外侧产生大量的形核核心；

利用设备自身的振动/旋转或者组合移动方式，促使形核核心大量连续地游离到铸坯内部的金属熔液中；

在铸坯内部液相过热度降低、局部过冷和大量形核核心产生的共同作用下，促使铸坯内部快速均匀的冷却，提高等轴晶率、降低偏析、细化晶粒。

2.根据权利要求1所述的设备，包括：

冷却***；

振动单元；

旋转单元。

3.根据权利要求2所述的冷却设备，包括：

内冷壁；

外冷壁；

进水道；

出水道；

进水管；

出水管；

密封垫片；

定位装置；

控制***。

4.根据权利要求2所述的冷却设备的材质，包括轧制纯铜、铸铜、铸铁、铸钢等导热材料，并且冷却设备不同部位采用不同材质，所用材质根据钢种及工艺条件对冷却能力、设备寿命及安全要求决定，加工工艺为机械加工及铸造。

5.根据权利要求2所述的冷却设备的几何结构，包括横截面为圆形、椭圆形以及多边形等，也包括围绕水口即横截面为圆环形状；长度方向上带有锥度，并且带有局部变径处理；外表面为光面或者设有肋-槽、花纹等结构；出水和进水口位置根据工艺条件设计在不同位置。

6.根据权利要求3所述的控制***，包括：

测温装置：包括冷却设备自身温度检测和进出水温差的检测；

冷却强度控制软件；

振动及旋转控制软件。

7.根据权利要求2所述的冷却设备的特征参数和工艺参数范围为：

进水道直径：20～50mm；

出水道水缝厚度：2～7mm；

内冷壁厚度：8～25mm；

外冷壁厚度：10～50mm；

冷却设备总长度：50～1200mm；

水流速：3m/s～20m/s；

***钢液面深度：5～1000mm。

8.根据权利要求2所述的振动/旋转单元的特征参数范围为：

振幅：0.1～4mm；

振频：30～1000Hz；

旋转：进行1/2或者1/4圆等的低速往复自旋运动。

9.根据权利要求1所述的设备和方法，其中，实际使用形式还包括：以单体形式出现，或者以组合形式出现。