CN117737344A - 一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连铸工艺技术领域，具体涉及一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法，向高温钢液中喂入金属丝，金属丝在连铸凝固末端前融化；利用连铸圆坯液芯大小、冶金长度和结晶器工况参数，根据凝固传热理论和计算公式确定金属丝的喂入量；喂入的金属丝的直径由具体钢种计算。本发明据连铸坯断面、浇注温度和冶金长度计算喂入金属丝的质量，通过合理控制喂入金属丝的形状和方式，降低结晶器内熔体内的过热度和温度梯度，破碎枝晶和增加晶粒生长的形核质点，实现连铸圆坯芯部补缩，可以有效改善连铸圆坯生产过程芯部的偏析、疏松和裂纹等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及连铸工艺技术领域，具体涉及一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法。
背景技术
目前，改善金属材料凝固组织的途径主要有低过热度浇铸、二次冷却控制技术、电磁搅拌技术、轻压下技术和结晶器喂钢带或喂丝技术等。然而，在实际生产应用过程中，低过热度可能使钢液流动性降低，甚至导致水口堵塞。二次冷却控制技术通过改变冷却水的喷淋方式实现对铸坯的强制冷却，但其冷却效率以及对铸坯组织的改善效果难以确定。电磁搅拌技术通过施加电磁力来促进钢液的对流和传热，这种强制对流作用可以熔断晶核，消除搭桥现象，改善铸坯中心疏松和缩孔，但施加电磁搅拌的装置成本过高，前期投入巨大。轻压下技术通过施加一定大小的压下量，以抵消由于铸坯凝固引起的体积收缩，但压下量控制不当则会导致坯壳开裂。而结晶器喂钢带和喂丝技术是将钢带或金属丝喂入钢液中，借助钢带或金属丝熔化吸热来降低结晶器内钢液的过热度并产生晶核，使连铸坯由表及里的凝固过程变为内外同时凝固的结晶过程，通过降低钢液过热和增加等轴晶核来改善铸坯的凝固组织。这种工艺不仅可避免上述几种方法的弊端，还能有效降低成本。但结晶器喂钢带和喂丝技术起步较晚，工艺设备和工艺参数的研究相对较少，对连铸坯内凝固组织的影响规律尚不清晰。
作为一种经济、便捷的改善铸坯质量途径，结晶器喂钢带和喂丝技术能够优化生产效率，且成本低廉。为防止钢带夹带熔渣而污染钢液，中国发明专利申请CN114669722A提出了一种***吹气使熔渣排出喂带区的方法，中国发明专利申请CN105149536A提出了一种气体保护连铸结晶器喂钢带的排渣装置。中国发明专利申请CN104325103A、CN105149536A和CN206065356U通过排渣或防护装置分隔喂带区和非喂带区，并在喂带区通入保护气避免夹渣。中国发明专利申请CN102974791A借助电磁振动器赋予钢带强制性谐振，保证钢带平稳喂送。中国发明专利申请CN107900298A和CN104325100A分别提出了一种新型连铸结晶器中心喂带装置和方法。中国发明专利申请CN115896396A公开了一种结晶器喂稀土丝的方法，熔化后的稀土成分随钢液流动，提高了铸坯中稀土元素分布的均匀性。
结晶器喂钢带和喂丝技术在不同应用环境下仍可能产生负面效果，例如结晶器液面波动加剧、弯月面受到干扰和夹带熔渣污染钢液等。
发明内容
针对结晶器喂钢带和喂丝技术可能会导致结晶器液面波动加剧、弯月面受到干扰和夹带熔渣污染钢液等负面效果的技术问题，本发明提供一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法，根据连铸坯断面、浇注温度和冶金长度计算喂入金属丝的质量，通过合理控制喂入金属丝的形状和方式，降低结晶器内熔体内的过热度和温度梯度，破碎枝晶和增加晶粒生长的形核质点，实现连铸圆坯芯部补缩，可以有效改善连铸圆坯生产过程芯部的偏析、疏松和裂纹等缺陷。
本发明技术方案如下：
一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法，向高温钢液中喂入金属丝，金属丝在连铸凝固末端前融化；
金属丝的喂入量按照如下公式计算：
，
，
，
式中，y为圆坯厚度的1/2，mm；k为凝固系数，mm/min1/2；t为凝固时间，min；
Q为热流密度，mW/m3；Z为距弯月面距离，m；V c为拉坯速度，m/s；
F为金属丝喂入量，kg；C p为钢液定压比热容，kJ·kg-1·℃-1；T tun为中间包出口的钢液温度，℃；T liq为钢液的液相线温度，℃；A为断面面积，m2；T 0为金属丝初始温度，℃；q lat为金属丝的熔化潜热，kJ/kg；α为钢液过热量修正系数；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；
金属丝的直径按照如下公式计算：
，
式中，λ为喂入比；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；ρ cast为连铸坯密度，kg/m3；V f为喂入金属丝速度，m/s；d为金属丝直径，mm；D为连铸圆坯直径，mm；V c为拉坯速度，m/s。
进一步的，钢液过热量修正系数α为0.981。
进一步的，金属丝为包芯线或实线型。喂入包芯线或实线型金属丝可充分在高温钢液中熔融。
进一步的，金属丝呈盘圆结构，可以降低喂线造成的结晶器液面波动。
进一步的，金属丝以倾斜方式从结晶器中心上方进入。倾斜喂丝方式可以使金属丝沿着凝固液芯进入，确保在连铸凝固末端前融化以达到芯部补缩的目的。
进一步的，金属丝与结晶器中心轴向方向呈30°~45°倾斜，与结晶器横向方向呈3°~10°倾斜，以缩短后续均匀化时间。
进一步的，确定金属丝的喂入量前，先采集圆坯连铸过程中结晶器的工况参数。
进一步的，工况参数包括中间包出口钢液温度、工作拉速、圆坯的规格、钢液的化学成分、固相线温度和液相线温度。
进一步的，大规格连铸圆坯的直径φ≥800mm。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种连铸圆坯内部补缩的方法，根据连铸圆坯的规格及冶金长度等参数喂入金属丝，喂入质量根据凝固缩量计算得到；金属丝直径根据具体钢种计算确定，确保在凝固末端以前融化，是实现连铸圆坯芯部补缩的一种可行方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中喂丝补缩圆坯芯部的过程示意图。
图2是本发明具体实施方式中金属丝与结晶器中心轴向方向的倾斜关系示意图。
图3是本发明具体实施方式中金属丝与结晶器横向方向的倾斜关系示意图。
图4是本发明实施例1中φ800mm 45钢圆坯芯部补缩后的低倍检测照片。
图5是本发明实施例2中φ800mm S355NL钢圆坯芯部补缩后的低倍检测照片。
图中，1-喂丝卷轴，2-驱动装置，3-导向装置，4-水口，5-结晶器，6-熔融钢液，7-凝固坯壳。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法，包括如下步骤：
步骤1：采集不同规格、钢种圆坯连铸过程中结晶器工况参数，所述工况参数包括中间包出口钢液温度、工作拉速、圆坯的规格、钢液的化学成分、固相线温度和液相线温度；
步骤2：利用连铸圆坯液芯大小、冶金长度和结晶器工况参数，根据凝固传热理论和计算公式确定金属丝的喂入量，具体公式如下：
（1），
（2），
（3），
式（1）中，y为圆坯厚度的1/2，mm；k为凝固系数，mm/min1/2；t为凝固时间，min；
式（2）中，Q为热流密度，mW/m3；Z为距弯月面距离，m；V c为拉坯速度，m/s；
用式（1）中求得凝固时间t，用式（2）求得拉坯速度Vc，代入式（3）计算，式（3）中，F为金属丝喂入量，kg；C p为钢液定压比热容，kJ·kg-1·℃-1；T tun为中间包出口的钢液温度，℃；T liq为钢液的液相线温度，℃；A为断面面积，m2；T 0为金属丝初始温度，℃；q lat为金属丝的熔化潜热，kJ/kg；α为钢液过热量修正系数，为0.981；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；
步骤3：采用喂线机器人进行喂线，喂线机器人可以根据不同钢种的拉速、浇注温度和凝固收缩量等参数进行喂入位置、喂入角度、喂入速度和喂入量的调节，喂线机器人包括喂丝卷轴、驱动装置和导向装置，驱动装置用于驱动喂丝卷轴进行喂线，导向装置控制金属丝以倾斜方式从结晶器中心上方进入，具体为金属丝与结晶器中心轴向方向呈30°~45°倾斜，与结晶器横向方向呈3°~10°倾斜；金属丝为包芯线或实线型盘圆结构，可充分在高温钢液中熔融，金属丝呈盘圆结构可以降低喂丝造成的结晶器液面波动；喂入的金属丝的直径由具体钢种计算，确保在凝固末端前融化，具体公式如下：
，
式中，λ为喂入比；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；ρ cast为连铸坯密度，kg/m3；V f为喂入金属丝速度，m/s；d为金属丝直径，mm；D为连铸圆坯直径，mm；
实施例1
采用本发明方法对大规格45钢圆坯芯部进行补缩，钢种成分w（%）为0.45 C，0.15Si，0.62 Mn，0.02 S，0.015 P，0.12 Cr，0.10 Mo，0.10 Ni，余量Fe。铸坯尺寸为φ800mm，拉坯速度Vc为0.16m/min，过热度为20℃。
利用连铸圆坯液芯大小、冶金长度和采集得到的结晶器工况参数，根据凝固传热理论和计算公式确定金属丝的喂入量，通过公式：
，
，
，
计算得到金属丝喂入量F为80kg。
使用喂线机器人进行喂线，金属丝为实线型盘圆结构，确保在凝固末端前融化。喂入的金属丝的直径由具体钢种计算，其公式如下：
，
其中，喂入比λ为0.8%，喂入金属丝密度ρ steel为7800kg/m3，喂入金属丝速度V f为5.7m/min，连铸坯密度ρ cast为7850kg/m3，拉坯速度V c为0.16m/min，连铸圆坯直径D为800mm；
计算得到金属丝直径d为12mm。
通过调节喂线机器人角度，使金属丝以倾斜方式从结晶器中心上方进入，金属丝与中心轴向方向呈30°，与结晶器横向方向呈7°。
对补缩后得到的φ800mm 45钢圆坯进行金相检测，结果如图4所示，大圆坯中心疏松为1.0级，中心缩孔0.5级，无中心裂纹。
实施例2
采用本发明方法对大规格45钢圆坯芯部进行补缩，钢种成分w（%）为0.20 C，0.35Si，1.20 Mn，0.015 S，0.015 P，0.42 Cu，0.30 Cr，0.10 Mo，0.50 Ni，余量Fe。铸坯尺寸为φ800mm，拉坯速度Vc为0.16m/min，过热度为20℃。
利用连铸圆坯液芯大小、冶金长度和采集得到的结晶器工况参数，根据凝固传热理论和计算公式确定金属丝的喂入量，通过公式：
，
，
，
计算得到金属丝喂入量F为100kg。
使用喂线机器人进行喂线，金属丝为实线型盘圆结构，确保在凝固末端前融化。喂入的金属丝的直径由具体钢种计算，其公式如下：
，
其中，喂入比λ为1.0%，喂入金属丝密度ρ steel为7800kg/m3，喂入金属丝速度V f为4.5m/min，连铸坯密度ρ cast为7850kg/m3，拉坯速度V c为0.16m/min，连铸圆坯直径D为800mm；
计算得到金属丝直径d为15mm。
通过调节喂线机器人角度，使金属丝以倾斜方式从结晶器中心上方进入，金属丝与中心轴向方向呈30°，与结晶器横向方向呈7°。
对补缩后得到的φ800mm S355NL钢圆坯进行金相检测，结果如图5所示，大圆坯中心疏松为1.0级，中心缩孔0.5级，无中心裂纹。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，向高温钢液中喂入金属丝，金属丝在连铸凝固末端前融化；
金属丝的喂入量按照如下公式计算：
，
，
，
式中，y为圆坯厚度的1/2，mm；k为凝固系数，mm/min1/2；t为凝固时间，min；
Q为热流密度，mW/m3；Z为距弯月面距离，m；V c为拉坯速度，m/s；
F为金属丝喂入量，kg；C p为钢液定压比热容，kJ·kg-1·℃-1；T tun为中间包出口的钢液温度，℃；T liq为钢液的液相线温度，℃；A为断面面积，m2；T 0为金属丝初始温度，℃；q lat为金属丝的熔化潜热，kJ/kg；α为钢液过热量修正系数；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；
金属丝的直径按照如下公式计算：
，
式中，λ为喂入比；ρ steel为喂入金属丝密度，kg/m3；ρ cast为连铸坯密度，kg/m3；V f为喂入金属丝速度，m/s；d为金属丝直径，mm；D为连铸圆坯直径，mm；V c为拉坯速度，m/s。
2.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，钢液过热量修正系数α为0.981。
3.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，金属丝为包芯线或实线型。
4.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，金属丝呈盘圆结构。
5.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，金属丝以倾斜方式从结晶器中心上方进入。
6.如权利要求5所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，金属丝与结晶器中心轴向方向呈30°~45°倾斜，与结晶器横向方向呈3°~10°倾斜。
7.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，确定金属丝的喂入量前，先采集圆坯连铸过程中结晶器的工况参数。
8.如权利要求7所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，工况参数包括中间包出口钢液温度、工作拉速、圆坯的规格、钢液的化学成分、固相线温度和液相线温度。
9.如权利要求1所述的大规格连铸圆坯芯部补缩方法，其特征在于，大规格连铸圆坯的直径φ≥800mm。
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