CN104148387B - 一种连铸热芯轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸热芯轧制方法，在连铸机铸坯一次切割前部水平段靠近铸坯凝固末端位置设置辊式轧机，在轧机位置铸坯表面温度大于最低开轧温度T_{R_min}的条件下，获取热芯轧制位置处铸坯的液芯率δ，若液芯率δ为0，则轧机以轧制速度v_r对铸坯进行压下量不小于最小压下量ΔH_min的热芯轧制。该方法利用连铸余热实施在线热芯轧制，节约轧制能耗，大幅节能；极大地减少铸坯凝固缺陷，获得高质量轧制连铸坯；保持轧制速度和连铸机的拉速的匹配性，拉速稳定性好，控制简单；轧机后无需设置扇形段，直接替换为铸坯输送辊道，节省设备投资；对同一结晶器规格连铸坯通过直接在线热芯轧制轧成一定厚度范围内各种厚度规格的连铸坯产品，实现连铸坯厚度在线调节。

Description

一种连铸热芯轧制方法

技术领域

本发明涉及金属轧制领域，尤其涉及一种连铸热芯轧制方法。

背景技术

金属轧制节能成为当下轧制领域一个重要的课题，钢铁界均采用各种方法来减少轧制能耗。目前公知的技术主要是连铸坯热装热送、直接轧制等。(1)连铸坯直接轧制(热装温度1100℃以上)，简称CC-DR(ContinuousCasting-DirectRolling)，即连铸坯不经过加热炉，而在输送过程中通过边角补热装置直接送轧机轧制。(2)连铸坯热直接轧制(装炉温度A3～1100℃)，简称CC-HDR(ContinuousCasting-HotDirectRolling)，是指连铸坯不经过加热炉而在输送过程中通过补热和均热，使钢坯达到可轧温度，直接送轧机轧制。但是实现连铸坯直接轧制的难点在于无缺陷铸坯生产、高温铸坯生产、连铸与连轧的合理衔接与柔性化生产及一体化生产管理系统等技术要求。无缺陷铸坯生产是直接轧制的关键，也是常规连铸的关键，如何提高铸坯质量也是当下的难题之一。而且这些方法均是连铸坯切割后再进入轧制工序，铸坯热损失很大，很难获得高温铸坯。

液芯轧制是指钢坯芯部为液态或者半固态时进行的轧制，这种方法是连铸坯未经切割即利用连铸余热进行轧制，铸坯热损失小，轧制本质是芯部液芯被挤回后部液相穴，芯部结晶区枝晶被打碎再结晶。比如在授权公告号为CN102189102、公告日为2013年2月6日、名称为“一种连铸机在线调厚辊式大压下液芯轧制方法”的中国专利文献中，在板坯连铸机水平段凝固末端设置一架大辊径的二辊轧机，对铸坯进行单道次大压下量液芯轧制，从而去除中心疏松和偏析、内裂纹等，改善铸坯质量，细化内部组织。该方法的难点在于对铸坯液芯位置控制要求较高，轧机压下位置和压下时机在线捕捉困难；对铸机拉速控制、二冷控制都要求非常高，实施难度较大。

热芯轧制是指钢坯在热加工轧制时，芯部温度高、表面温度低这种温度状态下的轧制变形，与常规热轧的区别是常规热轧钢坯通体温度均匀，各部分变形抗力均匀，热芯轧制时芯部高温变形抗力低，钢坯芯部优先发生塑性变形。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种实施容易的连铸热芯轧制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种连铸热芯轧制方法，在连铸机铸坯一次切割前部水平段靠近铸坯凝固末端位置设置辊式轧机，在所述轧机位置铸坯表面温度大于最低开轧温度T_{R_min}的条件下，获取热芯轧制位置处铸坯的液芯率δ并判断该液芯率δ是否为0，若液芯率δ为0，则以轧制速度v_r对铸坯进行压下量大于或等于最小压下量ΔH_min的在线热芯轧制。

作为本发明的进一步优化，最低开轧温度T_{R_min}＝A_r3-40℃，其中，A_r3是该钢种在冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线。

作为本发明的进一步优化，最小压下量ΔH_min＝max[H·(ε_v+ε_l)，μ·S]，其中，H为轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；ε_V为凝固收缩率，单位％；ε_l为线性收缩率，单位％；S为铸机结晶器液面到所述轧机位置的距离，单位m；μ为轻压下率，取值范围为0.3～1.4mm/m。

作为本发明的进一步优化，若液芯率δ大于0，则所述轧机对铸坯进行压下量大于或等于最小压下量ΔH_min'的轧制，最小压下量ΔH_min′＝max[H·(ε_v+ε_l+δ)，μ·S]，其中，H为轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；ε_V为凝固收缩率，单位％；ε_l为线性收缩率，单位％；δ为轧机位置液芯率，单位％；S为铸机结晶器液面到所述轧机位置的距离，单位m；μ为轻压下率，取值范围为0.3～1.4mm/m。

作为本发明的进一步优化，所述轧机的轧制速度 $v_r=\frac{H}{[2R(1-\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2})+H\·(1-\mathrm{\ϵ})]\·\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2}}\·v_0\·\mathrm{\λ},$ 其中，H表示轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；b表示铸坯宽度，单位为mm；R表示工作辊半径，单位为mm；ε表示轧制的压下率，单位％；v₀表示拉坯速度，单位为m/min；λ为轧辊速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

作为本发明的进一步优化，所述轧机的后部输送辊道以线速度v₂进行输送，所述轧机后部输送辊道的线速度其中，k为机后速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

作为本发明的进一步优化，若液芯率δ大于0，则所述轧机以轧制速度v_r'对铸坯进行轧制，轧制速度 ${v_r}^{\′}=\frac{H\·[b-\mathrm{\δ}(b-H+\mathrm{\δ}\·H)]}{[2R(1-\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2})+H\·(1-\mathrm{\ϵ})]\·b\·\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2}}\·v_0\·\mathrm{\λ},$ 其中，H表示轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；b表示铸坯宽度，单位为mm；δ表示轧机位置液芯率，单位％；R表示工作辊半径，单位为mm；ε表示轧制的压下率，单位％；v₀表示拉坯速度，单位为m/min；λ为轧辊速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

作为本发明的进一步优化，所述轧机的后部输送辊道以线速度v₂'进行输送，所述轧机后部输送辊道的线速度其中，k为机后速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

(1)利用连铸余热实施在线热芯轧制，免除轧制前的再加热，且热芯部分变形抗力远小于完全凝固时的变形抗力，因而能够显著节约轧制能耗，大幅节能。

(2)对连铸和轧制间衔接无严格要求，实现容易；同时由于实施热芯轧制，对液芯位置不做精确要求，压下位置和时机好掌控，没有对连铸机产生额外控制要求，实施难度小。

(3)控制简单，拉速稳定性好，铸坯拉坯顺畅；保持轧制速度和连铸机的拉速的匹配性，从而消除轧机驱动对铸机扇形段驱动的影响。

(4)对连铸坯实施在线热芯轧制，可以减少凝固收缩和固态收缩对铸坯质量的影响，极大地减少铸坯凝固缺陷，获得高质量轧制连铸坯。

(5)轧机后无需再设置扇形段，可以直接替换为铸坯输送辊道，节省设备投资。

(6)可对同一结晶器规格连铸坯在直接在线热芯轧制轧成一定厚度范围内的各种厚度规格的连铸坯产品，实现连铸坯厚度在线调节。

附图说明

图1是本发明所述的连铸热芯轧制方法的流程图。

具体实施方式

本发明的连铸热芯轧制方法如图1所示，在连铸机铸坯一次切割前部水平段靠近铸坯凝固末端位置设置辊式轧机，设该位置最大液芯厚度占轧制前铸坯厚度的百分比即液芯率为δ，在该轧机位置铸坯表面温度大于最低开轧温度T_{R_min}的条件下，获取液芯率δ并判断其是否为0，若液芯率δ为0，则该轧机以轧制速度v_r对铸坯进行压下量不小于最小压下量ΔH_min的连续在线热芯轧制，使得铸坯中心塑性变形，轧制焊合铸坯中心疏松和缩孔等，并打碎芯部粗大柱状晶从而进行奥氏体再结晶以细化芯部组织，同时保证热芯轧制后铸坯表面质量良好，保持轧制速度和连铸机的拉速的匹配性，拉速稳定性好，控制简单。

其中，轧制压下量ΔH为轧制前铸坯厚度H与压下率ε的乘积，所以只要知道了轧制的压下率，就可以得到压下量。

热芯轧制最小压下率的设置原则

热芯轧制过程中，由于热芯部分变形抗力远小于完全凝固的表面的变形抗力，铸坯内部塑性大于表面塑性，轧制时内部优先变形，这样就有别于传统的热轧外部先变形，常规热轧的“压透深度”所需的最小压下率(约为)可以大大减小。

铸坯质量问题产生的根本在于凝固缺陷。钢从液态到固态的冷却过程中所发生的体积减小现象称为收缩。收缩是造成铸坯中许多缺陷如缩孔、疏松、裂纹、应力、变形等的根本原因。钢水从浇注温度冷却到常温都要经历三个收缩阶段：

①液态收缩阶段：钢液从浇注温度冷却至开始凝固的液相线温度的体积收缩为液态收缩。钢液每下降100℃，体积收缩率约为1.5～1.75％。在连铸过程中，温度在液相线以上的钢液，完全处于液芯内。液态收缩发生在液芯内部，其带来的体积减少完全可以由连续浇入的钢水来补充，因此对铸坯质量几乎没有影响。

②凝固收缩阶段：钢的凝固是在两相区内进行，在凝固温度范围内产生的收缩为凝固收缩，包括由液态到固态的状态改变和温度降低两部分收缩。钢的凝固收缩决定于其化学成分，对于碳钢来说，主要取决于含碳量C％。碳钢的凝固收缩率如表1：

C％	0.10	0.25	0.35	0.45	0.70
						εV％	2.0	2.5	3.0	4.3	5.3

表1-碳钢的凝固收缩率ε_V与含碳量的关系

铸坯中心两相区内的固相率达到预定值例如0.4～0.6后，枝晶发展成为密实的网络结构，阻止了钢液在枝晶间的流动。在浇注补缩不充分的条件下将会造成铸坯内部的缩孔和疏松缺陷，凝固收缩对铸坯的缩孔、疏松和裂纹有直接影响。

③固态收缩阶段：完全凝固后，钢由固相线温度到常温会发生固态收缩。碳钢的固态收缩分为三个阶段：珠光体转变前的收缩、共折转变期的膨胀、以及珠光体转变后的收缩，整个固态收缩率为三者之和。钢的固态收缩是铸坯中产生应力、变形和裂纹的根本原因。固态收缩率是体积收缩率，其在铸坯厚度方向上的分量为线性收缩率ε_l。对于碳钢来说，线性收缩率ε_l与含碳量C％的关系见下表2：

C％	0.08	0.14	0.35	0.45	0.55	0.60
							εl％	2.47	2.46	2.4	2.35	2.31	2.18

表2-碳钢的线性收缩率ε_l与含碳量的关系

因此，在热芯轧制过程中，主要考虑克服凝固收缩和固态收缩对铸坯质量的影响，为了解决铸坯凝固缺陷，我们设定热芯轧制的压下率ε大于或等于最小压下率ε_min，而最小压下率为：

ε_min＝ε_v+ε_l(1)

其中，凝固收缩率ε_V是体积收缩率，单位％，凝固收缩过程由于坯壳已经形成，其体积收缩率在轧制压下过程中主要靠厚度方向压缩来进行补缩，故将凝固的体积收缩率ε_V直接对应到厚度方向的压下率。

因为轧制的压下量ΔH＝H·ε，所以最小压下量ΔH_min如下：

ΔH_min＝H·ε_min＝H·(ε_v+ε_l)(2)

其中，H为轧制前铸坯厚度，单位为mm。因此，设定热芯轧制的压下量ΔH不小于最小压下量ΔH_min。

此外，在热芯压下前部铸机扇形段未投入动态轻压下的情况下，最小压下量还应满足如下条件：

ΔH_min＝μ·S(3)

其中，S为铸机结晶器液面到轧机位置的距离，单位m；μ为轻压下率，取值范围为0.3～1.4mm/m，其取值受钢种的凝固收缩系数和铸坯尺寸的影响。

综上所述，热芯轧制最小压下量ΔH_min应该同时满足公式(2)和(3)并取两者中的最大值，即：

ΔH_min＝max[H·(ε_v+ε_l)，μ·S](4)

因此，设定热芯轧制的压下量ΔH不小于最小压下量ΔH_min。

在实际应用过程中，不排除热芯轧制过程中，由于拉速变化、过热度高、二冷变化等因素导致铸坯液芯到达热芯轧制位置，这时液芯率δ大于0，因此热芯轧制要考虑先将液芯金属挤出凝固坯壳内腔来消除金属液态收缩的影响，此时最小压下率ε_min'为：

ε_min′＝ε_v+ε_l+δ(5)

因为轧制的压下量ΔH＝H·ε，所以最小压下量ΔH_min'如下：

ΔH_min′＝H·ε_min′＝H·(ε_v+ε_l+δ)(6)

因此，设定轧制的压下量ΔH不小于最小压下量ΔH_min'。

此外，在热芯压下前部铸机扇形段未投入动态轻压下的情况下，最小压下量还应满足如下条件：

ΔH_min′＝μ·S(7)

综上所述，在铸坯未完全凝固的情况下，即液芯率δ大于0时，轧制最小压下量ΔH_min'应该同时满足公式(6)和(7)并取两者中的最大值，即：

ΔH_min′＝max[H·(ε_v+ε_l+δ)，μ·S](8)

因此，设定轧制的压下量ΔH不小于最小压下量ΔH_min'。

铸坯表面最低开轧温度的设置原则

为了保证热芯轧制后铸坯表面质量良好不出现轧制裂纹等缺陷，一般要求热芯轧制前铸坯表面最低温度：

T_{R_min}＝A_r3-40℃(9)

式中，A_r3是该钢种在冷却时自A(奥氏体)中开始析出F(铁素体)的临界温度线。A_r3的计算可以采用经验公式例如A_r3＝910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo+0.35(h-8)，式中h为轧制后产品厚度。

热芯轧制速度的控制原则

热芯轧制过程中要考虑如何保持轧制速度和连铸机的拉速之间的匹配性以减少轧机驱动对铸机扇形段驱动的影响，还要考虑如何避免带铸轧一体化轧制对连铸机结晶器液面造成波动。因而，在热芯轧制过程中，轧机的轧制速度(即轧辊线速度)v_r跟随连铸机的铸坯拉速v₀，轧机后部输送辊道的线速度v₂跟随轧机出口速度，进而也跟随连铸机的铸坯拉速v₀，其相互关系如下：

完全热芯轧制时，即液芯率δ为0时，依据下面的公式(10)确定轧辊线速度v_r和机后传动线速度(即轧机后部输送辊道的线速度)v₂：

$\begin{array}{c}{v}_r=\frac{H}{[2R(1-\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2})+H\·(1-\mathrm{\ϵ})]\·\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2}}\·v_0\·\mathrm{\λ},\\ v_2=\frac{1}{1-\mathrm{\ϵ}}\·v_0\·k\end{array}---\left(10\right)$

以上公式中，H表示轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；b表示铸坯宽度，单位为mm；δ表示轧机位置液芯率，单位％；R表示工作辊半径，单位为mm；ε表示轧制的压下率，单位％，压下率ε优选为大于或等于v₀表示拉坯速度，单位为m/min；λ为轧辊速度修正系数，取值范围为0.9～1.1；k为机后速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

若热芯轧制位置铸坯存在液芯，即液芯率δ大于0时，则依据如下公式(11)确定轧辊线速度v_r'和机后传动线速度v₂'：

$\begin{array}{c}{v_r}^{\′}=\frac{H\·[b-\mathrm{\δ}(b-H+\mathrm{\δ}\·H)]}{[2R(1-\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2})+H\·(1-\mathrm{\ϵ})]\·b\·\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2}}\·v_0\·\mathrm{\λ},\\ {v_2}^{\′}=\frac{b-(b-H+\mathrm{\δ}\·H)\·\mathrm{\δ}}{(1-\mathrm{\ϵ})\·b}\·v_0\·k\end{array}---\left(11\right)$

以上公式中，ε表示轧制的压下率，单位％，压下率ε优选为大于或等于 ${{\mathrm{\ϵ}}_{\min }}^{\′}=\max [({\mathrm{\ϵ}}_v+{\mathrm{\ϵ}}_l+\mathrm{\δ}),\frac{\mathrm{\μ}\·S}{H}].$

下面通过实际例子对本发明的热芯轧制方法作进一步说明。

以连铸机结晶器液面为参照点，在板坯连铸机的铸坯一次切割前部水平段靠近铸坯凝固末端位置例如热芯轧制位置S＝30m上设置一架辊式轧机，轧机的工作辊半径为R＝550mm，对连铸坯实施设定压下量ΔH的轧制。

为了便于比较，下面的表3中分别以四种钢为例，与其中每种钢对应的各个参数举例见表3。

各例中，轧制前连铸坯厚度均为H＝250mm，计算设定压下量ΔH时，根据表1、表2的数据进行插值计算，得到凝固收缩率ε_V和线性收缩率ε_l。各例中，轧制前连铸坯宽度均为b＝1800mm，分别取速度修正系数λ＝1，k＝1，计算轧辊线速度和机后传动线速度时，连铸机的铸坯拉速均设定为v₀＝1.0m/min。计算铸坯表面最低开轧温度T_{R_min}时，A_r3的值采用经验公式A_r3＝910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo+0.35(h-8)来计算(式中h为轧制后产品厚度)。

表3。

Claims (7)

1.一种连铸热芯轧制方法，其特征在于，在连铸机铸坯一次切割前部水平段靠近铸坯凝固末端位置设置辊式轧机，在所述轧机位置铸坯表面温度大于最低开轧温度T_{R_min}的条件下，获取热芯轧制位置处铸坯的液芯率δ并判断该液芯率δ是否为0，若液芯率δ为0，则以轧制速度v_r对铸坯进行压下量大于或等于最小压下量ΔH_min的在线热芯轧制；

最小压下量ΔH_min＝max[H·(ε_v+ε_l)，μ·S]，

其中，H为轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；ε_V为凝固收缩率，单位％；ε_l为线性收缩率，单位％；S为连铸机结晶器液面到所述轧机位置的距离，单位m；μ为轻压下率，取值范围为0.03～0.14％。

2.如权利要求1所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，最低开轧温度T_{R_min}＝A_r3-40℃，

其中，A_r3是铸坯钢种在冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线。

3.如权利要求1所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，若液芯率δ大于0，则所述轧机对铸坯进行压下量大于或等于最小压下量ΔH_min'的轧制，最小压下量ΔH_min'＝max[H·(ε_v+ε_l+δ)，μ·S]，

其中，H为轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；ε_V为凝固收缩率，单位％；ε_l为线性收缩率，单位％；δ为轧机位置液芯率，单位％；S为连铸机结晶器液面到所述轧机位置的距离，单位m；μ为轻压下率，取值范围为0.03～0.14％。

4.如权利要求1所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，所述轧机的轧制速度

其中，H表示轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；R表示轧辊半径，单位为mm；ε表示轧制的压下率，单位％；v₀表示拉坯速度，单位为m/min；λ为轧辊速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

5.如权利要求4所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，所述轧机的后部输送辊道以线速度v₂进行输送，所述轧机后部输送辊道的线速度 $v_2=\frac{1}{1-\mathrm{\ϵ}}\·v_0\·k,$

其中，k为轧机的机后速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

6.如权利要求1或4所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，若液芯率δ大于0，则所述轧机以轧制速度v_r'对铸坯进行轧制，轧制速度 ${v_r}^{\′}=\frac{H\·\[b-\mathrm{\δ}(b-H+\mathrm{\δ}\·H)\]}{\[2R(1-\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2})+H\·(1-\mathrm{\ϵ})\]\·b\·\cos \frac{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\·H/R}}{2}}\·v_0\·\mathrm{\λ},$

其中，H表示轧机入口处的铸坯厚度，单位为mm；b表示铸坯宽度，单位为mm；δ表示轧机位置液芯率，单位％；R表示轧辊半径，单位为mm；ε表示轧制的压下率，单位％；v₀表示拉坯速度，单位为m/min；λ为轧辊速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。

7.如权利要求6所述的连铸热芯轧制方法，其特征在于，所述轧机的后部输送辊道以线速度v₂'进行输送，所述轧机后部输送辊道的线速度 ${v_2}^{\′}=\frac{b-(b-H+\mathrm{\δ}\·H)\·\mathrm{\δ}}{(1-\mathrm{\ϵ})\·b}\·v_0\·k,$

其中，k为轧机的机后速度修正系数，取值范围为0.9～1.1。