CN110116193B - 一种圆坯结晶器及连铸设备、连铸圆坯振痕抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆坯结晶器，包括结晶器本体，所述结晶器本体的内壁上位于钢水液面处设有发热元件。本发明还公开了一种采用上述圆坯结晶器的连铸设备及连铸圆坯振痕抑制方法。本发明在连铸结晶器内，钢水液面附近的圆坯结晶器热面上安装发热元件；发热元件以脉冲的形式发热，来抑制靠近板坯结晶器一侧、弯曲的钢水液面的凝固，可以有效减小连铸坯表面振痕深度、甚至完全消灭连铸坯表面振痕；有望彻底消灭那些伴随着铸坯表面振痕生成而发生的铸坯表面缺陷、如皮下夹杂、皮下气孔、皮下偏析和表面裂纹。
Description
技术领域
本发明属于连铸技术领域，尤其涉及一种圆坯结晶器及连铸设备、连铸圆坯振痕抑制方法。
背景技术
连铸坯振痕是指连铸坯表面上周期性的横向凹陷。许多铸坯表面缺陷伴随着振痕而产生，首先振痕波谷由于冷却速率低，导致波谷处坯壳内晶粒粗大；其次振痕凹陷处受力时会诱导切口效应；第三振痕波谷处常常元素偏析严重，是铸坯表面裂纹的起源地。同时振痕波谷常常捕捉了大量的气泡和非金属夹杂物，这些气泡和夹杂物经轧制后最终在轧钢产品上形成表面缺陷，如汽车面板用钢的blisters和slivers缺陷。振痕伴随表面质量问题的严重性，通常可以用振痕的深度来表征。因为振痕越深，振痕波谷处的铸坯晶粒越粗大、元素偏析越严重。因此减小/消灭铸坯振痕对提高钢铁产品质量有着极其重要的意义。
连铸过程中振痕产生于钢水初始凝固阶段，而钢水初始凝固发生在圆坯结晶器钢水液面附近，因此在钢水液面附近控制钢水凝固可以从根源上消除/减轻铸坯表面振痕。连铸实践中控制钢水初始凝固以减少/消灭连铸表面振痕的技术有：提高钢水浇注温度、提高拉坯速度、降低圆坯结晶器负滑脱时间、钢水液面电磁软接触技术(电磁能穿透低)、保护渣抑制钢水液面附近钢水凝固技术、使用低导热系数的结晶器材质的热顶结晶器技术、水平结晶器振动技术、结晶器非正弦振动技术、结晶器表面刻槽(通过槽内渗入保护渣增加热阻，减低弯月面传热)、电磁制动技术(只作用于结晶器窄面、能稍微改善铸坯窄面振痕深度)等。由于这些经验和技术只适用在一些特定的工况条件下使用，没有从根本上被消灭铸坯表面振痕，甚至生产中还引入其他表面缺陷。例如过大的钢水浇注温度、拉坯速度会导致坯壳拉漏；降低圆坯结晶器负滑脱时间可以降低振痕深度，但是圆坯结晶器没有负滑脱会导致保护渣渗入困难，导致圆坯表面裂纹。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种能够减小连铸坯表面振痕深度的圆坯结晶器及连铸设备、连铸圆坯振痕抑制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种圆坯结晶器，包括结晶器本体，所述结晶器本体内形成有圆柱形结晶腔体，所述圆柱形结晶腔体的内壁上位于金属液面处设有发热元件。
进一步的，所述发热元件嵌设在所述圆柱形结晶腔体的内壁上，所述发热元件的外表面与所述圆柱形结晶腔体的内壁面相平齐。
进一步的，所述圆柱形结晶腔体的内壁上设有环形凹槽，所述发热元件嵌设在环形凹槽中。
进一步的，发热元件靠近金属液一侧表面在单位时间内和单位平方米面积上所对应的发热热量为50～300000W/m2。
进一步的，所述圆坯结晶器用于有色金属连铸时，当所述圆坯结晶器向上运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向上运动持续时间的50％～100％；或者是所述圆坯结晶器用于钢铁连铸时，当所述圆坯结晶器向下运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向下运动持续时间的50％～100％。
一种连铸设备，包括上述圆坯结晶器。
一种连铸圆坯振痕抑制方法，该方法包括将钢水从中间包浇注至圆坯结晶器中，在所述圆坯结晶器中，在钢水的液面上加入保护渣，通过在所述圆坯结晶器中冷却，所述钢水凝固为带有液芯的铸圆坯，然后将该带有液芯的铸坯从所述圆坯结晶器的出口连续拉出并经过二次冷却区，以得到完全凝固的铸圆坯，所述圆坯结晶器的内侧壁上位于钢水液面处设有发热元件，铸圆坯形成过程中，通过发热元件发出的热量，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器一侧、弯曲的钢水液面的凝固。
进一步的，所述圆坯结晶器向下运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向下运动持续时间的50％～100％。
一种连铸圆坯振痕抑制方法，该方法包括将有色金属液从中间包浇注至圆坯结晶器中，有色金属液在所述圆坯结晶器中冷却，凝固为带有液芯的铸圆坯，然后将该带有液芯的铸坯从所述圆坯结晶器的出口连续拉出并经过二次冷却区，以得到完全凝固的铸圆坯，所述圆坯结晶器的内侧壁上位于有色金属液液面处设有发热元件，铸圆坯形成过程中，通过发热元件发出的热量，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器一侧、弯曲的有色金属液液面的凝固。
进一步的，所述圆坯结晶器向上运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向上运动持续时间的50％～100％。
进一步的，所述发热元件为电发热片。
技术原理
对于钢铁连铸，每个圆坯结晶器下降振动的时间内都有一段时间，负滑脱时间内圆坯结晶器下降速度大于拉坯速度；一个周期内负滑脱的持续时间称为负滑脱时间，其他的时间为正滑脱时间。发明人通过大量实验观察到圆坯结晶器负滑脱时，钢水液面附近通过圆坯结晶器的热流密度会突然上升。发现产生上述现象原因为圆坯结晶器负滑脱时，部分弯月面(弯月面指：靠近圆坯结晶器一侧、因界面张力而发生弯曲的钢水液面)发生凝固，释放大量热量的结果。圆坯结晶器负滑脱时，弯月面会接近圆坯结晶器，由于圆坯结晶器冷却势能很大，弯月面加速凝固，此时对应实验结果看到“负滑脱时通过结晶器的热流密度突然增大”；在圆坯结晶器负滑脱末期到正滑脱前期，随着铸坯的下行，凝固的弯月面坯壳在钢水静压力的作用下，被推回圆坯结晶器形成凹陷型振痕；若凝固的弧形弯月面坯壳的强度足够大，钢水会溢流到凝固弯月面上方，形成凝固勾型振痕。
对于有色金属连铸，结晶器向上振动的时候，凝固固体-金属液-润滑剂的三相点失稳，产生振痕，振痕产生的本质都可以理解是弯月面凝固的残留物。
因此，对于钢铁或有色金属连铸形成振痕的先决条件是部分弯月面凝固；弯月面凝固的越多，振痕就越深，形成凝固勾振痕几率越大。因此抑制了弯月面钢水凝固或者降低了钢水初始凝固位置，则就会消灭振痕或者降低振痕深度。
与现有技术相比，本发明具有的优点在于：
本发明通过在结晶器上特殊位置巧妙的增设发热元件，抑制了弯月面钢水或有色金属液凝固或者降低了钢水初始凝固位置，可有效减小渣圈，减少连铸坯表面振痕深度、甚至完全消灭连铸坯表面振痕，有望彻底消灭那些伴随着铸坯表面振痕生成而发生的铸坯表面缺陷、如皮下夹杂、皮下气孔、皮下偏析和表面裂纹，同时无需对现有连铸设备进行大规模改造，连铸设备改造成本低。
附图说明
图1为圆坯结晶器热面上发热元件的安装图；
图2为圆坯结晶器剖视图；
图3为采用本发明圆坯结结晶器制备得到的圆坯表面形貌图。
图4为采用现有圆坯结结晶器制备得到的圆坯表面形貌图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种圆坯结晶器，包括结晶器本体1，结晶器本体内形成有圆柱形结晶腔体，圆柱形结晶腔体的内壁(热面)上位于钢水液面处2设有发热元件3，圆坯连铸时，发热元件3发出热量，预热初生的凝固坯壳，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器本体1一侧、弯曲的钢水液面的凝固。
参见图2，具体的，圆柱形结晶腔体的内壁上设有圆环形凹槽，发热元件3为环形件匹配嵌设在凹槽中，结晶器本体1的内壁中还设有圆坯结晶器水槽4，用于通入冷却水对热面进行冷却，发热元件3的外表面与圆柱形结晶腔体的内壁面相平齐。
具体的，圆柱结晶腔体由圆柱形铜管围成，发热元件嵌设在圆柱形铜管的内侧壁上；在实际设计中，发热元件3可以采用电发热片，发热元件材质为硅钼、镍铬合金(优选)、铁铬合金、钼、钨等电热材料，发热元件为长条形，发热元件的横截面为梯形、T形或者矩形，优选矩形。以横截面为矩形的发热元件为例，发热元件的高度为5～20mm，优先值为圆坯结晶器振动行程的2倍，例如12mm；发热元件的厚度为0.5～10mm，优先值为圆柱形铜管厚度的四分之一，例如10mm。发热元件靠近钢水一侧表面在单位时间内和单位平方米面积上所对应的发热热量，即额定发热热流密度为50～300000W/m2，优先值为200W/m2。
圆坯结晶器/发热元件之间，以及圆坯结晶器角部发热元件之间，使用厚度为0.1～1mm的绝缘材料隔开，例如绝缘材料为：云母片、氧化铝、氮化硼、氮化硅，优先云母片。
本发明通过在结晶器内设置发热元件3，通过发热元件3产生的热量预热初生的凝固坯壳，抑制弯月面钢水凝固或者降低了钢水初始凝固位置，最终消灭振痕或者降低振痕深度。
一种连铸设备，包括上述圆坯结晶器。
一种连铸圆坯振痕抑制方法，该方法包括将钢水从中间包浇注至圆坯结晶器中，在圆坯结晶器中，在钢水的液面上加入保护渣，通过在圆坯结晶器中冷却，所述钢水凝固为带有液芯的铸圆坯，然后将该带有液芯的铸坯从所述圆坯结晶器的出口连续拉出并经过二次冷却区，以得到完全凝固的铸圆坯，圆坯结晶器的内侧壁上位于钢水液面处设有发热元件，铸圆坯形成过程中，通过发热元件发出的热量，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器一侧、弯曲的钢水液面的凝固。
为节约能源，发热元件以方波的形式发热，即当板坯结晶器下振时，发热元件3通电发热，发热持续时间为板坯结晶器向下运动持续时间的50％～100％；除了方波发热外，板坯结晶器下振时发热元件的发热方式还可以设置成锯齿波和半余弦波；此外结晶器下降过程中，发热元件可以分成多个小波发热，每个小波的发热周期设置为结晶器周期的1/n(n为正整数)。当然也可以在结晶器的整个振动过程中均进行加热。
采用本实施例圆坯结晶器和未增加发热元件结晶器进行连铸试验，获得的圆坯如图3和图4所示。连铸过程中包晶钢圆坯制备时工艺参数为：拉速12mm/s，振动频率2.5Hz(即振动周期为0.5s)，振动幅度3mm，浇注温度1510℃，冷却水流量7m/s，水温24℃。从图3为可以看出采用本发明圆坯结晶器制备的圆坯表面光滑，振痕深度浅，基本没有表面振痕，而从图4中可以看出，圆坯表面形成有很多连续振痕。
本发明连铸圆坯振痕抑制方法通过在结晶器上特殊位置巧妙的增设发热元件，发热元件以脉冲的形式发热，来预热初生的凝固坯壳，可有效减小渣圈，减少连铸坯表面振痕深度、甚至完全消灭连铸坯表面振痕，有望彻底消灭那些伴随着铸坯表面振痕生成而发生的铸坯表面缺陷、如皮下夹杂、皮下气孔、皮下偏析和表面裂纹，同时无需对现有连铸设备进行大规模改造，连铸设备改造成本低。
当然，也可以采用上述方法对有色金属连铸圆坯振痕进行抑制，与钢铁圆坯振痕抑制所不同的是，当圆坯结晶器向上运动时，发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向上运动持续时间的50％～100％。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种圆坯结晶器，其特征在于：包括结晶器本体，所述结晶器本体内形成有圆柱形结晶腔体，所述圆柱形结晶腔体的内壁上位于金属液面处设有发热元件；
所述圆坯结晶器用于有色金属连铸时，当所述圆坯结晶器向上运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向上运动持续时间的50％～100％；或者是，
所述圆坯结晶器用于钢铁连铸时，当所述圆坯结晶器向下运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向下运动持续时间的50％～100％。
2.根据权利要求1所述的圆坯结晶器，其特征在于：所述发热元件嵌设在所述圆柱形结晶腔体的内壁上，所述发热元件的外表面与所述圆柱形结晶腔体的内壁面相平齐。
3.根据权利要求2所述的圆坯结晶器，其特征在于：所述圆柱形结晶腔体的内壁上设有环形凹槽，所述发热元件嵌设在环形凹槽中。
4.根据权利要求1所述的圆坯结晶器，其特征在于：发热元件靠近金属液一侧表面在单位时间内和单位平方米面积上所对应的发热热量为50～300000W/m2。
5.一种连铸设备，其特征在于：包括权利要求1-4任一项所述的圆坯结晶器。
6.一种连铸圆坯振痕抑制方法，其特征在于：该方法包括将钢水从中间包浇注至圆坯结晶器中，在所述圆坯结晶器中，在钢水的液面上加入保护渣，通过在所述圆坯结晶器中冷却，所述钢水凝固为带有液芯的铸圆坯，然后将该带有液芯的铸坯从所述圆坯结晶器的出口连续拉出并经过二次冷却区，以得到完全凝固的铸圆坯，所述圆坯结晶器的内侧壁上位于钢水液面处设有发热元件，铸圆坯形成过程中，通过发热元件发出的热量，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器一侧、弯曲的钢水液面的凝固；
所述圆坯结晶器向下运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向下运动持续时间的50％～100％。
7.一种连铸圆坯振痕抑制方法，其特征在于：该方法包括将有色金属液从中间包浇注至圆坯结晶器中，有色金属液在所述圆坯结晶器中冷却，凝固为带有液芯的铸圆坯，然后将该带有液芯的铸坯从所述圆坯结晶器的出口连续拉出并经过二次冷却区，以得到完全凝固的铸圆坯，所述圆坯结晶器的内侧壁上位于有色金属液液面处设有发热元件，铸圆坯形成过程中，通过发热元件发出的热量，以此降低凝固坯壳初始形成点的位置，以及抑制靠近圆坯结晶器一侧、弯曲的有色金属液液面的凝固；
所述圆坯结晶器向上运动时，所述发热元件通电发热，发热持续时间为圆坯结晶器向上运动持续时间的50％～100％。
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