CN108405819B - 降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备及工艺，涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域。装备包括二冷配水系统和窄面高斯凹形曲面结晶器，结晶器工作面自上而下均为以其横向宽度中心线为对称呈高斯曲线分布的凹形结构，且工作面沿高度方向为直线或迎合坯壳窄面凝固收缩特性的连续变化曲线结构，各水槽横截面中心连线凹向工作面。工艺中，采用窄面高斯凹形曲面结晶器、宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯各阶段的温度。本发明出结晶器的铸坯窄面中部区域变形过渡更显著，更有助于铸坯在液芯压下过程窄面金属向宽展方向流动，铸坯液芯压下过程角部温度更高，更显著降低铸坯边角部压下应力。

Description

降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备及工艺

技术领域

本发明涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域，尤其涉及一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备及工艺。

背景技术

薄板坯连铸连轧工艺开发于上世纪80年代末、90年代初，是一种全新的短流程带钢生产新工艺，显著区别于目前传统带钢生产工艺，具有显著节能、高产品合格率、生产工艺简化、产线简短、产品生产周期短等优点，近年来发展十分迅速。

连铸液芯压下是CSP等薄板坯连铸连轧工艺的核心技术，其又称软压下，可有效减少轧机数量并改善铸坯中心偏析、提高生产率等优点。其核心工艺为：对出结晶器内部仍然存有大量未凝固液芯的薄板坯，于连铸机扇形Ⅰ段内对其施加10～20mm范围大变形压下，达到显著减薄连铸坯的目的。在该过程，若铸坯角部温度等控制不当，极易在液芯压下作用下极易因应力集中而产生铸坯边角部开裂。

结晶器是薄板坯连铸产线的核心部件，其内腔形状及结构曲线直接决定了铸坯坯型结构，进而影响铸坯在后续凝固与变形条件下的受力行为。目前，国内外传统CSP、FTSR等薄板坯结晶器窄面均为平板结晶器。出结晶器后的铸坯受足辊区、格栅区以及扇形Ⅰ段强冷却作用，过冷的铸坯窄面及角部在扇形Ⅰ段内压下过程由于窄面金属无法沿其宽展方向高效流动，压下应力极易在铸坯边角部集中。

为了降低薄板坯在液芯压下过程的边角部应力，申请号为201020149011.3的实用新型专利，公布了一种工作面为内凹弧面结构、冷却水槽轴线共线排布的薄板坯连铸机结晶器窄面铜板结构。其出发点是通过钝角化铸坯角部并使其远离冷却水槽而减缓铸坯角部传热，提高铸坯进入液芯压下段后的角部温度，降低液芯压下过程铸坯边角部的应力。理论上，通过该结晶器窄面工作面弧形结构设计，铸坯出结晶器的窄面亦为弧形结构，有利于铸坯窄面金属在液芯压下过程沿宽展方向流动，进一步减低铸坯液芯压下过程的边角部应力。

然而，在实际实施过程中，薄板坯在连铸二冷足辊区、格栅区以及扇形Ⅰ段内的冷却强度很大，该专利结晶器结构所减缓的坯壳角部传热对进入液芯段内的铸坯角部温度影响十分有限。同时，该结晶器窄面结构设计，针对当前主流70mm～90mm厚的薄板坯连铸而言，其出结晶器的铸坯窄面中心与其对应内弧与外弧角部连线间的垂直高度仅为2.27mm～4.87mm，对促进铸坯窄面金属流动的作用亦十分有限。

此外，申请号为201120089500.9、200720089029.7的实用新型专利，亦公布了角部区域弧形结构的曲面铜板，其出发点均是为了提高薄板坯角部在弯曲、矫直等过程的温度，未提及降低薄板坯液芯压下过程角部应力的作用。

在实际薄板坯连铸生产过程，铸坯液芯压下过程边角部受力行为除了受坯型结构影响外，还与铸坯在该过程的边角部温度高低息息相关。而铸坯在高温区的角部温度主要受二冷足辊区、格栅区以及扇形Ⅰ段冷却强度控制。目前，在薄板坯连铸生产领域，针对铸坯温度场的控制，主要着眼于铸坯在矫直等过程边角部温度控制，对于铸坯液芯压下过程边角部温度控制的报道较少见。

因此，结合实际薄板坯连铸生产工艺与装备，开发一种可显著降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺及配套装备，对降低铸坯边角部压下裂纹产生具有重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备及工艺，相比窄面工作面圆弧形结构结晶器，其出结晶器的铸坯窄面中部区域变形过渡更显著，更有助于铸坯在液芯压下过程窄面金属向宽展方向流动。同时还配合了铸坯出结晶器至液芯压下段整个高温区过程的缓冷却控制，铸坯液芯压下过程的角部温度更高，可更显著降低铸坯边角部压下应力。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备，该装备包括二冷配水系统和结晶器；

其中，铸坯宽面的二冷配水系统采用原有基于目标表面温度控制的二冷配水系统；

所述结晶器为窄面高斯凹形曲面结晶器，其窄面铜板的内表面工作面自上而下均为以其横向宽度中心线为对称呈高斯凹形曲线结构，根据不同薄板坯厚度，所述高斯凹形曲线结构的曲线峰值点到结晶器窄面铜板对应高度下的工作面侧两个角部连线的垂直距离值为4.5mm～10.0mm；

所述结晶器窄面铜板的内表面工作面沿高度方向为直线结构或迎合铸坯窄面沿宽面中心方向凝固收缩特性的连续变化曲线形结构；所述窄面铜板的背面侧及两个侧面均为直线结构；

所述结晶器窄面铜板的冷却水槽为圆形结构，且沿结晶器高度方向呈竖直状分布，靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0～1.2倍，水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定；各水槽的横截面中心的连线呈凹向窄面铜板内表面工作面的高斯曲线结构，并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布；其中，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到窄面铜板工作面的距离为20mm～30mm；最靠近窄面铜板侧面的水槽距离窄面铜板对应侧面5.0mm～10.0mm，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离变化范围为2.0mm～10.0mm；其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿铜板宽度方向等间距分布，保证结晶器窄面铜板横截面沿宽度方向的温度场均匀分布；

所述结晶器窄面铜板为上口宽下口窄结构，根据所连铸生产的铸坯厚度，窄面铜板的上口与下口的宽度差为0.2mm～1.0mm，由上口沿高度方向线性减小至下口；窄面铜板厚度越大，其上口与下口宽度差越大；窄面铜板上口与下口的厚度相同，窄面铜板高度方向上的中部区域厚度与所述上口或下口厚度相同或为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值；

所述结晶器窄面铜板的高度范围为900mm～1300mm；

所述窄面高斯凹形曲面结晶器，适用于断面厚度为50mm～135mm的所有薄板坯连铸，其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。

另一方面，本发明还提供一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺，采用上述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备实现，具体包括以下内容：

所述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺，其结晶器采用上述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备中的窄面高斯凹形曲面结晶器；

所述结晶器宽面足辊区立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却工艺进行动态配水，控制铸坯角部进格栅区的温度≥900℃；

铸坯在格栅区内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯进入扇形Ⅰ段的角部温度≥930℃；

铸坯在扇形Ⅰ段内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯出扇形Ⅰ段的角部温度≥950℃；

铸坯出扇形Ⅰ段后，其后续二冷各区均采用薄板坯传统控冷工艺。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备与工艺，出结晶器铸坯窄面呈高斯曲线分布，在液芯压下作用下，铸坯窄面金属沿宽展方向高效流动，大幅降低了铸坯边角部应力。同时，通过实施铸坯二冷足辊区、格栅区以及扇形Ⅰ段整个高温区的缓冷配水工艺，铸坯在液芯压下过程的角部温度可保证在930℃以上，铸坯边角部变形抗力进一步降低，即铸坯角部的压应力也进一步降低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的薄板坯窄面高斯凹形曲面结晶器的窄面铜板立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的结晶器窄面铜板上口或下口结构示意图。

图中：1、结晶器窄面高斯凹形曲面；2、结晶器窄面冷却水槽；3、结晶器窄面铜板上口；4、结晶器窄面铜板下口；5、窄面铜板侧面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下面结合附图对一种CSP以4.0m/min连铸拉速生产出结晶器厚度为90mm的碳钢连铸坯实施例做进一步说明。

本实施例中降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备，包括二冷配水系统和结晶器。其中，铸坯宽面的二冷配水系统采用原有基于目标表面温度控制的二冷配水系统。所采用的结晶器为窄面高斯凹形曲面结晶器，其窄面铜板的结构如图1和图2所示，其中，1表示结晶器窄面高斯凹形曲面即内表面工作面，2表示结晶器窄面冷却水槽，3表示结晶器窄面铜板上口，4表示结晶器窄面铜板下口，5表示窄面铜板其中一个侧面，l₁表示结晶器窄面铜板高度，l₂表示结晶器窄面铜板上口宽度，l₃表示结晶器窄面铜板下口宽度，C₁表示结晶器窄面工作面沿高度方向的分布曲线，C₂表示结晶器窄面工作面横向高斯凹形曲线，l₄表示窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线的2个水槽中心连线到窄面铜板工作面的距离，l₅表示最靠近结晶器窄面铜板侧面的水槽与窄面铜板侧面的距离，l₆表示结晶器窄面铜板上口或下口厚度，l₇表示工作面横向高斯曲线峰值点到该窄面铜板对应高度工作面侧的两个角部连线的垂直距离，△l表示窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离。该结晶器窄面铜板高度l₁为1100mm，呈上口宽下口窄结构，结晶器下口宽度为90mm，上口3与下口4的宽度差l₂-l₃为0.2mm，由上口3沿结晶器高度方向线性减小至下口4；在结晶器窄面铜板厚度方向上，设计窄面铜板上口3的厚度l₆与下口4的厚度相同，均为60mm。沿高度方向曲线分布选择为表1所示高效迎合铸坯窄面沿宽面中心方向凝固收缩特性的曲线C₁，窄面铜板高度方向中部区域的厚度为上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的分布曲线C₁值。具体实施中，C₁也可以为直线，即窄面铜板高度方向中部区域的厚度与上口或下口厚度相同。

表1薄板坯窄面铜板工作面沿高度方向曲线值

本实施例中，结晶器窄面铜板的内表面工作面横向高斯凹形曲线C₂选择为分布函数坐标系以窄面铜板的其中一角部点为原点，x沿窄面铜板宽度方向，y沿窄面铜板厚度方向，由内表面工作面指向铜板背面。窄面铜板工作面自上而下均为以该高斯曲线函数为横向凹形结构，沿C1曲线补偿，自上而下形成高斯凹曲面结构，凹曲面的高斯曲线峰值点距对应高度下的结晶器窄面铜板的工作面侧两角部连线的垂直距离值l₇为6.0mm。

窄面铜板背面侧及两侧面5均为直线结构。

本实施例中，为了均匀结晶器铜板冷却，结晶器窄面铜板的冷却水槽2选为圆形结构，共设计4个水槽，均沿结晶器高度方向竖直贯通分布；各水槽横截面中心的连线整体呈凹向工作面1的高斯曲线结构，且以窄面铜板横向宽度中心线对称分布，高斯分布函数曲线为其中，窄面铜板中部2个水槽直径选为13mm，边部2个水槽的直径选为15mm。结晶器上口或下口的中部2个水槽横截面中心连线到窄面铜板工作面的距离l₄为23.69mm。窄面铜板边部2个水槽分别到窄面铜板对应侧面的距离l₅为5.5mm，最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近铜板侧面的2个水槽中心连线的距离△l为4.1mm，4个水槽沿窄面铜板宽度方向等间距分布。

一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺，采用上述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备实现。通过采用上述所述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备中的窄面高斯凹形曲面结晶器。

本实施例中，所采用的结晶器宽面足辊区立足于CSP现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺，设定结晶器宽面足辊区宽面表面中心温度为＞985℃缓冷控冷工艺，即可确保铸坯角部进格栅区的温度≥900℃。

在本实施例中，在上述控冷基础上，铸坯在格栅区内立足于CSP现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺，设定的铸坯宽面中心目标表面温度＞1015℃缓冷控冷工艺，可保证铸坯进入扇形Ⅰ段的角部温度≥930℃。

在本实施例中，铸坯在扇形Ⅰ段内的冷却，立足于CSP现有基于目标表面温度控制的二冷配水系统，设定扇形Ⅰ段的铸坯宽面中心目标表面温度＞1039℃缓冷控冷工艺，可保证铸坯出扇形Ⅰ段的角部温度≥950℃。铸坯出扇形Ⅰ段后，其后续二冷各区均采用薄板坯传统控冷工艺。

通过上述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备与工艺连铸生产碳钢，液芯压下段的框架压力可降低16.7％以上，大幅降低CSP薄板坯生产碳钢过程铸坯边角部应力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备，其特征在于：该装备包括二冷配水系统和结晶器；

其中，铸坯宽面的二冷配水系统采用原有基于目标表面温度控制的二冷配水系统；

所述结晶器为窄面高斯凹形曲面结晶器，其窄面铜板的内表面工作面自上而下均为以其横向宽度中心线为对称呈高斯凹形曲线结构，根据不同薄板坯厚度，所述高斯凹形曲线结构的曲线峰值点到结晶器窄面铜板对应高度下的工作面侧两个角部连线的垂直距离值为4.5mm～10.0mm；

所述结晶器窄面铜板的内表面工作面沿高度方向为直线结构或迎合铸坯窄面沿宽面中心方向凝固收缩特性的连续变化曲线形结构；所述窄面铜板的背面侧及两个侧面均为直线结构；

所述结晶器窄面铜板的冷却水槽为圆形结构，且沿结晶器高度方向呈竖直状分布，靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0～1.2倍，水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定；各水槽的横截面中心的连线呈凹向窄面铜板内表面工作面的高斯曲线结构，并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布；其中，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到窄面铜板工作面的距离为20mm～30mm；最靠近窄面铜板侧面的水槽距离窄面铜板对应侧面5.0mm～10.0mm，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离变化范围为2.0mm～10.0mm；其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿铜板宽度方向等间距分布，即保证结晶器窄面铜板横截面沿宽度方向的温度场均匀分布；

所述结晶器窄面铜板为上口宽下口窄结构，根据所连铸生产的铸坯厚度，窄面铜板的上口与下口的宽度差为0.2mm～1.0mm，由上口沿高度方向线性减小至下口；窄面铜板厚度越大，其上口与下口宽度差越大；窄面铜板上口与下口的厚度相同，窄面铜板高度方向上的中部区域厚度与所述上口或下口厚度相同或为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值；

所述结晶器窄面铜板的高度范围为900mm～1300mm；

所述窄面高斯凹形曲面结晶器，适用于断面厚度为50mm～135mm的所有薄板坯连铸，其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。

2.一种降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺，采用如权利要求1所述的降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备实现，其特征在于：

所述降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的工艺，其结晶器采用如权利要求1所述的降低薄板坯连铸液芯压下过程边角部应力的装备中的窄面高斯凹形曲面结晶器；

所述结晶器宽面足辊区立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却工艺进行动态配水，控制铸坯角部进格栅区的温度≥900℃；

铸坯在格栅区内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯进入扇形I段的角部温度≥930℃；

铸坯在扇形I段内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯出扇形I段的角部温度≥950℃；

铸坯出扇形I段后，其后续二冷各区均采用薄板坯传统控冷工艺。