一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于寬厚板連鑄坯生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器及其設(shè)計方法。本發(fā)明通過倒角面的漸變曲率和水冷設(shè)計，充分補償結(jié)晶器與鑄坯間的氣隙，從而有效提高倒角面?zhèn)鳠嵝?，細化倒角面晶粒，抑制鈮、釩、鈦等微合金碳、氮化物在晶界的鏈狀析出，提升角部熱塑性，抑制邊角裂紋缺陷的產(chǎn)生。
【專利說明】
-種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于寬厚板連鑄巧生產(chǎn)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器及其 設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 凝固末端輕壓下技術(shù)是改善鑄巧中屯、偏析與疏松的有效手段，已經(jīng)成為新建連鑄 機的普遍配備技術(shù)。然而，對于寬厚板連鑄巧而言，由于巧殼的增寬加厚，壓下量向鑄巧屯、 部的滲透效率明顯降低，常規(guī)輕壓下的壓下量已不能充分擠壓排出溶質(zhì)偏析元素，也不能 完全補償凝固收縮。與此同時，通過增加凝固末端壓下量提升鑄巧致密度的凝固末端重壓 下技術(shù)也日益發(fā)展。因此，對于寬厚板巧連鑄機而言，由于受限于扇形段設(shè)備能力，難W通 過增加凝固末端壓下量改善鑄巧質(zhì)量。
[0003] 為解決運一問題，研究者們對倒角結(jié)晶器進行了大量研究，首鋼等提出了通過倒 角結(jié)晶器減少角部橫裂紋的機制(鋼鐵研究學(xué)報，2012,24(9) ,21-26)。專利CN102642000A、 CN201410379418、CN201410066528、CN201320350661、CN103286285A、CN102896284A 等提出 了不同類型的板巧結(jié)晶器倒角及窄邊銅板結(jié)構(gòu)。然而，運些倒角面大多針對板巧角部橫裂 紋提出，且其思路為通過倒角面設(shè)計提升鑄巧角部溫度，從而保障鑄巧高溫過矯直，避開脆 性區(qū)，一般在四個角部都有倒角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器及其設(shè)計方 法，目的是通過設(shè)計結(jié)晶器內(nèi)弧倒角，使鑄漉壓下過程中避開兩側(cè)已凝固巧殼，大幅降低漉 巧接觸抗力，在不改造升級寬厚板連鑄機液壓、機械、驅(qū)動系統(tǒng)的前提下，顯著提升壓下量， 同時通過倒角面的曲率設(shè)計，減少鑄巧倒角面與鑄巧間氣隙，W提升冷卻速度，改善鑄巧邊 角塑形，從而降低鑄巧角部缺陷。
[0005] 本發(fā)明的漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器，是四面組合式結(jié)晶器，在結(jié)晶器彎月面位置 處設(shè)有結(jié)晶器內(nèi)弧倒角，結(jié)晶器內(nèi)弧倒角的窄邊長度η為10-40mm，寬邊長度W距鑄巧邊部 80-300mm，沿結(jié)晶器的高度方向，由結(jié)晶器內(nèi)弧倒角所組成的結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面是曲率漸 變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結(jié)晶器與鑄巧間的收縮氣隙，所述的η和W數(shù) 值也隨結(jié)晶器高度變化而變化;所述的結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面對應(yīng)有若干個水冷槽，水冷槽設(shè) 置在結(jié)晶器內(nèi)弧寬面上，其寬度與結(jié)晶器水冷槽一致，每個水槽底部距結(jié)晶器內(nèi)弧寬面距 離的d數(shù)值相同。
[0006] 本發(fā)明的漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器的設(shè)計方法，按照W下步驟進行： (1) 針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度下的熱膨脹或收縮系數(shù)； (2) 根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu):銅板厚度、水槽深度、結(jié)晶器液面位置斜倒角尺寸與鑄巧 尺寸及步驟（1)中測定得到的具體鋼種熱膨脹或收縮系數(shù)，建立W1/2巧殼-結(jié)晶器橫截面 系統(tǒng)為計算對象的二維瞬態(tài)熱力禪合計算模型，通過模型計算得到工作拉速下，鑄巧倒角 面在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄巧高度方向收縮與變形量； (3)根據(jù)結(jié)晶器液面位置斜倒角尺寸，W及鑄巧倒角面在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄巧高度方向收 縮與變形量計算結(jié)果，確保沿結(jié)晶器高度方向上倒角的連續(xù)、穩(wěn)定、漸增的變化，即設(shè)計沿 結(jié)晶器高度方向上結(jié)晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡弧長按氣隙生長 規(guī)律遞增。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和有益效果是： 連鑄巧凝固末端壓下過程中漉巧接觸抗力主要源自鑄巧兩側(cè)已凝固巧殼，如果能避開 兩側(cè)已凝固巧殼，無疑會顯著降低漉巧接觸過程的變形抗力，大大提升壓下量。本發(fā)明的結(jié) 晶器斜長倒角能夠保障凝固末端壓下過程中避開板巧兩側(cè)已凝固區(qū)域，且可W保障鑄巧中 間區(qū)域的充分壓下，而偏析、疏松缺陷只產(chǎn)生于寬向兩側(cè)1/8內(nèi)的中間區(qū)域，實現(xiàn)保證壓力 不變條件下壓下量的倍增，有益于鑄巧內(nèi)部質(zhì)量的改善。本發(fā)明中斜長倒角寬邊長度W設(shè)定 為距鑄巧邊部80-300mm是根據(jù)鑄巧凝固傳熱計算得到的寬向1/8位置凝固終點為依據(jù)，凝 固傳熱計算方法如文獻 "C. Ji, S. Luo, M. Y. Zhu and Y. Sahai, Uneven Solidification during Wide-thick Slab Continuous Casting Process and its Influence on Soft Reduction Zone, ISIJ Int 54, 103-111 (2014)."所述，倒角寬面 傳熱邊界條件與結(jié)晶器寬面一致，倒角窄面?zhèn)鳠徇吔鐥l件與結(jié)晶器窄面一致。
[0008] 本發(fā)明在倒角面對應(yīng)位置進行了水冷結(jié)構(gòu)增強，保證了倒角面與鑄巧寬面冷卻強 度的一致。通過倒角面沿結(jié)晶器高度方向的漸變曲率設(shè)計，實現(xiàn)了倒角面的與鑄巧間氣隙 的有效補償，從而提升了鑄巧角部傳熱速率，從而顯著提高結(jié)晶器角部冷速，細化了倒角接 觸面晶粒，抑制了邊角缺陷的產(chǎn)生。
[0009] 本發(fā)明通過倒角面的漸變曲率和水冷設(shè)計，充分補償結(jié)晶器與鑄巧間的氣隙，從 而有效提高倒角面?zhèn)鳠嵝?，細化倒角面晶粒，抑制妮、饑、鐵等微合金碳、氮化物在晶界的 鏈狀析出，提升角部熱塑性，抑制邊角裂紋缺陷的產(chǎn)生。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器內(nèi)腔沿結(jié)晶器高度方向的截面示意圖； 圖2是本發(fā)明的漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器上口的形狀； 圖3是圖2所示漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器的沿結(jié)晶器高度方向的倒角面示意圖； 其中：1:結(jié)晶器內(nèi)弧寬面;2:結(jié)晶器斜長倒角;3:結(jié)晶器外弧寬面;4:結(jié)晶器窄面;5:倒 角面對應(yīng)的水冷槽;6:結(jié)晶器水冷槽;7:倒角面;8:結(jié)晶器上口； 9:結(jié)晶器下口； 10:結(jié)晶器 寬邊;11:結(jié)晶器窄邊;A和B是結(jié)晶器斜長倒角的斜邊起點和終點； 圖4是實施例中連鑄巧中屯、剖面固相率等值線分布圖； 圖5是實施例中連鑄巧凝固末端橫剖面溫度分布云圖； 其中：（a)是常規(guī)結(jié)晶器下鑄巧凝固末端云圖；（b)是斜倒角設(shè)計后凝固末端云圖； 圖6是本實施例的結(jié)晶器出口位置鑄巧的熱收縮量圖。
【具體實施方式】 [00川實施例1 本發(fā)明實施例的漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器具體結(jié)構(gòu)如圖1~圖3所示，是四面組合式結(jié) 晶器，在結(jié)晶器彎月面位置處設(shè)有結(jié)晶器內(nèi)弧倒角，結(jié)晶器內(nèi)弧倒角的窄邊長度η為10- 40mm，寬邊長度W距鑄巧邊部80-300mm，沿結(jié)晶器的高度方向，由結(jié)晶器內(nèi)弧倒角所組成的 結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面7是曲率漸變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結(jié)晶器與鑄巧 間的收縮氣隙，所述的η和W數(shù)值也隨結(jié)晶器高度變化而變化;所述的結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面對 應(yīng)有若干個水冷槽5,水冷槽設(shè)置在結(jié)晶器內(nèi)弧寬面上，其寬度與結(jié)晶器水冷槽6-致，每個 水槽底部距結(jié)晶器內(nèi)弧寬面距離的d數(shù)值相同。
[0012]其應(yīng)用在某鋼廠Q235A鋼寬厚板連鑄機上，具體的設(shè)計方法按照W下步驟進行： (1) 采用熱膨脹/收縮系數(shù)測定儀測得本實施例Q235A鋼在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)如 表1所示； 表1 Q235A鋼熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)
(2) 根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu):銅板厚度40mm，設(shè)計水槽底部距結(jié)晶器熱面5mm，結(jié)晶器液 面位置的斜倒角尺寸w= 170mm、n=30mm，鑄巧尺寸2100mm X 250mm，W及及步驟（1)中測定得 到的熱收縮系數(shù)，建立W1/2巧殼-結(jié)晶器橫截面系統(tǒng)為計算對象的二維瞬態(tài)熱力禪合計算 模型，良據(jù)論文('Uneven thermal shrinkage of wide-thick continuous casting slab and its influence on caster taper, 2016.10, Materials Science & Technology 201護與"板巧連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼凝固過程熱行為研究，2011.06,金屬學(xué)報"所述方法，通過 模型計算得到工作拉速下，鑄巧倒角面在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄巧高度方向收縮與變形量，如圖4所 示的2100mm X 250mm包晶鋼連鑄巧厚度中屯、剖面上不同固相率(f S )等值線的分布，其中x= 0.0m為鑄巧中屯、位置，可W看出，鑄巧寬向1/4-1/8區(qū)域是凝固的最前沿，若要改善整個鑄 巧斷面的偏析與疏松，就必須將最大寬度范圍內(nèi)的鑄巧都壓下，因此倒角長邊設(shè)計應(yīng)保證 鑄巧整個壓下區(qū)域內(nèi)的充分受壓，一般壓下區(qū)間起點取鑄巧固相率fs=0.3等值線，在此等 值線上最前沿位置距鑄巧中屯、0.88m如圖5所示，鑄巧半寬1.05m條件下，倒角長度應(yīng)《 1.05-0.88m，即結(jié)晶器液面位置處，倒角面長度w=l 70mm，倒角面高度n=30mm是合理的； (3)根據(jù)晶器液面位置的斜倒角尺寸w=170mm，n=30mm，W及鑄巧倒角面在結(jié)晶器內(nèi)沿 鑄巧高度方向收縮與變形量計算結(jié)果，確保沿結(jié)晶器高度方向上倒角的連續(xù)、穩(wěn)定、漸增的 變化，即設(shè)計沿結(jié)晶器高度方向上結(jié)晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡 弧長按氣隙生長規(guī)律遞增，本實施例中圖6為結(jié)晶器出口位置鑄巧的熱收縮量。
【主權(quán)項】
1. 一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器，是四面組合式結(jié)晶器，其特征在于在結(jié)晶器彎月面 位置處設(shè)有結(jié)晶器內(nèi)弧倒角，結(jié)晶器內(nèi)弧倒角的窄邊長度η為10-40mm，寬邊長度W距鑄坯邊 部80-300mm，沿結(jié)晶器的高度方向，由結(jié)晶器內(nèi)弧倒角所組成的結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面是曲率 漸變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結(jié)晶器與鑄坯間的收縮氣隙，所述的η和w 數(shù)值也隨結(jié)晶器高度變化而變化;所述的結(jié)晶器內(nèi)弧倒角面對應(yīng)有若干個水冷槽，水冷槽 設(shè)置在結(jié)晶器內(nèi)弧寬面上，其寬度與結(jié)晶器水冷槽一致，每個水槽底部距結(jié)晶器內(nèi)弧寬面 距離的d數(shù)值相同。2. 如權(quán)利要求1所述的一種漸變曲率斜長倒角結(jié)晶器的設(shè)計方法，其特征在于按照以 下步驟進行： (1) 針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度下的熱膨脹或收縮系數(shù)； (2) 根據(jù)結(jié)晶器的銅板結(jié)構(gòu)：銅板厚度、水槽深度、結(jié)晶器液面位置斜倒角尺寸與鑄坯 尺寸及步驟（1)中測定得到的具體鋼種熱膨脹或收縮系數(shù)，建立以1/2坯殼-結(jié)晶器橫截面 系統(tǒng)為計算對象的二維瞬態(tài)熱力耦合計算模型，通過模型計算得到工作拉速下，鑄坯倒角 面在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收縮與變形量； (3) 根據(jù)結(jié)晶器液面位置斜倒角尺寸，以及鑄坯倒角面在結(jié)晶器內(nèi)沿鑄坯高度方向收 縮與變形量計算結(jié)果，確保沿結(jié)晶器高度方向上倒角的連續(xù)、穩(wěn)定、漸增的變化，即設(shè)計沿 結(jié)晶器高度方向上結(jié)晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡弧長按氣隙生長 規(guī)律遞增。
【文檔編號】B22D11/04GK105964958SQ201610580555
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】祭程, 朱苗勇, 蔡兆鎮(zhèn)
【申請人】東北大學(xué)