一种应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法

摘要

本发明属于金属加工技术领域，尤其涉及一种应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法。该生产线上中间包、连铸工序、加热工序、锻造工序、修型工序和切割工序依次连接；锻造工序包括锻压机，锻压机包括：竖直方向上对称设置的上砧座和下砧座；上砧座、下砧座均为三段式砧座，三段式分别包括倾角区、中心压下区和尾部平整区。充分利用连铸余热进行热加工，提高了能源利用率和连铸大方坯芯部质量。

说明书

技术领域

本发明属于金属加工技术领域，尤其涉及一种应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法。

背景技术

钢铁流程绿色化是当今钢铁行业的一个重要课题，在连铸生产过程中，由于其冶金过程的特点，连铸坯芯部会不可避免地出现缩孔缩松缺陷，这些缺陷严重地影响了金属材料的连续性。这对于材料的抗疲劳性能和抗断裂性能都有着严重的影响，需要在后续热加工过程中予以消除。

常规的锻轧工艺过程需要分别在锻造和轧制两个过程前进行加热，这导致了大量的热能被浪费，不符合流程绿色化的观念。如何将各个生产环节的余热充分利用起来，将是未来钢铁行业发展的重要方向。

现有技术中提供一种小变形量改善连铸坯锻造空心件一般疏松的锻造方法，其优点在于不仅改善了连铸坯的一般疏松，同时也提高了生产效率，降低了综合生产成本，产品质量稳定性高。但在反复的加热过程很难满足节能减排的要求。还提供一种直径为350-400mm的锻材锻造方法，其优点在于比照当前常用锻造技术能够减少1-2次加热，大大提高生产效率，节省资源。缺点是采用平砧锻造，锻造对铸坯的芯部质量有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法，解决了现有技术中生产线反复加热、能源浪费，且连铸大方坯坯芯部质量差，产品质量稳定性低的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种应用于连铸大方坯的生产线，包括中间包、连铸工序和切割工序，还包括加热工序、锻造工序和修型工序；

中间包、连铸工序、加热工序、锻造工序、修型工序和切割工序依次连接；

锻造工序包括锻压机，锻压机包括：

竖直方向上对称设置的上砧座和下砧座；

上砧座、下砧座均为三段式砧座，三段式分别包括倾角区、中心压下区和尾部平整区。

本发明实施例提出的应用于连铸大方坯的生产线，解决了现有技术中生产线反复加热、能源浪费，且连铸大方坯芯部质量差，产品质量稳定性低的技术问题。

可选地，倾角区为梯形结构，梯形结构的斜边与水平面呈0～60°的倾角。

第二方面，本发明实施例提供一种应用于连铸大方坯的锻轧方法，包括以下步骤：

101、连铸：钢水依次通过中间包、结晶器、水冷器和张力矫直机，得到连铸大方坯；

102、加热：将连铸大方坯通过加热线圈进行加热，得到加热后的连铸大方坯；

103、锻造：将加热后的连铸大方坯在锻压机上采用砧座进行锻造，得到锻造后的连铸大方坯；

104、修型：将锻造后的连铸大方坯通过立辊轧机进行修型，得到修型后的连铸大方坯；

105、火焰切割：将修型后的连铸大方坯通过火焰切割机进行火焰切割，得到成品连铸大方坯。

本发明实施例提出的应用于连铸大方坯的锻轧方法，通过合理的工艺设计，利用各个生产环节的余热，节约能源，且大大提高生产效率。

可选地，锻造过程中，锻压机压下速度与连铸拉坯速度相配合，满足以下关系：

式中，l为砧座中心压下区的长度，单位为mm，v

可选地，连铸大方坯的生产和锻造修型过程相适应，连铸大方坯经过锻造和修型之后的尺寸满足成品连铸大方坯的目标规格，满足以下关系：

c≥am

d≥(b+Δx)δ

式中，a为结晶器出水口的长度，单位为mm，b为结晶器出水口的宽度，单位为mm，c为成品连铸大方坯的目标宽度，单位为mm，d为成品连铸大方坯的目标高度，单位为mm，m

可选地，在锻造过程中，要保证连铸大方坯的表面温度在设定范围之内，满足以下关系：

T

式中，T

可选地，在锻造过程中，连铸大方坯的芯表温差满足以下关系：

T

式中，T

连铸大方坯的角部温度满足以下关系：

T

式中，T

连铸大方坯的表面温度与连铸大方坯的角部温度满足以下关系：

T

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法，在连铸末端利用连铸余热，在补温后对连铸大方坯进行锻压开坯，以克服常规锻轧工艺高耗能，且无法充分消除内部缩孔缩松的问题，提升了能源利用率和连铸大方坯芯部质量。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的应用于连铸大方坯的生产线的流程图；

图2为本发明实施例1提供的应用于连铸大方坯的生产线的示意图；

图3a为本发明中锻压机的正剖视图；

图3b为本发明中锻压机的侧视图；

图3c为本发明中锻压机的俯视图；

图4a为本发明中上砧座的整体示意图；

图4b为本发明中上砧座的正视图；

图4c为本发明中上砧座的侧视图；

图4d为本发明中上砧座的俯视图；

图5为本发明实施例2提供的连铸大方坯的锻轧方法的流程图。

【附图标记说明】

1：中间包；2：结晶器；3：水冷器；4：张力矫直器；5：加热线圈；6：锻压机；7：立辊轧机；8：火焰切割机；

61：上砧座；62：上导轨；63：第一上滑块；64：第二上滑块；65：上凸轮；66：上传动轴；

61’：下砧座；62’：下导轨；63’：第一下滑块；64’：第二下滑块；65’：下凸轮；66’：下传动轴；

a：倾角区；b：中心压下区；c：尾部平整区。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图3a的定向为参照。

本发明实施例提出的应用于连铸大方坯的生产线及其锻轧方法，在连铸末端利用连铸余热，在补温后对连铸大方坯进行锻压开坯，以利用常规连铸过程的生产余热，并达到消除连铸大方坯内部疏松缩孔等铸造缺陷的目的。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

为本实施例提供一种大压下应用于连铸大方坯的生产线，在生产附加值较高的产品时使用。包括依次设置的中间包1、连铸工序、加热工序、锻造工序、修型工序和切割工序。其中，连铸工序采用传统弧形连铸机，包括结晶器2、水冷器3和张力矫直机4。加热工序包括加热线圈5。锻造工序包括锻压机6，修型工序包括立辊轧机7。切割工序包括火焰切割机8。当然，可以想见地，也可以使用加热炉代替加热线圈。

具体地，如图1所示，为本实施例提供的应用于连铸大方坯的生产线的流程图：中间包1、结晶器2、水冷器3、张力矫直机4、加热线圈5、锻压机6、立辊轧机7和火焰切割机8依次连接。

如图2所示，为本实施例提供的应用于连铸大方坯的生产线的示意图。

相较于常规的应用于连铸大方坯的生产线(中间包1、结晶器2、水冷器3、张力矫直机4、火焰切割机8依次设置)，本实施例提供的应用于连铸大方坯的生产线在张力矫直机4、火焰切割机8之间加入了加热线圈5、锻压机6和立辊轧机7，利用加热线圈5实现对连铸大方坯由外向内的加热，利用锻压机6对加热后的连铸大方坯进行锻造，压合铸坯芯部缝隙，利用立辊轧机7对由于锻压导致的连铸大方坯的侧表面凸起进行修型，使其平整。

优选地，在张力矫直机4和加热线圈5之间，以及加热线圈5和锻压机6之间均设置有多个用于获取连铸大方坯表面温度的红外温度传感器。

如图3a-3c所示，分别为本实施例中锻压机的正剖视图、侧视图和俯视图，锻压机包括轴向(即竖直方向)相向对称设置的驱动组件A和驱动组件B，以及设置在驱动组件A和驱动组件B之间轴向相向对称设置的上砧座61和下砧座61’。

驱动组件A包括上导轨62、第一上滑块63、第二上滑块64、上凸轮65、上传动轴66；驱动组件B包括下导轨62’、第一下滑块63’、第二下滑块64’、下凸轮65’、下传动轴66’。

进一步地，上砧座61和下砧座61’为对称设置的相同结构，以上砧座61为例进行介绍。如图4a-4d所示，分别为本实施例中上砧座的整体示意图、正视图、侧视图和俯视图。上砧座61为三段式砧座，包括倾角区a、中心压下区b和尾部平整区c，三段式砧座能够增强连铸大方坯芯部的质量改善效果。其中，倾角区a为非常规凸缘斜面设计，其剖面为梯形结构，梯形结构的斜边与水平面呈倾角θ，θ的取值范围为0～60°，倾角保证了在锻造过程中和连铸拉坯动作适配，凸缘斜面设计降低了边缘处的应力集中。中心压下区b包含有凸缘设计，用于加强对连铸大方坯中心缩孔缩松的压合效果。尾部平整区c为平砧，起到平整连铸大方坯的作用。优选地，凸缘高度最大不超过20mm，以免后续造成表面金属折叠缺陷。

锻造过程中，上砧座61和下砧座61’同时压下，以保证连铸大方坯的中心线不发生偏移。锻压机6的工作原理是：由电动机带动上传动轴66和下传动轴66’转动，上传动轴66末端的上凸轮65带动第二上滑块64实现水平方向和竖直方向的运动。第二上滑块64带动第一上滑块63在竖直方向上沿上导轨62运动，进而推动推杆，带动上砧座61的上下运动。同理，下传动轴66’末端的下凸轮65’带动第二下滑块64’实现水平方向和竖直方向的运动。第二下滑块64’带动第一下滑块63’在竖直方向上沿下导轨62’运动，进而推动推杆，带动下砧座61’的上下运动。

锻压机采用凸轮+导轨的设计，导轨能够有效地减轻连铸大方坯在水平方向移动对锻压机工作的影响，凸轮带动滑块在导轨中运动，滑块连接推杆，带动砧座运动。锻压机通过传动机构，实现上下同时对连铸大方坯的压缩，减轻锻压过程对连铸大方坯的影响。

由于驱动组件A、上砧座61与驱动组件B、下砧座61’为上下两部分的对称设计，可同时对连铸大方坯实施相同压下量和相同压下速度的锻造，实现锻造后连铸大方坯中心线无偏移，降低锻造对连铸大方坯生产线的影响。

进一步地，为实现锻造后连铸大方坯中心线无偏移，需要调整支撑辊的高度，利用多组可升降的支撑辊道系统，使锻造后连铸大方坯平稳运行，实现不同压下量的大压下锻造的灵活切换。

实施例2

如图5所示，为应用实施例1中生产线的连铸大方坯的锻轧方法的流程图，包括以下步骤：

101、连铸：钢水依次通过中间包、结晶器、水冷器和张力矫直机，得到连铸大方坯；

其中连铸大方坯可以为矩形坯，连铸大方坯的厚度可以为280～550mm；

102、加热：将连铸大方坯通过加热线圈进行加热，得到加热后的连铸大方坯；

103、锻造：将加热后的连铸大方坯在锻压机上采用砧座进行锻造，得到锻造后的连铸大方坯；

104、修型：将锻造后的连铸大方坯通过立辊轧机进行修型，得到修型后的连铸大方坯；

105、火焰切割：将修型后的连铸大方坯通过火焰切割机进行火焰切割，得到成品连铸大方坯。

进一步地，锻造过程中，锻压机压下速度与连铸拉坯速度相配合，满足以下关系：

式中，l为砧座中心压下区的长度，单位为mm，v

进一步地，锻造过程中，上砧座、下砧座同时对连铸大方坯进行压缩，减轻锻造过程对连铸大方坯的影响。其中，砧座的运动瞬时速度满足以下关系：

v

式中，v

进一步地，锻造过程中，锻压机除了要满足连铸大方坯变形时所需要的变形力，同时需要满足能量条件。为了防止由于锻压机能量过载导致的损坏，与锻压机相连接的电动机需满足以下能量核算公式：

式中，w为电动机的功率，单位为W，w

进一步地，修型过程中，修型速度与连铸拉坯速度相匹配，满足以下关系：

v

式中，v

进一步地，连铸大方坯的生产和锻造修型过程相适应，连铸大方坯经过锻造和修型之后的尺寸满足成品连铸大方坯的目标规格，满足以下关系：

c≥am

d≥(b+Δx)δ

式中，a为结晶器出水口的长度，单位为mm，b为结晶器出水口的宽度，单位为mm，c为成品连铸大方坯的目标宽度，单位为mm，d为成品连铸大方坯的目标高度，单位为mm，m

进一步地，在锻造过程中，要保证连铸大方坯的表面温度在设定范围之内。通过红外温度传感器实时监测连铸大方坯表面温度，根据连铸大方坯表面温度控制加热线圈，使连铸大方坯的表面温度处于预设工作区间。在温度处于工作区间时正常压下；当连铸大方坯表面温度接近预设最高变形温度且不断升高时，提前关闭加热线圈，避免温度高于预设最高变形温度；当连铸大方坯表面温度持续降低时，则提前开启加热线圈，避免温度低于预设最低变形温度。当关闭加热线圈后连铸大方坯温度持续高于预设最高变形温度，或打开加热线圈后连铸大方坯温度仍持续低于预设最低变形温度超过预设限制时间t

T

式中，T

进一步地，在锻造过程中，连铸大方坯的芯表温差是工艺实施的主要因素，连铸大方坯的芯表温差满足以下关系：

T

式中，T

连铸大方坯的角部温度满足以下关系：

T

式中，T

连铸大方坯的表面温度与连铸大方坯的角部温度满足以下关系：

T

应用例

采用实施例1提供的生产线，连铸生产产品为高附加值车轴钢，选择连铸—加热—锻造—火焰切割的工艺路线，在较低的应变速率下获得更高质量的产品。其中，连铸拉坯速度为12.5mm/s，连铸大方坯截面尺寸为360×400mm。砧座中心压下区长度为50mm，单程位移为800mm，砧座平均运动速度为500mm/s，锻造压下工作周期为2.4s/次，锻造压下率为20％，锻压机的电动机需满足功率不低于80kW，立棍轧机的修型速度均与连铸拉坯速度相匹配，为12.5mm/s。

结晶器出水口的尺寸为400×360mm，锻造压下量为80mm，经过立辊修型后，连铸大方坯截面尺寸变为440×323mm。

连铸大方坯角部工艺预设温度范围为800-950℃，连铸大方坯上表面与侧表面的中心位置温度范围为950-1100℃。

红外温度传感器实时获取并监控连铸大方坯表面温度，控制加热线圈，使连铸大方坯温度处于预设工作区间。初始温度控制限制时间为40s，感应加热线圈如不能在此时间内完成对连铸大方坯关键位置的温度控制，停止压下过程保护设备。温度控制系统根据不同时刻的连铸大方坯温度数据，经过数字孪生过程实现对温度变化速度的自学习，达到对连铸大方坯表面温度的预测，在温度超出工艺预设温度区间之前停止设备过程保护设备。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。