一种改善大断面圆坯内部质量的方法及装置

摘要

本发明公开了一种改善大断面圆坯内部质量的方法，包括：建立铸坯温度场计算模型，通过铸坯温度场计算模型，结合实际生产情况，确定铸坯的温度分布情况；根据铸坯的温度分布情况，计算铸坯凝壳厚度；根据铸坯凝壳厚度，计算搅拌位置，其中，搅拌器位置的液芯厚度占铸坯凝壳厚度的30~55%；根据所获取的搅拌位置，启动相应的电磁搅拌设备。本发明通过建立铸坯温度场计算模型，确定铸坯的温度分布情况，利用钢种的液相线温度和固相线温度，计算铸坯凝壳厚度，可以实现在钢种、拉速或二冷水量等参数发生变化时，确定最佳的搅拌位置，以避免铸坯在凝固末端出现疏松、缩孔和偏析等质量缺陷，从而改善铸坯内部质量。

说明书

技术领域

本发明涉及连铸领域，具体来说，涉及一种改善大断面圆坯内部质量的方法及装置。

背景技术

铸坯内部中心偏析、中心缩孔和疏松是连铸坯主要的内部缺陷。大断面圆坯因其自身比表面积小，铸坯在二冷区辐射传热小，故散热慢，使得凝固距离长，凝固过程搭桥更严重，常导致铸坯出现严重的中心偏析、疏松和缩孔等内部质量缺陷。另一方面，大断面圆坯多为高附加值用钢，对铸坯中心偏析、疏松、缩孔有更加严格的要求。

针对上述问题，申请号为CN201310092898.5公开了一种基于末端电磁搅拌的连铸大方坯轻压下工艺，由于圆坯因形状原因，一旦压下铸坯将变为椭圆，不符合圆坯铸坯质量要求，所以不能采用压下技术。

凝固末端电磁搅拌技术可以提高液态金属的补缩能力从而有效的解决铸坯中心缩孔问题，提高连铸坯质量。连铸坯凝固末端位置受浇铸坯断面尺寸、铸种、过热度、拉坯速度、二次冷却速度等参数影响，实时发生变化。目前末端电磁搅拌安装在铸机的一个固定位置,且该位置长度仅0.6～0.8m，过短的搅拌区域带来的缺点有：一方面，对连铸工艺生产条件苛刻，当铸坯断面、钢种、拉速或水量等因素稍有变化时，便可能错开了最佳搅拌位置；另一方面，因铸坯断面大，电搅力不一定能折断铸坯凝固末端凝固状前沿的柱状晶；再有，作用时间过短不能充分发挥末搅的搅拌作用。最终表现出铸坯质量不稳定。

针对上述问题，申请号为CN201910928262.7公开了一种大断面连铸圆坯生产高碳锰铬钢的方法，为了改善铸坯内部偏析、疏松、缩孔等缺陷，以及发挥末端电磁搅拌的作用，首先通过计算推荐合适的安装末端搅拌位置，其次当实际生产时因断面，过热度等发生变化，引起其搅拌位置变化时，通过调整拉速使其搅拌位置在末搅设备安装位置，采用该方法具有以下缺陷：1.需调整铸机拉速以发挥末搅的功能，但是铸机生产节奏原因不能随意调整铸机拉速；2.针对大断面的圆坯，微小的拉速变动，引起的最佳搅拌位置可能错开末搅安装位置。比如直径600mm圆坯,拉速仅变动0.01m/min，其铸坯液芯位置会相差约0.9m，该偏差超过了末端电磁搅拌的工作范围，而且拉速0.01m/min的变化幅度已经是目前铸机拉速控制的最高精度。

为此，本发明需要实现不管是钢种变化，还是拉速变化，以及二冷水量发生变化，通过增设多区域末端电磁搅拌或者加长末端电磁搅拌，使其始终满足搅拌器在最佳位置搅拌，以解决铸坯在凝固末端出现的疏松、缩孔、偏析等铸坯内部质量缺陷，从而达到改善铸坯内部质量的目的。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种改善大断面圆坯内部质量的方法及装置，能够解决上述问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种改善大断面圆坯内部质量的方法，包括：

S1：建立铸坯温度场计算模型；

S2：通过铸坯温度场计算模型，结合实际生产情况，确定铸坯的温度分布情况；

S3：根据铸坯的温度分布情况，计算铸坯凝壳厚度；

S4：根据铸坯凝壳厚度，计算搅拌位置，其中，搅拌器位置的液芯厚度占铸坯凝壳厚度的30～55％；

S5：根据所获取的搅拌位置，启动相应的电磁搅拌设备。

进一步的，S1所述的温度场计算模型包括铸坯凝固传热模型，根据铸坯凝固传热模型，沿拉坯方向建立每个铸坯切片的凝固传热微分方程：

式中：λ是导热系数，单位W.m

设定所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程求解过程中的假设条件；

设定所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程的初始条件和二冷段边界条件。

进一步的，所述假设条件包括：

1)忽略拉坯方向传热，以及圆周上的传热不均匀性，简化为只考虑径向的一维传热；

2)通过放大导热系数方法来体现钢液在结晶器内的强烈流动对传热的影响；

3)铸坯表面的辐射传热，与支撑辊的接触传热以及二冷水的冷却传热，采用综合传热系数一并考虑；

4)钢液固相和液相密度ρ，导热系数λ和比热c

5)将合金的凝固温度视为常数，凝固开始的温度为液相线温度T

进一步的，所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程的初始条件为，结晶器弯月面钢水温度与浇铸温度的中包温度Tc相同，即满足：T|

进一步的，二冷段边界条件为：

1)在铸坯中心，因铸坯切片中心对称，其中心对称轴的传热边界为绝热边界，即满足：

2)在铸坯表面：

式中：d为断面直径；q为表面热流密度；T为温度，单位℃；t为时间，单位s；λ为导热系数。

进一步的，在结晶器区：

一种改善大断面圆坯内部质量的装置，包括铸坯凝固进程显示模块、与铸坯凝固进程显示模块连接的控制器和与所述控制器连接的多个电磁搅拌装置，所述控制器包括工艺参数输入模块、与所述工艺参数输入模块连接的铸坯温度分布计算模块和与所述铸坯温度分布计算模块连接的搅拌位置确定模块。

进一步的，多个所述电磁搅拌装置均安装于二冷区之后，矫直之前的空冷区。

本发明的有益效果：

1.本发明通过建立铸坯温度场计算模型，确定铸坯的温度分布情况，利用钢种的液相线温度和固相线温度，计算铸坯凝壳厚度，可以实现在钢种、拉速或二冷水量等参数发生变化时，确定最佳的搅拌位置，以避免铸坯在凝固末端出现疏松、缩孔和偏析等质量缺陷，从而改善铸坯内部质量。

2.本发明通过将多个电磁搅拌装置设置在空冷区，控制器根据搅拌位置确定模块所确定的最佳搅拌位置，控制电磁搅拌装置，在该位置对铸坯施加电磁场，以提高铸坯内部质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种改善大断面圆坯内部质量的方法的流程图。

图2是根据本发明实施例所述的每个铸坯切片的凝固传热模型的坐标系的示意图。

图3是根据本发明实施例所述的一种改善大断面圆坯内部质量的装置结构框图。

图4是根据本发明实施例所述的铸坯凝固进程示意图。

图中：1.铸坯凝固进程显示模块，2.控制器，21.工艺参数输入模块，22.铸坯温度分布计算模块，23.搅拌位置确定模块，3.电磁搅拌装置。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种改善大断面圆坯内部质量的方法，包括：

S1：建立铸坯温度场计算模型；

S2：通过铸坯温度场计算模型，结合实际生产情况，确定铸坯的温度分布情况；

S3：根据铸坯的温度分布情况，利用钢种的液相线温度和固相线温度，确定铸坯凝壳厚度；

S4：根据铸坯凝壳厚度，计算搅拌位置，其中，搅拌器位置的液芯厚度占铸坯凝壳厚度的30～55％；

S5：根据所获取的搅拌位置，启动相应的电磁搅拌装置。

在本发明的一个具体实施例中，S1所述的温度场计算模型包括铸坯凝固传热模型，图2给出了每个铸坯切片的凝固传热模型的坐标系，其中V方向为拉坯方向，沿拉坯方向建立每个铸坯切片的凝固传热微分方程：

式中：λ是导热系数，单位W.m

设定所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程求解过程中的假设条件；

设定所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程的初始条件和二冷段边界条件。

在本发明的一个具体实施例中，所述假设条件包括：

1)忽略拉坯方向传热，以及圆周上的传热不均匀性，简化为只考虑径向的一维传热；

2)通过放大导热系数方法来体现钢液在结晶器内的强烈流动对传热的影响；

3)铸坯表面的辐射传热，与支撑辊的接触传热以及二冷水的冷却传热，采用综合传热系数一并考虑；

4)钢液固相和液相密度ρ，导热系数λ和比热c

5)将合金的凝固温度视为常数，凝固开始的温度为液相线温度T

在本发明的一个具体实施例中，所述每个铸坯切片的凝固传热微分方程的初始条件为，结晶器弯月面钢水温度与浇铸温度的中包温度Tc相同，即满足：T|

在本发明的一个具体实施例中，二冷段边界条件为：

1)在铸坯中心，因铸坯切片中心对称，其中心对称轴的传热边界为绝热边界，即满足：

2)在铸坯表面：

式中：d为断面直径；q为表面热流密度；T为温度，单位℃；t为时间，单位s；λ为导热系数。

在本发明的一个具体实施例中，在结晶器区：

在本发明的一个具体实施例中，图4分别根据温度、距弯月面距离和铸坯凝壳厚度，给出了铸坯凝固进程示意图。

一种改善大断面圆坯内部质量的装置，包括铸坯凝固进程显示模块1、与铸坯凝固进程显示模块1连接的控制器2和与所述控制器2连接的多个电磁搅拌装置3，所述控制器2包括工艺参数输入模块21、与所述工艺参数输入模块21连接的铸坯温度分布计算模块22和与所述铸坯温度分布计算模块22连接的搅拌位置确定模块23。

在本发明的一个具体实施例中，多个所述电磁搅拌装置3均安装于二冷区之后，矫直之前的空冷区。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明的一种改善大断面圆坯内部质量的方法及装置，建立铸坯温度场计算模型，通过铸坯温度场计算模型，结合浇注钢种、断面、拉速、中包温度、二冷水量等实际生产情况，确定铸坯的温度分布情况，根据铸坯的温度分布情况，利用钢种的液相线温度和固相线温度，确定铸坯凝壳厚度，根据铸坯凝壳厚度，计算搅拌位置，搅拌器位置的液芯厚度占铸坯凝壳厚度的30～55％，根据所获取的搅拌位置，启动相应的电磁搅拌装置3，其中，多个所述电磁搅拌装置3均安装于二冷区之后，矫直之前的空冷区，向工艺参数输入模块21输入连铸生产的工艺参数，铸坯温度分布计算模块22根据输入工艺参数建立铸坯温度场计算模型，并计算出铸坯的温度分布情况，搅拌位置确定模块23根据铸坯的温度分布情况获取铸坯凝壳厚度，并根据所得到的铸坯凝壳厚度，确定最佳搅拌位置，此时控制器2控制电磁搅拌装置3，在该位置对铸坯施加电磁场，以提高铸坯内部质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。