专利名称：直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法
技术领域：
本发明涉及金属连铸坯冷却和表面质量控制技术领域，尤其是一种消除低合金钢铸坯角部横裂纹缺陷的金属连铸坯冷却方法。
背景技术：
目前，含钒微合金化钢种裂纹敏感性强。在连铸生产过程中，因高温下固溶的V在温度降低时以V(CN)形式在奥氏体晶界呈动态析出或静态析出，增加了裂纹敏感性。尤其是对于直弧型铸机板坯连铸机，铸坯在弯曲区域，铸坯内弧侧和外弧侧分别受到压应力和张应力，而在矫直区域，铸坯内弧侧和外弧侧分别受到张应力和压应力，铸坯在张应力作用下，因振痕的缺口效应产生应力集中，加速裂纹的形成和扩展。因此，采用直弧型铸机板坯连铸机生产含钒低合金钢时，若铸坯窄面冷却均匀性差，铸坯角部极易产生角横裂纹。又由于铸坯上产生的角横裂纹在生产中无法清理，带缺陷的铸坯轧制后，热轧板卷边部会产生表面裂纹缺陷。某钢厂2003年建成投产的直弧型板坯连铸机所浇低合金钢铸坯角部横裂纹缺陷率为100％，导致铸机只能生产强度低、塑性好的低碳铝镇静钢，不能满足扩大连铸品种的生产需要。因此，生产合格的铸坯是生产优质含钒微合金化钢的关键环节，而研究开发与含钒钢相适应的连铸坯窄面冷却控制方法是提高铸坯质量的核心技术。
刊载于1998年1月的《钢铁》杂志(第33卷第1期)第22～25页的《减少含铌、钒、钛微合金化钢连铸板坯角横裂纹的研究》——王新华，王文军，刘新宇等著，报道了通过提高恒拉速率、液面自动控制投入率和铸机对弧精度，并根据钢的高温延塑性特点采用合理的二冷工艺，使宝钢含铌、钒、钛微合金化钢连铸坯角横裂发生率显著减少，角横裂指数由19.2减少到3.0。刊载于2006年4月的《首钢科技》杂志，即2006年第2期，第19～21页的《含钒船板钢板坯角部横裂纹的产生原因及改进措施》——麻庆申，姜中行，徐莉等著，报道了首钢通过采用低过热度浇铸，过热度低于25℃，保持拉速和结晶器液面稳定，减少二冷配水量，降低冷却强度，适当提高拉速，使高强船板钢板坯角部横裂发生率由11.80％降至0.10％。
在上述研究中均只对连铸工艺尤其是二冷工艺进行优化，未考虑足辊段冷却均匀性对减小直弧型铸机板坯顶弯、矫直区域铸坯应力及变化速率的影响。因此，对含钒微合金化钢，仅仅从提高连铸拉速、改善二冷传热方式着手，难以完全消除连铸板坯角部横裂纹缺陷。事实上，铸坯冷却均匀性尤其是足辊段铸坯窄面的冷却均匀性，对连铸板坯表面裂纹缺陷有较大影响。铸坯冷却均匀性是指在浇注过程中，冷却水沿铸坯表面冷却强度的分布，在其他条件一定时，冷却强度的分布就是冷却水流密度的分布。为保证铸坯质量，就要使铸坯表面各部分均匀冷却，从而使凝固坯壳厚度生长速度基本相当。否则如果铸坯表面各部分冷却强度不一致，就会造成凝固坯壳厚度不均匀，铸坯在凝固过程产生的热应力以及铸坯弯曲和矫直过程产生的机械应力就会集中于坯壳最薄处，从而出现铸坯裂纹等质量问题。但通过优化直弧型连铸板坯的足辊段冷却方法来控制角部横裂纹缺陷的技术，目前还未见公开报道。
发明内容
为了克服现有直弧型铸机的连铸坯不能完全消除角部横裂纹缺陷的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，该方法能够有效消除低合金钢铸坯角部横裂纹缺陷的产生。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，在连铸直弧型铸机板坯的足辊段，利用对称安装在铸坯浇铸方向左右的喷嘴，对窄面进行冷却，并采用矩形喷嘴对铸坯左右两侧的窄面同时给予对称冷却。
本发明还提供了一种可用于本发明方法的矩形喷嘴，由中空的联结螺杆、喷头和联结螺母组成，联结螺杆与联结螺母螺纹连接，联结螺母将中空的喷头的端面与联结螺杆的端面压紧，喷头的出水孔为矩形断面的孔。
本发明的有益效果是考虑到了铸坯足辊段冷却均匀性对铸坯表面裂纹缺陷的影响，用矩形喷嘴替换原来的扁平喷嘴，在喷水冷却时，喷嘴正对的中心部位冷却强度与喷嘴四周冷却强度基本一致，从而提高了足辊段铸坯窄面冷却均匀性，减小了铸坯在顶弯和矫直区域的应力及变化速率。同时，适当减小铸坯冷却水量，铸坯冷却强度降低，铸坯表面温度较高且均匀，铸坯高温延塑性能良好，实现了“高温顶弯”工艺，有利于防止直弧型铸机铸坯顶弯过程产生的表面缺陷。也即本发明降低了结晶器下口足辊段的冷却强度，并改善了铸坯冷却的均匀性，可明显提高铸坯表面温度。由于铸坯表面温度越高，钢的延塑性能越好，抵抗变形的能力越强，在直弧型铸机的弯曲区域，即铸坯在由直型变为弧型的弯曲过程中，在其它连铸工艺相同的条件下，铸坯所受的弯曲应力是一定的。本发明通过提高铸坯表面温度，确保铸坯具有良好的延塑性能，大大增强了铸坯抵抗弯曲变形的能力，即铸坯抵抗变形而不产生缺陷的临界应力值增大。临界应力值大于弯曲应力值，即可消除因铸坯弯曲应力过大造成的角部横裂纹缺陷，进而提高铸坯质量。本发明不仅能消除P510L、P590L、J55、X52等含钒微合金化钢等铸坯角部横裂纹缺陷，还能消除铸坯内部角裂和三角区裂纹缺陷；同时，可减少连铸板坯清理损失，提高金属收得率；此外，连铸板坯可实施热送热装工艺，降低加热炉燃料消耗和铸坯氧化烧损；因铸坯缺陷的消除，还可扩大连铸品种。
图1是本发明采用的矩形喷嘴的结构示意图。
图2是本发明喷嘴布置位置及布置方式示意图。
图3是本发明喷嘴布置位置及布置方式另一视向的示意图。
图4是现有的扁平喷嘴喷雾形状示意图。
图5是本发明的矩形喷嘴喷雾形状示意图。
图中标记为，1为联结螺杆，2为喷头，3为联结螺母，4为出水孔，5为铸坯，6为矩形喷嘴，θ为喷射角，箭头所指为浇铸方向。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3和图5所示，本发明的直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，在连铸直弧型铸机板坯的足辊段，利用对称安装在铸坯浇铸方向左右的喷嘴，对窄面进行冷却，并采用矩形喷嘴6对铸坯5左右两侧的窄面同时给予对称冷却。
所述矩形喷嘴6，是指喷嘴的出水孔为矩形断面，喷雾形状为近似矩形的喷嘴，如图5所示。
所述扁平喷嘴，是指喷嘴的出水孔为椭圆断面，喷雾形状为橄榄形的喷嘴，如图4所示。
所述对称冷却，是指相同的喷嘴对称布置在铸坯浇铸方向左右两侧，各喷嘴的喷射角和喷射距离相等、单位时间的水量相同。
根据铸坯和轧辊的常规尺寸，矩形喷嘴6的布置设计为在铸坯5左右的喷嘴数量共八个，沿铸坯浇注方向即纵向的左侧和右侧各布置四个喷嘴，单侧的四个喷嘴沿纵向一字等距排列如图2所示，沿铸坯浇注方向即纵向看，铸坯左侧和右侧的喷嘴数量为四个；如图3所示，沿铸坯宽度方向即横向看，左侧和右侧的喷嘴数量为一个。
为进一步提高冷却强度的均匀性，各喷嘴的喷射中心点设置于铸坯5窄面的中心线上。
根据相关研究和实验，在0.8～1.4m/min的工作拉速下铸坯5窄面冷却水量W与拉速Vc的关系为W＝36.5Vc+16，冷却水量W的单位L/min，拉速Vc的单位m/min，铸坯5窄面左侧和右侧的冷却水量各为0.5W。采用这样的工艺参数，基本能够消除铸坯裂纹缺陷。
根据相关研究和实验，矩形喷嘴6的雾化角θ优选为115°～125°，喷嘴距铸坯表面的距离宜为75～85mm，单侧两个相邻水喷嘴间的距离宜为165～195mm；在水压为0.1～0.6MPa时单个喷嘴的水量宜为6.5～15.9L/min。
如图1所示，本发明还设计了一种可用于本发明方法的矩形喷嘴6，由中空的联结螺杆1与联结螺母3螺纹连接，联结螺母3将中空的喷头2的端面与联结螺杆1的端面压紧，喷头2的出水孔4为矩形断面的孔。
进一步的是，出水孔4的进水端截面积小于出水端截面积，方便在水压变动情况下调节喷雾的冷却强度。
实施例1 某转炉炼钢厂采用本发明技术来控制P510L汽车梁板用钢铸坯角部横裂纹缺陷。P510L钢除Fe和少量杂质外的化学组分见表1。在连铸生产时，采用图1所示的喷嘴结构，由喷头2、联结螺杆1和联结螺母3三个部分组成，并按表2所示的喷嘴压力一流量特性设计喷嘴，足辊段窄面喷嘴沿纵向和横向的布置示意图见图2和图3。在开浇前将铸坯宽度设定为1050mm，铸坯厚度设定为200mm，连铸生产时铸机拉速为1.40m/min，足辊段窄面水量设定为67.1L/min。浇铸完毕后，对生产的铸坯进行表面摊检和低倍检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.5mm，铸坯表面和皮下无角部横裂纹、三角区裂纹缺陷。
表1P510L钢除Fe和少量杂质外的化学组分 表2不同水压时单个矩形喷嘴的冷却能力 实施例2 某转炉炼钢厂采用本发明技术来控制P510L汽车梁板用钢铸坯角部横裂纹缺陷。P510L钢除Fe和少量杂质外的化学组分见表1。在连铸生产时，采用同实施例1的喷嘴，足辊段窄面喷嘴沿纵向和横向的布置示意图见图2和图3。在开浇前将铸坯宽度设定为1300mm，铸坯厚度设定为200mm，连铸生产时铸机拉速为0.80m/min，足辊段窄面水量设定为45.2L/min。浇铸完毕后，对生产的铸坯进行表面摊检和低倍检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.8mm，铸坯表面和皮下无角部横裂纹、三角区裂纹缺陷。
实施例3 某转炉炼钢厂采用本发明技术来控制P590L汽车梁板用钢铸坯角部横裂纹缺陷。P590L钢除Fe和少量杂质外的化学组分见表3。在连铸生产时，采用同实施例1的喷嘴，足辊段窄面喷嘴沿纵向和横向的布置示意图见图2和图3。在开浇前将铸坯宽度设定为1100mm，铸坯厚度设定为200mm，连铸生产时铸机拉速为1.20m/min，足辊段窄面水量设定为59.8L/min。浇铸完毕后，对生产的铸坯进行表面摊检和低倍检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.7mm，铸坯表面和皮下无角部横裂纹、三角区裂纹缺陷。
表3P590L钢除Fe和少量杂质外的化学组分 实施例4 某转炉炼钢厂采用本发明技术来控制J55石油套管用钢铸坯角部横裂纹缺陷。J55钢除Fe和少量杂质外的化学组分见表4。在连铸生产时，采用同实施例1的喷嘴，足辊段窄面喷嘴沿纵向和横向的布置示意图见图2和图3。在开浇前将铸坯宽度设定为1200mm，铸坯厚度设定为200mm，连铸生产时铸机拉速为1.10m/min，足辊段窄面水量设定为56.2L/min。浇铸完毕后，对生产的铸坯进行表面摊检和低倍检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.7mm，铸坯表面和皮下无角部横裂纹、三角区裂纹缺陷。
表4J55钢除Fe和少量杂质外的化学组分 实施例5 某转炉炼钢厂采用本发明技术来控制X52石油套管用钢铸坯角部横裂纹缺陷。X52钢除Fe和少量杂质外的化学组分见表5。在连铸生产时，采用同实施例1的喷嘴，足辊段窄面喷嘴沿纵向和横向的布置示意图见图2和图3。在开浇前将铸坯宽度设定为1250mm，铸坯厚度设定为200mm，连铸生产时铸机拉速为1.00m/min，足辊段窄面水量设定为52.5L/min。浇铸完毕后，对生产的铸坯进行表面摊检和低倍检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.8mm，铸坯表面和皮下无角部横裂纹、三角区裂纹缺陷。
表5X52钢除Fe和少量杂质外的化学组分
权利要求
1.直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，在连铸直弧型铸机板坯的足辊段，利用对称安装在铸坯浇铸方向左右的喷嘴，对窄面进行冷却，其特征是采用矩形喷嘴(6)对铸坯(5)左右两侧的窄面同时给予对称冷却。
2.如权利要求1所述的直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，其特征是所述铸坯(5)左右的喷嘴数量共八个，沿铸坯浇注方向即纵向的左侧和右侧各布置四个喷嘴，单侧的四个喷嘴沿纵向一字等距排列。
3.如权利要求1所述的直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，其特征在于各喷嘴的喷射中心点设置于铸坯(5)窄面的中心线上。
4.如权利要求1所述的直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，其特征在于在0.8～1.4m/min的工作拉速下铸坯(5)窄面冷却水量W与拉速Vc的关系为W＝36.5Vc+16，冷却水量W的单位L/min，拉速Vc的单位m/min，铸坯(5)窄面左侧和右侧的冷却水量各为0.5W。
5.如权利要求1、2、3或4所述的直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，其特征在于喷嘴雾化角θ为115°～125°，喷嘴距铸坯表面的距离为75～85mm，单侧两个相邻水喷嘴间的距离为165～195mm；在水压为0.1～0.6MPa时单个喷嘴的水量为6.5～15.9L/min。
6.用于权利要求1所述直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法的矩形喷嘴(6)，由中空的联结螺杆(1)、喷头(2)和联结螺母(3)组成，联结螺杆(1)与联结螺母(3)螺纹连接，联结螺母(3)将中空的喷头(2)的端面与联结螺杆(1)的端面压紧，其特征在于喷头(2)的出水孔(4)为矩形断面的孔。
7.如权利要求6所述的矩形喷嘴(6)，其特征是出水孔(4)的进水端截面积小于出水端截面积。
全文摘要
本发明公开了一种直弧型铸机低合金钢板坯连铸足辊段窄面冷却方法，以解决低合金钢的铸坯表面角部易出现横裂纹缺陷的问题，属金属连铸坯冷却和表面质量控制技术领域。该方法在连铸直弧型铸机板坯的足辊段，利用对称安装在铸坯浇铸方向左右的喷嘴，对窄面进行冷却，并采用矩形喷嘴(6)对铸坯(5)左右两侧的窄面同时给予对称冷却。本发明还公开了一种用于该方法的矩形喷嘴(6)，其喷头(2)的出水孔(4)为矩形断面的孔。本发明降低了结晶器下口足辊段的铸坯冷却强度，并改善了铸坯冷却的均匀性，尤适用于连铸钢种为P510L、P590L、J55、X52等高强度低合金钢的铸坯表面角部横裂纹缺陷消除，还能消除铸坯内部角裂和三角区裂纹缺陷。
文档编号B22D11/22GK101147967SQ20071020240
公开日2008年3月26日 申请日期2007年11月6日 优先权日2007年11月6日
发明者永 陈, 赵代琼, 吴国荣, 曾建华, 杨素波 申请人:攀钢集团攀枝花钢铁研究院, 攀枝花新钢钒股份有限公司