一种大规格中高合金钢立式连铸坯凝固质量控制方法与流程

本发明属于连铸铸造技术领域，尤其涉及一种大规格中高合金钢立式连铸坯凝固质量控制方法。

背景技术

特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的高技术含量产品，其生产和应用代表一个国家的工业化发展水平，是国家综合竞争力与国家安全的基本保证。

目前，大规格合金钢连铸坯多采用立弯式或弧形连铸机生产受连铸机冶金特点限制，该类装备主要用于生产低合金钢连铸坯，对中高合金钢等大断面连铸坯来说具有较高的生产难度。为此，大规格中高合金钢立式连铸工艺和技术逐渐被国内外特殊钢行业所关注。中高合金钢强度高、塑性差、冷却过程中温度应力和组织应力大，裂纹敏感性高。立弯式或弧形连铸机铸出的连铸坯必经弯曲和矫直过程，直径越大，其矫直力越大，越易造成连铸坯表面裂纹，此为大规格中高合金连铸坯生产过程中存在的共性问题。如果大幅度增加铸机长度和弯曲半径，降低拉速，会造成设备成本大幅度增加，生产能力大为下降，经济上不可行。

立弯式或弧形连铸机连铸拉坯过程中，二冷区铸坯内外弧冷却条件差异大，造成铸坯内外侧温度、铸造组织和内部应力不均匀，且夹杂物易聚集在铸坯内弧侧，产品质量上难以保证。采用立式连铸机无上述弯曲-矫直过程，无铸坯内外弧冷却条件差异和内外侧温度差异，无铸造组织和内部应力不均、夹杂物偏聚等问题。尽管如此，对于大规格连铸坯而言，二冷区冷却强度很难渗透进入铸坯内层，这使得铸坯凝固补缩行为难以控制，中心补缩缺陷突出。另外，大规格连铸坯凝固速率较低，易偏析溶质具有充分时间扩散和聚集，铸坯断面愈大，此问题愈突出。因此，中心补缩缺陷和溶质偏析成为制约大规格连铸坯凝固质量提升的瓶颈。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种大规格中高合金钢立式连铸坯凝固质量控制方法，其能够减小溶质偏析、细化晶粒组织、改善连铸坯中心补缩缺陷，使生产出的连铸坯内部质量得到明显提高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤。

步骤1、浇铸大规格圆坯时，中间包车开至连铸机浇铸位，浸入式水口与结晶器中心相对，并下降至规定位置。

步骤2、打开中间包塞棒机构使中高合金钢液通过浸入式水口注入水冷结晶器。

步骤3、二次冷却系统、电磁搅拌系统及夹辊装置自动启动，圆坯依次通过水冷结晶器、二次冷却系统、夹辊装置、辐射区电磁搅拌器后进入辐射区保温装置内，最终通过末端电磁搅拌器。

步骤4、托引锭下降至规定位置后停止浇注，圆坯冷却至要求温度后进行火焰切割，完成切割的圆坯由输出棍输出至保温坑缓冷到室温。

所述连铸机采用立式连铸机，利用二次冷却系统、电磁搅拌系统和辐射区保温对从结晶器拉出的大规格连铸坯进行凝固质量控制。

所述二次冷却系统为立式多区排列，包括二冷一区、二冷二区或二冷一区、二冷二区、二冷三区；且二次冷却系统总长度不超过4m，平均比水量不超过0.15l/kg，控制连铸坯出二次冷却系统时坯壳厚度不超过铸坯断面的20%。

所述的电磁搅拌系统包括辐射区电磁搅拌器和末端电磁搅拌器，频率不超过8hz，电流不超过600a。

所述辐射区电磁搅拌器位于辐射区保温装置上部、坯壳厚度为铸坯断面的20%处，采用周向搅拌方式。

所述末端电磁搅拌器位于辐射区保温装置下部、液芯比例为35%位置，采用轴向搅拌方式。采用辐射区电磁搅拌可以增大连铸坯等轴晶率，增大连铸坯中心负偏析溶质。采用末端电磁搅拌控制正、负偏析溶质充分混合，促进中心区域凝固补缩。

所述的辐射区保温装置为多段保温设计，自上而下保温能力逐渐减弱，保证连铸坯表面温度上部不低于1000℃下部不低于800℃。有利于保证连铸坯凝固前沿夹角处于敞开式，防止产生中心凝固缺陷。

与现有技术相比本发明有益效果。

本发明提供了一种大规格中高合金钢立式连铸坯凝固质量控制方法，区别于立弯式或弧形连铸机，连铸机无弯曲-矫直要求，无铸坯内外弧冷却条件差异和内外侧温度差异，圆坯组织和内部应力分布均匀、夹杂物不发生偏聚。

本发明采用弱二次冷却特点，传统连铸的二次冷却区较长，历经长时间喷水冷却，柱状晶区占比大。大规格中高合金钢连铸坯立式连铸机的二次冷却区长度较短，平均冷却强度弱，柱状晶更早转变为等轴晶，增大了等轴晶占比。

本发明采用辐射区电磁搅拌器，位于二次冷却区下部，辐射区电磁搅拌器在圆坯中心形成螺旋流场，电磁力冲刷枝晶前沿纯净溶质，并使其随流场游离至铸坯凝固末端，可以避免连铸坯中心正偏析。采用轴向振荡末端搅拌控制正、负偏析溶质充分混合，同时促进中心区域凝固过程得到充分补缩。

本发明在辐射区安装有多段保温装置，当连铸坯运行到辐射区后，连铸坯长时间处于辐射区保温装置内，保温装置保温能力自上而下逐渐减弱，保证凝固前沿夹角处于敞开式，防止产生中心凝固缺陷。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明采用本方法的大规格中高合金钢连铸坯立式连铸机结构示意图。

图中，1为浸入式水口、2为水冷结晶器、3为二次冷却系统、4为夹辊装置、5为辐射区电磁搅拌器、6为辐射区保温装置、7为末端电磁搅拌器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的立式连铸机包括由上至下依次排列的浸入式水口、水冷结晶器、二次冷却系统、夹棍装置、辐射区搅拌器、辐射区保温装置及末端电磁搅拌器；所述浸入式水口与水冷结晶器的入口相连，水冷结晶器出口与二次冷却系统入口相连，二次冷却系统出口与夹棍装置入口相连，夹棍装置出口与辐射区电磁搅拌器相连，辐射区电磁搅拌器出口与辐射区保温装置入口相连，辐射区保温装置出口与末端搅拌器相连。

其中，所述的二次冷却系统为立式多区排列，包括二冷一区、二冷二区（或二冷三区）构成，二次冷却系统总长度不超过4m，平均比水量不超过0.15l/kg，控制连铸坯出二次冷却系统时坯壳厚度不超过铸坯断面的20%。

电磁搅拌系统包括辐射区电磁搅拌器和末端电磁搅拌器，频率不超过8hz，电流不超过600a。

辐射区电磁搅拌器位于辐射区保温装置上部、坯壳厚度为铸坯断面的20%处，采用周向搅拌方式。

末端电磁搅拌器位于辐射区保温装置下部、液芯比例为35%左右位置，采用轴向搅拌方式。

采用辐射区电磁搅拌可以增大连铸坯等轴晶率，增大连铸坯中心负偏析溶质。采用末端电磁搅拌控制正、负偏析溶质充分混合，促进中心区域凝固补缩。

所述的辐射区保温装置为多段保温设计，自上而下保温能力逐渐减弱，保证连铸坯表面温度上部不低于1000℃下部不低于800℃，有利于保证连铸坯凝固前沿夹角处于敞开式，防止产生中心凝固缺陷。

采用上述技术进行一种大规格中高合金钢立式连铸坯凝固质量控制方法，按照以下步骤进行。

a、生产h13钢种断面800mm圆坯，连铸拉速为0.14m/min，中高合金钢液通过浸入式水口注入水冷结晶器，二次冷却系统、电磁搅拌系统和夹辊装置自动启动。

b、二次冷却系统平均比水量为0.14l/kg，辐射区电磁搅拌器的频率为5hz和电流为400a，采用周向搅拌方式，末端电磁搅拌器的频率为5hz和电流为450a，采用轴向搅拌方式。

c、圆坯依次通过水冷结晶器、二次冷却系统、夹辊装置、辐射区电磁搅拌器后进入辐射区保温装置内，辐射区保温装置的保温能力自上而下逐渐减弱，保证凝固前沿夹角处于敞开式，防止产生中心凝固缺陷。圆坯最终通过末端电磁搅拌器后，托引锭下降至规定位置后停止浇注，圆坯冷却至要求温度后进行火焰切割，完成切割的圆坯由输出棍输出至保温坑缓冷到室温。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。