本发明涉及冶金连铸技术领域，更具体地说，涉及一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法。
背景技术：
在钢铁连铸生产过程中，为改善铸坯的凝固结构，提高等轴晶率，减少铸坯中心区域的疏松和成分偏析，广泛采用以电磁搅拌为典型的施加外场力搅拌技术。电磁搅拌技术利用电磁感应原理，在连铸坯内部产生感应电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，使金属液产生单向的旋转流动而折断树枝晶，促使破碎的晶体生成更多的等轴晶的晶核，从而达到了抑制凝固过程中的连铸坯树枝晶的生长，同时扩大等轴晶率，结果改善铸坯质量。
但是采用该类方法由于持续对液态金属施加恒定或交变电磁力，在刷断柱状晶的枝晶头成为中心等轴晶晶核的同时，还使得液态金属与凝固前沿的枝晶持续发生相对运动，也就是液态金属对凝固前沿的不断冲刷，造成溶质元素不断向液态金属内转移，引起持续外场力作用区域铸坯内部严重的宏观负偏析，例如连续铸钢中的铸坯白亮带。一般地，如果出现负偏析带，往往相应不可避免地也会出现正偏析带。
经检索，发明创造的名称为：一种连铸坯用的震动锤装置及使用方法(申请号：201310412579.8，申请日：2013.09.11)，特别涉及一种连铸坯用的震动锤装置及使用方法。所述连铸坯用的震动锤装置，包括锤头、运动杆、固定把持机构以及动力驱动系统，其中，固定把持机构固定在铸坯凝固的中后期区域，位于相对方向的锤头通过运动杆安装在固定把持机构上并与铸坯的表面间隔一定距离，运动杆与动力驱动系统相连。由于采取了锤击的方式取代接触式振动，在坯壳较厚的凝固末期，震动被传入铸坯芯部的效果更好，有利于破碎和细化中心等轴晶，有效改善铸坯中心缩孔和疏松；同时避免了凝固末端铸轧所造成的轧制裂纹的产生。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于提高连铸过程中的铸坯质量，提供一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，在铸坯凝固坯壳的表面施加间歇性的激振力，且激振力施力点处的铸坯横截面中金属液相率为25％～85％；击打在铸坯表面坯壳的激振力，可以规律性地打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，进而可以促进等轴晶的生长，同时可以避免或减少了铸坯负偏析的产生。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，在连铸坯的凝固坯壳的表面施加间歇性的激振力，且激振力施力点处的铸坯横截面中金属液相率为25％～85％。本发明的激振力击打在铸坯表面坯壳时，可以打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，促使着柱状晶转化为等轴晶，同时不会额外增加外场力造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，抑制了钢中溶质元素向钢的液相中转移，从而达到抑制柱状晶生长和促进等轴晶生长目的。
优选地，激振力施加的时间间隔为1-30秒。
优选地，激振力施加的冲击能范围为10～800j。
优选地，激振力施加的时间间隔为t，t＝ε×bτ×s，ε取值范围为0.4～0.8s/mm2；b为作用位置处连铸坯横向截面中的金属固相率/％；钢铁连铸过程系数τ的值为1.4～2.0，铜连铸过程中系数τ的值为1.0～1.6；s为铸坯断面面积/mm2。
优选地，激振力施加的冲击能范围为w，w＝a×(1-b)c×s1.5，a取值范围为0.2～2.6j/mm3，b为凝固中段激振力施力点位置的铸坯横向截面的金属液相率/％；钢铁连铸过程c的值为1.8～2.4，铜连铸过程中c的值为1.0～1.6；s为铸坯断面面积/mm2。
优选地，在连铸坯对应的两侧面施加激振力。
优选地，在连铸坯两侧的对应位置同时施加相同的激振力。
优选地，沿着连铸坯液相线长度方向，在连铸坯的凝固坯壳的表面至少设置1组激振力的施力点。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，在铸坯凝固坯壳的表面施加间歇性的激振力，且激振力施力点处的铸坯横截面中金属液相率为25％～85％；激振力击打在铸坯表面坯壳时，可以规律性地打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，被打断的枝晶头落在钢水中并形成等轴晶，是柱状晶转化为等轴晶的过程，同时不会额外增加外场力造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，抑制了钢中溶质元素向钢的液相中转移，从而在抑制柱状晶生长、促进等轴晶生长的同时，可以避免或减少了铸坯负偏析的产生；
(2)本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，激振力施力点处的铸坯横截面中金属液相率为25％～85％，使得凝固坯壳在能承受打击激振力的同时，可以将凝固前沿生长的枝晶头被打断，并促进等轴晶的生长；
(3)本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，激振力施加的时间间隔为t，t＝ε×στ×s，ε的范围是0.4～0.8s/mm2，σ为作用位置处铸坯横向截面中的金属固相率，钢铁连铸过程系数τ，s为铸坯断面面积/mm2；可以根据连铸生产过程中的实际需要，调节激振力施加的时间间隔，从而避免激振力频率过高造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，使得溶质元素不断向液态金属内转移；也可以避免激振力施加的时间间隔过长，使得枝晶生长的长度过长，破断枝晶头少，对柱状晶抑制效果不够；
(4)本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，激振力施加的冲击能范围为w，w＝a×(1-b)c×s1.5，系数a的范围是0.2～2.6j/mm3，b为作用位置处铸坯横向截面中的金属液相率，s为铸坯断面面积/mm2；从而可以根据厚度施加适宜的冲击能，既能避免坯壳变形施加低能量激振力，并且可以有效破断枝晶头，进而将凝固前沿生长的枝晶头被打断，并促进等轴晶的生长，同时可以避免或减少了铸坯负偏析的产生。
附图说明
图1为本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制装置示意图；
图2为实施例1的铸坯微观组织的形貌示意图；
图3为对比例1的铸坯微观组织的形貌示意图。
示意图中的标号说明：
100、连铸坯；110、未凝固钢水；120、凝固坯壳；101、铸坯凹弧侧；102、铸坯凸弧侧；
200、激振力施加装置；
310、柱状晶区；320、等轴晶区。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明是在钢铁连铸生产过程中，采用激振力发生系统对铸坯一定位置、每隔一定时间、用一定强度的外力瞬时击打铸坯表面坯壳的方法，使激振力通过坯壳传递到铸坯凝固前沿，周期性地破断凝固前沿生长的枝晶头，在抑制柱状晶生长的同时，为中心等轴晶的后续形成提供晶核核心，同时不会额外增加外场力造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，抑制了钢中溶质元素向钢的液相中转移，可以避免或减少了铸坯负偏析的产生。
本发明的连铸坯100包括铸坯凹弧侧101、铸坯凸弧侧102和周侧，连铸坯100的外部为凝固坯壳120，凝固坯壳120内部为未凝固钢水110；本发明的一种抑制柱状晶生长的连铸凝固过程控制方法，在连铸坯100的凝固坯壳120的表面施加间歇性的激振力，且激振力施力点处的铸坯横截面中金属液相率为25％～85％，在连铸坯100金属液相率为75％≥b2>25％的位置处设置有激振力施加装置200，激振力施加装置200用于向凝固坯壳120表面施加间歇性的激振力(如图1所示)，激振力的施力方向垂直于连铸坯100的坯壳表面，该激振力力是单方向间歇性施加的打击力，或者双向间歇性同时施加的打击力。这是由于金属液相率高于85％时已凝固的坯壳强度不够，不具备承受有效破断枝晶头的外力击打的条件；金属液相率低于25％时已经处于凝固末端，继续施加激振力已经无法提高铸坯等轴晶比例。在连铸坯100的铸坯凹弧侧101或者铸坯凸弧侧102施加激振力，即可以将激振力的施加位置设置于铸坯凹弧侧101或者铸坯凸弧侧102；当然激振力的设置位置也可以位于连铸坯100的周侧各个位置处；或者在连铸坯100铸坯凹弧侧101和铸坯凸弧侧102的两侧面的对应位置施加激振力。在连铸坯100铸坯凹弧侧101和铸坯凸弧侧102的两侧面的对应位置同时施加相同的激振力。
沿着连铸坯100液相线长度方向，在连铸坯100的凝固坯壳120的表面至少设置1组激振力的施力点，即在连铸坯100的一个金属液相率位置施加的单侧激振力或者两侧面的对应位置同时施加激振力为1组激振力；在连铸坯100的不同金属液相率位置施加的多个激振力，则为多组激振力。即可沿着连铸坯100液相线长度方向，在连铸坯100的凝固坯壳120的表面设置多个激振力的施力点，且每个施力点处的铸坯横截面中金属液相率不相同。
此处说明施加的激振力与与简单意义上的振动完全不同，具体说明如下：
(1)激振力与振动的作用方式完全不同，其中间歇性激振力是单程单次对凝固末端的坯壳表面的击打或者敲击，铸坯自身并不会有相对位移；而振动是对铸坯的往复晃动或运动，铸坯本身可能会产生相对位移，而且振动对铸坯坯壳表面施加的是往复的作用力，因此间歇性激振力与振动有本质的区别；
(2)作用机理完全不同，正是由于激振力与振动的作用方式完全不同，激振力击打在铸坯表面坯壳时，可以打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，促使着柱状晶转化为等轴晶，同时不会额外增加外场力造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，抑制了钢中溶质元素向钢的液相中转移；而振动是利用惯性力起到补缩和改善金属凝固组织疏松的问题，振动会额外增加外场力并引起的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，促进钢中溶质元素向钢的液相中转移，造成铸坯负偏析的产生。
因此，激振力与振动的作用原理、达到的效果、作用机理完全不同。
激振力施加的时间间隔为1-30秒，这是由于时间低于1秒时，外力的效果接近连续作用，造成钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，造成溶质元素不断向液态金属内转移，容易产生负偏析，破断效果也因枝晶来不及生长而降低；激振力时间间隔太大使得枝晶生长的长度过长，破断枝晶头少，对柱状晶抑制效果不够。值得注意的是，时间间隔与作用点坯壳厚度有关，坯壳薄时枝晶生长快，激振间隔要短，具体可用以下关系式表示：t＝ε×στ×s，其中t为时间间隔/s，系数ε的范围是0.4～0.8s/mm2，其具体数值与外力的冲击能、作用点分布、数量有关，σ为作用位置处铸坯横向截面中的金属固相率，钢铁连铸过程系数τ的值为1.4～2.0，铜连铸过程中系数τ的值为1.0～1.6，其具体数值与不同金属材料的弹性模量、强度以及连铸拉速和断面形状有关，s为铸坯断面面积/mm2。
激振力施加的冲击能范围为10～800j。具体取值与坯壳厚度(金属液相率)等因素有关，具体可用以下关系式表示：w＝a×(1-b)c×s1.5，其中w为外力的冲击能/j，系数a的范围是0.2～2.6j/mm3，其具体数值与激振力作用点分布和数量有关，b为作用位置处铸坯横向截面中的金属液相率，钢铁连铸过程c的值为1.8～2.4，铜连铸过程中c的值为1.0～1.6，其具体数值与不同金属材料的弹性模量、强度以及连铸机断面形状有关，s为铸坯断面面积/mm2。当厚度较小时，恰当能量的激振力可以在避免坯壳变形的同时有效破断枝晶头；当厚度大时，恰当能量的激振力可以穿透坯壳表面，从而有效地破断枝晶头，使得激振力对连铸坯100打击时，可以规律性地打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，被打断的枝晶头落在钢水中并形成等轴晶，同时不会额外增加外场力造成的钢液与凝固前沿枝晶间的持续相对位移，抑制了钢中溶质元素向钢的液相中转移，从而在抑制柱状晶生长、促进等轴晶生长的同时，可以避免或减少了铸坯负偏析的产生。
实施例1
本实施例采用某厂5流圆坯连铸机，在高碳钢圆坯的连铸过程中，其中铸坯断面为直径为380mm，在连铸坯100的内侧面的施力点施加激振力，该激振力即为使用压缩气体驱动装置向连铸坯100的内侧面施加间歇性的击打力，即铸坯凹弧侧101施加间歇性的击打力。
本实施例在施力点施加激振力，其中施力点处的铸坯横截面中金属液相率分别为75％，浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，实施例具体参数及结果如表1所示。其中激振力施力点金属液相率为75％的低倍组织的形貌示意图如图2所示。
表1
对比例1
本对比例的基本内容同实施例1，其不同之处在于，在连铸的过程中不向连铸坯100表面施加激振力。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，对比例1具体参数及结果如表1所示。对比例1的低倍组织的形貌示意图如图3所示。
通过对对比例1和实施例1的分析可以发现，图2为实施例1的铸坯微观组织的形貌示意图；图3为对比例1的铸坯微观组织的形貌示意图；图中包括柱状晶区310和等轴晶区320。从图2和图3的对比也可以发现，实施例1的铸坯在不产生负偏析的情况下，明显提高等轴晶率，效果明显。实施例的等轴晶率为58.5％，远远大于对比例38.2％的等轴晶率。实施例1由于激振力击打在铸坯表面坯壳时，可以瞬间将激振力的能量传递给铸坯表面，并沿着坯壳传递到铸坯凝固前沿，激振力可以规律性地打断冷却过程中凝固前沿生长的枝晶头，进而有效地抑制柱状晶生长；与此同时，被打断的枝晶头落在钢水中并形成等轴晶，为中心等轴晶的后续形成提供晶核，使得柱状晶转化为等轴晶。
由于激振力是间断有规律的瞬间作用，钢液与凝固前沿枝晶间没有的持续相对位移，不会造成溶质元素向液态金属内转移而引起铸坯负偏析，而且激振力对柱状晶枝晶头的破断能力大大高于电磁力。进而促进了等轴晶的生长，同时可以避免或减少了铸坯负偏析的产生。
实施例2
本实施例采用某厂5流圆坯连铸机，在高碳钢圆坯的连铸过程中，其中铸坯断面为直径为700mm，在连铸坯100的铸坯凹弧侧101不同的施力点施加激振力，该激振力即为使用压缩气体驱动装置向连铸坯100的内侧面施加间歇性的击打力。
本实施例在两个不同的施力点施加激振力，其中施力点处的铸坯横截面中金属液相率分别为45％和40％，浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，实施例2具体参数及结果如表2所示。
表2
对比例2
本对比例的基本内容同实施例2，其不同之处在于，在连铸的过程中不向连铸坯100表面施加激振力。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，对比例2具体参数及结果如表2所示。
通过对对比例2和实施例2的分析可以发现，实施例2的等轴晶率为62.1％，远远大于对比例45.6％的等轴晶率。本实施例不仅在连铸坯100上施加激振力，而且在个不同的施力点同时施加激振力，实现了多段式的激振力击打；激振力击打在铸坯表面坯壳时，瞬间将激振力的能量传递给铸坯表面，并沿着坯壳传递到铸坯凝固前沿，激振力不仅可以规律性地打断凝固前沿生长的枝晶头，而且两个作用点的作用时间和作用有一定的区别，可以充分促进打碎的枝晶头落在钢水中，并形成均匀的形核核心，促进了等轴晶的生长。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：在某钢厂板坯连铸机上进行试验，在2150×230断面板坯的连铸过程中，在铸坯两侧面表面的一个施力点位置同时、使用相同冲击功对称冲击施加激振力，即在连铸坯100铸坯凹弧侧101和铸坯凸弧侧102的两侧面的对应位置同时施加相同的激振力。本实施例进行了2组实验，并在相同的铸坯断面条件下，在不同的激振力作用位置分别实验，每组实验的激振力作用位置、作用时间间隔和提供冲击功大小如表3所示。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，实施例具体参数及结果如表3所示。
对比例3
本对比例的基本内容同实施例3，其不同之处在于，在连铸的过程中不向连铸坯100表面施加激振力。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，对比例3具体参数及结果如表3所示。
表3
由实施结果可以看出，通过本发明方案的实施，使用本发明的铸坯在不产生负偏析的情况下，明显提高等轴晶率，效果明显。通过对对比例3和实施例3的分析可以发现，实施例3的等轴晶率均大于35.7％，远大于对比例23.1％的等轴晶率。本实施例不仅在连铸坯100上施加激振力，而且在在铸坯两侧面表面的一个施力点位置同时、使用相同冲击功对称冲击施加激振力，实现了同一位置两侧同时施加激振力，两侧同时施加的激振力，促进了激振力迅速将能力传递至凝固前沿，并且两侧同时施加的激振力促进了枝晶头的破裂和打碎，可以充分促进打碎的枝晶头落在钢水中，并形成均匀的形核核心，促进了等轴晶的生长。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：在某钢厂板坯连铸机上进行试验，在2150×230断面板坯的连铸过程中，在连铸坯100的铸坯凸弧侧102施加激振力，实验的激振力作用位置、作用时间间隔和提供冲击功大小如表4所示。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，实施例具体参数及结果如表4所示。
表4
本实施例连铸坯100的铸坯凸弧侧102施加激振力，促进了激振力迅速将能力传递至凝固前沿，促进了枝晶头的破裂和打碎，可以促进被打碎的枝晶头均匀的落在钢水中，并形成均匀的形核核心，促进了等轴晶的生长。
实施例5
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：在某钢厂板坯连铸机上进行试验，在2150×230断面板坯的连铸过程中，在连铸坯100的周侧施加激振力，周侧为非铸坯凹弧侧101或者铸坯凸弧侧102的位置，实验的激振力作用位置、作用时间间隔和提供冲击功大小如表5所示。浇铸结束后分析铸坯等轴晶率和负偏析情况，实施例具体参数及结果如表5所示。
表5
本实施例连铸坯100的周侧施加激振力，促进了激振力迅速将能力传递至凝固前沿，激振力促进了枝晶头的破裂和打碎，可以充分促进打碎的枝晶头落在钢水中，并形成均匀的形核核心，促进了等轴晶的生长。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。