本发明涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域，尤其涉及一种微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备及工艺。
背景技术：
薄板坯连铸连轧工艺开发于上世纪80年代末、90年代初，是一种全新的短流程带钢生产新工艺，显著区别于目前传统带钢生产工艺，具有显著节能、高产品合格率、生产工艺简化、产线简短、产品生产周期短等优点，近年来发展十分迅速。
薄板坯生产节奏紧凑，若铸坯生产过程产生表面裂纹，由于所生产的铸坯无法下线表面清理，其后续连轧产品将产生显著表面质量缺陷。尤其需要指出的是，薄板坯在连铸生产含nb、b、al等微合金钢过程，受该类钢高温凝固特性及后续铸坯生产过程热/力学行为作用影响，铸坯生产过程呈现出高表面裂纹敏感性，铸坯边角部频发严重裂纹，进而引发其后连轧卷板边部产生“烂边”、“掉块”等严重质量缺陷，备受行业关注。
为了有效消除微合金钢薄板坯连铸过程边角裂纹缺陷，申请号为201020149011.3的实用新型专利，公布了一种工作面为内凹弧面结构、冷却水槽横截面中心直线排布的薄板坯连铸机结晶器窄面铜板结构。其通过使用该结晶器结构，铸坯在结晶器内凝固过程角部形成钝角化角部结构并远离结晶器冷却水槽，铸坯在结晶器内凝固以及后续连铸生产过程矫直等区的角部温度均显著提高，从而避开钢的第三脆性温度区，减少铸坯角部裂纹产生。申请号为201120089500.9的实用新型专利，公布了一种用于薄板坯连铸的倒角结晶器窄面铜板，其通过角部区域弧形面结构设计，倒除了薄板坯直角结构，铸坯角部在弯曲与矫直等过程的温度显著提高，降低了薄板坯边角部裂纹产生。申请号为200720089029.7的实用新型专利，同样公布了一种类似的角部区域圆弧形曲面结构的窄面结晶器，其铸坯角部裂纹控制原理与申请号为201120089500.9的实用新型专利类似。近期，申请号为201710511057.1的发明专利，公布了一种控制csp含铌低合金钢边裂的方法。其主要通过控制钢水成分、中间包精准化保护浇铸、连铸二冷弯曲辊内弧增加“t”型排水槽、以及轧制过程加热温度及压下量等控制，降低含铌低合金钢边裂纹产生。
此外，题目为“csp热轧板卷边部裂纹成因及控制”的学术论文公布了一种通过控制钢水碳与氮等含量、优化结晶器振动参数及二冷配水工艺等措施，降低微合金钢薄板坯角部裂纹产生；题目为“薄板坯角横裂成因分析”的学术论文提出采用提高薄板坯温度和降低氮含量两种措施来防止角横裂的发生；题目为“csp连铸薄板坯边裂成因与控制”的学术论文，提出通过降低钢中cu、n成分含量并避开包晶范围、降低二冷配水并增加交叉扇形段喷淋挡水板、优化保护渣物性等方法控制微合金钢边角裂纹产生。
近年来，经对微合金钢连铸坯高温凝固特性深入检测及薄板坯连铸生产过程铸坯受力行为系统分析，已明确造成微合金钢薄板坯角部裂纹产生的关键因素是铸坯边角组织高温凝固过程冷却速度不足，造成微合金碳氮化物沿其组织晶界呈链状集中析出，致使铸坯角部组织晶界脆化。与此同时，由于薄板坯连铸拉速高，铸坯在格栅、扇形1段等二冷区域的冷却强度大，造成了进入扇形1段的铸坯边角部温度在液芯大变形压下过程过低，铸坯边角部本已脆化的组织在集中应力作用下产生严重开裂。因此，高速冷却微合金钢薄板坯角部高温凝固过程组织，弥散化其微合金碳氮化物于组织晶内析出，提高铸坯边角部组织塑性，同时适当提高铸坯进入液芯压段的边角部温度并降低其受力，是解决微合金钢薄板坯边角部裂纹频发的根本途径。
而从上述当前已公布的微合金钢薄板坯边角裂纹控制方法可以看出，其多基于钢的第三脆性温度区原理，通过钝化结晶器角部结构设计或开发铸流二冷弱冷配水技术(包括导水方法)提高铸坯角部过矫直等区的温度，降低铸坯角部裂纹产生，或通过控制钢水成分与保护浇铸，降低钢中的微合金和氮含量，从而减少微合金碳氮化物在铸坯组织晶界的析出量，其均不是从微合金薄板坯边角裂纹产生的根本机理出发，实际实施过程裂纹控制效果并不十分理想。与此同时，窄成分控制钢水成分或降低钢中氮等成分，在实际炼钢等实施过程难度大，且难以稳定控制。因此，目前国内外各薄板坯产线均未能全面控制其微合金钢铸坯裂纹产生。
在实际含nb、b、al等微合金钢连铸生产过程中，其碳氮化物在晶界、位错、均质等形核方式下的析出温度多集中于730℃～1120℃区间，而该温度区间的铸坯角部贯穿于连铸坯生产全流程，即结晶器、足辊区、格栅区、扇形1～3段以及弯曲和矫直区。详究薄板坯铸流凝固传热特点，并结合微合金钢碳氮化物析出动力学，若能在结晶器与足辊等区内实现铸坯角部快速冷却，使其在进入格栅区前边角部温度降至700℃以下(使铸坯边角部皮下10mm范围温度均降至＜730℃)，则可使铸坯边角部微合金碳氮化物于组织晶内弥散化析出，从而解决微合金钢薄板坯连铸过程微合金碳氮化物沿边角部组织晶界集中析出脆化晶界的难题。在上述强控冷措施基础上，若能通过结晶器边角结构设计，使铸坯边角部凝固形成有助于铸坯窄面金属在液芯压下过程向侧弧方向流动的形状，同时减缓铸坯在格栅区和扇形1段内的整体冷却水平，提高铸坯角部进入液芯压下段的温度，则可有望大幅降低铸坯在液芯压下过程的边角部应力，从而全面从根本上控制微合金钢铸坯边角裂纹产生。
因此，结合实际微合金钢高温凝固特点及薄板坯连铸生产工艺与装备，开发一种可从根本上稳定消除微合金钢薄板坯连铸过程边角裂纹产生的工艺及其配套装备，对实现微合金钢薄板坯高质、高效与绿色化生产具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备及工艺，可稳定实现铸坯边角部组织微合金碳氮化物弥散化析出，自身强化铸坯边角部组织，同时促进铸坯液芯大变形压下过程窄面金属向侧弧流动，降低铸坯边角部应力，“治本”控制微合金钢薄板坯边角部裂纹产生。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备，该装备包括二冷配水系统、结晶器和结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统；
其中，铸坯宽面的二冷配水系统采用原有基于目标表面温度控制的二冷配水系统；
所述结晶器为角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器，其窄面铜板的内表面工作面横向自上而下均为以其横向宽度中心线对称的高斯凹形曲线结构，根据不同薄板坯断面厚度，所述高斯凹形曲线结构的曲线峰值点到结晶器窄面铜板对应高度下工作面侧的两个角部连线的垂直距离值为4.5mm～10.0mm；
所述结晶器窄面铜板的内表面工作面沿高度方向为迎合铸坯窄面沿宽面中心方向凝固收缩特性的连续变化曲线形结构；所述窄面铜板的背面侧及两个侧面均为直线结构；
所述结晶器窄面铜板的冷却水槽为圆形结构，且沿结晶器高度方向呈竖直状分布，靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0～1.2倍，水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定；各水槽的横截面中心的连线整体呈凹向窄面铜板工作面的高斯曲线结构，并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布；其中，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到窄面铜板工作面的距离为20mm～30mm；最靠近窄面铜板侧面的水槽距离窄面铜板对应侧面5.0mm～10.0mm，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离变化范围为2.0mm～10.0mm；其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿铜板宽度方向等间距分布；
所述结晶器窄面铜板为上口宽下口窄结构，根据所连铸生产的铸坯厚度，窄面铜板的上口与下口的宽度差为0.2mm～1.0mm，由上口沿高度方向线性减小至下口；窄面铜板厚度越大，其上口与下口宽度差越大；窄面铜板上口与下口的厚度相同，窄面铜板高度方向上的中部区域厚度为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值；
所述结晶器窄面铜板的高度范围为900mm～1300mm；
所述角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器，适用于断面厚度为50mm～135mm的所有薄板坯连铸，其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可；
所述结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统，包括新增供水管路、新增强喷淋架以及强冷却配水控制系统；
所述新增供水管路的基本设计参数如下：
①管道水压：送至新增强喷淋架的水压力为0.3mpa～1.0mpa；
②管路流量：管路供水能力为500l/min～800l/min；
③根据管道压力及流量要求，配备配套的管路流量计及远程可控调节阀；
所述新增强喷淋架，固定于所述角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器窄面铜板的正下方，并与所述新增供水管路相连接；所述新增强喷淋架的长度为结晶器出口至格栅区入口；所述新增强喷淋架的喷嘴为圆锥形实心喷嘴或方形实心喷嘴，采用气雾冷却或纯水冷却方式，正对铸坯内弧和外弧角部强喷淋，根据铸坯厚度断面变化，保证铸坯角部的强喷淋冷却作用范围从距离角部点30mm变化至75mm；各喷嘴末端延长线与铸坯角部间的距离为50mm～150mm；喷嘴的喷射角度根据管道水压、喷嘴与铸坯角部间的距离综合确定选择为30°～90°；喷嘴的个数由喷嘴的喷射角度及喷淋架的长度共同决定，各朝向的喷嘴沿高度方向等间距布置；喷嘴最大流量由其喷射角度与铸坯角部最大冷却强度所需的最大水流密度共同决定；
所述强冷却配水控制系统，独立于薄板坯连铸机现有的二冷配水控制系统，并采用基于钢种类别、与拉速相关联的水表控制策略进行动态控制，即根据所生产钢种选择相应的水表，进而根据当前水表及相应连铸拉速下发相应的冷却水量，协同薄板坯连铸机现有二冷配水系统宽面足辊区强喷淋配水，动态控制足辊区内铸坯角部的冷却。
另一方面，本发明还提供一种微合金钢薄板坯边角裂纹控制工艺，采用上述微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备实现，具体包括以下内容：
所述的微合金钢薄板坯边角裂纹控制工艺，其结晶器采用上述微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备中的角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器，调节该结晶器宽面与窄面冷却水流量，满足铸坯角部点在结晶器内的冷却速度全程稳定大于5.0℃/s的条件；
所述结晶器宽面足辊区立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用整体增强冷却工艺进行动态配水，协同结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统的配水工艺，控制铸坯角部进格栅区的温度降至700℃以下，并保证铸坯角部在格栅区内的平均冷却速度达到20℃/s～35℃/s；
铸坯在格栅区内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯进入扇形i段的角部温度满足回温至大于860℃的条件；
铸坯在扇形i段内立足于薄板坯现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺进行动态配水，控制铸坯出扇形i段的角部温度满足回温至大于920℃的条件；
铸坯出扇形i段后，其后续二冷各区均采用薄板坯传统控冷工艺。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备与工艺，其角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器可充分补偿铸坯在结晶器内的凝固收缩、大幅增加铸坯边角部冷却速度，细化铸坯角部初凝组织晶粒并弥散化微合金碳氮化物高温端析出；同时，铸坯二冷足辊区角部强冷却则可进一步弥散化微合金碳氮化物低温端析出，提高铸坯角部组织塑性，解决传统微合金钢薄板坯连铸生产过程边角部生成脆性组织的难题；与此同时，采用该结晶器所生产的连铸坯，其窄面为高斯弧形结构，高效促进铸坯液芯大变形压下过程窄面金属向侧弧流动，降低铸坯边角部应力，从而全面“治本”控制微合金钢薄板坯边角部裂纹产生。
附图说明
图1为本发明实施例提供的薄板坯角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器的窄面铜板立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的结晶器窄面铜板上口或下口结构示意图；
图3为本发明实施例提供的薄板坯新增强喷淋架示意图。
图中：1、结晶器窄面高斯凹形曲面；2、结晶器窄面冷却水槽；3、结晶器窄面铜板上口；4、结晶器窄面铜板下口；5、窄面铜板侧面；6、新增强喷淋架；7、铸坯角部。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下面结合附图对一种csp以4.0m/min连铸拉速生产出结晶器厚度为90mm的ss400-b钢薄板坯实施例做进一步说明。
本实施例中微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备，包括二冷配水系统、结晶器和结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统。其中，铸坯宽面的二冷配水系统采用原有基于目标表面温度控制的二冷配水系统。所采用的结晶器为角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器，其窄面铜板的结构如图1和图2所示，其中，1表示结晶器窄面高斯凹形曲面即内表面工作面，2表示结晶器窄面冷却水槽，3表示结晶器窄面铜板上口，4表示结晶器窄面铜板下口，5表示窄面铜板其中一个侧面，6、表示新增强喷淋架，7表示铸坯角部，l1表示结晶器窄面铜板高度，l2表示结晶器窄面铜板上口宽度，l3表示结晶器窄面铜板下口宽度，c1表示结晶器窄面工作面沿高度方向的分布曲线，c2表示结晶器窄面工作面横向高斯凹形曲线，l4表示窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到窄面铜板工作面的距离，l5表示结晶器窄面铜板最靠近侧面水槽与窄面铜板侧面的距离，l6表示结晶器窄面铜板上口或下口厚度，l7表示工作面横向高斯曲线峰值点到该窄面铜板对应高度工作面侧的两个角部连线的垂直距离，δl表示窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离。该结晶器窄面铜板高度l1为1100mm，呈上口宽下口窄结构，结晶器下口宽度为90mm，上口3与下口4的宽度差l2-l3为0.2mm，由上口3沿结晶器高度方向线性减小至下口4；在结晶器窄面铜板厚度方向上，设计窄面铜板上口3的厚度l6与下口4的厚度相同，均为60mm。沿高度方向曲线分布选择为表1所示高效迎合铸坯窄面沿宽面中心方向凝固收缩特性的曲线c1，窄面铜板高度方向中部区域的厚度为上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的分布曲线c1值。
表1薄板坯窄面铜板工作面沿高度方向曲线值
本实施例中，结晶器窄面铜板的内表面工作面横向高斯凹形曲线c2选择为分布函数
窄面铜板背面侧及两侧面5均为直线结构。
本实施例中，为了加速结晶器角部冷却速度，结晶器窄面铜板的冷却水槽2为圆形结构，共设计4个水槽，均沿结晶器高度方向竖直贯通分布；各水槽横截面中心的连线整体呈凹向工作面1的高斯曲线结构，且以窄面铜板横向宽度中心线对称分布，高斯曲线分布函数为
为了加强铸坯在足辊区内外弧角部冷却，在结晶器窄面铜板的正下方安装新增强喷淋系统。在本实施例中，所述的结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统，包括新增供水管路、新增强喷淋架6以及强冷却配水控制系统。其中，新增供水管路基本设计参数如下：
①管道水压：送至新增强喷淋架6的水压力为0.8mpa；
②管路流量：管道供水能力为600l/min；
③配备配套有效量程为800l/min的管路流量计及远程可控的气动薄膜调节阀(气关式)。
在本实施例中，所述的新增强喷淋架6固定于结晶器窄面铜板正下方，并与新增供水管路固定连接。新增强喷淋架6的长度为结晶器出口至格栅区入口。新增强喷淋架6对铸坯角部7进行强喷淋冷却的使用效果示意图如图3所示。新增强喷淋架6的喷嘴选为喷射角60°的圆锥形实心纯水喷淋喷嘴，喷嘴最大流量在0.8mpa水压下达28l/min。喷嘴以由上至下内外弧交错排布的方式正对铸坯内弧和外弧窄面角部布置，铸坯一侧窄面共8个喷嘴，4个朝向铸坯内弧角部，4个朝向铸坯外弧角部，各喷嘴沿高度方向等间距分布，且其末端延长线与对应铸坯角部间的距离l8为70mm，保证铸坯窄面角部强喷淋覆盖范围为从角部点到距离角部点45mm的范围内。具体实施中，铸坯窄面角部强喷淋覆盖范围根据铸坯厚度断面的变化，从角部点到距离角部30mm，到从角部点到距离角部75mm的范围之间变化。
所述的结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统，其强冷却配水控制系统独立于csp现有二冷配水控制系统，采用基于钢种类别、与拉速相关联的水表控制策略进行控制，即不同钢种及其不同拉速下对应的下发水量以水表形式存储于数据库中，系统根据所生产的钢种，选择相应的水表，有配水控制系统自动匹配当前连铸拉速，下发相应的冷却水量，协同csp原有基于目标表面温度控制的宽面足辊区强喷淋配水，动态控制足辊区内铸坯角部的冷却。例如，在本实施例中，基于上述结晶器角部高效传热高斯凹形窄面铜板结晶器基础上，设定结晶器宽面足辊区宽面表面中心温度为965℃、结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统400l/min水量，则可实现ss400-b钢铸坯角部进格栅区的温度降至700℃以下、平均冷却速度达24℃/s以上。
一种微合金钢薄板坯边角裂纹控制工艺，采用上述微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备实现。在本实施例中，采用上述所述微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备中的角部高效传热窄面高斯凹形曲面结晶器，并使用原结晶器宽面与窄面冷却水量即可保证铸坯角部冷却速度全程稳定大于10℃/s。
本实施例中，基于上述结晶器角部高效传热高斯凹形窄面铜板结晶器，立足于csp现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用铸坯宽面整体强冷却配水工艺，设定结晶器宽面足辊区宽面表面中心温度为965℃、结晶器窄面足辊区新增强喷淋系统下发400l/min水量，则可实现ss400-b钢铸坯角部进格栅区的温度降至700℃以下、平均冷却速度达24℃/s以上。
在本实施例中，在上述控冷基础上，铸坯在格栅区内立足于csp现有的基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺，设定格栅区的铸坯宽面中心目标表面温度1033℃，可保证铸坯进入扇形i段的角部温度满足回温至大于860℃的条件。
在本实施例中，铸坯在扇形i段内的冷却，立足于csp现有基于目标表面温度控制的二冷配水系统，采用宽面整体缓冷却配水工艺，设定扇形i段的铸坯宽面中心目标表面温度1054℃，可保证铸坯出扇形i段的角部温度满足回温至大于920℃。铸坯出扇形i段后，其后续二冷各区均采用薄板坯传统控冷工艺。
通过上述微合金钢薄板坯边角裂纹控制装备与控制工艺，可稳定实现csp生产ss400-b钢薄板坯边角部组织bn弥散化析出，自身强化铸坯边角部组织，同时促进铸坯液芯大变形压下过程窄面金属向侧弧流动，降低铸坯边角部应力，“治本”控制薄板坯边角部裂纹产生。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。