坯尾在线保温装置及方法与流程

1.本发明涉及金属铸造加工技术领域，具体而言，涉及一种坯尾在线保温装置及方法。


背景技术：

2.立式半连铸是生产变形钢铸锭的方法，主要工艺是将金属液以一定的浇铸速度连续注入垂直放置的铸型结晶器中，待结晶器中的金属液冷却形成一定厚度的坯壳后，通过引锭装置缓慢将铸坯沿着垂直方向向下拉出，直到拉出计划生产的铸坯长度，再进入自然凝固阶段。但在自然凝固阶段中，铸坯的坯壳内部还盛有大量未凝固金属液，金属液通过铸坯不断向外界传热，铸坯顶部的金属液面逐步下降，金属液凝固前沿与铸坯的坯壳相互连接并向铸坯中心推进，自上而下形成一个圆锥形的缩孔，并在缩孔下方出现疏松等内部缺陷。
3.为了消除钢铸锭的缩孔和疏松等缺陷，本领域技术人员通常采用热顶结晶器技术，通过延缓结晶器弯月面处传热、减少瞬间热流值，降低初生坯壳强度，延缓弯月面处皮下钩状结构的长度和生长速度，从而提高铸坯的表面质量。但热顶结晶器技术在铸造铸坯中存在以下局限：首先，铸坯的铸造凝固时间通常达到10h以上，常用的热顶结晶器技术很难保证结晶器热顶内的钢水不凝固；其次，钢铸锭的立式半连铸工艺通常采用中间包长水口将钢液浇注于结晶器，再在结晶器下侧设置铸坯保温罩对拉出的大型铸坯进行保温，如果采用热顶结晶器技术，则需要在结晶器与中间包之间插入保温冒口装置，这会导致长水口的长度超过常规设计，导致浇注过程中出现浇道堵塞风险，影响浇注稳定性。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何提供一种适用于立式半连铸铸坯的保温、无需改变立式半连铸设备的结构和保温时间长的坯尾在线保温装置。
5.本发明提供一种坯尾在线保温装置，用于立式半连铸铸坯的保温，位于铸坯坯尾外侧、结晶器下侧和铸坯保温罩上侧，包括由上至下依次排布的坯尾固定机构、测温机构和加热机构，坯尾固定机构位于坯尾的末端，用于限定铸坯在拉坯方向上的位置，加热机构包括感应加热线圈和用于调节感应加热参数的感应加热控制器，感应加热线圈套设于坯尾外侧，用于在线感应加热坯尾，测温机构用于检测坯尾的坯壳温度，并将坯壳温度实时传送至感应加热控制器。
6.与现有技术相比，本发明通过在铸坯坯尾外侧设置加热机构，用于对坯尾进行加热，以降低坯尾内部金属液的凝固速度，有效消除铸坯的缩孔和疏松缺陷；另外，通过将加热机构限定为感应加热线圈，在集肤效应的作用下，对凝固坯壳加热效果较强，对铸坯内部金属液加热效果较弱，凝固坯壳起到保温冒口作用，可有效减缓铸坯在长时间凝固过程中内部金属液的凝固速度，也可以对坯尾进行长时间加热，延长坯尾保温时间，从而为铸坯芯部金属液补缩创造有利条件；再者，感应加热线圈设置在铸坯中部，避免了因铸坯内部金属
液的电磁搅拌现象而产生的卷渣风险；再者，通过采用测温机构对坯尾的坯壳温度进行检测，将坯壳温度传送至感应加热控制器，实时指导感应加热控制器调节感应加热参数，以满足坯尾保温需求并降低坯尾重熔风险；再者，在铸坯头部有引锭装置支撑的情况下，将坯尾固定机构安装在坯尾的末端位置，有效抑制铸坯晃动；再者，由于立式半连铸设备的结晶器与铸坯保温罩并不连接，因此只要调整结晶器与铸坯保温罩的相对位置，并将坯尾在线保温装置设置在它们中间，即可在不影响铸坯浇注的情况下对铸坯保温，无需改变立式半连铸设备的结构，装置适用性广。
7.作为优选，坯尾固定机构包括多个夹块和驱动夹块张开或闭合的夹持器，当多个夹块张开时，铸坯沿拉坯方向移动，当多个夹块闭合时，铸坯与坯尾固定机构保持相对固定。
8.作为优选，当多个夹块与铸坯相抵后，相邻两个夹块的相邻两端之间设有间隙。
9.作为优选，夹块内侧设有导热层，导热层的材质为石墨。
10.作为优选，感应加热线圈的内侧设有耐火保护内衬，感应加热线圈由铜管绕制而成，铜管外侧设有绝缘层，绝缘层由绝缘树脂内层和云母外层组成。
11.作为优选，当铸坯的固相线温度与坯壳温度差值小于设定值时，感应加热控制器用于减小感应加热电流、感应加热频率和感应加热时间中的一种或多种感应加热参数。
12.作为优选，坯尾在线保温装置还包括冷却机构，冷却机构位于坯尾固定机构下侧和测温机构上侧，用于冷却坯尾的末端。
13.作为优选，冷却机构包括多个气雾喷嘴，多个气雾喷嘴围绕铸坯外侧均匀设置，气雾喷嘴用于向坯尾的坯壳喷射水雾。
14.本发明还提供一种坯尾在线保温方法，使用任一前述的坯尾在线保温装置，包括以下步骤：
15.步骤s1，当铸坯结束拉坯阶段并进入静置自然凝固阶段时，将坯尾在线保温装置安装于铸坯坯尾外侧、结晶器下侧和铸坯保温罩上侧；
16.步骤s2，启动坯尾固定机构并夹持坯尾末端，以固定铸坯，然后控制感应加热控制器调节感应加热参数，对铸坯进行加热保温；
17.步骤s3，启动测温机构检测坯尾的坯壳温度，并将坯壳温度实时传递给感应加热控制器，当坯壳温度与铸坯的固相线温度差值小于设定值时，控制感应加热控制器减小感应加热电流、感应加热频率和感应加热时间中的一种或多种，以降低坯壳温度，使坯壳温度与铸坯的固相线温度差值大于设定值；
18.步骤s4，当铸坯完全凝固后，依次将感应加热参数调为零并关闭测温机构，再控制坯尾固定机构松开坯尾末端，然后通过引锭装置将铸坯沿拉坯方向拉坯，以对下一段坯尾在线保温。
19.与现有技术相比，本发明的坯尾在线保温方法，通过将坯尾在线保温装置集成于立式半连铸设备中的结晶器和铸坯保温罩之间，不影响拉坯阶段中的结晶器和浇注系统的正常工作，不改变结晶器、浇注系统和铸坯保温罩的常规结构设计，操作灵活度高；另外，通过在线保温方法对铸坯坯尾长时间在线加热保温，有效降低坯尾金属液的凝固速度、抑制宏观缩孔和提高铸坯的材料收得率；再者，本发明的坯尾在线保温方法简单易操作，无需复杂程序控制。
20.作为优选，坯尾在线保温装置的高度为铸坯的高度的5％-15％，夹块的厚度为25-50mm，感应加热线圈内侧的坯壳的厚度为50-200mm。
附图说明
21.图1为本发明实施例中坯尾在线保温装置的纵截面结构示意图；
22.图2为图1中坯尾固定机构处的横截面结构示意图；
23.图3为本发明实施例二中坯尾在线保温装置的保温效果示意图。
24.附图标记说明：
25.1、铸坯，100、坯尾，110、坯壳，2、结晶器，3、铸坯保温罩，4、坯尾固定机构，400、夹块，401、间隙，5、测温机构，6、加热机构，600、感应加热线圈，610、耐火保护内衬，7、冷却机构，8、金属液。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上侧”、“下侧”、“外侧”、“坯尾”、“头部”、“纵截面”、“横截面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。具体地，铸坯1上端的即为铸坯1坯尾100，铸坯1下端为铸坯1头部，铸坯1头部与引锭装置连接。
29.另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
30.此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机构连接；可以是直接连接，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.本发明实施例提供一种坯尾在线保温装置，用于立式半连铸铸坯1的保温，位于铸坯1坯尾100外侧、结晶器2下侧和铸坯保温罩3上侧，包括由上至下依次排布的坯尾固定机构4、测温机构5和加热机构6，坯尾固定机构4位于坯尾100的末端，用于限定铸坯1在拉坯方向上的位置，加热机构6包括感应加热线圈600和用于调节感应加热参数的感应加热控制
器，感应加热线圈600套设于坯尾100外侧，用于在线感应加热坯尾100，测温机构5用于检测坯尾100的坯壳温度，并将坯壳温度实时传送至感应加热控制器。与现有技术相比，本发明实施例通过在铸坯1坯尾100外侧设置加热机构6，用于对坯尾100进行加热，以降低坯尾100内部金属液8的凝固速度，有效消除铸坯1的缩孔和疏松缺陷；另外，通过将加热机构6限定为感应加热线圈600，在集肤效应的作用下，对凝固坯壳110加热效果较强，对铸坯1内部金属液8加热效果较弱，凝固坯壳110起到保温冒口作用，可有效减缓铸坯1在长时间凝固过程中内部金属液8的凝固速度，也可以对坯尾100进行长时间加热，延长坯尾100保温时间，从而为铸坯1芯部金属液8补缩创造有利条件；再者，感应加热线圈600设置在铸坯1中部，避免了因铸坯1内部金属液8的电磁搅拌现象而产生的卷渣风险；再者，通过采用测温机构5对坯尾100的坯壳温度进行检测，将坯壳温度传送至感应加热控制器，实时指导感应加热控制器调节感应加热参数，以满足坯尾100保温需求并降低坯尾100重熔风险；再者，在铸坯1头部有引锭装置支撑的情况下，将坯尾固定机构4安装在坯尾100的末端位置，有效抑制铸坯1晃动；再者，由于立式半连铸设备的结晶器2与铸坯保温罩3并不连接，因此只要调整结晶器2与铸坯保温罩3的相对位置，并将坯尾在线保温装置设置在它们中间，即可在不影响铸坯1浇注的情况下对铸坯1保温，无需改变立式半连铸设备的结构，装置适用性广。
33.作为一种改进方式，坯尾固定机构4包括多个夹块400和驱动夹块400张开或闭合的夹持器，当多个夹块400张开时，铸坯1沿拉坯方向移动，当多个夹块400闭合时，铸坯1与坯尾固定机构4保持相对固定。上述坯尾固定机构4通过可张开闭合的多个夹块400，实现坯尾固定机构4与铸坯1的相对移动或相对固定，通过夹持器使多个夹块400闭合时形成的夹持空间匹配铸坯1外形尺寸，避免多个夹块400与铸坯1之间出现空隙，进一步抑制铸坯1晃动并适应不同外形尺寸的铸坯1，可用于大截面铸坯1的静置凝固。具体地，夹块400内侧为半圆弧设计，铸坯1为圆柱结构，两个夹块400闭合后形成夹环，夹环的内径与铸坯1的横截面直径相同，两个半圆弧夹块400闭合时，可以完全环抱住铸坯1的坯尾100。
34.作为另一种改进方式，当多个夹块400与铸坯1相抵后，相邻两个夹块400的相邻两端之间设有间隙401。采用上述结构，可使多个夹块400闭合时形成的夹持空间大于铸坯1外形尺寸，避免出现多个夹块400之间相抵而夹块400与铸坯1不相抵的情形，以提升坯尾固定机构4的固定效果和适用性。
35.作为另一种改进方式，夹块400内侧设有导热层，导热层的材质为石墨。采用上述导热层，可快速将铸坯1的热量通过夹块400传递至外界，加快坯尾100坯壳110降温，防止坯尾100坯壳110重熔漏钢，同时将导热层的材质限定为非金属的石墨，可避免因导热层产生感应电流而降低导热层导热效率现象。这是因为在线圈感应磁场和集肤效应的影响下，坯壳110和金属液8的升温速度较快，而坯尾100的末端坯壳110厚度最薄，有重熔漏钢的风险，因此通过在夹块400内侧设置非金属导热层强化坯尾100末端的冷却，以抑制坯尾100末端的高温塑性变形。具体地，夹持器为水平移动式夹持器或回转机械式夹持器。
36.作为另一种改进方式，感应加热线圈600的内侧设有耐火保护内衬610，感应加热线圈600由铜管绕制而成，铜管外侧设有绝缘层，绝缘层由绝缘树脂内层和云母外层组成。上述结构中，在感应加热线圈600内侧设置耐火保护内衬610，能保护感应加热线圈600免受铸坯1坯壳110表面的长时间高温辐射影响，延长感应加热线圈600使用寿命；铜管宜采用管壁厚度均匀、管壁厚度大于5mm和纯度高于99.99％的t2优质冷挤制铜管，此种铜管密度好，
导热效率高；铜管外侧设置绝缘层能提升感应加热线圈600工作时的可靠性，绝缘层外层采用云母材料可以为铜管铜供极好的绝缘性、耐热性、抗酸碱腐蚀性和低热膨胀系数，内层采用树脂材料可以连接外层云母与铜管外壁，降低外层云母碎裂风险。
37.作为另一种改进方式，当铸坯1的固相线温度与坯壳温度差值小于设定值时，感应加热控制器用于减小感应加热电流、感应加热频率和感应加热时间中的一种或多种感应加热参数。由于感应加热的升温速度极快，如果不及时控制感应加热线圈600的功率和时间，很容易发生坯壳110重熔失稳的漏钢风险，本发明实施例利用测温机构5对坯尾100坯壳110测温，并将坯壳温度实时传送至感应加热控制器，以实时调节感应加热参数，当铸坯1的固相线温度与坯壳温度差值小于设定值时，即当坯壳温度超过设定阈值时，动态调节感应加热电流、感应加热频率和感应加热时间中的一种或多种，以降低坯壳110重熔或失稳的漏钢风险，设定值选取为200-400℃。对于具体的感应加热参数，当感应加热采用中低频电源时，一般将感应加热交流电频率设置在100-4000hz，以避免采用高频率交流电而导致集肤层深度减小、感应加热往外铸坯1坯壳110转移现象，保证铸坯1内部金属液8的加热效果；另外，在感应频率一定的情况下，电流强度与加热效果成正比，因此需要在保证坯壳110不熔化的前提下采用尽量大的感应加热线圈600电流，以提升感应加热效果，感应加热电流设置在1000a-10000a。
38.作为另一种改进方式，坯尾在线保温装置还包括冷却机构7，冷却机构7位于坯尾固定机构4下侧和测温机构5上侧，用于冷却坯尾100的末端。通过在坯尾固定机构4下侧和测温机构5上侧设置冷却机构7，对坯尾100的末端进行强化冷却，进一步降低因感应加热引起的坯尾100的末端重熔风险。
39.作为另一种改进方式，冷却机构7包括多个气雾喷嘴，多个气雾喷嘴围绕铸坯1外侧均匀设置，气雾喷嘴用于向坯尾100的坯壳110喷射水雾。采用上述气雾喷嘴，可以较温和地冷却坯尾100，减少因凝固速度过快而在坯尾100内部产生的应力。为了提升坯尾在线保温装置的一体性，可将相对应的气雾喷嘴与夹块400集成一体。
40.本发明实施例还提供一种坯尾在线保温方法，使用任一前述的坯尾在线保温装置，包括以下步骤：
41.步骤s1，当铸坯1结束拉坯阶段并进入静置自然凝固阶段时，将坯尾在线保温装置安装于铸坯1坯尾100外侧、结晶器2下侧和铸坯保温罩3上侧；
42.步骤s2，启动坯尾固定机构4并夹持坯尾100末端，以固定铸坯1，然后控制感应加热控制器调节感应加热参数，对铸坯1进行加热保温；
43.步骤s3，启动测温机构5检测坯尾100的坯壳温度，并将坯壳温度实时传递给感应加热控制器，当坯壳温度与铸坯1的固相线温度差值小于设定值时，控制感应加热控制器减小感应加热电流、感应加热频率和感应加热时间中的一种或多种，以降低坯壳温度，使坯壳温度与铸坯1的固相线温度差值大于设定值；
44.步骤s4，当铸坯1完全凝固后，依次将感应加热参数调为零并关闭测温机构5，再控制坯尾固定机构4松开坯尾100末端，然后通过引锭装置将铸坯1沿拉坯方向拉坯，以对下一段坯尾100在线保温。
45.与现有技术相比，本发明实施例的坯尾在线保温方法，通过将坯尾在线保温装置集成于立式半连铸设备中的结晶器2和铸坯保温罩3之间，不影响拉坯阶段中的结晶器2和
浇注系统的正常工作，不改变结晶器2、浇注系统和铸坯保温罩3的常规结构设计，操作灵活度高；另外，通过在线保温方法对铸坯1坯尾100长时间在线加热保温，有效降低坯尾100金属液8的凝固速度、抑制宏观缩孔和提高铸坯1的材料收得率；再者，本发明实施例的坯尾在线保温方法简单易操作，无需复杂程序控制。
46.作为另一种改进方式，坯尾在线保温装置的高度为铸坯1的高度的5％-15％，夹块400的厚度为25-50mm，感应加热线圈600内侧的坯壳110的厚度为50-200mm。上述坯尾在线保温装置的高度根据铸坯1内金属液8的组分、凝固速度和铸坯1尺寸确定，以使坯尾在线保温装置达到最佳的保温效果；夹块400厚度根据拉坯速度和铸坯1的高度确定，拉坯速度越大，铸坯1的高度越大，夹块400厚度要求越大，以防止铸坯1晃动；在开启坯尾在线保温装置前，被感应加热部位的内侧坯壳110必须形成一定厚度的凝固坯壳110，以确保坯尾感应加热的操作安全性，具体凝固坯壳110厚度根据钢种的高温强度确定。
47.实施例一
48.以立式半连铸工艺制备长度12.5m的大圆坯钢锭为例，介绍坯尾在线保温装置，如图1-2所示，坯尾在线保温装置用于立式半连铸铸坯1的保温，位于铸坯1坯尾100外侧、结晶器2下侧和铸坯保温罩3上侧，包括由上至下依次排布的坯尾固定机构4、红外线测温装置、感应加热线圈600、感应加热控制器、耐火保护内衬610和气雾喷嘴。其中坯尾固定机构4包括由两个半圆弧形的夹块400组成的夹环和驱动夹块400张开或闭合的夹持器，夹环能够完全环抱住铸坯1，两个夹块400之间设有间隙，坯尾固定机构4安装在坯尾100的末端，即在铸坯1竖立状态下的最顶部，该位置的坯壳110最薄，因此，坯尾固定机构4起到防止铸坯1重熔、抑制高温变形和固定铸坯1的作用。气雾喷嘴设于坯尾固定机构4下方，并围绕铸坯1布置，起到进一步强化坯尾100的末端对流冷却效果，以避免坯壳110重熔。感应加热线圈600设于气雾喷嘴下侧，该位置在在结束拉坯后已经形成较厚的凝固坯壳110，被感应加热的凝固坯壳110起到了保温冒口的作用，同时可以有效避免电磁搅拌作用导致的液面卷渣。感应加热线圈600的内侧设有耐火保护内衬610，以保护感应加热线圈600不被凝固坯壳110表面的长时间高温辐射影响，延长感应加热线圈600的使用寿命；感应加热线圈600由铜管绕制而成，铜管宜采用管壁厚度均匀、管壁厚度大于5mm和纯度高于99.99％的t2优质冷挤制铜管，此种铜管密度好，导热效率高。红外线测温装置设于感应加热线圈600与气雾喷嘴之间，用于感应加热线圈600范围内的坯壳温度，当坯壳温度与铸坯1的固相线温度的差值超过300℃阈值时，感应加热控制器动态调节感应加热参数，以降低坯壳温度。另外，将坯尾在线保温装置的高度控制在铸坯1总高度的5％-15％，即1.0m，将夹块400的厚度控制在35mm。
49.本实施例中的坯尾在线保温方法，包括以下步骤：
50.步骤s1，当铸坯1结束拉坯阶段并进入静置自然凝固阶段时，将坯尾在线保温装置安装于厚度控制为150mm的铸坯1坯尾100外侧、结晶器2下侧和铸坯保温罩3上侧，以确保坯尾100感应加热操作的安全性；
51.步骤s2，启动夹持器并驱动两个夹块400闭合，夹持坯尾100末端，并固定铸坯1，再启动气雾喷嘴对坯尾100末端喷射水雾，然后控制感应加热控制器调节感应加热参数，对铸坯1进行加热保温；
52.步骤s3，启动红外线测温装置对铸坯1坯壳110测温，并将坯壳温度实时传递给感
应加热控制器，当坯壳温度与铸坯1的固相线温度差值小于设定值时，感应加热控制器减小感应加热的频率和/或电流和/或时间，以降低坯壳温度，使坯壳温度与铸坯1的固相线温度差值大于300℃；
53.步骤s4，当铸坯1完全凝固后，依次关闭感应加热线圈600供电、关闭气雾喷嘴、红外线测温装置，再通过夹持器控制两个夹块400张开，然后通过引锭装置将铸坯1沿拉坯方向拉坯，以对下一段坯尾100在线加热保温。
54.实施例二
55.本实施例以转子钢26nicrmov14-7为例，采用有限元分析方法对实施例一的坯尾在线保温装置及方法进行仿真计算，具体仿真参数为：大圆坯直径坯尾100端模拟高度1.5m，线圈高度为1.3m，缩孔内钢水的初始温度为1490℃，坯壳110初始温度为1000℃，坯壳110表面辐射换热系数为0.8，感应线圈的频率为1000hz、电流强度为4000a，模拟时间300s。结果如图3所示，在4000a、1000hz的感应加热参数控制下，300s后凝固坯壳110的温度有明显的上升，进而有效减缓坯尾100内部钢水的降温速度，证明了坯尾在线保温装置及方法的有效性和可行性。
56.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。