金属，尤其是钢的弧形连铸方法与设备的制作方法

专利名称:金属，尤其是钢的弧形连铸方法与设备的制作方法
本发明涉及的是金属、尤其是钢的弧形连铸方法和设备以及专有方法的应用。即将在弧形模内强制冷却的铸坯进行回弯。采用这种方法时，金属熔液由置于弧形连铸结晶器上方的中间罐流入弧形连铸结晶器并且调节金属液面。此间，金属液面大大低于水平面通过振动中心点，并且金属熔液在金属液面下导入弧形连铸结晶器。
在连续浇铸金属，尤其是钢时，随着连铸设备结构高度的增加，介于辊间的铸坯外壳易于出现鼓肚，而且这种趋向与辊对上方金属柱的静压力有关。
在降低连铸设备结构高度的情况下，铸坯组织的纯净度趋于下降，而且使回弯变形增大。
垂直设备要求的结构高度最高，不过使用这种设备不会出现上述缺点。但垂直设备的结构高度通常是不受欢迎的。
然而，降低垂直设备的结构高度会出现上述缺点。这里所指的是降低了结构高度的垂直设备、圆弧形设备和椭圆形设备。此外，在水平连铸设备上还有其它情况。
现有的设备类型同影响钢材质量的纯净度有着特殊的关系(宏观夹杂)。各种类型设备的发展都从根本上考虑到在降低其结构高度的情况下纯净度会下降的问题，从而导致产生下列主要类型设备a)、分别视铸坯厚度而选定半径介于10至15米的圆弧形设备。
b)有两个弯曲的垂直弯曲设备，一个是8至10m圆弧构成的弯曲区和一个是深入水平面的回弯区。
a)和b)所述类型设备代表了当前的发展水平，即铸坯质量达到最佳技术水平，用连续浇铸生产的金属，尤其是钢的继续加工成本达到最低值。
在继续发展连铸过程中，通过在“钢包冶金”和“连铸工艺技术”范畴内开发新工艺技术使“纯净度”问题得到改善。
在钢包冶金方面，达到了较高的纯净度(例如脱硫)，在连铸工艺技术方面，采用浸入式水口吹气(西德公开说明书DE-OS3149399)的结果导致产生没有宏观夹杂的连铸坯料。按连铸技术现状，可在较低结构高度的椭圆弧形设备上铸出无宏观氧化物夹杂的钢铸坯。因此，由这些技术看出，可以降低正考虑采用的连铸设备的结构高度。
然而，降低弧形结构体系设备的结构高度将会带来严重缺点，铸坯不得不承受较高的总内部变形及较高的总外部变形负荷，同时必须计算并累加上原始半径延伸到水平面的圆弧的弯曲力。
在这种情况下，在弯曲点上产生很多危险点。回弯中断面的变化也是不利的。
大家知道(瑞士书CH-PS403172)，在弧形连铸时使金属液面保持在通过弧形连铸结晶器曲率中心的水平面下方。在这种情况下，可以认为浇铸问题仍未解决，因为无论倾斜自由浇铸、电感作用的自由浇铸、还是在扩大连铸结晶器入口情况下垂直自由浇铸，均未在连铸结晶器的铸区内造成适用的温度分布。
在重视特殊钢包冶金及特殊浸入式水口技术的前提下，降低圆弧形设备和椭圆弧形设备的结构高度并同时解决浇铸问题的任务作为本发明的基础。
所提出的任务在工艺上是这样完成的即弧形连铸结晶器置于水平面下10°至30°时，金属熔液经浸入式水口导入铸区的铸坯芯中并且在铸区以均匀的流动断面分布在浇铸断面上。本方法的优点与二次冷却和浸入式水口技术有关。在二次冷却时，需要少量的水，在本方法中出现薄板用的喷射平面接近厚板喷射平面的情况，因此，有可能完全放弃喷水二次冷却。缩小浸入式水口断面涉及到用浸入式水口或带喷粉的插管浇铸较小厚度(小于140mm)和较小尺寸(小于140mm的方截面或圆截面)的板坯、大方坯、小方坯和圆坯。今后可以不超出所谓“标准设备”的现有结构高度，这种标准设备使铸坯质量达到最佳技术水平，使转化成本(连铸)达到最低值。目前，可制造结构高度很低的弧形设备和椭圆形设备。结构高度还决定于凝固时残余钢液填补缩孔所需的钢水静压。因此，熔液流速还必须大于凝固前沿的速度。众所周知，流速取决于钢水静压和钢液/晶体两相混合区中流动断面，而它又受凝固形式(树枝状或球状)影响。为此，作为材料常数以凝固形式为前提条件。用较低结构高度的设备连铸出“无宏观夹杂”钢的可能性导致为人所知的“标准设备”的结构高度朝着较低但又是最理想的方向发展。
其它有利作用来自铸坯固有的特征，如较个鼓肚，较小内部变形，较小内裂和较小中心疏松，来自均匀的铸坯表面温度，均匀的铸坯温度(断面上较小的温度梯度)，较小的散热，设备尾部铸坯能量储存较高(因此节能)，表面质量较好以及热装料条件较好(内部质量、表面质量和较高的热容量)。
由于有这些相当可观的优点，对一些找缺点的看法，例如认为这种设备需要较大基础，有时不妨承认。所有这些优点来自于弧形连铸结晶器设置在设备的圆弧形(椭圆形)区段上，而该段弧形的切线与金属液面不垂直。
金属熔液导入弧形连铸结晶器是一重要工艺步骤。因此，本发明的方法又得进一步发展。金属熔液从一个调好的固定高度沿铸坯芯方向导入弧形连铸结晶器。这种导入目的是形成对称的钢液流动以及对称的钢液渗透。
此外，沿这个方向金属熔液还在弧形轨道上向弧形连铸结晶器的铸坯芯导流。从此，产生平行于铸坯断面边长走向的铸波。
因此，从原则上讲，金属熔液以铸坯芯走向的诸分量方向或浇铸断面取向的流动方式导入弧形连铸结晶器是有益的。
此外，将金属熔液流动断面调整对称于铸坯芯(圆、方或大方坯的弧形走向对称轴)或中心平面(板坯的弧形走向对称面)也有利于克服导入金属熔液的困难。
从结构上确定，实施本发明方法的设备的形式尤其受下列情况影响位于由曲率中心与水平线或曲率中心与垂直线构成的扇形区内的弧形连铸结晶器，设置在与水平面呈约15°至约30°的角度范围内，而且借助一至少可调整高度的直的或弧形的浸入式水口导入金属熔液。
弧形连铸结晶器在设备中的位置设置在其切线与金属液面不垂直的圆弧形或弧形区段有多种优点辊架的总体设计思想允许采用较小辊径、较小辊距和没有分开的夹送辊以及对整个铸坯输送可采用统一的辊径。在连铸设备弧形段需要较少扇形件，另外只需几根横向导轨，从而需要少量结构钢。自然建成的厂房高度较低，因此吊车高度较低。此外，对整个铸坯输送，可选用统一类型的扇形件，从而使零件的维修和保养较为经济，此外，新型连铸设备导致机器部件和基础较小。
在安排本发明时规定，弧形浸入式水口可在置于弧形连铸结晶器上方的弧形轨道上移动和调整。因此，对这样一种浸入式水口不需要进行精确的调整。
通过将直的浸入式水口垂直和水平地调到铸坯芯上可以将直的浸入式水口精确地调到铸坯芯的高度。这种调整可能性甚至对位移很小的铸坯走向的内、外弧处的流动情况产生影响。当浸入式水口外面是直线、内面在下水口处靠近弧形走向并且在水口处与铸坯芯有一正切流向。这样做也有助于产生均匀的流动断面。
直的浸入式水口向铸坯芯的调整可能性也可通过下述方法实现直的浸入式水口同带有直的浸入式水口的中间罐一起调整。
本发明虽然建立在应用一种或几种上述工艺措施或特点的基础上，但不排除在这些特点之外还要利用全部连铸技术，只要它可用来降低连铸设备的高度，所以，本发明也可看作是把降低象硫、磷、硅诸如此类的多余金属杂质含量的钢包冶金方法以及避免在浸入式水口或浸入管区域氧化铝沉积的所谓浸入式水口吹气的方法应用于金属、尤其是钢的连铸。同时金属液面低于在弧形段振动的弧形连铸结晶器的曲率中心。这两种已知的方法同这种新方法的组合势必导致一种可生产无宏观夹杂铸坯，具有很低结构高度，但未达到水平连铸设备的结构高度的连铸设备。因采用本发明中的措施，所以，这种类型设备同水平连铸设备极其接近，而以冷却和组织形成而论，都与垂直或弧形设备相同。
在图中对比示出上述事实、技术状况和本发明，并在下面加以说明图1、示出已知的连铸设备的类型，图中附有钢水静压;
图2、示出已知同样连铸设备类型及其对铸坯质量(内部变形和纯净度)的影响;
图3、“钢包冶金”谱系示意图;
图4、“钢包精炼”同“钢包冶金与浸入式水口技术”相结合的成本对比图;
图5、本发明以C为标记的弧形连铸结晶器同已知A和B两种结晶器的位置对比;
图6～8 不同类型设备的对比;
图9、示出采用弧形浸入式水口按本发明制做的弧形连铸结晶器的垂直断面;
图10、示出采用直的浸入式水口按本发明制做的弧形连铸结晶器的垂直轴断面;
图11、浸入式水口设置在中间的板坯弧形连铸结晶器的俯视图;
图12、与图11的断面数据相对应的垂直部分断面图;
图12a、按图12绘制的浸入式水口在铸口高度的水平断面;
图13、弧形浸入式水口设置在中心的大钢坯弧形连铸结晶器的俯视图;
图14、按图13断面数据ⅩⅣ-ⅩⅣ绘制的浸入式水口的一部分断面图;
图14a、按图14绘制的铸口区浸入式水口的水平断面。
在图1中示出各种类型连铸设备与设备高度(钢水静压高度)的关系。图1中1～6的数字依次代表垂直设备垂直弯曲设备、圆弧形设备、椭圆弧形设备、较低高度的椭圆弧形设备以及尚待进一步研制的水平连铸设备。图1中绘出或可以看出设备的结构高度和钢水静压力由下到上逐次增高。示出的所有大家熟知类型的连铸设备1～6表明，随着设备结构高度的增加，辊间铸坯外壳有鼓肚趋势，随着设备结构高度的降低，纯净度有恶化，回弯变形有加大的趋势。
图1中所示和图2中以1～6同样数字表示的连铸设备类型具有下列共同特征连铸结晶器的位置是这样选择的，使金属液面垂直于设备圆弧的切线。
1～5型连铸设备迄今对钢的纯净度(宏观夹杂)产生巨大影响。这种关系以及由钢水静压引起的鼓肚变形导致产生两种主要设备类型-圆弧形连铸设备(数字3)，分别视铸坯厚度，半径介于10至15m之间。
-垂直弯曲设备(数字2)，有两个弯曲区，-由8到10m的圆弧形弯曲区;
-延向水平线的回弯区。
迄今，这两种类型的连铸设备使连铸坯质量达到技术上最佳水平，使连铸材料通过轧制的转化成本达到最低值。
正如由图2中可清楚地看出的，“纯净度/内部质量”和“宏观夹杂/内部变形”曲线在“a”点分开，在连铸设备类型3情况下，“a”点相距甚近，而“纯净度/内部质量”曲线的最低值均位于b”点附近，换言之，位于用数字5表示的设备类型。
因此，从连铸类型上将3和5型结合起来，从理论上看可能是一种最佳解决方案，但由于弧的走向形式相矛盾，因此不可能实现。换言之，“a”和“b”点的特征不能相互结合。
图3以谱系图示法说明了为使连铸坯获得高纯净度和内部质量所采取的工艺措施，因此一目了然。
图4示出连铸法浇铸的金属熔液(钢液)的钢包冶金处理与结合了浸入式水口技术的钢包冶金的对比情况，由此可知，在采用与浸入式水口技术相结合的钢包冶金情况下，所要求的设备费用只有原来投资成本的70～80%。
在图5中，用A表示垂直弯曲设备的原理，用B表示现有圆弧形或椭圆弧形连铸设备的原理，用C表示本发明的原理，也就是说，作为本发明的实施例示出一种采用倾斜弧形连铸结晶器的圆弧形连铸设备。按常规方式，弧形连铸结晶器的位置要么位于扇形半径R1的圆弧内，在此处半径R1和水平线重合在一起，要么在圆弧R1上述位置切线上向较高处平行位移一“h”量。这样，对A型连铸设备便得出结构高度H+h，对B型连铸设备便得出结构高度H。
与此相比较，结构高度H1＝R1-(R1×Sinα)，这里α为通过半径R1和金属液面高度H1之间切点的夹角，这是针对按本发明倾斜设置的弧形连铸结晶器的情况。最好在α≈15°到45°夹角范围内利用本发明的原理。
图6对应于A型连铸设备，图7对应于B型，图8对应于本发明型，即斜置弧形连铸结晶器型。图6和7中所示A型/圆弧形连铸设备或B型/椭圆弧形连铸设备的特点是结晶器位置为标准式(金属液面与切线呈直角)。这两种已有连铸设备的区别在于其结构高度和弯曲点数目不同。此处应当注意，按图6，弧形连铸结晶器中的逐渐回弯发生在浇铸铸坯的圆周之内，而按图7，则发生更大的回弯，但具有设备结构高度H1较低的优点，此高度大体上与半径R2相应。
下表对照列出三种类型设备的特征R1 R2 R3 R4 JDR ADR Hm m m m 0A 10 - - - X Y 10 0B 5 6 10 15 X Y 5 0C 10 - - - X Y 5 30表中及下面出现的符号意为JDR＝内部变形之和ADR＝外部变形之和BD＝板坯厚度SD＝壳层厚度RA＝外半径上表同图6、7和8清楚地表明，采用倾角α＝30°可以获得 1/2 设备高度H和10m圆弧形设备(A型连铸设备)的变形。
对于可按下列方程式JDR＝ (BD-2×SD)/(RA-BD×SD) 内部变形
ADR=50RABD-1外部变形]]>计算出的变形，在椭圆弧形设备指的是累积变形，也就是指总变形。
如果设备的绝对高度H以m为单位，在半径R＝10m的圆弧形设备中与倾角α有关的设备高度用百分数表示，则产生下述关系用30°角便可获得 1/2 R的设备高度。角α＝45°导致稍低于30%R的设备高度(相当于3m的设备高度)本发明的另一种实施例在于圆弧形设备和椭圆弧形设备相结合。这种结合的结果是，在将钢水往弧形连铸结晶器浇铸时产生的问题与铸坯厚度变形问题之间找到最佳解决方案，而且得到最佳设备高度以及在矫直过程中获得尽可能低的变形把图7和8两种连铸设备结合起来，为达到最佳连铸设备高度提供了最大变化可能性。这种结合还有下列优点采用倾斜式圆弧形连铸结晶器在获得更多变形步骤方面取得自由度，从而能在连铸质量、投资成本和运行成本方面改进连铸的转变步骤。可以降低生产连铸坯料及其在轧制转化时的总成本。
如前所述，本发明是以向弧形连铸结晶器中浇铸的一种特殊浇铸技术为基础的，其前提是采用一种倾斜的弧形连铸结晶器7(作为圆弧形连铸弧形结晶器实施的，图8、9和10)，这种结晶器在半径R振动。同时，弧形连铸结晶器7位于扇形8中，曲率中心-水平线9和垂直线10为其边界，角的范围α＝15°到最大45°(与水平线夹角)。金属熔液11形成浇铸液面12。特殊浇铸技术在于，借助至少可以调整高度的直的浸入式水口13(图10)或借助弧形浸入式水口14(图9)将金属熔液11很好地导入弧形连铸结晶器中，使浸入管或浸入式水口处出现的流动断面对称于铸坯芯15或中心面。在这种情况下，铸坯芯15，对于圆坯和方坯相应于弧形走向的对称轴，对于板坯(矩形断面)相应于弧形走向的对称平面。直的浸入式水口13在高度调整上具有活动自由，因为出水口13a必须位于圆弧中间(对称平面)。而弧形浸入式水口14是根据弧形连铸设备半径R制造的，因此可以在弧形连铸结晶器7的圆弧上移动。
弧形连铸结晶器7的上侧7a可以设计成水平的，但由于制造方面的原因，弧形连铸结晶器7的下侧7b也设计成与其上侧平行的，也就是说在水平面下另一方面，为了在由弧形连铸结晶器出来时支撑铸坯，还计划按图5把弧形连铸结晶器7设计成与曲率中心有一相应夹角。
对弧形浸入式水口14也规定采用相应装置，同时，浸入式水口14可在弧形连铸结晶器7上方的弧形轨道16上移动并可调整。对嵌在或固定在中间罐上的直的浸入式水口13，既安装一个高度调整装置20，也安装一个侧向调整装置20a，以便实现在铸坯芯15上精确的调整。
浸入式水口13或14的出口必须考虑到弧形连铸结晶器7的流动情况。在图11至14a中，对采用倾斜弧形连铸结晶器的圆弧式类型的连铸设备，示出生产板坯、方坯、大方坯和圆铸坯的浸入式水口和插管出口。
按图11，弧形连铸结晶器7表明有板坯模7C。为此，安装上带有出口13a和13b的直的浸入式水口13，见图12。按图12a出口13a或13b基本上是朝板坯模7C的纵向延伸方向，但也有沿浇铸断面宽度和/或铸坯芯15走向方向的分量。这样一种流动断面在图11、12和12a情况下意味着，在弧形走向中同时将钢水向外，向下导流。向外走向的流动分量保持在很小程度。
对于较小的铸模，例如圆形和方形铸模7d(图13)，安装弧形浸入式水口14(图14)可以使金属熔液流到铸坯芯15的轨道上。图14中示出一种流动断面的相应弧形走向，这种弧形走向使各流束尽量平行地导入模边，弧形浸入式水口14的断面(图14a)表明，流动区17有一与铸坯芯15相对应的弧形走向，从而在弧形浸入式水口14的出口上产生流动区17的偏心结构。
这种浸入式水口13或14最好用塑料合成材料(A1203+C)制成。正如已经提到的，当这种插入管或浸入式水口13或14在出口13a或13b或18区域内不出现氧化铝沉积，便可确保整个浇铸期间弧形连铸结晶器7中的金属熔液的流动无变化。
权利要求
1.金属，尤其是钢的弧形连铸方法，即将在弧形模内强制冷却的铸坯进行回弯；采用这种方法时，金属熔液由置于弧形连铸结晶器上方的中间罐流入弧形连铸结晶器，并且调节金属液面；此间，金属液面大大低于水平面并通过振动中心点，并且金属熔液在金属液面下导入弧形连铸结晶器，这种连铸方法的特点是，弧形连铸结晶器置于水平面下10°至30°，金属熔液经浸入式水口导入铸区铸坯芯并且在铸区以均匀的流动断面分布在浇铸断面上。
2.如权项1所要求的方法其特点是，金属熔液在一个调好的固定高度沿着铸坯芯方向导入弧形连铸结晶器。
3.如权项1所要求的方法其特点是，金属熔液由弧形通道导向弧形连铸结晶器铸坯芯。
4.如权项1至3所要求的方法其特点是，金属熔液按铸坯芯走向或浇铸断面宽度分量方向导入弧形连铸结晶器。
5.如权项1至4所要求的方法，其特点是，金属熔液的流动断面调整到对称于铸坯芯(圆、方或大断面材为弧形对称轴)或中心平面(板材为弧形对称面)。
6.实施权项1至5所述方法的设备，其特点是，弧形连铸结晶器(7)置于同水平面成约15°至约45°夹角的扇形(8)角度范围内，此扇形以曲率中心-水平线(9)或曲率中心-垂直线(10)为边界，金属熔液(11)由至少高度可调整的，直的或弧形的浸入式水口(13或14)导入。
7.如权项6所要求的设备，其特点是，弧形浸入式水口(14)可在位于弧形连铸结晶器(7)上方的弧形轨道(16)上移动并调整。
8.如权项6和7所要求的设备，其特点是，直的浸入式水口(13)可垂直和水平地调到铸区(7d)铸坯芯(15)上。
9.如权项6至8所要求的设备，其特点是，直的浸入式水口(13)可同带有直的浸入式水口的中心罐(19)一起调整。
10.将旨在降低诸如硫、磷、硅之类的杂质含量的钢包冶金方法和为避免在浸入式水口或浸入管区域氧化铝沉积的所谓浸入式水口吹气方法应用于金属，尤其是钢的连铸，金属液面低于在弧形段振动的弧形连铸结晶器的曲率中心。
专利摘要
金属，尤其是钢的弧形连铸方法，将在弧形模内强制冷却的铸坯进行回弯；据此方法，金属熔液由置于弧形连铸结晶器上方的中间罐流入该结晶器，并调节金属液面，使之低于水平面并通过振动中心点。弧形连铸结晶器置于水平面下10°至30°，金属熔液经浸入式水口导入铸区铸坯芯，并且在铸区以均匀的流动断面分布在浇铸断面上。借此方法，可以降低弧形连铸设备的结构高度。
文档编号B22D11/10GK85101152SQ85101152
公开日1987年1月10日 申请日期1985年4月1日
发明者轧依尼尔·绕克和夫, 地特马·露斯, 哥德·姆勒尔斯, 佛端兹·波特, 爱玛瓦革那 申请人:曼内斯曼公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan