一种板坯窄面内凸型曲面结晶器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢连铸领域，具体涉及一种板坯窄面内凸型曲面结晶器及其设计方 法。
【背景技术】
[0002] 钢的微合金化技术快速发展于上世纪七十年代。往钢中添加 Ti、Nb、B、V等微合金 元素可大幅提高钢的强度与塑性，已被广泛应用于现代钢铁生产，然而，往钢中添加微合金 元素，铸坯的裂纹敏感性大幅提高，连铸生产该类钢种铸坯常频发角部横裂纹缺陷；现已研 宄明确，造成微合金钢连铸坯角横裂纹频发的主要原因为：在现有连铸工艺和冷却模式下， 钢中的微合金元素极易与C，N等元素结合形成碳化物、氮化物或碳氮化物，并在铸坯角部 奥氏体晶界呈链状形式大量析出，进而弱化奥氏体晶界强度；与此同时，铸坯角部在后续冷 却过程中，当其降温至奥氏体向铁素体转变温度时，奥氏体晶界优先以这些析出物为形核， 形成膜状或网状先共析铁素体；受铁素体与奥氏体软硬程度差作用，铸坯在弯曲或矫直过 程中，弯曲或矫直应力在铸坯角部奥氏体晶界集中，从而引发铸坯角部沿晶横裂纹。从根本 上消除微合金钢连铸坯角部裂纹产生的关键是于相应碳氮化物析出温度区内快速冷却坯 壳角部组织，使组织内的微合金及C、N等元素无法有效扩散至晶界而多在晶内弥散析出， 从而大幅减少晶界的析出量；同时，若快速冷却坯壳角部组织，其一次凝固生成的组织晶粒 将大幅细化，从而增加铸坯角部塑性，并改善组织均匀性，进而有效防止裂纹产生。
[0003] 根据上述微合金钢铸坯角部裂纹控制策略，综合考虑TiN、Nb (C，N)以及BN等析 出温度区，加强结晶器内坯壳角部凝固冷却速度是顺利实现上述控制目的的关键所在；然 而，在实际板坯连铸生产中，由于凝固坯壳动态收缩作用，传统窄面直线型结晶器锥度补偿 制度不足以充分补偿结晶器中上部区域的坯壳角部收缩，从而引发坯壳角部厚保护渣膜与 气隙集中分布，制约了坯壳角部的快速传热，造成坯壳角部晶粒粗化和晶界析出大量大颗 粒析出物，弱化铸坯角部晶界强度；因此，须开发全新曲面型锥度结晶器以适应坯壳凝固收 缩特点，实现结晶器内铸坯角部快速冷却。
[0004] 近年来，针对旨在改善结晶器锥度补偿制度的板坯结晶器锥度设计研宄已较多； 题为"奥氏体不锈钢板坯连铸结晶器锥度的优化"与"奥氏体与马氏体不锈钢板坯在结晶器 内收缩规律与结晶器锥度的研宄"的文章研宄了不锈钢在板坯结晶器内的凝固收缩规律， 并提出了一种在结晶器上部采用大补偿量、在结晶器下部采用小补偿量的两段式曲线形窄 面锥度；采用该锥度结晶器连铸生产不锈钢板坯，可较有效地补偿坯壳在结晶器上部向宽 面中心的收缩和降低结晶器下部铜板的磨损。然而，该锥度设计未考虑实际坯壳凝固过程 角部收缩较窄面中心区域大的特性，所设计的曲线型结晶器窄面铜板在其同一水平高度对 坯壳的补偿量一致，因此仍无法有效消除坯壳角部区域的保护渣膜与气隙集中分布；
[0005][0006] 题为"板坯结晶器铜板锥度的研宄"和"宝钢板坯结晶器铜板锥度的研宄"的文章 研宄了坯壳沿结晶器宽、窄面中心方向的收缩规律，提出了结晶器宽面设置小锥度、窄面根 据不同拉速条件设置不同锥度观点；该研宄未对结晶器窄面锥度结构做出改变，仅基于原 有线性窄面结晶器整体调整锥度大小，因此仍无法迎合实际坯壳沿高度方向的动态凝固收 缩特性；
[0007][0008][0009] 申请号为201310356316. X的发明专利，公布一种根据坯壳动态收缩特性、保护渣 膜与气隙分布行为的板坯结晶器锥度设计方法，通过该锥度，铜板有效迎合坯壳凝固收缩 特点，并实现铸坯角部的快速冷却；但该方法所设计的结晶器锥度由于需在宽面铜板角部 引入了楔形状结构，阻碍了结晶器在线调宽功能的实现，仅适用单断面铸坯连铸生产； [0010] 因此，基于初凝坯壳实际凝固收缩规律，开发一种既能充分补偿坯壳收缩并实现 铸坯角部快速冷却，从根本上抑制微合金钢连铸坯角部裂纹产生，又能实现结晶器冷/热 调宽功能的新型结晶器结构，具有重要意义。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术的不足，本发明提出一种板坯窄面内凸型曲面结晶器及其设计方 法，既实现了结晶器宽面与窄面铜板充分补偿坯壳角部收缩，达到快速冷却铸坯角部、细化 铸坯角部组织晶粒并弥散化微合金碳氮化物析出的目的，又确保了结晶器冷/热调宽功能 实现，从而从根本上解决微合金钢连铸坯生产过程频发角部横裂纹和生产组织灵活性的难 题。
[0012] 一种板坯窄面内凸型曲面结晶器，
[0013] 所述结晶器的窄面铜板为上口宽下口窄结构，上下口铜板厚度相同；
[0014] 所述的窄面铜板的内表面为内凸型曲面结构，由中部区域凸曲面和边部区域凸曲 面构成；
[0015] 所述的中部区域凸曲面位于窄面结晶器铜板中部区域，其在结晶器同一高度上的 厚度补偿量相同，沿结晶器高度方向的厚度补偿量为迎合坯壳窄面向宽面中心方向凝固收 缩的连续变化曲线形结构；
[0016] 所述的窄面铜板内表面的边部区域凸曲面，位于窄面铜板两侧边部区域，其厚度 补偿量大于等于中间区域凸曲面厚度补偿量，边部区域凸曲面在结晶器同一高度上，由铜 板边部边缘厚度补偿值连续平滑减小至中部区域凸曲面厚度补偿值，沿结晶器高度方向的 厚度补偿量也为迎合坯壳窄面凝固收缩的连续变化曲线形结构。
[0017] 所述的结晶器的窄面铜板为上口宽下口窄结构，其宽度差为2. Omm~3. 5mm，由铜 板上口沿结晶器高度方向线性减小至下口。
[0018] 所述的边部区域凸曲面，位于沿窄面铜板两侧边缘向中心方向的40mm~80mm区 域。
[0019] 所述的边部区域凸曲面边缘的厚度补偿量为中部区域凸曲面补偿量的1.3~1.8 倍。
[0020] 所述结晶器适用于断面尺寸为厚度160mm~420mm、宽度800mm~2600mm的常规 板坯与宽厚板坯连铸，且使用时仅需确保其上口与下口的安装位置与传统直线型结晶器上 口与下口的位置相同。
[0021] 实现板坯窄面内凸型曲面结晶器的设计方法，包括以下步骤：
[0022] 步骤1、根据钢厂所生产微合金钢的钢种成分，查阅获取相应成分钢在不同温度下 的导热系数、比热、质量、弹性模量和泊松比参数，并测定上述钢在不同温度下的热膨胀系 数；
[0023] 步骤2、根据钢厂微合金钢连铸坯弯月面处的断面尺寸，及相应断面下的结晶器背 板结构，采用Ansys系统建立连铸坯-结晶器系统的1/4二维实体模型；
[0024] 步骤3、对建立的连铸坯-结晶器系统的1/4二维实体模型进行划分网格，并设定 网格属性，具体如下：
[0025] 采用非均匀网格划分方法，按照距铸坯表面一定范围内网格加密、铸坯内层网格 疏松的方式划分铸坯网格，并将步骤1所获得的导热系数、比热、质量、弹性模量、泊松比参 数和热膨胀系数设定为上述网格的属性；
[0026] 采用自由划分网格的方法，对结晶器铜板的内表面镍层及剩余部分铜板实体划分 网格，并将镍层的导热系数、镍层的比热、镍层的密度、铜板的导热系数、铜板的比热和铜板 的密度设定为上述网格的属性；