一種鋼連鑄結晶器喂包芯線及喂線過程的動態控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鋼鐵冶金連鑄生產領域，特別涉及一種鋼連鑄結晶器喂包芯線及喂線 過程的動態控制方法。
【背景技術】
[0002] 在鋼連鑄生產過程中，高溫的鋼液在結晶器銅板和二冷區噴水作用下不斷冷卻， 鑄坯表面以柱狀晶的方式生長形成一定厚度的坯殼，液相穴的溫度不斷降低，鋼液過冷形 核，并以等軸枝晶的方式生長。在枝晶的生長過程中，由于溶質元素在固相和液相中溶解度 的差異和擴散行為，溶質元素(碳、磷、硫等)不斷從固相中排出而富集于枝晶間的液相，從 而形成微觀偏析。在熱浮力、凝固收縮、鑄坯鼓肚變形等外力作用下，枝晶間溶質富集的鋼 液與貧瘠枝晶產生相對移動，促進溶質元素的長距離迀移。由于鑄坯液相穴內過冷度較小， 激發形成的晶粒數量有限，在凝固過程中等軸枝晶生長粗大，嚴重影響凝固后期的鋼液的 補縮，從而在鑄坯中心形成偏析和縮孔。高碳鋼、合金鋼溶質元素含量較高，枝晶凝固過程 中排出的溶質元素較多，富集的溶質元素隨液相流動而長距離傳輸，因此鑄坯偏析和縮孔 表現嚴重。鑄坯在凝固過程中形成的偏析和縮孔在后期的熱處理和乳制過程中無法消除， 嚴重影響鋼材的機械性能和產品質量的穩定性。
[0003] 為提高連鑄坯的內部質量，需要抑制鑄坯柱狀晶發展，細化等軸晶晶粒尺寸，促進 鑄坯凝固后期兩相區的流動補縮，減輕中心縮孔和偏析的產生，以獲得內部質量良好的鑄 坯。目前主要有以下幾種技術：1.低過熱度澆注技術：中間包采用感應加熱或等離子加熱等 方法實現鋼液的低溫澆注，以達到增加連鑄坯等軸晶率的目的。但這種方法存在電能耗費 較大、能量利用較低等缺點，造成鋼材生產成本較高；2.結晶器電磁攪拌技術:通過交變電 流產生的電磁力強迫鑄坯兩相區鋼液的流動，有效的促進鋼液過熱的散失和等軸晶區的擴 大，已經普遍應用到連鑄生產過程中。然而在結晶器中，鋼液溫度較高，通過電磁攪拌技術 達到的過冷程度較小，晶粒形核數量有限，在后期的凝固過程中，等軸晶生長粗大，從而鑄 坯中心偏析和縮孔的改善受到限制。3 .振動激發形核技術:將冷卻裝置從結晶器頂部浸入 鋼液中，通過產生高振頻低振幅的震蕩，促進鋼液過冷形核，晶核在振動的作用脫離冷卻裝 置，從而增大鑄坯等軸晶率。然而在冷卻裝置附近鋼渣液面裸露而造成二次氧化，且連鑄生 產過程結晶器液面不穩定容易造成卷渣，目前，這種技術在現場生產應用較少。4.結晶器喂 鋼帶技術:冷的鋼帶從結晶器喂入，通過自身的熔化降低鋼液過熱度，以促進晶粒的形核和 生長。但鋼帶喂入時，結晶器液面波動較大，在結晶器中容易發生漂移而熔化速度無法控 制。倘若熔斷的鋼帶在鑄坯凝固后仍然沒有融化，則會造成鑄坯鋼質的不連續性，反而惡化 鑄坯的內部質量。
[0004] 因此，為提高連鑄坯內部質量，提出一種連鑄結晶器喂線的方法及喂線過程的動 態控制，以達到減輕和穩定鑄坯中心偏析和疏松的目的。
【發明內容】
[0005] 為解決鑄坯中心偏析和中心疏松等缺陷，本發明提供一種鋼連鑄結晶器喂包芯線 及喂線過程的動態控制方法。采用連鑄結晶器喂線的方法，通過包芯線自身的熔化降低鋼 水過熱度，促進液相穴鋼液達到較大過冷度而大量形核，增加鑄坯等軸晶率，細化晶粒尺 寸，從而降低鑄坯中心偏析和疏松。結晶器喂線速度是根據連鑄工藝參數(鋼種成分、拉速、 過熱度），實時動態調整包芯線的喂入速度，達到穩定高碳鋼、合金鋼連鑄坯內部質量的目 的。
[0006] -種鋼連鑄結晶器喂包芯線，組成成分及尺寸如下：
[0007] 包芯線的外殼：
[0008] 采用碳鋼鋼帶，碳鋼的液相線與澆注鋼的液相線相差-15~+5°C，厚度為0.1~ 0.5mm；
[0009] 其中，澆注鋼為合金鋼或高碳鋼；
[0010] 包芯線的芯部：
[0011] 采用鋁線，直徑為5~IOmm;
[0012] 其中，鋁線材質為鋁基合金或工業純鋁；當澆注鋼中允許含有促進形核的溶質元 素，鋁線材質采用鋁基合金，鋁基合金中，除鋁外的合金元素為鈦、鈮、釩、鉬、鎢、鉭中的一 種或幾種，合金元素的質量百分含量為〇.〇1~0.5%;當澆注鋼中不允許含有促進形核的溶 質元素，鋁線材質采用工業純鋁。
[0013] 所述的鋼連鑄結晶器喂包芯線，其外殼通過卷線機將芯部進行包裹密封，且鋼帶 交界處采用搭接的方式進行密封。
[0014] -種鋼連鑄中喂包芯線過程的動態控制方法，采用鋼連鑄結晶器喂包芯線，包括 以下步驟：
[0015] 步驟1，建立結晶器最佳喂線速度的數據庫：
[0016] 步驟1.1，根據澆注鋼液的密度、黏度、熱導率、熱焓和連鑄結晶器尺寸，采用有限 體積方法建立鑄坯凝固傳熱數學模型，并對模型的施加不同的傳熱邊界條件：
[0017] (1)水口壁面和鋼渣界面導熱較小，不考慮熱量的散失，采用絕熱邊界條件:q = 0;
[0018] (2)結晶器區連鑄坯表面與結晶器銅板接觸，采用熱流邊界條件：q = 2.68-0.34 (60z/vc)°·5；
[0019] (3)連鑄坯從結晶器拉出進入二冷區，對連鑄坯表面進行噴水冷卻，采用對流換熱 邊界條件:q = P(Tsur-Twater);
[0020] 式中：q是熱流密度，W/m2;z是鑄坯表面網格單元距鋼渣界面的距離，m;Vc是鑄機拉 坯速度，m/min; Tsur是連鑄坯表面溫度，K; Twater是冷卻水的溫度，K; β是對流換熱系數，W/ (m2 ·Κ);
[0021] 通過數值模擬計算，獲得在不同鑄機拉坯速度和過熱度條件下，澆注鋼液凝固傳 熱過程；
[0022]其中，計算過程采用的公式為：
[0023] (1)
[0024] (2)
[0025]
G)
[0026] 式中：P是澆注鋼液密度，kg/m3; t是瞬態時間，s ; v是澆注鋼液流動速度，m/s ; P是 靜壓力，pa;是澆注鋼液的粘度，pa · s; Sm是動量源項，N/m3;h是澆注鋼液的熱焓，J/kg; T 是鑄坯溫度，K; qm是熱量源項，J/kg;
[0027] 步驟1.2,利用鑄坯凝固傳熱數學模型中，不同鑄機拉坯速度和過熱度條件下，澆 注鋼液凝固傳熱過程，獲得鑄坯液相線距鋼渣界面的距離；
[0028] 步驟1.3,通過包芯線的熔化實驗，確定包芯線的在高溫鋼液中的熔化時間；
[0029] 其中，包芯線的熔化實驗具體過程為:將盛有澆注鋼液的坩堝放入電阻爐內，加熱 溫度高于澆注鋼液相線5°C并保溫，將包芯線一端瞬時插入高溫的澆注鋼液面下2~3cm，并 開始計時，一段時間后取出包芯線，觀察包芯線的熔化情況，重復多次，直至插入鋼液中的 包芯線全部熔化時，確定為包芯線的在高溫鋼液中的熔化時間；
[0030] 步驟1.4,鑄坯液相線距鋼渣界面的距離，除以包芯線在高溫鋼液中的熔化時間， 得到最佳的喂線速度Vopt;
[0031] 步驟1.5,將澆注鋼的成分、鑄機拉坯速度、過熱度和最佳喂線速度存儲至計算機， 進而建立數據庫；
[0032] 步驟2,澆注鋼液進入結晶器中，當鑄機拉坯速度逐漸增大至設定值時，采用喂線 機將包芯線以鑄機拉坯速度從結晶器頂端插入至高溫的鋼液中；根據計算機實時采集的澆 注鋼成分、過熱度、鑄機拉坯速度，從數據庫中調取喂線機的最佳喂線速度Vc ipt;
[0033]步驟3,根據從數據庫中調取的最佳喂線速度￥_和當前喂線速度vn?對比，獲得速 度偏差值δ，δ 一 Vnow-Vopt ；