一種漸變曲率斜長倒角結晶器及其設計方法
【專利摘要】本發明屬于寬厚板連鑄坯生產領域，具體涉及一種漸變曲率斜長倒角結晶器及其設計方法。本發明通過倒角面的漸變曲率和水冷設計，充分補償結晶器與鑄坯間的氣隙，從而有效提高倒角面傳熱效率，細化倒角面晶粒，抑制鈮、釩、鈦等微合金碳、氮化物在晶界的鏈狀析出，提升角部熱塑性，抑制邊角裂紋缺陷的產生。
【專利說明】
-種漸變曲率斜長倒角結晶器及其設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于寬厚板連鑄巧生產領域，具體設及一種漸變曲率斜長倒角結晶器及其 設計方法。
【背景技術】
[0002] 凝固末端輕壓下技術是改善鑄巧中屯、偏析與疏松的有效手段，已經成為新建連鑄 機的普遍配備技術。然而，對于寬厚板連鑄巧而言，由于巧殼的增寬加厚，壓下量向鑄巧屯、 部的滲透效率明顯降低，常規輕壓下的壓下量已不能充分擠壓排出溶質偏析元素，也不能 完全補償凝固收縮。與此同時，通過增加凝固末端壓下量提升鑄巧致密度的凝固末端重壓 下技術也日益發展。因此，對于寬厚板巧連鑄機而言，由于受限于扇形段設備能力，難W通 過增加凝固末端壓下量改善鑄巧質量。
[0003] 為解決運一問題，研究者們對倒角結晶器進行了大量研究，首鋼等提出了通過倒 角結晶器減少角部橫裂紋的機制(鋼鐵研究學報，2012,24(9) ,21-26)。專利CN102642000A、 CN201410379418、CN201410066528、CN201320350661、CN103286285A、CN102896284A 等提出 了不同類型的板巧結晶器倒角及窄邊銅板結構。然而，運些倒角面大多針對板巧角部橫裂 紋提出，且其思路為通過倒角面設計提升鑄巧角部溫度，從而保障鑄巧高溫過矯直，避開脆 性區，一般在四個角部都有倒角。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的問題，本發明提供一種漸變曲率斜長倒角結晶器及其設計方 法，目的是通過設計結晶器內弧倒角，使鑄漉壓下過程中避開兩側已凝固巧殼，大幅降低漉 巧接觸抗力，在不改造升級寬厚板連鑄機液壓、機械、驅動系統的前提下，顯著提升壓下量， 同時通過倒角面的曲率設計，減少鑄巧倒角面與鑄巧間氣隙，W提升冷卻速度，改善鑄巧邊 角塑形，從而降低鑄巧角部缺陷。
[0005] 本發明的漸變曲率斜長倒角結晶器，是四面組合式結晶器，在結晶器彎月面位置 處設有結晶器內弧倒角，結晶器內弧倒角的窄邊長度η為10-40mm，寬邊長度W距鑄巧邊部 80-300mm，沿結晶器的高度方向，由結晶器內弧倒角所組成的結晶器內弧倒角面是曲率漸 變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結晶器與鑄巧間的收縮氣隙，所述的η和W數 值也隨結晶器高度變化而變化;所述的結晶器內弧倒角面對應有若干個水冷槽，水冷槽設 置在結晶器內弧寬面上，其寬度與結晶器水冷槽一致，每個水槽底部距結晶器內弧寬面距 離的d數值相同。
[0006] 本發明的漸變曲率斜長倒角結晶器的設計方法，按照W下步驟進行： (1) 針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度下的熱膨脹或收縮系數； (2) 根據結晶器的銅板結構:銅板厚度、水槽深度、結晶器液面位置斜倒角尺寸與鑄巧 尺寸及步驟（1)中測定得到的具體鋼種熱膨脹或收縮系數，建立W1/2巧殼-結晶器橫截面 系統為計算對象的二維瞬態熱力禪合計算模型，通過模型計算得到工作拉速下，鑄巧倒角 面在結晶器內沿鑄巧高度方向收縮與變形量； (3)根據結晶器液面位置斜倒角尺寸，W及鑄巧倒角面在結晶器內沿鑄巧高度方向收 縮與變形量計算結果，確保沿結晶器高度方向上倒角的連續、穩定、漸增的變化，即設計沿 結晶器高度方向上結晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡弧長按氣隙生長 規律遞增。
[0007] 與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是： 連鑄巧凝固末端壓下過程中漉巧接觸抗力主要源自鑄巧兩側已凝固巧殼，如果能避開 兩側已凝固巧殼，無疑會顯著降低漉巧接觸過程的變形抗力，大大提升壓下量。本發明的結 晶器斜長倒角能夠保障凝固末端壓下過程中避開板巧兩側已凝固區域，且可W保障鑄巧中 間區域的充分壓下，而偏析、疏松缺陷只產生于寬向兩側1/8內的中間區域，實現保證壓力 不變條件下壓下量的倍增，有益于鑄巧內部質量的改善。本發明中斜長倒角寬邊長度W設定 為距鑄巧邊部80-300mm是根據鑄巧凝固傳熱計算得到的寬向1/8位置凝固終點為依據，凝 固傳熱計算方法如文獻 "C. Ji, S. Luo, M. Y. Zhu and Y. Sahai, Uneven Solidification during Wide-thick Slab Continuous Casting Process and its Influence on Soft Reduction Zone, ISIJ Int 54, 103-111 (2014)."所述，倒角寬面 傳熱邊界條件與結晶器寬面一致，倒角窄面傳熱邊界條件與結晶器窄面一致。
[0008] 本發明在倒角面對應位置進行了水冷結構增強，保證了倒角面與鑄巧寬面冷卻強 度的一致。通過倒角面沿結晶器高度方向的漸變曲率設計，實現了倒角面的與鑄巧間氣隙 的有效補償，從而提升了鑄巧角部傳熱速率，從而顯著提高結晶器角部冷速，細化了倒角接 觸面晶粒，抑制了邊角缺陷的產生。
[0009] 本發明通過倒角面的漸變曲率和水冷設計，充分補償結晶器與鑄巧間的氣隙，從 而有效提高倒角面傳熱效率，細化倒角面晶粒，抑制妮、饑、鐵等微合金碳、氮化物在晶界的 鏈狀析出，提升角部熱塑性，抑制邊角裂紋缺陷的產生。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明的漸變曲率斜長倒角結晶器內腔沿結晶器高度方向的截面示意圖； 圖2是本發明的漸變曲率斜長倒角結晶器上口的形狀； 圖3是圖2所示漸變曲率斜長倒角結晶器的沿結晶器高度方向的倒角面示意圖； 其中：1:結晶器內弧寬面;2:結晶器斜長倒角;3:結晶器外弧寬面;4:結晶器窄面;5:倒 角面對應的水冷槽;6:結晶器水冷槽;7:倒角面;8:結晶器上口； 9:結晶器下口； 10:結晶器 寬邊;11:結晶器窄邊;A和B是結晶器斜長倒角的斜邊起點和終點； 圖4是實施例中連鑄巧中屯、剖面固相率等值線分布圖； 圖5是實施例中連鑄巧凝固末端橫剖面溫度分布云圖； 其中：（a)是常規結晶器下鑄巧凝固末端云圖；（b)是斜倒角設計后凝固末端云圖； 圖6是本實施例的結晶器出口位置鑄巧的熱收縮量圖。
【具體實施方式】 [00川實施例1 本發明實施例的漸變曲率斜長倒角結晶器具體結構如圖1~圖3所示，是四面組合式結 晶器，在結晶器彎月面位置處設有結晶器內弧倒角，結晶器內弧倒角的窄邊長度η為10- 40mm，寬邊長度W距鑄巧邊部80-300mm，沿結晶器的高度方向，由結晶器內弧倒角所組成的 結晶器內弧倒角面7是曲率漸變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結晶器與鑄巧 間的收縮氣隙，所述的η和W數值也隨結晶器高度變化而變化;所述的結晶器內弧倒角面對 應有若干個水冷槽5,水冷槽設置在結晶器內弧寬面上，其寬度與結晶器水冷槽6-致，每個 水槽底部距結晶器內弧寬面距離的d數值相同。
[0012]其應用在某鋼廠Q235A鋼寬厚板連鑄機上，具體的設計方法按照W下步驟進行： (1) 采用熱膨脹/收縮系數測定儀測得本實施例Q235A鋼在不同溫度下的熱膨脹系數如 表1所示； 表1 Q235A鋼熱膨脹系數數據
(2) 根據結晶器的銅板結構:銅板厚度40mm，設計水槽底部距結晶器熱面5mm，結晶器液 面位置的斜倒角尺寸w= 170mm、n=30mm，鑄巧尺寸2100mm X 250mm，W及及步驟（1)中測定得 到的熱收縮系數，建立W1/2巧殼-結晶器橫截面系統為計算對象的二維瞬態熱力禪合計算 模型，良據論文('Uneven thermal shrinkage of wide-thick continuous casting slab and its influence on caster taper, 2016.10, Materials Science & Technology 201護與"板巧連鑄結晶器內鋼凝固過程熱行為研究，2011.06,金屬學報"所述方法，通過 模型計算得到工作拉速下，鑄巧倒角面在結晶器內沿鑄巧高度方向收縮與變形量，如圖4所 示的2100mm X 250mm包晶鋼連鑄巧厚度中屯、剖面上不同固相率(f S )等值線的分布，其中x= 0.0m為鑄巧中屯、位置，可W看出，鑄巧寬向1/4-1/8區域是凝固的最前沿，若要改善整個鑄 巧斷面的偏析與疏松，就必須將最大寬度范圍內的鑄巧都壓下，因此倒角長邊設計應保證 鑄巧整個壓下區域內的充分受壓，一般壓下區間起點取鑄巧固相率fs=0.3等值線，在此等 值線上最前沿位置距鑄巧中屯、0.88m如圖5所示，鑄巧半寬1.05m條件下，倒角長度應《 1.05-0.88m，即結晶器液面位置處，倒角面長度w=l 70mm，倒角面高度n=30mm是合理的； (3)根據晶器液面位置的斜倒角尺寸w=170mm，n=30mm，W及鑄巧倒角面在結晶器內沿 鑄巧高度方向收縮與變形量計算結果，確保沿結晶器高度方向上倒角的連續、穩定、漸增的 變化，即設計沿結晶器高度方向上結晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡 弧長按氣隙生長規律遞增，本實施例中圖6為結晶器出口位置鑄巧的熱收縮量。
【主權項】
1. 一種漸變曲率斜長倒角結晶器，是四面組合式結晶器，其特征在于在結晶器彎月面 位置處設有結晶器內弧倒角，結晶器內弧倒角的窄邊長度η為10-40mm，寬邊長度W距鑄坯邊 部80-300mm，沿結晶器的高度方向，由結晶器內弧倒角所組成的結晶器內弧倒角面是曲率 漸變的直角面或弧形面，其漸變的曲率滿足補償結晶器與鑄坯間的收縮氣隙，所述的η和w 數值也隨結晶器高度變化而變化;所述的結晶器內弧倒角面對應有若干個水冷槽，水冷槽 設置在結晶器內弧寬面上，其寬度與結晶器水冷槽一致，每個水槽底部距結晶器內弧寬面 距離的d數值相同。2. 如權利要求1所述的一種漸變曲率斜長倒角結晶器的設計方法，其特征在于按照以 下步驟進行： (1) 針對不同鋼種，測定某特定鋼種在不同溫度下的熱膨脹或收縮系數； (2) 根據結晶器的銅板結構：銅板厚度、水槽深度、結晶器液面位置斜倒角尺寸與鑄坯 尺寸及步驟（1)中測定得到的具體鋼種熱膨脹或收縮系數，建立以1/2坯殼-結晶器橫截面 系統為計算對象的二維瞬態熱力耦合計算模型，通過模型計算得到工作拉速下，鑄坯倒角 面在結晶器內沿鑄坯高度方向收縮與變形量； (3) 根據結晶器液面位置斜倒角尺寸，以及鑄坯倒角面在結晶器內沿鑄坯高度方向收 縮與變形量計算結果，確保沿結晶器高度方向上倒角的連續、穩定、漸增的變化，即設計沿 結晶器高度方向上結晶器倒角面為漸變曲率，漸變曲率倒角面邊界的過渡弧長按氣隙生長 規律遞增。
【文檔編號】B22D11/04GK105964958SQ201610580555
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】祭程, 朱苗勇, 蔡兆鎮
【申請人】東北大學