專利名稱：：直徑為Ф350～Ф400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法，特別是一種直徑為cD350①400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
：目前在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的①3500400mra低合金鋼連鑄圓管坯均是在弧形半徑為12m及其以上的連鑄機(jī)上生產(chǎn)，但要在如10.5m較小弧形半徑的連鑄機(jī)上生產(chǎn)①3500400mmm低合金鋼連鑄圓管坯，其中主要的技術(shù)限制環(huán)節(jié)為與上述連鑄機(jī)相匹配的結(jié)晶器需要滿足生產(chǎn)03500400mm低合金鋼連鑄圓管坯冷卻制度要求，與此同時(shí)，保證低合金鋼連鑄圓管坯在矯直時(shí)表面溫度避開脆性溫度區(qū)，避免鑄坯表面出現(xiàn)裂紋、凹溝、凹坑等缺陷，避免鑄坯出現(xiàn)皮下裂紋、芯部裂紋及皮下氣泡等內(nèi)部缺陷，以及有效防止鑄坯出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象等等，如此諸多技術(shù)問題制約著大規(guī)格低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種直徑為03500400rnrn低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法，以利于解決在較小弧形半徑連鑄機(jī)上的結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度問題；有效解決在較小弧形半徑連鑄機(jī)上二次冷卻配水問題；同時(shí)解決由于較小半徑生產(chǎn)大規(guī)格低合金鋼連鑄圓管坯時(shí)，在矯直點(diǎn)因鑄坯變形量過大帶來的鑄坯質(zhì)量問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種直徑為。3500400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法，該方法包括以下步驟一、選擇適于連鑄機(jī)的弧形半徑R與低合金鋼連鑄圓管坯直徑D比值為R/D=26.2530時(shí)的圓管坯結(jié)晶器工藝條件①結(jié)晶器銅管的錐度，如圖1所示，可以用以下(1)、(2)兩個(gè)方程來描述其錐度沿銅管縱向變化曲線-"a0<x《75(1)"a-麵-75)75<x《800(2)式中、一結(jié)晶器銅管錐度，錐度偏差《0.01;:c一距結(jié)晶器銅管上口的距離，"_=800醒；"，6—大于零的常數(shù)；結(jié)晶器銅管弧形半徑為10500±10mm;②結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度為800士0.2mm;③結(jié)晶器銅管的材質(zhì)、表面及厚度選擇結(jié)晶器銅管材質(zhì)為Cu-Ag合金，結(jié)晶器銅管壁厚度為1618mm,偏差為壁厚度的±5%mm;④結(jié)晶器水流速及水縫寬度冷卻水的流速控制在612m/s，水縫寬度一般為36mm;⑤結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度為200025001/min;(D拉坯速度鑄坯正常拉速為0.250.85m/min;⑦鋼液的過熱度選擇鑄坯的中間包鋼液過熱度為104(TC;⑧結(jié)晶器裝置安裝考慮結(jié)晶器振動(dòng)框架的安裝空間及結(jié)晶器外置式電磁攪拌器和液位檢測(cè)裝置位置，以及給足輥段予留安裝空間，準(zhǔn)確安裝結(jié)晶器裝置；二、低合金鋼連鑄圓管坯冷卻參數(shù)選擇①限制鑄坯液芯長(zhǎng)度在最大拉速條件下，鑄坯在切割前必須完全凝固，為了減少存在液芯容易在矯直時(shí)產(chǎn)生內(nèi)裂紋，在矯直前鑄坯必須完全凝固，液芯長(zhǎng)度不得超過矯直點(diǎn)；②對(duì)矯直點(diǎn)鑄坯表面溫度的限制避開70(TC900。C的溫度區(qū)間；③鑄坯表面冷卻速度控制在200°C/m之內(nèi)；④鑄坯表面溫度回升速率控制在10(TC/m之內(nèi)；⑤對(duì)出結(jié)晶器時(shí)鑄坯凝固坯殼厚度限制在不能小于臨界值15nun;三、制訂低合金鋼連鑄圓管坯二次冷卻制度①噴嘴選型和布置噴嘴噴出的水應(yīng)全部噴在鑄坯表面，沿圓周方向，噴嘴噴出的水應(yīng)均勻覆蓋鑄坯；沿行進(jìn)方向，噴嘴噴出的水應(yīng)盡量覆蓋鑄坯，噴嘴應(yīng)避開導(dǎo)向輥，布置在相鄰?qiáng)A輥之間，噴嘴及管路布置要便于維修和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配水；②二冷區(qū)鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型的建立建立傳熱方程為sr3「'ar、式中:T—溫度。C;P—密度kg/m3;^—熱容kj/kg'°C;^r一有效導(dǎo)熱系數(shù)W/m;s。一源項(xiàng)；③依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，確定二冷各區(qū)冷卻水目標(biāo)水量制出配水表；四、低合金鋼連鑄圓管坯的連鑄工藝參數(shù)①結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)選擇正弦速度規(guī)律作為結(jié)晶器振動(dòng)的工藝參數(shù)；②結(jié)晶器保護(hù)渣理化指標(biāo)熔點(diǎn)11181155r，熔速5246s,粘度0.3020.526Pas，堿度0.851.03。本發(fā)明的效果是在連鑄機(jī)弧形半徑與低合金鋼連鑄圓管坯直徑比值為26.2530的設(shè)備條件下，保證低合金鋼鑄坯質(zhì)量符合連鑄圓管坯工藝要求。生產(chǎn)出的0350①400mm鑄坯，其不圓度、端面切斜度、彎曲度、酸浸低倍組織缺陷、酸浸低倍結(jié)晶組織以及表面質(zhì)量均符合中華人民共和國(guó)黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連鑄圓管坯》YB/T4149-2006要求。圖l為本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)晶器銅管錐度沿銅管縱向變化曲線圖2為本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)晶器長(zhǎng)度方向溫度分布圖3為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯中心與表面溫度分布圖4為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯沿拉坯方向的固、液相線圖5為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯出結(jié)晶器時(shí)鑄坯徑向溫度分布圖6為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯沿拉坯方向坯殼厚度的分布圖7為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯沿拉坯方向固、液相線分布圖8為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯沿拉坯方向鑄坯中心、表面溫度分布圖9為本發(fā)明實(shí)施例鑄坯不同澆注溫度時(shí)鑄坯中心、表面溫度分布圖10為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯不同澆注溫度時(shí)坯殼厚度分布圖11為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯不同澆注溫度時(shí)鑄坯固、液相線分布圖12為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯二冷I區(qū)水量與拉速的關(guān)系圖13為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯二冷II區(qū)水量與拉速的關(guān)系圖14為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯二冷III區(qū)水量與拉速的關(guān)系圖15為本發(fā)明的實(shí)施例鑄坯二冷IV區(qū)水量與拉速的關(guān)系圖16、17分別為成分分析取樣位置示意圖。具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的直徑為O3500400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法加以說明。以下以0400mm鑄坯為實(shí)施例進(jìn)行說明一、選擇適于連鑄機(jī)的弧形半徑R與低合金鋼連鑄圓管坯直徑D比值為R/D=26.2530時(shí)的圓管坯結(jié)晶器工藝條件①結(jié)晶器銅管錐度設(shè)計(jì)，如圖1所示，可以用以下(1)、(2)兩個(gè)方程來描述其錐度沿銅管縱向變化曲線<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1)麵-75)75<x《800(2)式中y—結(jié)晶器銅管錐度，錐度偏差《0.01;jc一距結(jié)晶器銅管上口的距離，xraax=800mm;fl，6—大于零的常數(shù)；0400mm結(jié)晶器上口直徑412.68土0.2mm，下口直徑408士0.2mm，結(jié)晶器弧形半徑10500土10mm。②結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)增加結(jié)晶器銅管的長(zhǎng)度，可以增加結(jié)晶器帶走的熱量，因此，足夠的結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度可以保證足夠的出結(jié)晶器鑄坯坯殼厚度。結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度可按下式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中Z—結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度，mm;5—結(jié)晶器出口坯殼厚度，mm;A:—凝固系數(shù)，mm/min05;t>c—拉坯速度，mm/min。根據(jù)生產(chǎn)O400腿鑄坯考慮的拉速范圍，設(shè)計(jì)O400腿結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度為800±0.2腿。③結(jié)晶器的材質(zhì)、表面及厚度設(shè)計(jì)選擇cD400mm結(jié)晶器銅管材質(zhì)為Cu-Ag合金，符合中華人民共和國(guó)黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連鑄圓坯結(jié)晶器銅管技術(shù)條件》YB/T4141-2005，內(nèi)表面為Cr鍍層，鍍層厚度為O.080.lOmm。在銅壁厚度的設(shè)計(jì)中，其對(duì)傳熱的影響通常不是考慮的主要方面。銅壁厚度主要決定結(jié)晶器安裝使用過程中的剛度和抵抗冷卻水壓力而不變形，以及結(jié)晶器壽命和修復(fù)次數(shù)。因此，使用壁厚較薄的銅管可減少澆鑄過程中銅管的變形，提高結(jié)晶器的使用壽命。設(shè)計(jì)①400mm結(jié)晶器銅管厚度為17±5%腿。④結(jié)晶器水流速及水縫寬度設(shè)計(jì)為了保證結(jié)晶器有良好的傳熱性能，除了銅壁的材質(zhì)、厚度及冷卻水質(zhì)等方面給于注意外，水縫中水的流速最為重要、一般水的流速控制在612m/s。實(shí)驗(yàn)表明，水的流速增加，可以明顯的降低結(jié)晶器冷面溫度、避免間歇式的水沸騰，消除熱脈動(dòng)，可以減少鑄坯裂紋。但是，水流速超過一定的范圍時(shí)，隨著水的流速的增加，熱流增加很少。據(jù)試驗(yàn)，水流速?gòu)?m/s增加到12m/s，總的傳熱系數(shù)僅僅增加3%，但是系統(tǒng)的阻力卻增加了4倍，因此，水速過大也沒有必要。水縫尺寸的大小是以保證冷卻水具有所要求的水速為原則。結(jié)晶器的水縫寬度一般為36mm，為了避免水縫中產(chǎn)生沸騰，進(jìn)水與出水溫差應(yīng)該控制在56'C，不大于1(TC，保證結(jié)晶器冷卻水0.40.9Mpa的壓力是必須的。設(shè)計(jì)①400mm結(jié)晶器的水縫寬度為3土0.2mm，并且周邊要盡量均勻。結(jié)晶器冷卻水壓力O.70.9Mpa。⑤冷卻強(qiáng)度的選擇結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)通過結(jié)晶器水縫中的水量，它對(duì)結(jié)晶器傳熱有著重要的影響。冷卻水應(yīng)該保證迅速的將鋼液凝固所放出的熱量帶走，使銅壁冷面上沒有熱的積累，以防止結(jié)晶器發(fā)生永久變形。計(jì)算結(jié)晶器用水量用下式10000式中e—結(jié)晶器用水量m7h;尸一結(jié)晶器橫截面水縫總面積腿2;r一水縫中水流速m/s。考慮結(jié)晶器銅管水縫和所澆注的低合金鋼鋼種，在滿足水縫中水流速610m/s的前提下，根據(jù)公式計(jì)算推導(dǎo)，確定O400mm結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度為200025001/min。⑥拉坯速度選擇拉坯速度對(duì)結(jié)晶器的熱流密度分布有著顯著的影響，隨著拉坯速度的提高，結(jié)晶器的熱流密度增加。但是這并不意味著坯殼厚度會(huì)增加，因?yàn)榻Y(jié)晶器中單位鋼水導(dǎo)出的熱量還是下降了，坯殼厚度隨著拉坯速度的提高是減小的。因此選擇最佳拉坯速度時(shí)，既應(yīng)保證結(jié)晶器出口處的坯殼厚度，又要保證鑄坯質(zhì)量和充分發(fā)揮連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，應(yīng)用數(shù)學(xué)解析的方法，推導(dǎo)出描述任意時(shí)刻液芯長(zhǎng)度的簡(jiǎn)單而較準(zhǔn)確的公式為式中/:鑄坯液芯長(zhǎng)度m;r。圓鑄坯半徑mm;v:鑄坯澆注速度m/min;it:圓鑄坯凝固系數(shù)，取值3031。參照同鑄機(jī)已有鑄坯的拉速范圍和最大拉速，最大拉速為O350S0.85m/min;0400^0.55m/min時(shí)，按公式比例計(jì)算推導(dǎo)，確定①400mm鑄坯正常拉速可為O.300.55m/min，最大拉速為O.60m/min，確保了最大拉速下的鑄坯液芯長(zhǎng)度不超過矯直點(diǎn)。⑦鋼液的過熱度選擇試驗(yàn)表明，在拉速和其他的工藝條件一定時(shí)，鋼液的過熱度增加1(TC，在敞開澆注和保護(hù)澆注的條件下，結(jié)晶器的最大熱流僅增加了7.5%和4%，可見，結(jié)晶器的熱流與過熱度關(guān)系不大，而且過熱度對(duì)銅板溫度的影響也甚微。但是，過熱度增加，出結(jié)晶器的坯殼溫度略有增加，降低了高溫坯殼的強(qiáng)度，增加了漏鋼的幾率。根據(jù)所澆注的低合金鋼鋼種，選擇控制O400mm鑄坯的中間包鋼液過熱度為104(TC。二、鑄坯冷卻參數(shù)選擇鑄坯冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)鑄坯一次冷卻和二冷區(qū)冷卻水參數(shù)的設(shè)計(jì)，包括了對(duì)結(jié)晶器的冷卻水流量、水流速、水壓的確定，以及二冷區(qū)各段冷卻水流量分配、水壓、噴嘴的選擇與布置等。這些將直接影響鑄坯的冷卻凝固速度，進(jìn)而影響到拉坯速度的控制，影響到生產(chǎn)順行與否以及鑄機(jī)的生產(chǎn)率，還會(huì)對(duì)鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括(1)不同鋼種結(jié)晶器冷卻水量的確定。(2)二冷區(qū)的噴嘴選型及布置研究。(3)二冷水的配水模式設(shè)計(jì)與優(yōu)化。鑄坯冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)遵循的冶金準(zhǔn)則為保證鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)安全，對(duì)鑄坯表面溫度的演變應(yīng)有一定的要求，即鑄坯冷卻制度應(yīng)符合工藝上的冶金準(zhǔn)則要求。①鑄坯液芯長(zhǎng)度的限制在大于0.55m/rnin拉速條件下，鑄坯在切割前必須完全凝固，而為了減少存在液芯容易在矯直時(shí)產(chǎn)生內(nèi)裂紋，最好在矯直前鑄坯完全凝固.②對(duì)矯直點(diǎn)鑄坯表面溫度的限制對(duì)于每一個(gè)鋼種都有一條相應(yīng)的脆性曲線，通常90(TC70(TC是鋼延性最低的溫控區(qū)域。鋼的成分，如元素A1、Nb、V會(huì)使溫控區(qū)域產(chǎn)生移動(dòng)，對(duì)低合金鋼，要求在矯直點(diǎn)前鑄坯表面溫度應(yīng)避開溫控區(qū)域。這是因?yàn)樵?00'C70(TC時(shí)鋼的延性最低，加上在矯直時(shí)鑄坯內(nèi)弧表面產(chǎn)生了拉力，促使表面橫裂紋形成。因此，在二冷區(qū)鑄坯表面溫度應(yīng)控制在鋼延性較高的溫度區(qū)域，到拉矯區(qū)域時(shí)鑄坯溫度應(yīng)在900°C以上或700°C以下。③對(duì)鑄坯表面冷卻速度的限制鑄坯的冷卻速度過快也會(huì)引起表面張應(yīng)力，促進(jìn)己形成的裂紋擴(kuò)展，或使表面溫度處于低延伸性區(qū)，產(chǎn)生新的裂紋。冷卻速度應(yīng)控制在200±1(TC/m之內(nèi)為宜。④對(duì)鑄坯表面溫度回升速率的限制鑄坯表面的回?zé)釙?huì)導(dǎo)致凝固前沿產(chǎn)生張應(yīng)力。研究表明，鑄坯表面溫度回升速率超過100°C/m會(huì)引起鑄坯內(nèi)部裂紋，因此，在二冷區(qū)沿拉坯方向的鑄坯表面溫度回升應(yīng)控制在10(TC/m之內(nèi)。⑤對(duì)鑄坯坯殼厚度的限制鑄坯在出結(jié)晶器時(shí)，應(yīng)有一個(gè)厚度均勻且厚度足夠的坯殼，以防止發(fā)生拉漏事故。一般認(rèn)為在最大拉速條件下，大規(guī)格鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度不能小于臨界值15mm。因此，連鑄坯進(jìn)行冷卻時(shí)，要保證鑄坯表面溫度的變化符合上述冶金準(zhǔn)則所要求的范圍。在設(shè)計(jì)上述結(jié)晶器結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)結(jié)晶器冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)按以下操作結(jié)晶器冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)主要在前述結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定滿足冶金準(zhǔn)則的鑄坯工藝參數(shù)。①結(jié)晶器傳熱模型的建立有限元分析是解決熱分析與結(jié)構(gòu)問題的常用數(shù)學(xué)方法之一。由于結(jié)晶器銅管、連鑄坯及冷卻水之間的傳熱非常復(fù)雜，因此，在建立傳熱數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要做如下假設(shè)(1)銅管導(dǎo)熱系數(shù)為各向同性，密度和比熱容視為常數(shù)；(2)結(jié)晶器銅管、冷卻水及鑄坯之間的傳熱為穩(wěn)態(tài)；(3)忽略結(jié)晶器水縫冷卻水的核態(tài)沸騰；(4)結(jié)晶器內(nèi)傳熱具有對(duì)稱性，以四分之一結(jié)晶器為研究對(duì)象。針對(duì)結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特征，考慮模型的對(duì)稱性，根據(jù)上述假設(shè)條件，結(jié)晶器內(nèi)的傳熱微分方程為i3f廣sr+13V乂+3式中:式中:"r50t一時(shí)間S;T—溫度，'C;K一導(dǎo)熱系數(shù)W/(H^'C);H—熱焓W/m3，主要包括鋼的顯熱(Ah)和潛熱(AH)，即:Ah、AH可分別表示為A/z(r)"《—》=^(i—x(r))式中P為密度，kg/m3;L為凝固潛熱，W/m3;fs為凝固分率，可用下式表示/#)=rt—7>2(7^)l-cos丌2(rs—rL)、"乂式中TY為液相線溫度，Ts為固相線溫度,求解邊界條件可確定為a、結(jié)晶器銅板頂面與底面-工ob、結(jié)晶器對(duì)稱面c、結(jié)晶器銅管熱面—A——=g=an-6nV0.73-z(0.00〈z<0.73m)(0.73〈z<0.8m)式中q為熱流密度函數(shù)，MW/m2;aQ、bQ、ai、h分別為系數(shù)。d、結(jié)晶器銅管冷卻水縫<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中Tw為冷卻水的溫度'C;hw為對(duì)流換熱系數(shù)W/(m2°C)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可確定為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中Aw、dw、Pw、Uw、A、a分別為冷卻水的導(dǎo)熱率、冷卻水縫的水力學(xué)直徑、冷卻水的密度、流速、粘度和比熱。e、初始條件r-rc式中，Tc為澆鑄溫度。根據(jù)上述的基本方程選用合適的邊界條件以及所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，采用有限元法，計(jì)算出各種情況下結(jié)晶器溫度場(chǎng)，并分析各種參數(shù)對(duì)溫度分布的影響1、結(jié)晶器銅管溫度分布由于結(jié)晶器銅管的對(duì)稱性和冷卻效果的均勻性，溫度沿銅管的圓周方向均勻分布。沿結(jié)晶器長(zhǎng)度方向，結(jié)晶器冷面與熱面的溫度分布趨勢(shì)不同，溫度分布如圖2曲線所示，對(duì)于結(jié)晶器冷面而言，結(jié)晶器銅管的頂端與底部附近的溫度較高，這是因?yàn)榻Y(jié)晶器頂端與底部附近沒有冷卻水通過而使銅管冷面溫度有所回升。對(duì)于結(jié)晶器熱面而言，銅管的最高溫度出現(xiàn)在彎月面附近，這是因?yàn)閺澰旅娓浇臒嵬孔畲?，而在銅管底部由于沒有冷卻水的冷卻作用，溫度有所回升，回升溫度為2(TC左右。2、鑄坯溫度分布以20#鋼種為研究對(duì)象，計(jì)算了澆注溫度為1547°C、拉速為0.39m/min，結(jié)晶器冷卻水為25001/min，進(jìn)出口水溫差為4.55.5'C條件下出結(jié)晶器時(shí)鑄坯內(nèi)的溫度分布。從鑄坯表面逐漸升高即固相一固液兩相區(qū)一液相。為了更加直觀地量化分析鑄坯內(nèi)溫度分布，沿拉坯方向取出鑄坯中心與表面的溫度值，如圖3所示，固、液相線溫度分布如圖4所示。從圖3中可以看出，沿拉坯方向鑄坯中心溫度逐漸降低，而表面溫度開始降低，而在離結(jié)晶器出口300mm左右溫度又開始回升。這是因?yàn)樵诮Y(jié)晶器出口附近坯殼厚度逐漸增大，坯殼與銅管之間的氣隙也逐漸增大，從而增加了熱阻，另外，凝固潛熱的釋放也是導(dǎo)致鑄坯表面溫度回升的重要原因之一。從圖4中可以看出，沿著拉坯方向固、液相線逐漸向鑄坯中心移動(dòng)，而且兩相區(qū)的范圍也逐漸增大，出結(jié)晶器時(shí)坯殼厚度約為20mm左右，兩相區(qū)的寬度約為30mm左右，可以滿足工藝要求。3、拉速對(duì)鑄坯溫度分布的影響當(dāng)澆注溫度為1547'C時(shí)，研究了拉速對(duì)鑄坯溫度分布的影響。圖5為出結(jié)晶器時(shí)鑄坯徑向溫度分布，從圖中可以看出，沿鑄坯徑向方向溫度逐漸降低，中心區(qū)域溫度下降非常緩慢，鑄坯表面附近溫度急劇下降。隨著拉速增大，鑄坯內(nèi)溫度逐漸增大，拉速每增加0.03m/min，鑄坯表面溫度升高12.5X:左右。圖6為坯殼厚度沿拉坯方向的分布。從圖中可以看出，沿拉坯方向坯殼厚度逐漸增大，結(jié)晶器出口附近坯殼厚度的增加比較緩慢。拉速增大，坯殼厚度減小。拉速為0.39m/min時(shí)，出結(jié)晶器坯殼厚度為20.26mm;拉速為0.46m/min時(shí)，坯殼厚度為15.67腿；拉速為0.49m/min時(shí)，坯殼厚度為14.09腿。圖7為固、液相線沿拉坯方向的分布。從圖中可以看出，沿拉坯方向固、液相線逐漸向鑄坯中心移動(dòng)，液相線的移動(dòng)速度比較均勻，而固相線在結(jié)晶器出口附近的移動(dòng)變得比較緩慢。隨著拉速的增大，固、液相線向鑄坯表面移動(dòng)。圖8為不同拉速條件下鑄坯中心與表面溫度分布。從圖中可以看出，隨著拉速的增大，鑄坯中心與表面溫度增大，中心溫度的變化不是很明顯，而表面溫度升高較為顯著，尤其是在表面溫度最低處變化更為明顯，拉速每增大0.01m/min，鑄坯表面最低溫度將升高6'C左右。4、過熱度對(duì)鑄坯溫度分布的影響當(dāng)拉速為0.46m/min時(shí)，分析了澆注溫度為1538°C、1547°C、1554°C三種條件下鑄坯溫度分布。圖9為不同澆注溫度條件下鑄坯中心與表面溫度分布。從圖中可以看出，在對(duì)鑄坯的彎月面附近，澆注溫度對(duì)鑄坯的表面溫度的影響不是很明顯，對(duì)中心溫度的影響要大一些；在結(jié)晶器出口附近，澆注溫度對(duì)表面溫度的影響要明顯大于中心溫度。澆注溫度升高，鑄坯表面溫度將也隨之升高，澆注溫度每升高7°C，鑄坯表面溫度將升高18°C左右。圖IO為不同澆注溫度條件下坯殼厚度沿拉坯方向的分布。從圖中可以看出，沿拉坯方向坯殼厚度逐漸增大，結(jié)晶器出口附近坯殼厚度的增加比較緩慢。澆注溫度增大，坯殼厚度減小。澆注溫度每增加7t:，出結(jié)晶器坯殼厚度將減小lmm左右。澆注溫度為1538'C時(shí)，出結(jié)晶器坯殼厚度為16.728mm;澆注溫度為1547。C時(shí)，出結(jié)晶器坯殼厚度為15.666腿；澆注溫度為1554'C時(shí)，出結(jié)晶器坯殼厚度為14.757mm。圖ll為不同澆注溫度時(shí)固、液相線沿拉坯方向的分布。如圖所示，隨著澆注溫度的升高，固、液相線向鑄坯表面移動(dòng)。澆注溫度每升高7'C，固、液相線分別向鑄坯表面移動(dòng)l.lmm、1.9mm。鋼水溫度由精煉來準(zhǔn)確控制。從以上圖中，可以確定滿足冶金準(zhǔn)則的鑄坯相關(guān)工藝參數(shù)。三、鑄坯二次冷卻制度建立鑄坯二次冷卻技術(shù)是連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量有著重要影響。尤其是在高拉速條件下，鑄坯溫度升高，坯殼減薄，容易產(chǎn)生鑄坯鼓肚、內(nèi)裂、偏析等缺陷。因此，要求二冷卻配水制度能減輕或防止高拉速引起的鑄坯鼓肚、內(nèi)裂等缺陷。二次冷卻制度的確定(1)確定二次冷卻的噴嘴和布置(2)確定鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型；(3)參照連鑄冶金準(zhǔn)則，以獲得合理的鑄坯溫度分布，質(zhì)量?jī)?yōu)異的鑄坯為目標(biāo)，采用目標(biāo)表面溫度反演算法來確定連鑄坯二冷配水制度。①噴嘴選型和布置利用噴嘴性能測(cè)試裝置對(duì)圓坯連鑄機(jī)噴嘴的冷態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)包括為噴嘴壓力和流量特性曲線、噴嘴噴射角度、噴嘴Qk值、噴嘴水流密度分布等。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析后，確定噴嘴的選型。再按照噴嘴的布局原則(l)噴嘴噴出的水應(yīng)全部噴在鑄坯表面；(2)沿圓周方向，噴嘴噴出的水應(yīng)均勻覆蓋鑄坯；(3)沿行進(jìn)方向，噴嘴噴出的水應(yīng)盡量覆蓋鑄坯；(4)噴嘴應(yīng)避開導(dǎo)向輥，布置在相鄰?qiáng)A輥之間；(3)噴嘴及管路布置要便于維修和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配水。最終確定二冷區(qū)噴嘴的布置方式。②二冷區(qū)鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型的建立在建立圓鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型時(shí)，根據(jù)連鑄生產(chǎn)過程以及文獻(xiàn)的報(bào)道，提出如下幾點(diǎn)假設(shè)(1)忽略拉坯方向傳熱；(2)結(jié)晶器鋼水溫度與澆注溫度相同；(3)圓坯液相線溫度和固相線溫度為常數(shù)；(4)圓坯的物理特性為各向同性；(5)連鑄機(jī)二冷區(qū)內(nèi)同一冷卻段冷卻均勻；(6)凝固殼以傳導(dǎo)傳熱占統(tǒng)治地位。根據(jù)以上假設(shè)條件，建立傳熱方程為式中T—溫度。C;P—密度kg/m3;、一熱容kj/(kg°C);^一有效導(dǎo)熱系數(shù)W/m;5。一源項(xiàng)。③二冷配水制度的制定應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型，以其基本功能為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，確定一定的澆鑄條件下、相應(yīng)于不同鋼種的0400mm鑄坯的二冷各區(qū)冷卻水目標(biāo)水量，即配水表；然后，通過分析各回路水量與拉速的關(guān)系，確定水量與拉速的關(guān)系方程；同時(shí)，將應(yīng)用該模型分析各工藝參數(shù)對(duì)鑄坯凝固過程的影響。1、確定鑄坯目標(biāo)表面溫度曲線鑄坯目標(biāo)表面溫度曲線的確定是保證獲得良好的鑄坯質(zhì)量、穩(wěn)定鑄坯表面溫度分布的前提。鑄坯的目標(biāo)表面溫度分布與該鋼種的熱物性性質(zhì)、高溫力學(xué)性能等因素有關(guān)；同時(shí)它還受到鑄機(jī)各冷卻段冷卻條件的制約。為此，鑄坯目標(biāo)表面溫度的確定應(yīng)綜合考慮多方面因素。首先，要以滿足鑄坯出結(jié)晶器的最小坯殼厚度為前提；目標(biāo)溫度在變化趨勢(shì)上符合鑄坯凝固傳熱的一般規(guī)律；其次，它還應(yīng)符合由鋼種的高溫力學(xué)性能所確定的冷卻制度和冶金準(zhǔn)則。制定目標(biāo)表面溫度曲線只需沿拉坯方向指定若干個(gè)溫度控制點(diǎn)，確定出這些溫度控制點(diǎn)的目標(biāo)溫度。一般可根據(jù)典型鋼種的高溫延塑性能測(cè)試結(jié)果，確定了以典型鋼種為代表的各鋼組的目標(biāo)表面溫度。根據(jù)O400mm鑄坯典型鋼種的高溫延性能測(cè)試結(jié)果，確定出以典型鋼種為代表的各鋼組的目標(biāo)表面溫度見表1。表l鑄坯目標(biāo)表面溫度分布<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注鋼組I代表的鋼種是C《0.20y。的鋼種，如20#等；鋼組II代表的鋼種是C>0.20%的鋼種，如26CrMo4，30CrMo等;鋼組m代表的鋼種是高Si鋼種，如27SiMn等；鋼組IV代表的鋼種是低合金及碳素鋼，如34Mn5V，39Mn2V等;鋼組V代表的鋼種是裂紋敏感的鋼種，如14MnNb，12CrlMoVG等。2、確定二冷系統(tǒng)換熱系數(shù)與水量的關(guān)系通過試驗(yàn)研究及大量的仿真計(jì)算，確定的(D400mm鑄坯二冷段各冷卻區(qū)的平均換熱系數(shù)與水量的關(guān)系式如下I區(qū)內(nèi)弧/2=0.3496><『02柳II區(qū)內(nèi)弧A=0.2951x『°3912III區(qū)內(nèi)弧A=0.2301xW。4675IV區(qū)內(nèi)弧=0.1817x『°4675式中A—各冷卻區(qū)的平均換熱系數(shù))W7W.'C;『一各冷卻區(qū)單位面積的噴水量丄/zn2。再把傳熱系數(shù)代入凝固模型，由現(xiàn)場(chǎng)工藝條件，就可以計(jì)算出鑄坯整個(gè)流線的溫度場(chǎng)及坯殼厚度分布。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鑄坯表面溫度測(cè)量，然后可與模型計(jì)算值比較，就可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性了。3、二冷配水表的制定連鑄機(jī)條件一定的情況下，決定二次冷卻過程中鑄坯凝固系數(shù)*的主要因素就是冷卻強(qiáng)度，在一定的范圍內(nèi)增加冷卻強(qiáng)度可以加大)t值，而拉速的變化實(shí)際上就是改變了鑄坯的凝固時(shí)間，從而影響了坯殼的厚度。因此，要穩(wěn)定鑄坯的表面溫度就要使各冷卻水水量的冷卻強(qiáng)度隨拉速的改變而發(fā)生變化。連鑄坯二冷區(qū)冷卻水的目標(biāo)水量就是應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，按照目標(biāo)表面溫度控制法的原理而確定的，即按照冶金準(zhǔn)則的要求，將某鋼種的鑄坯冷卻時(shí)的表面溫度作為目標(biāo)表面溫度，通過配水計(jì)算，使得沿拉速方向上的鑄坯表面溫度分布符合目標(biāo)溫度，力求不隨拉速而變。二冷配水制度制定的依據(jù)是鑄坯的目標(biāo)表面溫度、連鑄噴嘴的實(shí)際噴水能力和連鑄機(jī)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工藝條件等。為方便目標(biāo)水量的反算，在仿真程序中以鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型的基本功能為基礎(chǔ)，利用數(shù)值計(jì)算方法中的二分法思想編制了目標(biāo)水量反算子程序。在實(shí)際①400mm鑄坯的條件下，利用該程序可計(jì)算出20#鋼0>400腿鑄坯的二次冷卻配水表。見表2表22(T鋼①400mm鑄坯二次冷卻配水表<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>以20#鋼為例，制定出拉速與各區(qū)冷卻強(qiáng)度的關(guān)系如圖1215所示由目標(biāo)水量計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)拉速小于某個(gè)值時(shí)，各區(qū)的水量為安全水量，即噴嘴的最小水流量，當(dāng)拉速大于這個(gè)值時(shí)，隨拉速的增加，二冷區(qū)總水量呈線性或二次曲線增加的趨勢(shì)。對(duì)于這種線性關(guān)系，可以回歸擬合成線性關(guān)系的公式，便于現(xiàn)場(chǎng)的水量控制。四、連鑄工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)①結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)選擇根據(jù)結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用情況和普及程度，可選擇O400mm結(jié)晶器振動(dòng)規(guī)律為正弦速度規(guī)律<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>式中V—結(jié)晶器振動(dòng)速度；G)—振動(dòng)角頻率；h—振程；A—波形偏斜因子；t一時(shí)間。正弦振動(dòng)參數(shù)選擇結(jié)晶器振動(dòng)速度完全取決于振幅為h/2和頻率f。振幅和頻率被稱為結(jié)晶器正弦振動(dòng)的基本參數(shù)。在振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)的坯殼受到壓縮，這種情況稱之為負(fù)滑動(dòng)。而負(fù)滑動(dòng)持續(xù)的時(shí)間稱為負(fù)滑動(dòng)時(shí)間或愈合時(shí)間。由于直接關(guān)系到鑄坯質(zhì)量，所以負(fù)滑動(dòng)時(shí)間被稱為工藝參數(shù)。合理的最佳的工藝參數(shù)是通過基本參數(shù)的正確選擇來實(shí)現(xiàn)的①正弦振動(dòng)的工藝參數(shù)選擇較小的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間能使鑄坯表面質(zhì)量得到改善，負(fù)滑動(dòng)時(shí)間計(jì)算公式-60,1000^、=—xarccos(-式中"U—負(fù)滑動(dòng)時(shí)間f一振動(dòng)頻率Ve—拉坯速速A—振幅從相關(guān)資料可以得到，負(fù)滑動(dòng)時(shí)間在0.10.25秒時(shí)，可減少了坯殼與銅管之間的摩擦阻力，對(duì)連鑄坯表面質(zhì)量有利。②正弦振動(dòng)的基本參數(shù)選擇振幅及頻率因鑄機(jī)類型、鑄坯規(guī)格尺寸而異。^_薦10.^1弧形半徑的弧形圓鑄坯連鑄機(jī)生產(chǎn)0350腿①400mm鑄坯時(shí)，采用振幅為土4.5腿，頻率為401601/min的正弦波。振幅確定原則在確定最大振幅時(shí)，要考慮在最大拉坯速度時(shí)，振程/拉速不能過小，在避免臨界振頻過大的前提下，盡量采用小振幅；確定最小振幅時(shí)，要考慮在最小拉坯速度時(shí)，振程/拉速不能過大，以獲得較短的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間。中間各級(jí)振幅依然是根據(jù)拉坯速度以同樣的原則來確定。頻率確定原則以保證負(fù)滑動(dòng)時(shí)間取得最小值，或最佳值為前提。振幅和頻率還應(yīng)滿足保護(hù)渣消耗量的要求。Q二O.74(1/A03)(60/f)"Vc2)_0.:5+0.17(0.08《％C《0.16)Q=0.40(l/A03)(60/f)(ilVc2)_05+0.22(%C《0.08)式中Q—保護(hù)渣消耗量kg/m2;A—振幅mm;f—頻率1/min;il—保護(hù)渣在130(TC時(shí)的黏度Pas;Ve—拉坯速度m/min。根據(jù)以上原則，選擇O)400mm鑄坯的結(jié)晶器振幅為士4.5腿，頻率為80130(i/min)。③正弦振動(dòng)同步控制模型根據(jù)所澆注的鋼種和鑄坯規(guī)格，結(jié)合負(fù)滑動(dòng)時(shí)間的最佳取值范圍(0.10.25秒)，選擇(D400mm鑄坯的振動(dòng)同步控制模型為f=71.0Ve+27.4式中f一頻率1/min;V。一拉坯速度m/min。④結(jié)晶器保護(hù)渣的設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)晶器保護(hù)渣的潤(rùn)滑和傳熱兩個(gè)方面的作用，調(diào)整設(shè)計(jì)出應(yīng)用于①400mm鑄坯的三種保護(hù)渣Ll、L2、L3，見表3。表3O400mm鑄坯的三種保護(hù)渣理化指標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>⑤其他連鑄工藝參數(shù)的確定其他連鑄工藝參數(shù)為a、結(jié)晶器電磁攪拌主要參數(shù)選擇0400mm結(jié)晶器電磁攪拌主要參數(shù)見表4。表40>400mm結(jié)晶器電磁攪拌主要參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>b、鋼包開澆溫度1)不經(jīng)VD處理鋼種溫度控制開澆爐溫度(包括換中包)TY+85+(05)°C連澆爐溫度:TL+55+(05)。C2)經(jīng)VD處理鋼種溫度控制開澆爐溫度(包括換中包)TY+80+(05)°C連澆爐溫度TY+55+(05)°Cc、開澆次序、起步時(shí)間與起步拉速a)開澆次序中間包鋼水為1620噸，液位高度在400500mm時(shí)開b)在結(jié)晶器液位距上口120150mm時(shí)開始起步。c)起步時(shí)間7585秒。d)起步拉速0.25m/min。d、拉坯速度控制過熱度一拉坯速度按表5控制。表5O400mm鑄坯過熱度一拉坯速度<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>e、結(jié)晶器振動(dòng)模式采用士4.5mm振幅，確保實(shí)現(xiàn)下列振動(dòng)模式，見表6。表60400mm鑄坯結(jié)晶器振動(dòng)模式<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>使用該方法進(jìn)行了批量生產(chǎn)多個(gè)鋼種的合格①400mm鑄坯，如石油套管用鋼，管線管用鋼，液壓支架管用鋼，高壓容器用鋼，結(jié)構(gòu)、流體管用鋼等。對(duì)①400mm連鑄坯的檢驗(yàn)情況如下1、鑄坯化學(xué)成份偏析情況由于CMOOmm鑄坯直徑大，容易發(fā)生化學(xué)成分偏析。為測(cè)量鑄坯成分偏析，在cD400mm鑄坯試樣的橫截面上，由外弧至內(nèi)弧、側(cè)弧至中心等間距取樣，做成分分析。取樣位置見圖16，為外弧至內(nèi)弧的取樣位置圖，圖17為側(cè)弧至中心的取樣位置圖。試樣各位置化學(xué)成分見表7。表7cD400mm鑄坯橫截面各位置化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>從表中可以看出，①400mra鑄坯內(nèi)部不同部位的化學(xué)成份比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)現(xiàn)象，偏析情況滿足成分規(guī)格要求。此外，采用金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析的方法，①400mm鑄坯內(nèi)部化學(xué)成份偏析度進(jìn)行測(cè)定。金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)的原理以單次火花放電理論及信號(hào)分辨提取技術(shù)為基礎(chǔ)，得出了火花微束(探針)技術(shù)、無預(yù)燃連續(xù)激發(fā)同步掃描定位技術(shù)。并據(jù)此獲得數(shù)以百萬計(jì)與材料原位置相對(duì)應(yīng)的各元素原始含量及狀態(tài)信息，用統(tǒng)計(jì)解析的方法定量表征材料的偏析度、疏松度、夾雜物分布等指標(biāo)。該項(xiàng)技術(shù)可以獲得金屬材料較大尺度范圍內(nèi)各成分的位置分布、狀態(tài)分布及定量分布的準(zhǔn)確信息。該方法具有原始性、原位性及統(tǒng)計(jì)性的特點(diǎn)。對(duì)生產(chǎn)的45*鋼0400mm鑄坯內(nèi)部化學(xué)成份偏析度進(jìn)行測(cè)定。通過金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析的結(jié)論是45#鋼0>400mm鑄坯樣中磷，鋁元素統(tǒng)計(jì)偏析度較大，碳和硫的統(tǒng)計(jì)偏析度稍小。各元素在中心處的統(tǒng)計(jì)偏析大，內(nèi)弧處和外弧處統(tǒng)計(jì)偏析度較小。但都滿足成分規(guī)格要求。2、鑄坯酸浸低倍情況對(duì)O400mm鑄坯酸浸低倍評(píng)級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各級(jí)別所占比例情況見表8。表8O400腿鑄坯酸浸低倍評(píng)級(jí)情況<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>從表中可以看出，鑄坯的不圓度和直徑偏差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，對(duì)于①400mm鑄坯的端面切斜度、彎曲度以及定尺長(zhǎng)度的檢驗(yàn)結(jié)果，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。4、鑄坯表面質(zhì)量由于工藝參數(shù)選用合理，所生產(chǎn)出的①400mm鑄坯表面質(zhì)量良好。此項(xiàng)技術(shù)方法可以推廣適用于R/D=26.2530的其他低合金鋼圓管坯連鑄機(jī)的情況。權(quán)利要求1、一種直徑為Φ350～Φ400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法，該方法包括以下步驟一、選擇適于連鑄機(jī)的弧形半徑(R)與低合金鋼連鑄圓管坯直徑(D)比值為R/D＝26.25～30時(shí)的圓管坯結(jié)晶器工藝條件①結(jié)晶器銅管的錐度可以用以下(1)、(2)兩個(gè)方程來描述其錐度沿銅管縱向變化曲線y＝a0＜x≤75(1)全文摘要本發(fā)明提供一種直徑為Φ350～Φ400mm低合金鋼連鑄圓管坯的生產(chǎn)方法，包括以下步驟選擇適于連鑄機(jī)的弧形半徑與低合金鋼連鑄圓管坯直徑比值為26.25～30時(shí)的圓管坯結(jié)晶器工藝條件；低合金鋼鑄坯冷卻參數(shù)選擇；制訂低合金鋼鑄坯二次冷卻制度；低合金鋼連鑄坯的連鑄工藝參數(shù)。本發(fā)明的效果是在連鑄機(jī)弧形半徑與連鑄圓管坯直徑比值為26.25～30的設(shè)備條件下，保證低合金鋼鑄坯質(zhì)量符合連鑄圓管坯連鑄工藝要求。生產(chǎn)出的Φ350～Φ400mm鑄坯，其不圓度、端面切斜度、彎曲度、酸浸低倍組織缺陷、酸浸低倍結(jié)晶組織以及表面質(zhì)量均符合中華人民共和國(guó)黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《連鑄圓管坯》YB/T4149-2006的要求。文檔編號(hào)B22D11/12GK101279360SQ20081005314公開日2008年10月8日申請(qǐng)日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日發(fā)明者劉義仁,劉樹軍,露張,張志忠,楊金喜,王振祥,郭廣新申請(qǐng)人:天津鋼管集團(tuán)股份有限公司