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一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法

阅读：1025发布：2020-07-05

专利汇可以提供一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其包括：采集生产工况参数；确定供给速度va、增材厚度d和增材宽度w，w>d；基于标准溶质浓度C标计算液芯末端偏析指数，得到溶质浓度Coi，反推出增材的溶质浓度Ca；根据Ca≤C选铸坯中心线偏析的方法，利用合金成分配比来减轻和消除中心线偏析，同时增材可以消除中心缩松。增材到达液芯末端时完全熔化，在振动作用下，熔化的液团与液芯末端内的浇铸液完全混合；从而同时解决连铸坯内中心线偏析以及中心疏松两大内部质量缺陷。，下面是一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1，采集连铸坯生产工况参数；确定供给速度va，并确定增材厚度d和增材宽度w，w>d；
S2，基于连铸坯溶质的标准溶质浓度C标，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co，再反推出增材的溶质下限浓度Ca；
S3，根据Ca≤C选2.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S1包括：
S11，采集的工况参数至少包括，液芯末端在液相穴内的深度位置H，浇注温度T浇、浇铸钢液的液相线温度Tl，工作拉速vc、连铸坯截面尺寸及冷却条件；
S12，由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0计算增材完全熔化所需的时间tm，浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl，增材厚度d取1mm至8mm以内，T0为增材初始温度；
再由va≤H/tm得到供给速度va；
S13，由得到增材横截面面积Aa，其中，Cp为钢液比热，Ac为连铸
坯截面积，QB为连铸坯的冷却热量，L为增材的熔化潜热；
由Aa＝d×w，得到增材宽度w。
3.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S2包括：
S21，依据凝固过程中的溶质析出重新分配规律，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co；
S22，由得到增材的溶质下限浓度Ca，其中Ao为液芯末端的
截面积，vc为工作拉速，Aa＝d×w。
4.如权利要求3所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S21中：连铸坯中包括n种溶质，n≥1，n中溶质各自的标准溶质浓度为C标i，i＝1、…、n、；
对C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；
基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述n种溶质各自的溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括Coi。
5.如权利要求4所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：S21中还设立宏观模型时还包括多种杂质的杂质浓度C杂j，j＝n+1、…、m，m≥n+1；经过微观模型计算得到液芯末端的杂质浓度Coj；
S22中还计算得到增材中的杂质上限浓度Caj；
S3中还选取增材中的杂质浓度C选j≤Caj。
6.如权利要求4所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S21中：将浓度场、液相率和枝晶结构返回宏观模型，对宏观模型的结果进行修正，再对宏观模型的结果进行微观模型计算，得到优化的微观模型结果。
7.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于，S3中：在增材加入到浇铸液相穴中之前，对增材加热，使增材初始温度T0达到200℃-500℃。
8.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：所述振动的振幅小于3mm，振动的频率不小于100Hz。
9.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：液相穴的液面处，增材的送入位置位于水口与结晶器窄面之间，且距水口的距离为水口与结晶器窄面间距离的三分之一。
10.如权利要求1所述的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其特征在于：所述增材送入液相穴过程中，在液面处的增材送入位置周围采用气体保护。

说明书全文

一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及连续铸造领域，尤其是一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法。

背景技术

[0002] 连铸坯中心偏析伴随中心疏松，同时加上内部夹杂物的存在会严重恶化铸坯性能。高过热度浇注有利于夹杂物的上浮，但会加重中心偏析程度，尽量减小中心偏析度对于进一步提高铸坯质量十分重要。

[0003] 在常规的连铸生产过程中，目前已采用的能够减轻中心偏析的方法有：凝固末端电磁搅拌及轻压下等。然而，这些措施都存在一些弊端。凝固末端施加电磁搅拌的位置难以准确确定，且应用于规格较大的铸坯时，由于集肤效应的存在效率较低。同时尽管凝固末端轻压下可密实铸坯中心结构，但富集的溶质会重新回到液相穴从而不断积累，不能从根本上消除中心偏析。

[0004] 除上述方法，现有国外公开报道(乌克兰专利No.40053A)提出了向连铸坯结晶器内喂入冷钢带的技术。利用钢带熔化吸热改变了铸坯原本的由外向内的凝固方式，增加了铸坯中心的等轴晶率，密实了中心结构，从而提高铸坯内部质量。国内公开报道(专利：CN200610044356.0、CN201210565960.3、CN201410799131.0)对喂带设备或技术进行了笼统介绍，但没有提出具体实施参数。专利“一种厚板坯连铸过程结晶器喂钢带工艺参数的确定方法”(CN.105033216)介绍了喂入钢带的参数确定方法，本设计中在此技术的基础上，考虑铸坯凝固过程中溶质富集的情况，提出一种利用增材稀释铸坯凝固末端中心线偏析的技术。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种同时消除偏析和疏松、改善中心线合金成分的利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为了达到上述目的，本发明提供一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，其包括：

[0009] S1，采集连铸坯生产工况参数；确定供给速度va，并确定增材厚度d和增材宽度w，w>d；

[0010] S2，基于连铸坯溶质的标准溶质浓度C标，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co，再反推出增材的溶质下限浓度Ca；

[0011] S3，根据Ca≤C选

[0012] 优选的，S1包括：

[0013] S11，采集的工况参数至少包括，液芯末端在液相穴内的深度位置H，浇注温度T浇、浇铸钢液的液相线温度Tl，工作拉速vc、连铸坯截面尺寸及冷却条件；

[0014] S12，由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0计算增材完全熔化所需的时间tm，浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl，增材厚度d取1mm至8mm以内，T0为增材初始温度；再由va≤H/tm得到供给速度va；

[0015] S13，由得到增材横截面面积Aa，其中，Cp为钢液比热，Ac为连铸坯截面积，QB为连铸坯的冷却热量，L为增材的熔化潜热；

[0016] 由Aa＝d×w，得到增材宽度w。

[0017] 优选的，S2包括：

[0018] S21，依据凝固过程中的溶质析出重新分配规律，计算连铸坯液芯末端偏析指数，得到液芯末端的溶质浓度Co；

[0019] S22，由得到增材的溶质下限浓度Ca，其中Ao为液芯末端的截面积，υc为工作拉速，Aa＝d×w。

[0020] 进一步的，S21中：连铸坯中包括n种溶质，n≥1，n中溶质各自的标准溶质浓度为C标i，i＝1、…、n、；

[0021] 对C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；

[0022] 基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述n种溶质各自的溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括Coi。

[0023] 进一步的，S21中：设立宏观模型时还包括多种杂质的杂质浓度C杂j，j＝n+1、…、m，m≥n+1；经过微观模型计算得到液芯末端的杂质浓度Coj；

[0024] S22，计算得到增材中的杂质上限浓度Caj；

[0025] S3，还选取增材中的杂质浓度C选j≤Caj。

[0026] 进一步的，S21中：将浓度场、液相率和枝晶结构返回宏观模型，对宏观模型的结果进行修正，再对宏观模型的结果进行微观模型计算，得到优化的微观模型结果。

[0027] 优选的，S3中：在增材加入到浇铸液相穴中之前，对增材加热，使增材初始温度T0达到200℃-500℃。

[0028] 优选的，所述振动的振幅小于3mm，振动的频率不小于100Hz。

[0029] 优选的，液相穴的液面处，增材的送入位置位于水口与结晶器窄面之间，且距水口的距离为水口与结晶器窄面间距离的三分之一。

[0030] 优选的，所述增材送入液相穴过程中，在液面处的增材送入位置周围采用气体保护。

[0031] (三)有益效果

[0032] 本发明提供一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法，利用合金成分配比来减轻和消除中心线偏析，同时增材可以消除中心缩松。增材到达凝固前沿的液芯末端时完全熔化，并且在振动作用下，熔化的液团与液芯末端内的浇铸液完全混合；增材与连铸坯本身内溶质拥有浓度差，因此对中心富集的溶质进行稀释，从而同时解决连铸坯内中心线偏析以及中心疏松两大内部质量缺陷。

[0033] 先确定增材厚度，一来此厚度范围方便增材的制作，可以均匀轧制，能较好的保持增材厚度一致，另一方面也便于增材有效的熔化，当确定选用的厚度之后，计算得到供给速度。本拟合公式比较适合铁元素为主的合金连铸，也可以用于近似计算其他类型的合金连铸工艺。通过供给速度与增材厚度的匹配，保证增材前端在到达液芯末端时完全熔化。后续的固态增材不断向前运送，不断地向液芯末端输送液态的增材。

[0034] 通过计算得到的增材溶质浓度更准确，是具体采用的浓度值的下限。此公式计算的增材溶质浓度值随着增材截面尺寸的变化而变化，便于实际使用和调整，计算步骤简单、快捷。

[0035] 宏观模型与微观模型利用了较少的输入参数，囊括了较多的影响因素，全面准确的对实际过程进行了数学建模，快速、准确的得到液芯末端的溶质浓度，为后续计算提供准确的参数。

[0036] 通过杂质浓度的调整，更好的提高了连铸坯中心质量，提高连铸坯性能。

[0037] 将微观模型的输出返回宏观模型用作修正，实现了数据在宏观尺度和微观尺度之间的传输，使得模型的立体性更好，所给出的值的偏差更小。

[0038] 对增材进行预加热，可以减少液相穴内的热量损耗，而且增材可以更快的达到熔点。同时增材初始温度也没有过高，避免了在达到液芯末端之前就熔化。

[0039] 对增材施以小幅高频振动，有利于将增材熔化的液团和浇铸液搅拌均匀。结晶器窄面与水口之间送入增材，同时增材偏向靠近水口，能更有效的利用液相穴加热增材。同时增材的输送路径更稳定。

[0040] 在液面处对增材送入位置施加气体保护，可以防止液面上层的保护渣随增材进入液相穴。附图说明

[0041] 图1为一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法的实施示意图；

[0042] 图2为一种构建交互的宏观模型和微观模型的方法的示意图。

[0043] 【附图标记说明】

[0044] 1：水口；2：增材体；3：液相穴；4：糊状区；5：凝固坯壳；d：增材厚度；D：液芯直径。

具体实施方式

[0045] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

[0046] 实施例1

[0047] 如图1所示，浇铸液从水口1流出，浇铸液流入到结晶器之中。结晶器的侧壁不断对液相穴3降温，使得液相穴3侧部和底部不断结晶，形成糊状区4，糊状区4继续降温形成凝固坯壳5。凝固坯壳5被从下部拉出。液相穴3、糊状区4和凝固坯壳5不断流动演变，整体形成连铸坯。在条件不变的前提下，液相穴3与糊状区4的边界、糊状区4与凝固坯壳5的边界是稳定处在一定的位置，稳定保持一定的形状。

[0048] 本实施例连铸坯为低碳连铸厚板坯，为消除中心线的偏析采用如下方法：

[0049] S11，连铸坯截面Ac＝Dc×Wc＝220mm×1800mm。液芯直径D＝30mm，液芯末端在液相穴3内的深度其中工作拉速vc＝0.8m/min，凝固系数K2＝20。浇注温度T浇＝1536℃，结晶器、二冷区及空冷区的冷却量总和QB＝399843J即连铸坯冷却热量。浇铸钢液的液相线温度Tl＝1516℃，钢液定压比热Cp＝710J/(kg·℃)，钢液的化学成分及其质量百分数(wt％)如下表：

[0050]代号 C标1 C标2 C标3 C标4 C标5 C标6
成分 C Si Mn Ti S P
钢液 0.125 0.265 1.41 0.0138 0.00129 0.0112

[0051] S12，准备选取或制造厚度d＝3mm、初始温度T0＝200℃的增材时，增材完全熔化所需的时间tm由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnd-0.497lnΔT-0.365lnT0确定，其中浇铸液过热度ΔT＝T浇-Tl。

[0052] 再由va≤H/tm得到供给速度va＝0.3m/s。

[0053] S13，由得到增材横截面面积Aa，其中增材的熔化潜热L为276000J/kg，此时取增材的熔化潜热与连铸坯相同，可以根据结构返回修正；

[0054] 再由Aa＝d×w，得到增材宽度w＝10mm。

[0055] S21，对连铸坯中各溶质的标准溶质浓度C标i、冷却边界条件、连铸坯截面尺寸、工作拉速vc、粘度、密度、导热率、扩散系数和分配系数，设立宏观模型，宏观模型包括连续性方程、动量方程、能量方程以及溶质传输控制方程，对宏观模型进行完全耦合模拟计算，计算得到流场、温度场和溶质分布；

[0056] 基于溶质平衡分配系数、扩散系数、局部凝结时间和枝晶结构，对流场、温度场和溶质分布进行微观模型计算，微观模型采用杠杆模型描述各溶质浓度Coi、糊状区液相率和温度三者的函数关系，得到凝固前沿的浓度场、液相线、固相线和液相率；浓度场中包括液芯末端碳元素的浓度Co1＝0.143wt％；Si，Co2＝0.278wt％；Mn,Co3＝1.49wt％；Ti,Co4＝0.014wt％；S,Co5＝0.00142wt％；P,Co6＝0.012wt％。

[0057] 本步骤中，还可以对现有连铸坯中心区取样，进行理化检测，检测数据中的溶质浓度可以作为理论计算的结果的参考。

[0058] 如图2所示，对连铸坯的流动建立连续性方程和动量方程，对温度建立能量方程，对溶质的浓度建立溶质传输控制方程。温度造成的热浮力可以造成流动的变化，同时溶质元素在温度作用下形成热扩散；流动可以造就热对流，对流扩散的同时也造成了溶质迁移；溶质浓度的区别使得液相线固相线漂移，结晶影响温度的分布，不同溶质的密度不同，造成浮力流动。对宏观模型进行完全耦合模拟计算，得到的数据输入微观模型。

[0059] 枝晶结构可以影响孔隙率，返回宏观模型用于修正流动。溶质扩散造成微观偏析，返回宏观模型用于修正浓度。

[0060] S22，由得到增材的溶质浓度，其中碳元素浓度Ca1＝0.106wt％，其中Ao为液芯末端的截面积，

[0061] S3，选取碳元素浓度C选1＝Ca1＝0.106wt％，Si，C选2＝Ca2＝0.253wt％；Mn,C选3＝Ca3＝1.335wt％；Ti,C选3＝Ca4＝0.0136wt％；S,C选5＝Ca5＝0.00116wt％；P,C选5＝Ca6＝0.0104wt％；d×w＝3mm×10mm制造增材，预热至初始温度T0＝200℃，添加入液相穴3。

[0062] 如图1所示，增材在液相穴3上部的送入位置距离水口1的距离，为水口1距离结晶器侧壁距离的三分之一。本实施例的连铸坯截面为矩形，增材的送入位置为结晶器距离较窄的两面之间。增材的送入方向为斜向下，保证增材末端到达液相穴3的液芯末端。增材末端到达液芯末端时刚好被加热至熔化。

[0063] 在送入增材的过程中，对增材体2施加振幅2.5mm，振动的频率350Hz的振动。振动方向与送入方向可以垂直、平行或是交叉。当垂直时，振动方向优选沿着厚度方向。平行时，增材的固态增材体2会高频低幅的冲击液芯末端甚至是糊状区4，击碎枝晶结构促进浇铸液流动。同时对增材的送入位置施加气体保护，吹走液相穴3表面增材送入位置处的保护渣，防止保护渣在高速运动的增材体2带动下进入液相穴3。

[0064] 实施例2

[0065] 如实施例1的计算结果，选取C选1＝0.11wt％>Ca1，C选2＝0.26wt％>Ca2,C选3＝1.40wt％>Ca3,C选4＝0.0137wt％>Ca4,C选5＝0.0012wt％>Ca5，C选6＝0.011wt％>Ca6，制造增材。
元素比例更好控制，增材制造方便，工艺更简单。也可以极大地减轻连铸坯中心偏析并解决中心缩松。

[0066] 实施例3

[0067] 如实施例1的，在宏观模型的输入中加入杂质浓度C标7，最终输出中包括Ca7，选取2
C选7

[0068] 上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

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一种利用增材稀释消除连铸坯中心线偏析的方法

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