技术领域
[0001] 本
发明属于连铸坯的质量改善技术，尤其涉及一种利用夹带形核剂的射钉改善连铸生产铸坯质量的方法。
背景技术
[0002] 在连铸产品中，尺寸较大的连铸坯易出现的问题是中心偏析及中心疏松等内部质量
缺陷。这些缺陷是由于表面与中心的
温度差较大从而形成发达的柱状晶，而等轴晶比例的下降会造成铸坯中心区域的宏观偏析和疏松，完全消除或尽量减少这些缺陷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，目前可以减少这些缺陷的方法有：低
过热度浇注方法，以及在
连铸机上安装如
电磁搅拌及末端轻压下等可影响铸坯
凝固的设备。
[0004] 然而，采用低过热度浇注时容易造成
水口堵塞，并且不利于夹杂物上浮被保护渣
吸附。尽管凝固末端轻压下可使元素重新分配从而减小中心偏析，但这种方法的使用受限于铸坯规格尺寸和形状。另外，结晶器内电磁搅拌也能有效减少中心偏析，然而由于施加的准确
位置难以确定，并且由于
电流的
集肤效应，这种方法难于在厚坯中应用。
[0005] 近期，乌克兰亚速
钢厂提出了一种可减少连铸坯中心疏松及偏析的方法。这种方法是向通过喂带装置以一定速度向结晶器内不断喂入可
熔化的
钢带。通过钢带的熔化吸热过程，使铸坯中心钢液过热度降低。原来的由外向内的凝固方式转变为在断面同时进行的凝固。而由于晶粒的形状很大程度取决于温度梯度，这更利于等轴晶的生成而阻碍柱状晶生成。因此中心偏析得到消除，内部连续性得到提高。
[0006] 然而，通过钢带熔化向铸坯内提供的形核量有限，同时实际喂带过程中，钢带的连续喂入易造成
排渣装置的磨损。
发明内容
[0007] 为解决
现有技术中的问题，本发明提供一种用于改善连铸生产铸坯质量的方法。
[0008] 本发明采用的技术方案如下：
[0009] 本发明提供的一种利用夹带形核剂的射钉改善连铸生产铸坯质量的方法，包括：
[0010] 步骤S1、制备多个预设尺寸范围的射钉，该射钉包括：钢壳及位于钢壳内部且通过钢壳密封的形核剂，所述钢壳的钢种与当前生产铸坯使用的钢种相同；
[0011] 步骤S2、依据所述射钉中钢壳在当前生产铸坯过程中的熔化时间，当前生产铸坯的工况，确定射出射钉的初始速度；
[0012] 步骤S3、在待射出射钉的区域充入保护气体进行排渣，并向当前生产铸坯的预定区域以固定时间间隔射入具有初始速度的多个射钉；
[0013] 所述待射出射钉的区域为排渣装置中不与当前生产的铸坯的钢液
接触的区域。
[0014] 可选地，步骤S1包括：
[0015] S11、根据当前生产的铸坯的钢种确定形核剂的种类和钢壳的钢种；
[0016] S12、根据当前生产铸坯的工况，确定钢壳的厚度；
[0017] S13、根据形核剂的种类和钢壳的钢种、钢壳的厚度，制备多个预设尺寸范围的射钉。
[0018] 可选地，所述形核剂的种类包括：稀土类形核剂、
硅钙粉类形核剂和
铁素体类形核剂。所述射钉可为子弹形状的射钉；和/或，所述射钉横截面的最大直径范围为3-6mm，长度为20-70mm。
[0019] 可选地，所述子步骤S12包括：
[0020] 根据公式一确定钢壳的厚度δ；
[0021] 公式一：
[0022] 所述D为射钉横截面的直径，d为形核剂所占体积直径，A为连铸坯截面积，QB为铸坯冷却热量，L为钢壳熔化
潜热，T0为射钉的初始温度，Tl为当前生产铸坯所使用的钢液液相线温度，Cp为钢液
比热。
[0023] 可选地，在执行步骤S3之前，所述方法还包括：
[0024] 加热所述射钉，以使所述射钉的温度为200-500℃。
[0025] 可选地，所述步骤S2包括：
[0026] 根据公式二，确定射出射钉的初始速度v0；
[0027] 公式二：
[0028] 其中，v0为射钉初始速度，tm为射钉外部钢壳熔化所需时间，l为液相穴深度；b为铸坯的厚度，vc为铸坯的拉速，K为凝固系数，取20～24；a为射钉的运动
加速度，
[0029] D为射钉的直径，h为射钉的长度，m为射钉的质量，va为射钉的运动速度，射钉外部钢壳熔化所需时间tm由拟合公式
[0030] lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnΔT-0.365lnT0确定；其中ΔT为钢液过热度，T0为射钉初始温度。
[0031] 可选地，所述相邻射钉射出时的时间差Δt为：
[0032]
[0033] 其中，vc为铸坯拉速，h为射钉的长度。
[0034] 可选地，所述射出射钉的端口所处位置为水口与结晶器宽面之间、靠近水口1/3处。
[0035] 另外，本发明提供一种采用连铸方式生产的铸坯，包括：
[0036] 在生产铸坯的过程中采用上述任一所述的方法射入射钉。
[0037] 有益效果：
[0038] 本发明
实施例的方法在连铸坯浇注过程中，利用射钉作为载体，芯部夹带一定量的形核剂，将形核剂
送达凝固前沿。利用过热钢液熔化射钉钢壳，使其有效释放其中心夹带的形核剂，在增加连铸坯芯部形核
基础上，对连铸坯中心的宏观偏析有明显的抑制作用，同时密实凝固中心区结构，防止中心疏松的形成。同时射钉钢壳的熔化可减小
钢水过热度，加快铸坯的冷却速度，改善铸坯凝固组织。
[0039] 进一步地，本发明实施例中射钉钢壳的厚度基于液相线共熔法结合
相变传热理论确定，该厚度应保证形核剂在到达凝固区完全释放。
[0040] 此外，射钉的初始速度由射钉运动过程受
力分析得到，该初始速度可避免形核剂提前释放，也可避免未完全熔化的射钉凝入连铸坯壳。
附图说明
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0042] 图1为本发明的方法所采用的设备示意图；
[0043] 图2a和图2b分别为本发明实施例中射钉的结构示意图。
[0044] 附图说明：
[0045] 1水口；2保护渣；3射钉装置；4排渣装置；5射钉筒；6
支架；7氩气瓶；8结晶器；9射钉的钢壳；10形核剂。
具体实施方式
[0046] 下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
[0047] 以下实施例中铸坯是采用连铸生产方式制备的，为此，本发明实施例中连铸坯和铸坯为同一含义的词。
[0048] 本实施例提供一种利用夹带形核剂的射钉改善连铸生产铸坯质量的方法，该方法包括：
[0049] 步骤S1、制备多个预设尺寸范围的射钉，该射钉包括：钢壳及位于钢壳内部且通过钢壳密封的形核剂，所述钢壳的钢种与当前生产铸坯使用的钢种相同。
[0050] 在具体实现过程中，该步骤S1可包括下述的子步骤：
[0051] 子步骤S11、根据当前生产的铸坯的钢种确定形核剂的种类和钢壳的钢种；
[0052] 子步骤S12、根据当前生产铸坯的信息，确定钢壳的厚度；
[0053] 子步骤S13、根据形核剂的种类和钢壳的钢种、钢壳的厚度，制备多个预设尺寸范围的射钉。
[0054] 本实施例中的射钉的形状为子弹头形状的射钉。
[0055] 步骤S2、依据所述射钉中钢壳在当前生产铸坯过程中的熔化时间，当前生产铸坯的工况，确定射出射钉的初始速度；
[0056] 步骤S3、在待射出射钉的区域(如图1所示的排渣装置中的区域)充入保护气体(本实施例可为氩气)，并向当前生产铸坯的预定区域以固定时间间隔射入具有初始速度的多个射钉。
[0057] 所述待射出射钉的区域为排渣装置中不与当前生产的铸坯的钢液接触的区域。
[0058] 本步骤中充入保护气体用于排渣，这里不限定为氩气，还可以为其他保护气体。
[0059] 可选地，在一种实现方式中，在执行步骤S3之前，上述方法还可包括：
[0060] 步骤S2a、加热所述射钉，以使所述射钉的温度为200-500℃。
[0061] 即步骤S3中，向当前生产铸坯的预定区域间隔射入多个温度在200-500摄氏度之间的射钉，射钉的初始速度由步骤S2确定。
[0062] 举例来说，上述射钉中形核剂的种类可包括：稀土类形核剂、硅钙粉类形核剂和铁素体类形核剂。
[0063] 本实施例中射钉可为子弹形状的射钉，如图2a所示；
[0064] 另外，所述射钉横截面的最大直径范围D为3-6mm，长度h为20-70mm，如图2b所示。
[0065] 在一种可选的实现方式中，前述的子步骤S12中，可根据公式一确定钢壳的厚度δ；
[0066] 公式一：
[0067] 所述D为射钉横截面的直径，d为形核剂所占体积直径，A为连铸坯截面积220mm*1800mm，QB为铸坯冷却热量，L为钢壳
熔化潜热，T0为射钉的初始温度，Tl为当前生产铸坯所使用的钢液液相线温度，Cp为钢液比热。
[0068] 也就是说，射钉钢壳的厚度基于液相线共熔法结合相变传热理论确定，该厚度应保证形核剂在到达凝固区完全释放。
[0069] 本实施例中，射钉包裹形核剂的钢壳厚度δ由相变传热理论以及液相线共熔法确定，δ＝D-d
[0070] 依据的热平衡公式：
[0071] 低
碳连铸厚
板坯截面面积A为220mm*1800mm，QB为铸坯冷却热量，等于结晶器、二冷区及空冷区冷却量总和，钢壳熔化潜热L为276000J/kg，射钉初始温度T0为200～500℃，钢液液相线温度Tl为1516℃，钢液定压比热Cp为710J/(kg K)，工作拉速vc为0.8m/min～1.2m/min。
[0072] 另外，在上述步骤S2可包括：
[0073] 根据公式二，确定射出射钉的初始速度v0；
[0074] 公式二：
[0075] 其中，v0为射钉初始速度，tm为射钉外部钢壳熔化所需时间，l为液相穴深度；b为铸坯的厚度，vc为铸坯的拉速，K为凝固系数，取20～24；a为射钉的运动加速度，
[0076] D为射钉的直径，h为射钉的长度，m为射钉的质量，va为射钉的运动速度，射钉外部钢壳熔化所需时间tm由拟合公式
[0077] lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnΔT-0.365lnT0确定；其中ΔT为钢液过热度，T0为射钉初始温度。
[0078] 即，射钉的初始速度由射钉运动过程受力分析得到，该初始速度可避免形核剂提前释放，也可避免未完全熔化的射钉凝入连铸坯壳。
[0079] 在一种可选的实现场景中，所述相邻射钉射出时的时间差Δt为：
[0080] 其中，vc为铸坯拉速，h为射钉的长度。
[0081] 本实施例的方法在连铸坯浇注过程中，利用射钉作为载体，芯部夹带一定量的形核剂，将形核剂送达凝固前沿。利用过热钢液熔化射钉钢壳，使其有效释放其中心夹带的形核剂，在增加连铸坯芯部形核基础
[0082] 上，对连铸坯中心的宏观偏析有明显的抑制作用，同时密实凝固中心区结构，防止中心疏松的形成。同时射钉钢壳的熔化可减小钢水过热度，加快铸坯的冷却速度，改善铸坯凝固组织。
[0083] 图1为本发明实施例中所使用的用于向当前生产的铸坯中射入射钉的设备示意图，此时，上述方法可包括：
[0084] 步骤1：按照实际连铸工况制备合适尺寸的夹带形核剂10的射钉。
[0085] 射钉包括钢壳9和由钢壳9密封的一定量的形核剂10。
[0086] 步骤2：在连铸结晶器加设射钉装置3及排渣装置4；
[0087] 本实施例中，将耐火材料制成的排渣装置4置于水口1与结晶器8的铸坯宽面之间靠近水口1/3处，并将排渣装置4固定于结晶器8。通过氩气瓶7先向排渣装置中未涉及钢液的区域通入氩气7，排出保护渣2的同时防止钢液被
氧化。氩气压力在0.2-5MPa，流量在0.2-5升/分钟。然后将射钉装置3的射钉筒5伸入排渣装置4，并将其固定于支架6。
[0088] 即，在向连铸坯内射入夹带形核剂的射钉过程中，在射钉筒位于的排渣装置内进行氩气保护。
[0089] 步骤3：利用射钉装置3向连铸坯中心区域以一定速度按一定时间间隔射入夹带形核剂的射钉。
[0090] 在本实施中，射入铸坯的射钉经预热达200～500℃后使用，以缩短其在钢液中的熔化时间。将预热的射钉装入射钉装置4中，启动射钉装置，使射钉以一定初始速度v0、一定时间间隔Δt垂直射入铸坯钢液中。
[0091] 射钉的初始速度由分析射钉在钢液中的受力得到，从而保证射钉能够恰好到达凝固前沿，依据的射钉受力平衡分析：
[0092]
[0093]
[0094] 射钉初始速度：
[0095] 其中，v0为射钉初始速度，射钉外部钢壳熔化所需时间tm由拟合公式lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnΔT-0.365lnT0确定。其中ΔT为钢液过热度，T0为射钉初始温度。
[0096] 液相穴深度l由经验公式 确定，b为此连铸坯厚度，可为220mm。K为凝固系数，取20～24。D为射钉直径，h为射钉长度，m为射钉质量。
[0097] 在本实施方式中，为避免相邻射钉相互重叠，两射钉间隔时间为：
[0098]
[0099] 在射钉的长度h为20～70mm，拉速为0.8m/min～1.2m/min时可得到的间隔时间为1～5s。
[0100] 在本实施方式中，伴随射钉运动，在过热钢液的作用下，包裹形核剂的外部钢壳逐渐熔化，在到达凝固前沿时，射钉钢壳恰好熔化完全，形核剂得到释放，铸坯内部形核质点数量增加，密实了中心区域结构。
[0101] 另外，上述任意实施例中，所述射出射钉的端口所处位置为水口与结晶器宽面之间、靠近水口1/3处。
[0102] 本实施例不对其进行限定，根据实际情况可调整，优选距离对应当前生产铸坯中射出射钉的端口所处位置为水口与结晶器宽面之间、靠近水口1/3处。
[0103] 另外，本发明还提供一种采用连铸方式生产的铸坯，包括：
[0104] 在生产铸坯的过程中采用上述任意所述的方法射入射钉。
[0105] 上述方法利用在连铸结晶器加设射钉装置，利用射钉装置连续向连铸坯中心区域以一定速度射入夹带形核剂的射钉，避免了钢带喂入时对避渣装置耐火材料的磨损。伴随射钉运动，包裹形核剂的外部钢壳逐渐熔化，不但减小了铸坯中心过热度，而且在到达凝固区时，钢壳恰好熔化完全，芯部形核剂得到释放，铸坯内部形核质点数量增加，使等轴晶比例增大，同时细化晶粒。根据射钉在钢液中的受力分析，在考虑射钉受浮升力、粘性阻力的情况下，得到合适的射钉初始速度，从而避免形核剂在到达凝固前沿之前释放而不能作用于凝固区。以相变传热理论以及液相线共熔法为理论依据，确定包裹在形核剂外部的钢壳厚度，在避免未完全熔化射钉凝入坯壳内的同时，使其对不同铸坯中心钢液的冷却达到最佳冷却效果。因此，本发明可以低成本、灵活地确定不同连铸生产条件下的射钉初始速度及射钉尺寸，从而保证形核剂的作用效果，细化连铸坯中心晶粒，提高连铸坯质量。
[0106] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
