通过金属熔液内部强冷形核提高产品质量的设备和方法技术

本发明专利技术提供一种通过消除铸造过程金属熔液过热度，同时在液相中产生大量游离等轴晶形核核心来均化铸坯凝固，从而提高铸坯内部质量的设备和方法。通过本发明专利技术，能显著降低金属熔液过热度，在铸坯液相的局部形成过冷度，以此产生大量等轴晶形核核心，并通过振动及旋转等方式使其大量游离到铸坯中心的液相内，促使铸坯内部快速均匀冷却，提高铸坯内部质量，从而解决特殊断面(连铸的大圆坯内部质量、大尺寸铸件)和特殊钢种(硅钢、汽车板等)等的质量要求。本发明专利技术提供的设备和方法，可以重复使用，设备成本、使用和维护成本低廉，在提高铸坯内部质量的同时，基本上不会增加生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及连铸和模铸等金属凝固领域，更加具体地，涉及一种通过内部强冷直接消除金属熔液过热度和产生等轴晶形核核心来提高铸坯内部质量的设备和方法。
技术介绍
此处以连铸为例进行技术和实施例的说明，但本专利技术和方法完全可以不仅仅限于连铸过程，显然适合连铸、模铸等钢铁或者其他金属凝固领域。在连铸生产过程中，如图1所示，钢水从钢包I和中间包2通过结晶器3 —次冷却结晶后，形成凝固外壳，中心为钢液的铸坯100并从结晶器3下口拉出。铸坯100从结晶器下口拉出后，进行二次冷却，然后经过拉矫辊4的矫直后，通过切前辊道到达火切机5进行铸坯切割。在上述过程中，铸坯从外到内冷却，会逐渐消除中心液相钢水的过热度，最终全部凝固，形成了激冷层、枝晶和中心等轴晶组织，也因为补缩等原因最终导致中心质量问题，即缩孔、疏松和偏析。为了提高连铸坯的内部质量，很多技术手段被开发应用，比如结晶器电搅、二冷电搅、末端电搅(M-EMS、S-EMS, F-EMS)，比如轻压下、重压下技术，比如凝固末端强冷技术等，这些技术手段在一定程度上能大大提高和改善铸坯内部质量。但是对于特殊的断面，比如直径为600mm?1200_的大圆还，压下技术无法实施、末端电搅被实践证明无效，现有技术手段基本无法改变内部质量；对于特殊的钢种，比如用板坯生产的硅钢等，要求铸坯具有尽可能多的中心等轴晶组织从而满足产品的各向同性要求，目前的二冷辊式电搅远远不能达到要求，而压下技术对增加铸坯等轴晶率基本没有作用。另一个技术方向是通过降低过热度的方式来提高铸坯内部质量，实践也证明，降低钢水的过热度能显著提高铸坯等轴晶率和内部质量。因此发展了中间包电磁感应加热和等离子加热技术，可以实现低过热度浇注和恒温浇注，有利于提高铸坯内部质量。但是，一方面该技术的实施要改造传统的中间包结构，耗费大量电能，噪音污染环境，另一方面一次性投入、使用和维护成本很高，大多钢厂承担不起；第三方面，中间包钢水过热度不能无限地降低，当低于某个过热度后，容易引起中间包下水口絮流，导致单流断浇甚至铸机停浇事故。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有技术中存在的上述问题而提出的，是一种全新的技术思路，其目的在于提供一种设备和方法，通过消除结晶器内钢水的过热度和产生等轴晶形核核心提高铸坯内部质量，从而解决特殊金属断面(连铸的大圆坯内部质量、大尺寸铸件)和特殊品种钢(硅钢、汽车板等)的生产要求。本专利技术选择直接在连铸或模铸过程的结晶器内降低钢水的过热度，克服了目前技术导致中间包下水口絮流的风险，反而可以放松对中间包过热度的要求，并且有效提高铸坯内部质量，有利于铸坯的均匀冷却和提高等轴晶率、细化晶粒。所述的方法为将本专利技术带有冷却的设备插入铸坯内部的金属熔液中，直接带走液相钢水热量，使得铸坯内部钢水的过热度大大降低甚至消除；同时在强冷的作用下，在冷却设备的外侧会形成稳定的凝固层，在凝固层的外侧会存在很大的过冷度，从而产生大量的形核核心；采用振动或者旋转等移动的方式，促使形核核心连续大量地游离到铸坯内部的液相中，这样在铸坯内部液相过热度降低、局部过冷和大量形核核心的共同作用下，促使铸坯内部快速均匀的冷却。所述的设备包括冷却设备和振动单元、旋转单元，其中为了保证能在冷却设备的外侧形成一定厚度的钢水凝固层，冷却设备要求具有较高的导热性，冷却介质选择为水，材质为纯铜、铸铜、铸铁、铸钢等导热材料，或者不同部位应用不同材质。为了保证凝固层的稳定性，冷却通道外侧设计了肋-槽或花纹结构；为了形成循环冷却能力，冷却设备包括了进水管路、进水道、出水道和出水管路。另外，为了保证冷却均匀性，即保证出水道水缝的均匀性，冷却设备设计了定位装置；为了保证密封性避免漏水引起的事故，在进水道系统和出水道系统连接固定的地方，设计了密封垫片。所述的设备和方法，还包括为了形成足够冷却强度和大量游离形核核心而设计的设备和工艺参数范围，主要有:进水道直径20?50mm、出水道水缝厚度2?7mm、内冷壁厚度8?25mm、外冷壁厚度10?50mm、冷却设备总长度50?1200mm ;冷却水流速满足3.0?15.0m/s、冷却设备插入结晶器钢液面深度5?100mm ;振动设备振幅0.1?4.0mm、振频30 ?100HZo所述的设备和方法，还包括为了使用的安全性和满足工艺调整的控制系统，主要有:测温装置，包括测冷却壁局部和进出冷却水温度；冷却强度控制软件；振动和旋转控制软件。本专利技术提供的设备和方法，可以重复使用，设备自身、使用和维护成本都很低廉，在提高铸坯内部质量的同时，基本上不会增加生产成本。本专利技术的使用范围至少为连铸和模铸，完全可以应用到所有金属凝固领域。本专利技术提供的设备和方法，从原理上和功能上可以替代连铸过程的中间包加热技术和二冷、末端电搅技术(S-EMS、F-EMS)。【附图说明】通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中:图1是根据本专利技术连铸机的示意图；图2是根据本专利技术设备的示意图；图3是根据本专利技术设备和方法实施例的示意图【具体实施方式】在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。下面将参照附图来对根据本专利技术的各个实施例进行详细描述。图1是根据本专利技术连铸机的示意图，本专利技术的方法可以作用在结晶器3的区域内，通过本专利技术的设备进一步从铸坯内部带走热量，消除过热度，同时产生大量游离到铸坯金属液中的形核核心来加速并且均匀化凝固。本专利技术通过降低金属熔液的过热度和产生等轴晶形核核心提高铸坯内部质量的设备和方法，图2是本专利技术设备的示意图。如图所示，振动/旋转单元200提供设备和钢水的相对当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过金属熔液内部强冷形核提高产品质量的设备和方法，包括：将带有冷却的设备直接插入金属熔液中，消除铸坯内部熔液的过热度，同时产生局部过冷度；采用强冷的方式，在设备的外侧形成稳定凝固层；在凝固层的外侧产生大量的形核核心；利用设备自身的振动/旋转或者组合移动方式，促使形核核心大量连续地游离到铸坯内部的金属熔液中；在铸坯内部液相过热度降低、局部过冷和大量形核核心产生的共同作用下，促使铸坯内部快速均匀的冷却，提高等轴晶率、降低偏析、细化晶粒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓娜，
申请(专利权)人：王晓娜，
类型：发明
国别省市：北京;11