[发明专利]一种板坯窄面内凸型曲面结晶器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于钢连铸领域，具体涉及一种板坯窄面内凸型曲面结晶器及其设计方法。

背景技术

钢的微合金化技术快速发展于上世纪七十年代。往钢中添加Ti、Nb、B、V等微合金元素可大幅提高钢的强度与塑性，已被广泛应用于现代钢铁生产，然而，往钢中添加微合金元素，铸坯的裂纹敏感性大幅提高，连铸生产该类钢种铸坯常频发角部横裂纹缺陷；现已研究明确，造成微合金钢连铸坯角横裂纹频发的主要原因为：在现有连铸工艺和冷却模式下，钢中的微合金元素极易与C，N等元素结合形成碳化物、氮化物或碳氮化物，并在铸坯角部奥氏体晶界呈链状形式大量析出，进而弱化奥氏体晶界强度；与此同时，铸坯角部在后续冷却过程中，当其降温至奥氏体向铁素体转变温度时，奥氏体晶界优先以这些析出物为形核，形成膜状或网状先共析铁素体；受铁素体与奥氏体软硬程度差作用，铸坯在弯曲或矫直过程中，弯曲或矫直应力在铸坯角部奥氏体晶界集中，从而引发铸坯角部沿晶横裂纹。从根本上消除微合金钢连铸坯角部裂纹产生的关键是于相应碳氮化物析出温度区内快速冷却坯壳角部组织，使组织内的微合金及C、N等元素无法有效扩散至晶界而多在晶内弥散析出，从而大幅减少晶界的析出量；同时，若快速冷却坯壳角部组织，其一次凝固生成的组织晶粒将大幅细化，从而增加铸坯角部塑性，并改善组织均匀性，进而有效防止裂纹产生。

根据上述微合金钢铸坯角部裂纹控制策略，综合考虑TiN、Nb(C，N)以及BN等析出温度区，加强结晶器内坯壳角部凝固冷却速度是顺利实现上述控制目的的关键所在；然而，在实际板坯连铸生产中，由于凝固坯壳动态收缩作用，传统窄面直线型结晶器锥度补偿制度不足以充分补偿结晶器中上部区域的坯壳角部收缩，从而引发坯壳角部厚保护渣膜与气隙集中分布，制约了坯壳角部的快速传热，造成坯壳角部晶粒粗化和晶界析出大量大颗粒析出物，弱化铸坯角部晶界强度；因此，须开发全新曲面型锥度结晶器以适应坯壳凝固收缩特点，实现结晶器内铸坯角部快速冷却。

近年来，针对旨在改善结晶器锥度补偿制度的板坯结晶器锥度设计研究已较多；题为“奥氏体不锈钢板坯连铸结晶器锥度的优化”与“奥氏体与马氏体不锈钢板坯在结晶器内收缩规律与结晶器锥度的研究”的文章研究了不锈钢在板坯结晶器内的凝固收缩规律，并提出了一种在结晶器上部采用大补偿量、在结晶器下部采用小补偿量的两段式曲线形窄面锥度；采用该锥度结晶器连铸生产不锈钢板坯，可较有效地补偿坯壳在结晶器上部向宽面中心的收缩和降低结晶器下部铜板的磨损。然而，该锥度设计未考虑实际坯壳凝固过程角部收缩较窄面中心区域大的特性，所设计的曲线型结晶器窄面铜板在其同一水平高度对坯壳的补偿量一致，因此仍无法有效消除坯壳角部区域的保护渣膜与气隙集中分布；

公开号为CN104117641A的发明专利，公布了一种结晶器分段基准抛物线连续锥度获取方法及装置，实现了铸坯与结晶器铜板较好的接触；然而利用该方法所设计的连续锥度结晶器同样未考虑实际坯壳凝固过程角部收缩较窄面中心区域大的特点；

题为“板坯结晶器铜板锥度的研究”和“宝钢板坯结晶器铜板锥度的研究”的文章研究了坯壳沿结晶器宽、窄面中心方向的收缩规律，提出了结晶器宽面设置小锥度、窄面根据不同拉速条件设置不同锥度观点；该研究未对结晶器窄面锥度结构做出改变，仅基于原有线性窄面结晶器整体调整锥度大小，因此仍无法迎合实际坯壳沿高度方向的动态凝固收缩特性；

公开号为CN1559722A的发明专利，公布了一种基于结晶器窄面和宽面热流比值在线控制板坯结晶器窄面锥度的技术；该技术也仅基于现有线性结晶器铜板结构整体调整其窄面锥度大小，同样也无法克服传统结晶器铜板无法迎合坯壳动态凝固收缩特点的问题；

公开号为CN102328037A的发明专利，公布了一种有效消除铸坯角部横裂纹的自带锥度板坯倒角结晶器；在该结晶器中，仅对倒角面通过自上而下改变其宽度实现了倒角面自带锥度设计，而对窄面结晶器铜板中部区域的锥度做适当线性增加，其在使用效果上与整体调整传统直线型窄面锥度相当，同样无法克服结晶器窄面锥度在其上部对坯壳收缩补偿不充分、在下部补偿量过大的难题；

申请号为201310356316.X的发明专利，公布一种根据坯壳动态收缩特性、保护渣膜与气隙分布行为的板坯结晶器锥度设计方法，通过该锥度，铜板有效迎合坯壳凝固收缩特点，并实现铸坯角部的快速冷却；但该方法所设计的结晶器锥度由于需在宽面铜板角部引入了楔形状结构，阻碍了结晶器在线调宽功能的实现，仅适用单断面铸坯连铸生产；