[发明专利]一种薄板坯窄面高斯凹形曲面结晶器及其设计方法

说明书

本发明提供一种薄板坯窄面高斯凹形曲面结晶器及其设计方法，涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域。该结晶器的窄面铜板，其内表面工作面自上而下均为以横向宽度中心线为对称呈高斯曲线分布的凹形结构、沿高度方向为迎合坯壳窄面凝固收缩特性的连续变化曲线结构，各水槽横截面中心连线呈高斯或圆弧结构。该结晶器设计方法中，设定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量为窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线，确定铸坯液芯压下过程边角部应力最小的高斯函数曲线为窄面结晶器工作面凹形结构曲线。本发明能解决传统生产过程边角部生成脆性组织的难题，有效促进铸坯边角部金属在液芯压下过程向铸坯窄侧流动，显著降低铸坯边角部压下应力。

技术领域

本发明涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域，尤其涉及一种薄板坯窄面高斯凹形曲面结晶器及其设计方法。

背景技术

薄板坯连铸连轧工艺开发于上世纪80年代末、90年代初，是一种全新的短流程带钢生产新工艺，显著区别于目前传统带钢生产工艺，具有显著节能、高产品合格率、生产工艺简化、产线简短、产品生产周期短等优点，近年来发展十分迅速。

连铸液芯大变形压下是CSP等薄板坯连铸连轧工艺的核心技术，其又称软压下，可有效减少轧机数量并改善铸坯中心偏析、提高生产率等优点。其核心工艺为：对出结晶器内部仍然存有大量未凝固液芯的薄板坯，于连铸机扇形1段内对其施加10～20mm范围大变形压下，达到显著减薄连铸坯的目的。在该过程，由于薄板坯连铸拉速高，其结晶器及二冷等冷却强度均较大，铸坯角部极易产生过冷，在液芯大变形压下作用下极易因应力集中而产生铸坯边角部开裂。

特别值得一提的是，CSP等薄板坯在连铸生产含Nb、B、Al等微合金钢过程，受其铸坯在结晶器凝固过程角部区域伴随有气隙和厚保护渣膜集中分布影响，铸坯角部在结晶器内的传热速度大幅降低，致使铸坯角部组织沿晶大规模析出微合金碳氮化物，脆化晶界。铸坯在液芯大变形压下过程，过冷、脆化的边角部组织受大应力作用产生严重开裂，造成了其后连轧卷板产生“烂边”、边部“掉块”等严重质量缺陷。

结晶器是薄板坯连铸产线的核心部件，其内腔形状及结构曲线直接决定了铸坯坯型结构以及铸坯在结晶器内的凝固传热行为，进而影响铸坯表层组织凝固质量及其在后续凝固与变形条件下的受力行为。目前，国内外传统CSP、FTSR等薄板坯结晶器窄面均为平板结晶器。为了有效消除微合金钢薄板坯连铸过程边角裂纹缺陷，申请号为201020149011.3的实用新型专利，公布了一种工作面为内凹弧面结构、冷却水槽轴线共线排布的薄板坯连铸机结晶器窄面铜板结构。其出发点是基于铸坯角部在结晶器内凝固过程角部冷却速度过快，通过钝角化铸坯角部并使其远离冷却水槽而减缓铸坯角部传热，保证出结晶器铸坯角部厚度与宽/窄面中心差最小化，实现结晶器内铸坯均匀凝固生长。申请号为201120089500.9的实用新型专利，公布了一种用于薄板坯连铸的倒角结晶器窄面铜板，其工作表面由平面区域和角部曲面区域2部分构成，其中曲面区域在横向结构上为弧形等结构，且以其宽度中心线对称分布。窄面工作面在高度方向上为单锥度、双锥度或多锥度中的一种。其目的主要是通过结晶器角部区域铜板弧形等结构设计，倒除铸坯直角结构以提高铸坯角部在弯曲、矫直等过程的温度，控制薄板坯边角部裂纹产生。申请号为200720089029.7的实用新型专利，同样公布了一种与201120089500.9实用新型专利相类似的、窄面横截面角部区域向宽面圆弧形曲面过渡的窄面结晶器，确保钢水在结晶器内凝固过程铸坯角部冷却相对均匀，避免板坯角部冷却不均为而产生表面质量缺陷。