[发明专利]一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法

说明书

本发明涉及一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法，该系统包括连铸结晶器和超声波振动装置，连铸结晶器包括多个铜板和多个背板，多个铜板的内壁围合形成铸坯形状空间。超声波振动装置能够将超声波换能器产生的功率超声经由超声变幅杆传递到结晶器铜板，并经由结晶器铜板发射到铜板的内壁与凝固坯壳之间的空隙区域，作用于之间的结晶器保护渣。本发明的系统及方法能够根据连铸坯质量控制的本质要求，结合功率超声的结晶器保护渣的结构与物性控制效果，将功率超声应用于钢的连铸领域，旨在不改变熔渣成分的条件下，实现工业生产条件下结晶器保护渣冶金行为的区域化时时调控、促进了结晶器保护渣冶金功能的发挥，进而提高连铸坯质量。

技术领域

本发明属于外场冶金和钢的连铸技术领域，具体涉及一种利用功率超声控制连铸坯质量的系统及方法。

背景技术

在现代钢铁工业中，连铸具有节约能源、成材率高等优势，世界上绝大数商品钢材通过连铸工艺生产。为适应钢材质量要求不断提高的需要，对连铸坯洁净度、表面和内部质量的要求越来越严格。另外，保证连铸生产顺行、提高作业率，对于钢铁企业提高产量、提高成材率，进而提升经济效益具有重要意义。

对于连铸坯的表面质量来说，主要涉及到表面裂纹、角部裂纹、夹渣、重皮等表面缺陷，这些缺陷的产生绝大多数起源于连铸结晶器，与钢水在结晶器内的初始凝固行为密切相关，主要受到凝固坯壳与结晶器壁(具体为结晶器的铜板内壁)间的润滑与传热影响。在浇铸过程中，结晶器保护渣在钢水热量的作用下熔化并在钢水液面上形成液渣层，可起到防止钢水氧化和增氮的作用，更重要的是，熔融的结晶器保护渣流入凝固坯壳与结晶器壁间的空隙(壳壁间隙)而起到润滑和控制传热的作用。结晶器保护渣的物理性质对于其在壳壁间隙的流入行为具有重要影响，进而影响其润滑功能及连铸坯表面质量。保护渣黏度越小，其流动性越好，越易于流入壳壁间隙而保证润滑效果和传热；保护渣表面张力越大，与凝固坯壳间的界面张力越小，则二者间的粘附功越大，即二者间的键接强度越高，保护渣越易随拉坯的进行而被带入壳壁间隙。在结晶器内，初始凝固坯壳生成后不断下行，随着钢水凝固，坯壳收缩量不断增加，坯壳与结晶器内壁间的间隙越来越大，需要充足的结晶器保护渣补充来充满间隙。

对于板坯、方坯和异型坯来说，铸坯角部收缩量更大，易引起角部裂纹产生；尤其是对于以包晶钢为代表的收缩量大的钢种，由于结晶器保护渣不能及时补充，裂纹等缺陷的发生几率更高。在实际生产中，通过结晶器振动模式与参数优化，倒角结晶器、弧面结晶器等技术应用，一定程度上控制了表面缺陷的产生，但效果并不稳定，在钢种适应性、灵活性等方面存在不足。

钢中非金属夹杂物，特别是大颗粒非金属夹杂物的存在，对钢材的强度、韧性等机械性能和表面质量均具有不利影响，尤其对于汽车板用钢、管线钢和轴承钢等精品钢材品种，严重制约了成材率和经济效益的提高。结晶器是连铸坯的初始凝固区域，非金属相一旦进入钢水再次去除的机率很低，易于以夹杂的形式永久存在于钢中，特别是浇铸过程结晶器保护渣的卷入成为钢中大颗粒非金属夹杂物的重要来源之一。结晶器保护渣的物理性质对于结晶器内的卷渣行为同样具有重要影响，结晶器卷渣与结晶器保护渣的黏度、表面张力及渣金界面性质密切相关。

结晶器卷渣可分为剪切卷渣、漩涡卷渣和气泡卷渣等形式，对于剪切卷渣和漩涡卷渣，保护渣黏度越大，其抗剪切能力越强，卷渣越不易发生；保护渣表面张力越小，渣金界面张力越大，则渣金两相粘附功越小，即渣金两相键接强度越低，卷渣发生几率越低。对于气泡卷渣，保护渣黏度越大，其抵抗气泡破裂所产生冲击力的能力越强，卷渣越不易发生。在实际浇铸过程中，为抑制卷渣，多通过控制拉速、水口浸入深度等连铸工艺参数来保持结晶器流场和液面稳定，但由于拉速波动等非稳态浇铸过程，结晶器流场和液面波动难以稳定控制，卷渣往往难以避免。

对比可知，欲抑制结晶器卷渣，黏度高、表面张力小和渣金两相粘附功小的结晶器保护渣是有利的，而欲保证其润滑效果，黏度低、表面张力大和渣金两相粘附功大的结晶器保护渣是有利的，也就是说，抑制卷渣和保障润滑二者对结晶器保护渣性质的要求是矛盾的。

因此，针对上述的矛盾成为目前亟需解决的问题。