一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯生产方法技术

本发明专利技术涉及一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯生产方法，包括钢水冶炼、弧形圆坯连铸、切割、控制冷却、精整，弧形连铸机采用冶金智能凝固模型实时计算铸流凝固曲线，包括铸坯不同时段的表面温度、内部温度曲线，据此设置拉矫力；结晶器液面控制采用放射性元素监控或涡流监控技术，以满足铸坯更低拉速和更低振动频率的需要；采用多段电磁搅拌相结合：分别对结晶器内的钢水、连铸机二冷段的铸流、凝固末端铸坯的液芯实施电磁搅拌；连铸过程采用动态轻压下和重压下相结合，结合冶金智能凝固模型，设计凝固末端前沿拉矫机压下方式；采用一种通道式铸流加热方式，对铸坯表面进行均匀加热，让铸坯矫直前或开始矫直时温度保持在热脆性温度以上。度以上。

【技术实现步骤摘要】
一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯生产方法


[0001]本专利技术属于冶金中圆坯连铸
，涉及一种大直径尤其是φ1050mm～φ1350mm连铸圆坯生产工艺。

技术介绍

[0002]随着世界连铸技术的不断发展，我国特殊钢弧形连铸技术更是成绩突出，从2006
‑
2010年五年间，就打破了连铸坯断面长期以来一直不超过Φ500mm的瓶颈，而且随着我国风电能源、工程机械等新兴领域用大型轴承、齿轮、法兰等环锻件的快速高质量的发展需要，倒逼冶金连铸技术进一步创新突破，连铸坯断面规格也就不断扩大，实现了Φ500mm
→
Φ600mm
→
Φ800mm
→
Φ900mm
→
Φ1000mm的一次次突破和世界纪录的刷新，引领世界圆坯连铸技术的发展。然而，自2010年至今快11年了，由于受市场及技术的局限，连铸坯断面长期停留在Φ1000mm关口，难以再突破扩大，或批量稳定生产，除去市场单品种批量少、连铸排产困难的因素外，技术层面的主要原因包括超大截面的连铸圆坯拉矫难、矫直难、中心疏松及裂纹的控制难、全截面成分均匀性控制难等等一系列问题。现随着减能耗减排放等政策的实施，风电领域用圆钢向高质量、大型化、轻量化、低成本、长寿命(20年以上)发展成为必然趋势，目前国内外风电主力机型为2
‑
5MW，更大型风机基本仍处于少批量试验或样机阶段，所以未来5MW及以上大型风机将发展迅速，而大型风电的主轴、轴承、齿轮、法兰作为风电机组最关键核心部件，其对Φ1050mm～Φ1350mm甚至更大截面的坯料需求越来越大，而目前这种截面的坯料市场上只有传统模铸锭产品，可传统模铸锭存在纯净度差、效率低、成本高、质量不稳定的局限，很难满足行业的发展需要，更不适合降碳减排的“发展理念，所以，开发更大截面、更低消耗、更高质量、更高效率的新型坯料以满足大型风电机组之更大轴承、齿轮、法兰、主轴所需以及国之大器之大型工程机械、石油化工设备所需已是迫在眉睫。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的提供一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯的生产方法，探索φ1050mm～φ1350mm连铸圆坯的生产。通过与国内外顶级连铸设计制作单位合作，引进高端连铸核心装备，开发新型连铸集成技术，优化连铸过程流场、温度场、磁场，实现三场合理匹配，结合钢水净化冶炼技术，获得高致密、高均质、高洁净度的Φ1050mm～φ1350mm超大规格连铸圆坯，满足风电能源、工程机械、石油化工等新兴领域用超大型轴承、齿轮、法兰等环锻件及其它大型锻件的快速高质量发展的需要。
[0004]本专利技术所采用的技术方案为：一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯生产方法，包括钢水冶炼、弧形圆坯连铸、切割、控制冷却、精整，所述弧形圆坯连铸是在弧形连铸机上浇注成型的，弧形圆坯连铸过程采用如下工艺中的一种或多种：
[0005](1)弧形连铸机采用冶金智能凝固模型实时计算铸流凝固曲线，包括铸坯不同时段的表面温度、内部温度曲线，据此用于设置拉矫机的拉矫力，拉矫力的设置应遵循足够将
铸坯向前拉出且适度矫直，同时又能低于该区间铸坯温度对应的热模拟得出的热强度而不至于因拉矫力过大而将铸坯矫裂。
[0006](2)结晶器液面控制采用放射性元素监控或涡流监控技术，以满足铸坯更低拉速和更低振动频率的需要，以此实现结晶器的液面波动范围控制在
±
(1～10)mm，相适应的拉速为0.01～0.15m/min的超低拉速。
[0007](3)弧形连铸机采用多段电磁搅拌相结合：对结晶器内的钢水实施电磁搅拌，对连铸机二冷段的铸流实施电磁搅拌，对凝固末端铸坯的液芯实施电磁搅拌。这种搅拌组合相对传统的结晶器+末端搅拌组合更有利于大截面铸坯温度、成分、组织的均匀。
[0008](4)连铸过程采用动态轻压下和重压下相结合的压下技术，拉矫机通过带有MSR(机械轻压下)的模块，结合冶金智能凝固模型，根据模拟计算的铸坯温度来设计铸坯液芯凝固末端前沿拉矫机压下方式：铸坯液芯凝固末端高浓度液相挤压出去时实施重压下，钢液回流补缩时实施轻压下。使液芯高浓度溶质挤压到凝固更前沿进行均匀中和，有利于成分组织的均匀，减少偏析，同时又能让中和匀质的液相回流补缩，有利于组织的致密，从而改善超大断面铸坯中心偏析、疏松，提高铸坯均匀性和致密度，作出参考，压下量一般设计在2
‑
3mm范围内，。
[0009](5)采用一种通道式铸流加热方式，对铸坯表面进行均匀加热，让铸坯矫直前或开始矫直时温度保持在热脆性温度以上，而处于热塑性区，避免热脆性区矫直裂纹的产生，从而提高铸坯中心和表面质量。例如，某钢种热脆性区间在650℃
‑
750℃，而根据现有拉速、铸坯温度预测过拉矫机时的温度正好落在该区间，那就要启动铸坯加热装置，让铸坯通过一加热通道将温度升到750℃以上，避开热脆性区，进入热塑性区矫直时就不易矫裂。
[0010]优选地，所述弧形连铸机的半径R＝17m
‑
20m，与之匹配的结晶器设计：横断面为圆形，直径为φ1100mm～φ1380mm，结晶器为倒锥形，锥度小于5
°
，高度或长度为500mm～800mm，适合更大弧形半径铸机，更有利于铸坯的振动滑脱。
[0011]具体地，工艺(1)和工艺(5)所述的冶金智能凝固模型基于如下条件或假设进行计算：
[0012](1)沿着拉坯方向的传热很小，忽略不计，故温度只在二维方向即拉坯截面传导；
[0013](2)钢的热物性参数只与温度有关，与位置无关；
[0014](3)铸坯的物理特性是各向同性；
[0015](4)在二冷区的同一冷却段为均匀冷却；
[0016](5)铸坯表面的辐射传热、铸坯与托辊的接触传热以及二冷水的冷却传热，均用综合传热系数来计算；
[0017](6)结晶器振动对于铸坯凝固传热的影响忽略不计。
[0018](一)、基本方程：
[0019]取圆坯1/4横截面为研究对象，则凝固传热的二维非稳态传热方程为：
[0020][0021]其中，ρ为钢水密度，kg/m3；c
P
为热容，J/(kg
·
℃)；λ为导热系数，W/(m
·
℃)；q
v
为内热源，J/(m3·
s)；T为温度，℃；t为时间，s。
[0022](二)、初始条件满足：
[0023]T(x,y)|
t＝0
＝T0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]其中T0为浇注温度，℃。
[0025](三)、边界条件：
[0026](1)结晶器内
[0027][0028][0029]其中，l为距弯月面长度，m；q
结
为结晶器热流密度，W/m2。
[0030](2)二冷区
[0031]q＝h(T
b
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大直径高纯致密特殊钢连铸圆坯生产方法，其特征在于：包括钢水冶炼、弧形圆坯连铸、切割、控制冷却、精整，所述弧形圆坯连铸是在弧形连铸机上浇注成型的，弧形圆坯连铸过程采用如下工艺中的一种或多种：(1)弧形连铸机采用冶金智能凝固模型实时计算铸流凝固曲线，包括铸坯不同时段的表面温度、内部温度曲线，据此用于设置拉矫机的拉矫力，拉矫力的设置应遵循足够将铸坯向前拉出且适度矫直，同时又能低于该区间铸坯温度对应的热模拟得出的热强度而不至于因拉矫力过大而将铸坯矫裂；(2)结晶器液面控制采用放射性元素监控或涡流监控技术，以满足铸坯更低拉速和更低振动频率的需要，结晶器的液面波动范围应控制在
±
(1～10)mm，相适应的拉速为0.01～0.15m/min的超低拉速；(3)弧形连铸机采用多段电磁搅拌相结合：对结晶器内的钢水实施电磁搅拌，对连铸机二冷段的铸流实施电磁搅拌，对凝固末端铸坯的液芯实施电磁搅拌；(4)连铸过程采用动态轻压下和重压下相结合的压下技术，拉矫机通过带有MSR(机械轻压下)的模块，结合冶金智能凝固模型，根据模拟计算的铸坯温度来设计凝固末端前沿拉矫机压下方式：凝固末端高浓度液相挤压出去时实施重压下，钢液回流补缩时实施轻压下；(5)采用一种通道式铸流加热方式，对铸坯表面进行均匀加热，让铸坯矫直前或开始矫直时温度保持在热脆性温度以上，而处于热塑性区，避免热脆性区矫直裂纹的产生，从而提高铸坯中心和表面质量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述弧形连铸机的半径R＝17m
‑
20m，与之匹配的结晶器设计：横断面为圆形，直径为φ1100mm～φ1380mm，结晶器为倒锥形，锥度小于5
°
，高度或长度为500mm～800mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(1)和工艺(5)所述的冶金智能凝固模型基于如下条件或假设进行计算：(1)沿着拉坯方向的传热很小，忽略不计，故温度只在二维方向即拉坯截面传导；(2)钢的热物性参数只与温度有关，与位置无关；(3)铸坯的物理特性是各向同性；(4)在二冷区的同一冷却段为均匀冷却；(5)铸坯表面的辐射传热、铸坯与托辊的接触传热以及二冷水的冷却传热，均用综合传热系数来计算；(6)结晶器振动对于铸坯凝固传热的影响忽略不计；(一)、基本方程：取圆坯1/4横截面为研究对象，则凝固传热的二维非稳态传热方程为：其中，ρ为钢水密度，kg/m3；c
P
为热容，J/(kg
·
℃)；λ为导热系数，W/(m
·
℃)；q
v
为内热源，J/(m3·
s)；T为温度，℃；t为时间，s；(二)、初始条件满足：T(x,y)|
t＝0
＝T0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
其中T0为浇注温度，℃；(三)、边界条件：(1)结晶器内(1)结晶器内其中，l为距弯月面长度，m；q
结
为结晶器热流密度，W/m2；(2)二冷区q＝h(T
b
‑
T
w
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，h为综合传热系数，T
b
为铸坯表面温度，℃；T
w
为环境温度，℃；二冷区一区和二区冷却系数为：h1＝0.40w
0.289
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)h2＝0.31w
0.391
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【专利技术属性】
技术研发人员：钱刚，李国忠，罗元东，白云，许晓红，徐国庆，刘谦，陈玉辉，吴小林，王鹏，董娟，陈德，李忠平，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：