本發明涉及冶金連鑄領域，特別是涉及一種連鑄結晶器熱調寬方法。

背景技術：

鋼鐵冶金工業是一個國家的戰略性產業之一，與國民經濟密切相關。連鑄作為鋼鐵生產流程中承上啟下的關鍵環節，是當前我國鋼鐵生產結構調整與技術升級戰略中值得重點關注的核心環節。近年來，連鑄工藝已發展到很高的技術水平，以擴大生產范圍，提高產品質量。特別是連鑄連軋工藝興起，連鑄機必須快速匹配熱軋生產節奏，提供滿足熱軋需規格尺寸的鑄坯。同時，如何適應小批量、多規格的產品需求也是鋼鐵企業的重要課題。連鑄結晶器熱調寬技術應運而生，該技術避免了更換連鑄結晶器、二次開澆帶來的原材料和時間損失，提高了設備利用率、金屬收得率，減少了生產消耗，降低了生產成本，是行業高度關注的連鑄核心技術。

目前，連鑄結晶器熱調寬技術已向高速方向發展，如奧鋼聯熱調寬的S模式、新日鐵的NS-VWM(快速寬度調整連鑄結晶器)技術。高速熱調寬技術的最大特點是窄邊的錐度變更與平行移動同時進行，大幅縮短調寬時間并減少因調寬造成的切割浪費。模型參數的設定是連鑄結晶器熱調寬關鍵技術之一，而熱調寬水平加速度、窄邊錐度變更的角速度是其中最核心的參數，其取值的大小對連鑄結晶器在線調寬系統的安全性和可靠性起決定性作用。一旦模型參數設定不合理，連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊對鑄坯造成過量的擠壓會產生裂紋等鑄坯缺陷，或造成窄邊與鑄坯氣隙過大而影響坯殼的凝固與均勻性，嚴重時會引起鼓肚漏鋼或粘結性漏鋼的嚴重生產事故。

新日鐵(專利US4660617A)公布了一種板坯連鑄結晶器調寬方法，以坯殼強度作為調寬水平加速度等參數的設定依據，實現了高速調寬準備技術。由于其僅考慮了坯殼強度限制，未考慮中低拉速區域鑄坯氣隙的影響，在實際生產過程中其高速調寬必須匹配以較高拉速，否則會造成側面“內凹”缺陷或壞殼破裂漏鋼，這對于澆鑄某些大斷面、低拉速的鋼種不匹配。

文獻《結晶器在線熱態調寬速度的研究》基于“坯殼應變率等于坯殼收縮率”的調寬原則來研究調寬速度，文獻《Study on Casting Speed and the Speed of on-line Mould Width Adjustment of Slab Continuous Casting》依據結晶器調寬過程中坯殼受力狀況，推導出調寬速度的計算方法并定量研究合理的拉速變化過程。這兩種方法研究的依據都是鑄坯殼的受力狀態，而沒有考慮調寬過程中氣隙的影響。同時，其研究的模型參數僅為調寬速度，而沒有綜合考慮調寬水平加速度、窄邊角速度等關鍵參數，從而不能完全保證結晶器熱調寬過程中連鑄生產的安全性。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種連鑄結晶器熱調寬方法，用于解決現有技術中對連鑄結晶器熱調寬時對關鍵參數的控制不當等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種連鑄結晶器熱調寬方法，連鑄結晶器熱調寬水平加速度α設定的邊界條件為最大氣隙及坯殼強度限制下的最小值，如式(1)所示：

α≤min(α_η，α_ε) (1)

式(1)中，α_η為連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙限制下的最大水平加速度，單位mm/min²；α_ε為坯殼強度限制下的最大水平加速度，單位mm/min²。

在本發明的一些實施例中，0.8·min(α_η，α_ε)≤α≤min(α_η，α_ε)。

在本發明的一些實施例中，α滿足式(1)要求的情況下盡量取最大值，即α＝min(α_η，α_ε)。

在本發明的一些實施例中，連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙限制下的最大水平加速度α_η如式(2)所示：

式(2)中，η_max為連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙，單位mm；U_C為拉速，單位mm/min；L為連鑄結晶器有效高度，即鋼水液面到結晶器底部的距離，單位mm。

在本發明的一些實施例中，1mm≤η_max≤4mm。

在本發明的一些實施例中，η_max＝2mm。

在本發明的一些實施例中，坯殼強度限制下的最大水平加速度α_ε如式(3)所示：

式(3)中，W為鑄坯寬度的一半，單位mm；為鑄坯臨界應變率，單位min^-1；U_C為拉速，單位mm/min；L為連鑄結晶器有效高度，單位mm。

在本發明的一些實施例中，

在本發明的一些實施例中，

在本發明的一些實施例中，450mm≤W≤1300mm。

在本發明的一些實施例中，600mm/min≤U_C≤2400mm/min。

在本發明的一些實施例中，800mm≤L≤900mm。

在本發明的一些實施例中，連鑄結晶器窄邊運動是水平運動與錐度變更運動的結合，角速度ω滿足如下方程式：

ω＝α/U_c (4)

式(4)中，角速度ω的單位為rad/min，拉速U_C的單位為mm/min。

在本發明的一些實施例中，連鑄結晶器熱調寬的水平移動速度V_h與加速度呈線性比例關系，滿足如下方程式：

V_h＝αt (5)

式中，水平移動速度V_h的單位為mm/min，時間t的單位為min。

如上所述，本發明的一種連鑄結晶器熱調寬方法，具有以下有益效果：采用上述方法：可以限制連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊銅板與鑄坯的最大氣隙，保證窄邊銅板與鑄坯較為充分接觸，以防止因氣隙熱阻過大，鑄坯角部冷卻不充分，凝固推遲及熱變形應力集中，而導致鑄坯出現裂紋等缺陷。同時，控制坯殼應變小于臨界應變，防止鑄坯壓塌以及產生鑄坯窄邊的凹凸形狀而導致鑄坯報廢。并且，由于調寬模型參數設定是根據拉速變化而動態變化的，因此，可以在全拉速范圍內完成調寬，無需額外升高或降低拉速。

附圖說明

圖1a顯示為本發明實施例連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊順時針旋轉時鑄坯殼的變形與氣隙示意圖。

圖1b顯示為本發明實施例連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊逆時針旋轉時鑄坯殼的變形與氣隙示意圖。

圖2顯示為連鑄結晶器熱調寬模型參數設定的邊界條件示意圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

研究連鑄結晶器熱調寬的模型參數，首先考慮的因素是避免鑄坯表面質量缺隙(如表面裂紋、窄邊鼓肚、壓塌等)和保證安全生產(如杜絕因熱調寬引起的漏鋼事故)，可以從最大氣隙限制(充分均勻的冷卻，防止窄邊鼓肚)和坯殼強度限制(控制坯殼應變小于臨界應變，防止鑄坯壓塌)兩個方面來解決。調寬速度是加速度的線性函數，窄邊角速度直接反映了窄邊與鑄坯的接觸狀態，因此調寬水平加速度及角速度的研究對實際生產中連鑄結晶器熱調寬模型參數的設定更有指導意義。

本發明提供一種連鑄結晶器熱調寬的方法，連鑄結晶器熱調寬水平加速度α設定的邊界條件為坯殼強度及最大氣隙限制下的最小值，如式(1)所示：

α≤min(α_η，α_ε (1)

式中，α_η為連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙限制下的最大水平加速度，單位mm/min²；α_ε為坯殼強度限制下的最大水平加速度，單位mm/min²。

連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙限制下的最大水平加速度α_η如式(2)所示：

式中，η_max為連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙，單位mm；U_C為拉速，單位mm/min；L為連鑄結晶器有效高度，單位mm。

連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼最大允許氣隙η_max取值范圍為1mm～4mm，更優選地，η_max的取值為2mm。

坯殼強度限制下的最大水平加速度α_ε如式(3)所示：

式中，W為鑄坯寬度的一半，單位mm；U_C為拉速，單位mm/min；為鑄坯臨界應變率，單位min^-1；L為連鑄結晶器有效高度，單位mm。

鑄坯臨界應變率與鋼種、坯殼溫度相關，取值范圍為更優選地，的取值為1.8×10^-2·min^-1。

需要說明的是，在中低拉速區域，連鑄結晶器熱調寬水平加速度α的取值主要取決于最大氣隙限制，其設定值與澆鑄速度U_c的平方呈正比；在高拉速區域，連鑄結晶器熱調寬水平加速度α的取值主要取決于坯殼強度限制，其設定值與澆鑄速度U_c呈正比。

進一步，連鑄結晶器窄邊運動是水平運動與錐度變更運動的結合，角速度ω滿足如下方程式：

ω＝α/U_c (4)

式中，角速度ω的單位為rad/min，拉速U_C的單位為mm/min，水平加速度α的單位為mm/min²。

進一步，連鑄結晶器熱寬調寬的水平移動速度V_h與加速度α呈線性比例關系，且初始速度為0，滿足如下方程式：

V_h＝αt (5)

式中，水平移動速度V_h的單位為mm/min，時間t的單位為min。

下面結合圖1a、圖1b、圖2詳細地闡述本發明。

圖1a、圖1b為連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊旋轉與鑄坯殼的變形與氣隙示意圖。連鑄結晶器熱調寬至少分為變錐和復錐兩個步驟：如圖1a所示，當錐度角由小變大的過程中(變錐)，角速度ω順時針旋轉，窄邊上端的坯殼變形速率為正，鑄坯受壓，窄邊下端的鑄坯變形速率為負，坯殼與連鑄結晶器窄邊下端產生氣隙；如圖1b所示，當錐度角由大變小的過程中(復錐)，角速度ω逆時針旋轉，坯殼與窄邊上端產生氣隙，窄邊下端的坯殼受壓。

令表示熱調寬過程中鑄坯的實際變形速率及實際氣隙變化速率，則：

上式表明，連鑄結晶器熱調寬過程中鑄坯的變形速率及氣隙變化速率與連鑄結晶器熱調寬速度的大小沒有直接關系，僅取決于連鑄結晶器調寬時的角速度ω。又由于角速度為熱調寬α與拉速U_C的比值，當拉速恒定的情況下，坯殼變形速率及氣隙變化速率僅取決于熱調寬水平加速度α；連鑄結晶器熱調寬過程中，拉速U_C與調寬水平加速度α恒定，則ω恒定，此時坯殼變形速率及氣隙變化速率保持不變。

研究連鑄結晶器熱調寬的模型參數，首先考慮的因素是避免鑄坯表面質量缺隙(如表面裂紋、窄邊鼓肚、壓塌等)和保證安全生產(如杜絕因熱調寬引起的漏鋼事故)，可以從最大氣隙限制(充分均勻的冷卻，防止窄邊鼓肚)和坯殼強度限制(控制坯殼應變小于臨界應變，防止鑄坯壓塌)兩個方面來解決。因此本實施例將這兩個方面作為調寬模型參數的設定原則，對連鑄結晶器熱調寬水平加速度α及角速度ω進行公式推導和定量研究。

最大氣隙限制：連鑄結晶器的基本作用是從鋼液中取走熱量和形成坯殼形狀并保持它,氣隙的存在將會影響連鑄結晶器傳熱效率和坯殼的凝固速度，使連鑄結晶器的基本作用減弱。連鑄結晶器傳熱最大的熱阻是來自于坯殼與連鑄結晶器之間的氣隙，氣隙的熱阻占總熱阻的71％～90％，氣隙發生微小的變化都會對鑄坯凝固的整個溫度場產生很大的影響。因此，連鑄結晶器熱調寬模型參數的設定必須控制連鑄結晶器窄邊與鑄坯的最大氣隙，以防止鑄坯產生角部表面缺陷及縱向裂紋。

連鑄結晶器熱調寬過程中，窄邊銅板沿著窄邊中心旋轉以實現錐度變更(如圖1所示)，最大氣隙出現在窄邊兩端，與窄邊中心的距離為L/2，則時間內氣隙的累計變化量為連鑄結晶器熱調寬過程中窄邊與鑄坯殼的最大氣隙η_max，表示如下：

結合式(6a)和式(7)，連鑄結晶器窄邊銅板與鑄坯最大氣隙限制下水平加速度α_η的控制方程式如下：

坯殼強度限制：連鑄結晶器熱調寬過程中安全生產的前提條件是避免發生漏鋼事故，漏鋼的原因之一是坯殼發生裂紋。有以下三種假說可以作為衡量坯殼是否會產生裂紋的判據：①臨界應變假說；②臨界應力假說；③臨界時間假說。通過將鑄坯的綜合應變小于安全應變(0.3％～0.7％)作為輥列設計的依據。因此，連鑄結晶器熱調寬過程中應保證鑄坯殼的應變速率小于臨界應變率，以避免鑄坯由于過壓而產生表面裂紋甚至漏鋼的風險。鑄坯殼的臨界應變與鋼種、坯殼厚度和表面溫度有關。

令整個鑄坯寬度為2W，每個窄邊的調整寬度為鑄坯的一半W，鑄坯應變為ε，定義為變形量λ除以W，則公式(6b)改為由應變率表示：

為了避免產生澆鑄缺陷，鑄坯的應變率必須小于由坯殼強度決定的臨界應變率則

故，坯殼強度限制下的水平加速度α_ε的控制方程式如下：

模型參數設定的邊界條件：連鑄結晶器熱調寬模型參數(水平加速度α)設定的邊界條件應為最大氣隙及坯殼強度限制下的最小值，如式(1)所示。

α≤min(α_η，α_ε) (1)

圖2為連鑄結晶器熱調寬模型參數設定的邊界條件示意圖，在澆鑄速度U_c較低區域，水平加速度α_s主要由氣隙限制，與澆鑄速度U_c平方呈正比例關系。當澆鑄速度U_c到達較高區域時，水平加速度α_s主要由坯殼強度限制，與拉速U_c呈正比例關系，如式(4)所示，角速度ω_s是水平加速度α_s與拉速U_c的比值，水平加速度的邊界條件確定后，可以方便地角速度ω_s的邊界條件。

實施例1

根據生產工藝經驗，臨界應變率(中碳鋼鑄坯溫度1350℃時)，最大氣隙η_max＝2mm，鑄坯最小寬度2W＝900mm，連鑄結晶器有效高度L＝800mm。根據前面公式可得到模型參數的設定值如表1所示。

表1模型參數設定表

實施例2

設調寬時拉速Uc＝1200mm/min，連鑄結晶器有效高度L＝800mm，工藝要求：臨界應變率最大氣隙η_max＝2mm，鑄坯最小寬度2W＝900mm。

1)安全調寬區域：實際調寬水平加速度為α＝15mm/min²(小于邊界條件α_s＝18mm/min²)，則角速度ω＝0.0125rad/min，調寬過程中氣隙為η＝1.67mm，鑄坯殼應變速率則滿足工藝要求的最大氣隙限制條件(η≤η_max)及鑄坯殼強度限制可以保證連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼較為緊密地接觸，充分均勻冷卻，防止窄邊鼓肚，同時保證鑄坯殼不會因為過壓而產生裂紋。

2)非安全調寬區域：實際調寬水平加速度為α＝24mm/min²(大于邊界條件α_s＝18mm/min²)，則角速度ω＝0.02rad/min，調寬過程中氣隙為η＝2.67mm，鑄坯殼應變速率則滿足工藝要求的鑄坯殼強度限制但是不滿足最大氣隙限制條件(η＞η_max)，連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼的氣隙較大，鑄坯殼因為冷卻不充分而產生邊角裂紋，窄邊鼓肚。

實施例3

設調寬時拉速Uc＝1800mm/min，連鑄結晶器有效高度L＝800mm，工藝要求：臨界應變率最大氣隙η_max＝2mm，鑄坯最小寬度2W＝900mm。

1)安全調寬區域：實際調寬水平加速度為α＝32mm/min²(小于邊界條件α_s＝36.45mm/min²)，則角速度ω＝0.018rad/min，調寬過程中氣隙為η＝1·58mm，鑄坯殼應變速率則滿足工藝要求的最大氣隙限制條件(η≤η_max)及鑄坯殼強度限制條件可以保證連鑄結晶器窄邊與鑄坯殼的較為緊密接觸，充分均勻冷卻，防止窄邊鼓肚，同時保證鑄坯殼不會因為過壓而產生裂紋。

2)非安全調寬區域：實際調寬水平加速度為α＝40mm/min²(大于邊界條件α_s＝18mm/min²)，則錐度變更速度ω＝0.022rad/min，調寬過程中氣隙為η＝1.98mm，鑄坯殼應變速率則滿足工藝要求的最大氣隙限制條件(η≤η_max)，但是不滿足鑄坯殼強度限制鑄坯表面存在凹凸缺陷。

如上所述，本發明具有以下有益效果：

1、整個調寬過程中窄邊銅板與鑄坯之間的氣隙最小，窄邊對鑄坯殼支撐穩定均勻，可以適應各種鋼種，避免漏鋼風險，確保生產安全。

2、保證生產安全的同時盡量采用較高的調寬水平加速度，從而可以提高調寬速度，大幅縮短調寬時間并減少因調寬造成的切割浪費。

3、可以在全拉速范圍內完成調寬，以實際生產拉速完成調寬，無需額外升高或降低拉速，從而確保生產工藝參數的恒定以保證鑄坯質量的穩定。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。