利用夾帶形核劑的射釘改善連鑄生產鑄坯質量的方法與流程
本發明屬于連鑄坯的質量改善技術，尤其涉及一種利用夾帶形核劑的射釘改善連鑄生產鑄坯質量的方法。
背景技術：
在連鑄產品中，尺寸較大的連鑄坯易出現的問題是中心偏析及中心疏松等內部質量缺陷。這些缺陷是由于表面與中心的溫度差較大從而形成發達的柱狀晶，而等軸晶比例的下降會造成鑄坯中心區域的宏觀偏析和疏松，完全消除或盡量減少這些缺陷對于進一步提高鑄坯質量十分重要。
在常規的連鑄生產過程中，目前可以減少這些缺陷的方法有：低過熱度澆注方法，以及在連鑄機上安裝如電磁攪拌及末端輕壓下等可影響鑄坯凝固的設備。
然而，采用低過熱度澆注時容易造成水口堵塞，并且不利于夾雜物上浮被保護渣吸附。盡管凝固末端輕壓下可使元素重新分配從而減小中心偏析，但這種方法的使用受限于鑄坯規格尺寸和形狀。另外，結晶器內電磁攪拌也能有效減少中心偏析，然而由于施加的準確位置難以確定，并且由于電流的集膚效應，這種方法難于在厚坯中應用。
近期，烏克蘭亞速鋼廠提出了一種可減少連鑄坯中心疏松及偏析的方法。這種方法是向通過喂帶裝置以一定速度向結晶器內不斷喂入可熔化的鋼帶。通過鋼帶的熔化吸熱過程，使鑄坯中心鋼液過熱度降低。原來的由外向內的凝固方式轉變為在斷面同時進行的凝固。而由于晶粒的形狀很大程度取決于溫度梯度，這更利于等軸晶的生成而阻礙柱狀晶生成。因此中心偏析得到消除，內部連續性得到提高。
然而，通過鋼帶熔化向鑄坯內提供的形核量有限，同時實際喂帶過程中，鋼帶的連續喂入易造成排渣裝置的磨損。
技術實現要素：
為解決現有技術中的問題，本發明提供一種用于改善連鑄生產鑄坯質量的方法。
本發明采用的技術方案如下：
本發明提供的一種利用夾帶形核劑的射釘改善連鑄生產鑄坯質量的方法，包括：
步驟s1、制備多個預設尺寸范圍的射釘，該射釘包括：鋼殼及位于鋼殼內部且通過鋼殼密封的形核劑，所述鋼殼的鋼種與當前生產鑄坯使用的鋼種相同；
步驟s2、依據所述射釘中鋼殼在當前生產鑄坯過程中的熔化時間，當前生產鑄坯的工況，確定射出射釘的初始速度；
步驟s3、在待射出射釘的區域充入保護氣體進行排渣，并向當前生產鑄坯的預定區域以固定時間間隔射入具有初始速度的多個射釘；
所述待射出射釘的區域為排渣裝置中不與當前生產的鑄坯的鋼液接觸的區域。
可選地，步驟s1包括：
s11、根據當前生產的鑄坯的鋼種確定形核劑的種類和鋼殼的鋼種；
s12、根據當前生產鑄坯的工況，確定鋼殼的厚度；
s13、根據形核劑的種類和鋼殼的鋼種、鋼殼的厚度，制備多個預設尺寸范圍的射釘。
可選地，所述形核劑的種類包括：稀土類形核劑、硅鈣粉類形核劑和鐵素體類形核劑。所述射釘可為子彈形狀的射釘；和/或，所述射釘橫截面的最大直徑范圍為3-6mm，長度為20-70mm。
可選地，所述子步驟s12包括：
根據公式一確定鋼殼的厚度δ；
公式一：
所述d為射釘橫截面的直徑，d為形核劑所占體積直徑，a為連鑄坯截面積，qb為鑄坯冷卻熱量，l為鋼殼熔化潛熱，t0為射釘的初始溫度，tl為當前生產鑄坯所使用的鋼液液相線溫度，cp為鋼液比熱。
可選地，在執行步驟s3之前，所述方法還包括：
加熱所述射釘，以使所述射釘的溫度為200-500℃。
可選地，所述步驟s2包括：
根據公式二，確定射出射釘的初始速度v0；
公式二：
其中，v0為射釘初始速度，tm為射釘外部鋼殼熔化所需時間，l為液相穴深度；
d為射釘的直徑，h為射釘的長度，m為射釘的質量，va為射釘的運動速度，射釘外部鋼殼熔化所需時間tm由擬合公式
lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnδt-0.365lnt0確定；其中δt為鋼液過熱度，t0為射釘初始溫度。
可選地，所述相鄰射釘射出時的時間差δt為：
其中，vc為鑄坯拉速，h為射釘的長度。
可選地，所述射出射釘的端口所處位置為水口與結晶器寬面之間、靠近水口1/3處。
另外，本發明提供一種采用連鑄方式生產的鑄坯，包括：
在生產鑄坯的過程中采用上述任一所述的方法射入射釘。
有益效果：
本發明實施例的方法在連鑄坯澆注過程中，利用射釘作為載體，芯部夾帶一定量的形核劑，將形核劑送達凝固前沿。利用過熱鋼液熔化射釘鋼殼，使其有效釋放其中心夾帶的形核劑，在增加連鑄坯芯部形核基礎上，對連鑄坯中心的宏觀偏析有明顯的抑制作用，同時密實凝固中心區結構，防止中心疏松的形成。同時射釘鋼殼的熔化可減小鋼水過熱度，加快鑄坯的冷卻速度，改善鑄坯凝固組織。
進一步地，本發明實施例中射釘鋼殼的厚度基于液相線共熔法結合相變傳熱理論確定，該厚度應保證形核劑在到達凝固區完全釋放。
此外，射釘的初始速度由射釘運動過程受力分析得到，該初始速度可避免形核劑提前釋放，也可避免未完全熔化的射釘凝入連鑄坯殼。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，以下將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
圖1為本發明的方法所采用的設備示意圖；
圖2a和圖2b分別為本發明實施例中射釘的結構示意圖。
附圖說明：
1水口；2保護渣；3射釘裝置；4排渣裝置；5射釘筒；6支架；7氬氣瓶；8結晶器；9射釘的鋼殼；10形核劑。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限制本發明的范圍。
以下實施例中鑄坯是采用連鑄生產方式制備的，為此，本發明實施例中連鑄坯和鑄坯為同一含義的詞。
本實施例提供一種利用夾帶形核劑的射釘改善連鑄生產鑄坯質量的方法，該方法包括：
步驟s1、制備多個預設尺寸范圍的射釘，該射釘包括：鋼殼及位于鋼殼內部且通過鋼殼密封的形核劑，所述鋼殼的鋼種與當前生產鑄坯使用的鋼種相同。
在具體實現過程中，該步驟s1可包括下述的子步驟：
子步驟s11、根據當前生產的鑄坯的鋼種確定形核劑的種類和鋼殼的鋼種；
子步驟s12、根據當前生產鑄坯的信息，確定鋼殼的厚度；
子步驟s13、根據形核劑的種類和鋼殼的鋼種、鋼殼的厚度，制備多個預設尺寸范圍的射釘。
本實施例中的射釘的形狀為子彈頭形狀的射釘。
步驟s2、依據所述射釘中鋼殼在當前生產鑄坯過程中的熔化時間，當前生產鑄坯的工況，確定射出射釘的初始速度；
步驟s3、在待射出射釘的區域(如圖1所示的排渣裝置中的區域)充入保護氣體(本實施例可為氬氣)，并向當前生產鑄坯的預定區域以固定時間間隔射入具有初始速度的多個射釘。
所述待射出射釘的區域為排渣裝置中不與當前生產的鑄坯的鋼液接觸的區域。
本步驟中充入保護氣體用于排渣，這里不限定為氬氣，還可以為其他保護氣體。
可選地，在一種實現方式中，在執行步驟s3之前，上述方法還可包括：
步驟s2a、加熱所述射釘，以使所述射釘的溫度為200-500℃。
即步驟s3中，向當前生產鑄坯的預定區域間隔射入多個溫度在200-500攝氏度之間的射釘，射釘的初始速度由步驟s2確定。
舉例來說，上述射釘中形核劑的種類可包括：稀土類形核劑、硅鈣粉類形核劑和鐵素體類形核劑。
本實施例中射釘可為子彈形狀的射釘，如圖2a所示；
另外，所述射釘橫截面的最大直徑范圍d為3-6mm，長度h為20-70mm，如圖2b所示。
在一種可選的實現方式中，前述的子步驟s12中，可根據公式一確定鋼殼的厚度δ；
公式一：
所述d為射釘橫截面的直徑，d為形核劑所占體積直徑，a為連鑄坯截面積220mm*1800mm，qb為鑄坯冷卻熱量，l為鋼殼熔化潛熱，t0為射釘的初始溫度，tl為當前生產鑄坯所使用的鋼液液相線溫度，cp為鋼液比熱。
也就是說，射釘鋼殼的厚度基于液相線共熔法結合相變傳熱理論確定，該厚度應保證形核劑在到達凝固區完全釋放。
本實施例中，射釘包裹形核劑的鋼殼厚度δ由相變傳熱理論以及液相線共熔法確定，δ＝d-d
依據的熱平衡公式：
低碳連鑄厚板坯截面面積a為220mm*1800mm，qb為鑄坯冷卻熱量，等于結晶器、二冷區及空冷區冷卻量總和，鋼殼熔化潛熱l為276000j/kg，射釘初始溫度t0為200～500℃，鋼液液相線溫度tl為1516℃，鋼液定壓比熱cp為710j/(kgk)，工作拉速vc為0.8m/min～1.2m/min。
另外，在上述步驟s2可包括：
根據公式二，確定射出射釘的初始速度v0；
公式二：
其中，v0為射釘初始速度，tm為射釘外部鋼殼熔化所需時間，l為液相穴深度；
d為射釘的直徑，h為射釘的長度，m為射釘的質量，va為射釘的運動速度，射釘外部鋼殼熔化所需時間tm由擬合公式
lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnδt-0.365lnt0確定；其中δt為鋼液過熱度，t0為射釘初始溫度。
即，射釘的初始速度由射釘運動過程受力分析得到，該初始速度可避免形核劑提前釋放，也可避免未完全熔化的射釘凝入連鑄坯殼。
在一種可選的實現場景中，所述相鄰射釘射出時的時間差δt為：
本實施例的方法在連鑄坯澆注過程中，利用射釘作為載體，芯部夾帶一定量的形核劑，將形核劑送達凝固前沿。利用過熱鋼液熔化射釘鋼殼，使其有效釋放其中心夾帶的形核劑，在增加連鑄坯芯部形核基礎
上，對連鑄坯中心的宏觀偏析有明顯的抑制作用，同時密實凝固中心區結構，防止中心疏松的形成。同時射釘鋼殼的熔化可減小鋼水過熱度，加快鑄坯的冷卻速度，改善鑄坯凝固組織。
圖1為本發明實施例中所使用的用于向當前生產的鑄坯中射入射釘的設備示意圖，此時，上述方法可包括：
步驟1：按照實際連鑄工況制備合適尺寸的夾帶形核劑10的射釘。
射釘包括鋼殼9和由鋼殼9密封的一定量的形核劑10。
步驟2：在連鑄結晶器加設射釘裝置3及排渣裝置4；
本實施例中，將耐火材料制成的排渣裝置4置于水口1與結晶器8的鑄坯寬面之間靠近水口1/3處，并將排渣裝置4固定于結晶器8。通過氬氣瓶7先向排渣裝置中未涉及鋼液的區域通入氬氣7，排出保護渣2的同時防止鋼液被氧化。氬氣壓力在0.2-5mpa，流量在0.2-5升/分鐘。然后將射釘裝置3的射釘筒5伸入排渣裝置4，并將其固定于支架6。
即，在向連鑄坯內射入夾帶形核劑的射釘過程中，在射釘筒位于的排渣裝置內進行氬氣保護。
步驟3：利用射釘裝置3向連鑄坯中心區域以一定速度按一定時間間隔射入夾帶形核劑的射釘。
在本實施中，射入鑄坯的射釘經預熱達200～500℃后使用，以縮短其在鋼液中的熔化時間。將預熱的射釘裝入射釘裝置4中，啟動射釘裝置，使射釘以一定初始速度v0、一定時間間隔δt垂直射入鑄坯鋼液中。
射釘的初始速度由分析射釘在鋼液中的受力得到，從而保證射釘能夠恰好到達凝固前沿，依據的射釘受力平衡分析：
射釘初始速度：
其中，v0為射釘初始速度，射釘外部鋼殼熔化所需時間tm由擬合公式lntm＝4.082+2.085lnδ-0.497lnδt-0.365lnt0確定。其中δt為鋼液過熱度，t0為射釘初始溫度。
液相穴深度l由經驗公式
在本實施方式中，為避免相鄰射釘相互重疊，兩射釘間隔時間為：
在射釘的長度h為20～70mm，拉速為0.8m/min～1.2m/min時可得到的間隔時間為1～5s。
在本實施方式中，伴隨射釘運動，在過熱鋼液的作用下，包裹形核劑的外部鋼殼逐漸熔化，在到達凝固前沿時，射釘鋼殼恰好熔化完全，形核劑得到釋放，鑄坯內部形核質點數量增加，密實了中心區域結構。
另外，上述任意實施例中，所述射出射釘的端口所處位置為水口與結晶器寬面之間、靠近水口1/3處。
本實施例不對其進行限定，根據實際情況可調整，優選距離對應當前生產鑄坯中射出射釘的端口所處位置為水口與結晶器寬面之間、靠近水口1/3處。
另外，本發明還提供一種采用連鑄方式生產的鑄坯，包括：
在生產鑄坯的過程中采用上述任意所述的方法射入射釘。
上述方法利用在連鑄結晶器加設射釘裝置，利用射釘裝置連續向連鑄坯中心區域以一定速度射入夾帶形核劑的射釘，避免了鋼帶喂入時對避渣裝置耐火材料的磨損。伴隨射釘運動，包裹形核劑的外部鋼殼逐漸熔化，不但減小了鑄坯中心過熱度，而且在到達凝固區時，鋼殼恰好熔化完全，芯部形核劑得到釋放，鑄坯內部形核質點數量增加，使等軸晶比例增大，同時細化晶粒。根據射釘在鋼液中的受力分析，在考慮射釘受浮升力、粘性阻力的情況下，得到合適的射釘初始速度，從而避免形核劑在到達凝固前沿之前釋放而不能作用于凝固區。以相變傳熱理論以及液相線共熔法為理論依據，確定包裹在形核劑外部的鋼殼厚度，在避免未完全熔化射釘凝入坯殼內的同時，使其對不同鑄坯中心鋼液的冷卻達到最佳冷卻效果。因此，本發明可以低成本、靈活地確定不同連鑄生產條件下的射釘初始速度及射釘尺寸，從而保證形核劑的作用效果，細化連鑄坯中心晶粒，提高連鑄坯質量。
以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理，這些描述只是為了解釋本發明的原理，不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
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