连续铸造金属产品的冷却方法

专利名称：连续铸造金属产品的冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种连续铸造金属产品的冷却方法，这种方法可以减少甚至消除产品芯部大的偏折区的存在。这种方法适用于被认为难于使用连续铸造技术的钢产品的连续铸造，例如具有较长凝固范围的钢，也就是说，含碳量大约在0.25-1.5%之间的钢。
为了更好地理解下文，将把处于凝固过程中的产品表示成由三个同心体所组成，即，一个已凝固外壳组成的环，它包围着另一个处于粥状的环，该环又包着熔融金属的液相芯。粥状的意思是金属在液相和固相之间的温度时的状态，在这种状态下，液相金属和固相结晶以变化的比例共存。在取出产品的过程中，产品沿着铸造机前进，同时被冷却，凝固过程从外周向着中心进行。因此，液相芯和粥状环具有圆锥形轮廓，其顶点指向铸造机的底部。这些不同同心体的交界面分别构成凝固结束和开始的轮廓。凝固开始一段时间后，液相芯消失，只存在凝固的外壳和粥状芯。在以后的阶段中，粥状区域又会消失，产品便完全凝固。
在铸造时产品的凝固和冷却一般是在连续铸造机的三个连续的区域进行的，也就是说在取出产品的过程中在产品前进的方向上进行的铸锭型，在铸锭型中液相金属开始接触型壁，型壁为热的良导体并由循环水强制冷却。在这个所谓的最初冷却区中，包围着产品的液相芯的固化外壳开始形成，而且产品占据了其最终的形状;
所谓的第二冷却区，它起始于铸锭型之下并且其延伸的长度视具体情况而不同。在这个区域中，前进中的产品的固化外壳上喷以冷却液(一般是喷水或气/水混合物)，其作用是加速凝固的开始和结束轮廓向着产品的内部发展。但是，在停止喷水的地方，产品并未完全凝固，产品的芯部仍处于液相;
在第二冷却区之后的铸造机部分，在此时已不再向前进中的产品喷水，而是自然冷却。在这个区域中，产品的芯部完全凝固。
在铸锭型中以及从铸锭型中成型后对产品的强制冷却使产品的固化外壳迅速增厚。以便减少破裂的危险以及大大加速产品的取出速度，这直接关系到连续铸造机的生产率。
而且，合金元素，如碳在铁中的溶解度当铁是固态时低于液态时。因而在粥状环中，在液体中碳的浓度有局部上的不同。
如果在粥状环中存在富碳液体的运动，这就会反映在完全固化的产品中心存在所谓的偏析区，在偏析区中，碳(和/或其它合金元素)的浓度大大高于其它区域。其它合金元素也会发生与碳相似的现象，偏析区的地点可以通过一般称为“鲍曼硫印法”的试验来测出，这项试验可以确定硫在产品抛光截面上的分布。偏析区也可以用金相蚀刻法确定位置，偏析区对产品机械性能的同一性有不良影响。因此在产品中心较高的碳浓度会使轧制后产品这些区域的硬度高于其它区域。
对于合金元素含量较高的钢来说，这种现象尤其显著，例如，含有0.5-1.5%碳的钢，这些钢一般被认为是固化范围较长的，例如轴承钢100C6。
对沿产品纵轴取下的试样进行的“鲍曼硫印法”试验表明，偏析呈V型绕产品纵轴分布，而产生这种形式的机制尚未完全弄清。
为了迫使偏析液体分布在较大区域上，曾采用在粥状凝固区对金属进行电磁搅动的方法试图解决上述问题。但是在采取这种方法时，并没有真正针对发生上述现象的起因，而且采用这种方法要使用至少一台搅动感应器，另外工作成本也很高。
本发明的目的是提供减少甚至消除连续铸造产品芯部高偏析区的一种简单而经济的技术方案，这种技术方案是针对偏析区形成的真正起因的。这种方法可以与在粥状凝固结束的区域进行电磁搅动同时采用，或者将其取代。
因此，本发明的主题是在连续铸造中冷却金属产品，具体来说是冷却铸钢产品的方法，其特征在于在产品处于粥状凝固阶段时对产品进行强制冷却，这种冷却进行时，粥状芯和包着粥状芯的已完全凝固的外壳之间的热学收缩差不断引起外壳对芯的挤压作用。进行这种冷却的区域至少在两个点之间延伸，第一点是如不进行这种冷却产品的粥状芯的冷却速度就要超过产品表面的冷却速度的点，第二点是粥状芯的热机械性质与固化的外壳的热机械性质是相同的点。
下面将会讲到，事实上本发明在于在冷却过程中把固化外壳做伴随芯部收缩的“虎钳”。换言之，形成固化外壳的环的直径减小的速度一定要大于假如外壳根本不对芯施加作用的话，粥状芯直径减小的速度。通过的铸造机下部中产品表面的加速冷却，很简单地就可以用热学手段实施上述“虎钳”式作用，而通常在那个部位产品表面则是自然冷却的。
如上所述，在铸造产品中心部分V形偏析形成的原因至今尚未弄清。
但是，本发明提供的下述假说却是十分可能的。
当通过第二冷却区时，产品的外壳快速冷却，而液相芯则仍有事实上不变的温度。随着产品进入自然冷却区，对外壳不再喷水，外壳的冷却变慢许多。另一方面，请注意第二冷却区的通常长度只有当产品的大部分已进入自然冷却区时，芯(此时芯处于粥状)的温度才倾向于实质性的下降。
产品内部的粥状部分此时要比包着它的固化层冷却得更快，因而发生较大的收缩。因此产生的机械应力通过在以前是粥状的中心块内形成裂缝而释放，由于吸力的作用，高偏析的液体会透入这些裂缝。
因此，在完全凝固的产品中，这些裂缝的位置发生在合金元素浓度高的地方从而导致了上述缺陷。
对于合金元素如碳含量较高的钢(如100C6)来说，固化起始和结束的温度相差较大，因此，比起低合金钢来说，粥状凝固发生在更广的区域上。再加之在液相和固相之间合金元素的偏析有较大的敏感性，这就说明了为什么此时这种合金钢在连续铸造产品的轴向区域中会产生偏析区。在某些极端的情况下，由于这些缺陷，使产品质量不合要求，不得不放弃连续铸造的生产方法。
以上阐述了本发明是如何使用固化外壳的热学收缩来克服产品因中心高偏析区而产生内部裂缝的，现参照以下附图详述本发明，从而清楚了解本发明的其它特点和优点

图1是生产成品铸钢件的普通的弯曲连续铸造装置的示意图;
图2是按照本发明改进的图1所示装置，在产品固化端区域中增设了一冷却滑台;
图3表明在进入铸造机下部时，产品表面冷却速度及产品芯部冷却速度变化的情况，图中给出了在产品固化端区域中设置或不设置冷却装置的两种情况。
图1是普通连续铸造装置的纵截面图，图中具体表示出产品处于凝固的过程中。铁水包(未画出)把液态钢送入桶2。液态钢1然后流入一个或多个铸锭型3中，型壁是铜或铜合金制成的且由水强制冷却。在每个铸锭型即最初冷却区
中，产品4开始在其外周凝固，该产品将以这种方式占据其最终的形状。图1所示的铸锭型与其产品形状一样是弯曲的。在工业实践中也有用直的铸锭型生产直的产品的情况。在第二冷却区
中，在一定的长度上向产品4喷水，这个长度按照喷水器5的滑台的情况而各个铸造机各不相同，第二冷却区紧靠铸锭型之下开始。喷水器向产品整个外周喷以冷却液，冷却液可普通地喷水或喷雾化的水。接着的是自然冷却区
，在图示的普通连续铸造装置中自然冷却区
不设有冷却产品的装置。在连续铸造装置的下部是使产品整直的装置(未画出)，以及把产品切割成一定长度的装置(未画出)。
在图1中，相应于材料的物理状态，正在铸造的产品中可看出若干同心的区域。在连续铸造装置上部(例如在区域
)的产品截面中可以看到三个连续的区域。在芯部(区域6)金属完全处于液态;这个区域的截面积随着产品的凝固而减小，在液穴7的闭合点之后就没有单一的液态金属了。环绕液相芯部区域6，处于凝固过程中的粥状区域8含有液相和固相金属，随着温度下降，固相金属的比例增加。环绕绕粥状区域，外壳9只包含固相金属。在完成固化的熔池的闭合点10之外，外壳9在整个产品的长度上延伸，外壳9的凝固已完成。
图2表示按照本发明对图1所示连续铸造装置的改进。图2中与图1相同的零件与图1使用相同的标号。两图的不同处在于在原装置的产品完成固化的区域
中设了第二个喷水滑台11。
图3表示，随着产品在装置的区域
中前进而完成其固化，产品表面以及芯部金属温度变化的速率V。这个前进由到弯月面，即，在铸锭型中液相金属的表面的距离D来表示。图中的曲线是按照连续铸造机用户那里得到的数学模型制定的，这些曲线适用于以下铸造条件产品的形状方型截面钢坯，每边长105mm;
产品的成分含碳量0.7%的钢;
产品的取出速度3.3米/分。
在上述条件下，至弯月面距离为11.20米处(图中由线S标出)，产品达到完全凝固。
曲线A和B相应于图1的情况，其中，在装置的端部产品不承受任何强制冷却。曲线A代表产品表面温度变化的速率。曲线A表明，这个速率在该区域的全长上保持基本不变(即，只损失0.5℃/S)。曲线B代表产品粥状芯温度变化的速率，曲线B表明，在该区域的开始，这个温度保持不变。从至弯月面8米处，粥状芯的冷却才开始明显加速。至弯月面的距离超过9.5米后，粥状芯的冷却速率大于0.5℃/S，因此比表面冷却得更快，这就使得粥状芯的热学收缩大于表面的热学收缩;按照本发明的假说，这种现象就是本发明所要防止的产品缺陷的起因。
曲线C和D相应于图2中按照本发明的情形，其中，由于在固化端的区域
中增设了喷水器11的滑台而使产品承受强制冷却。这两条曲线是根据以下条件绘制的在距离弯月面8.40米至11.20米之间产品被喷水，产品被喷水的每米2面积上水的流量是12米3/小时，这个流量在整个喷水区域是均匀分布的。曲线C代表产品表面温度变化的速率，曲线D代表粥状芯温度变化的速度。在这个冷却区的上游，这两条曲线分别与曲线A和B重合。从强制冷却区开始，表面冷却突然加速以便达到在距弯月面9米处的9℃/S。由于冷却水(其流量和温度是不变的)和产品(其温度随着在冷却区中的前进而下降)之间热交换的质量恶化，冷却的速率逐渐放慢。同时，强制冷却导致粥状芯冷却加速，但这一作用虽有滞后却是进行性增加的，总之，从距弯月面11米处开始，粥状芯的冷却才变得比产品表面的冷却更快。在这种状况下，粥状芯最终完成其凝固，其热学机械性能与全部固化外壳的十分接近，这是因为热学收缩的差可忽略不计，也不可能形成V形的偏析。
当然上述实施例并不是对本发明的限定。对于在一定条件下铸造给定产品的任何连续铸造机来说，都可以绘制出类似图3的曲线图。
本发明人认为，在产品的粥状芯的固相比达到90%之后，继续喷水是无用的。在某些情况下，喷水甚至只在固相比为60%之前进行就足够了。
对产品的强制冷却最好继续到固化端之后大约1米处，这取决于计算，但要记住这种计算的结果往往是不太确定的。由于注意到了这一点，在图2中冷却滑台11延伸到点10之外。同样，在计算图3中曲线A和B交点位置时也会有误差，其值大约为±1米。在选择强制冷却起始点时要考虑到这个误差。因此，最好把喷水滑台第一个喷水口设置在上述交点上游至少1米处。但是，同时必须保证强制冷却起始点的提前量不得引起图3中曲线C和D的过早相交，也就是说，不得在粥状芯的固相比至少小于60%的那一点相交。
每米2被喷水金属面积的推荐水流量为8-15米3/小时左右，最好选用12米3/米2·小时。
本方法可以适用于制造钢产品的连续铸造机，特别是为铸造含碳量大约为0.25至1.5%的钢而设计的。
本方法的另一种变型在于冷却滑台11的设计，使得冷却液的流量在冷却区的开始和结束之间不断变化。然而在整个冷却区的平均总流量与前述结构并未改变。用这种方法可以更好地控制沿着冷却区从产品吸收的热流，其目的是放慢图3所示产品表面的冷却速率。这样，在固化绝对结束之前实现使芯部冷却速率慢于外壳冷却速率的可能性就会增加。
另一方面，已经注意到，使用本发明的产品的芯部良好的单一性对所寻求的满意冶金效果的再现性是有利的。可以观察到，在第二冷却区或者甚至在铸锭型中使液相芯运动可以获得较好的这种单一性。借助在连续铸造领域中广泛公知的电磁搅动装置可以较好地获得这种运动。这种电磁搅动装置由多相环形感应器组成，它们绕铸造产品布置并产生绕铸件轴线转动的磁场，或者这种电磁搅动装置由平面结构的多相感应器组成，可以产生平行于铸件轴线或垂直于铸件轴线的滑动磁场。本说明书对这种搅动提供充分的信息，其细节可参考以下文件法国专利2，315，344号，法国专利2，211，305号，以及卢森堡专利67，753号。以上各文件的技术内容本说明书引作对比。
显然，本发明并不局限于已述实施例，而是包括权利要求书中提到许多变型或等同物。具体来说，按照本发明的方法可以应用于立式的，直的或曲线的各种连续铸造机，也可适用于卧式的连续铸造机，另外也适用于现存的或未来的小厚度产品的直接连续铸造装置。
另一方面，本发明并不以局限的方式应用于铁和钢的半成品，而且也把其适用领域扩展到任何可以连续铸造的冶金产品。
同样，本发明同样地适用于任何连续铸造的冶金产品，而不管形式如何(方坯，坯锭，或板坯)，具体来说也适用于那些准备断开形成方坯的那些产品。
权利要求
1.在连续铸造中冷却金属产品，特别是钢产品的方法，其特征在于当产品的芯部处于粥状固化阶段时对产品进行强制冷却，这种冷却使得粥状芯和包围它的已完全固化的外壳之间热学收缩差不断引起外壳对芯的挤压作用。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述强制冷却在沿铸造机的一个区域上进行，这个区域至少在两个点之间延伸，一个点是假如不进行强制冷却产品粥状芯的冷却速率就会越过产品表面冷却速率的点，另一个点是在冷却中粥状芯的热学机械性能与固化外壳相同的点。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于保持所述强制冷却，使得固化外壳对粥状芯的挤压作用继续到粥状芯中固态物质比至少为60%的那一点。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述强制冷却是通过向铸造产品的表面喷冷却液，如水来进行的。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于进行所述强制冷却所用水的平均流量是每平方米被喷产品面积每小时8至15立方米。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于所述平均流量选用的值大约是每平方米被喷产品面积每小时12立方米。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于在所述冷却区的起始和结束位置之间，冷却液的流量是变化的。
8.按照权利要求1，2，3或4所述的方法，其特征在于这种方法使用于铸造含碳量重量比为0.25-1.5%的钢产品。
9.按照权利要求1，2，3，4之一的方法，其特征在于同时借助于搅动装置搅动产品的液相芯。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于所述搅动装置由至少一个带有可动电磁场的感应器组成。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于围绕铸造产品使用一个感应器并产生绕铸件轴线转动的磁场。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于使用平面结构的感应器以便在铸造产品内产生滑动磁场。
13.连续铸造金属产品，特别是钢产品的装置，其特征在于为实施按照权利要求1和2所述的冷却方法，在冶金长度的端部设置冷却产品的装置。
14.实施权利要求9所述方法的连续铸造装置，其特征在于所述冷却装置由向铸造产品表面喷冷却液的喷水滑台组成。
15.直接由连续铸造获得的冶金产品，其特征在于它具有按照权利要求1获得的产品的那种结构和内部构造。
全文摘要
本发明方法的特征是连续铸造过程中当产品芯部处于粥状固化阶段时对产品强制冷却，使得粥状芯和已完全固化的外壳间的热学收缩差引起外壳对芯的挤压作用。为此，在铸造机冶金长度的端部设有冷却产品的装置。本发明可减少甚至消除在冷却铸造产品过程中会导致轴向区域出现偏析区的内部裂缝的产生。本发明适用于连续铸造被认为难于连续铸造的钢(如含碳量0.25—1.5％的固化期较长的钢)。
文档编号B22D11/124GK1038605SQ89103169
公开日1990年1月10日 申请日期1989年5月12日 优先权日1988年5月13日
发明者鲍勃提拉·曼纽尔, 马提诺·米歇尔, 朱莉威特·吉恩·马斯 申请人:法国冶金研究所