[发明专利]一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶金工业铸造厚板坯定向凝固方法及其装置，特别是一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置。

背景技术

海工、军工、化工、核工等先进装备朝大型化、重型化发展，需要越来越多的特厚钢板，这些板类件趋于大重量、超厚度，而且要求具有大压缩比、高致密度、高洁净度、高均匀性和低缺陷率，保证良好的内部质量和厚度方向性能。钢板越厚生产越困难，解决开口度1米以上特厚板轧机所需优质坯料，满足大型装备制造业对特厚板的需求是一项紧迫的任务。

目前主要采用连铸、模铸、焊接复合连铸板、定向凝固和电渣重熔等工艺生产特厚板坯。连铸难于生产厚度超过440mm的板坯，受压缩比限制，不能生产超过160mm的优质厚板。模铸大型钢锭冷速慢，容易产生偏析、孔洞和疏松，内部质量无法满足探伤要求。电渣重熔大型板锭质量较好，但是生产效率低、生产成本极高，工艺装备复杂、投资大。只适用对板坯质量有极特殊要求的板材生产。

采用焊接复合连铸板坯轧制特厚钢板，焊缝的化学成分不稳，焊接易产生热变形，复合界面强度差。采用锻压坯和初轧坯料等特殊工艺手段，需要二火成材，整个流程投资大、工艺复杂，生产不经济，只有较少企业采用。

水平定向凝固生产的特厚板坯料枝晶粗大且密实，Z向性能好，倒V型偏析很少，轧制后的特厚钢板具有优良的力学性能，表现出良好的抗回火脆性、断裂韧性、加工性和焊接性。该工艺方法被认为是解决特厚板轧机用钢锭的大型化与内部高品质这一矛盾的有效手段。用于生产特厚板坯的水平定向凝固是单向的，由于钢的热传导限制，柱状晶极限长度为870mm左右，特厚板的厚度难于突破；另外，需要通过机械加工或火焰清理去除占总体积7-8％的顶面溶质富集区，清理困难、费用高。以上两个问题是水平定向凝固特厚板坯的瓶颈。

专利公开号：CN 104249142 A，公开了一种纯净化、均质化、致密化和细晶化钢铁大板坯的压力铸造方法。该方法可以解决现有大断面板坯的宏观偏析、缩孔疏松、夹杂和晶粒粗大问题，实现钢铁大板坯制备的纯净化、均质化、致密化和细晶化，显著提高板坯成材率。但是该方法对设备要求较高，且在凝固结束之前，要保持倒置加压状态，周期较长。

专利公开号：CN 102921914 A，公开了一种改善特厚板坯中心偏析和中心疏松的大压下技术。通过大压下手段的实施，可以使压下力传递到板坯中心，控制和改善厚板坯中心偏析、中心疏松和缩孔。但是，并没有对最后凝固区域所处的位置进行改变，所以无法从根本上解决坯料在轧制过程中，此处的缺陷难以压合的问题。此外，该技术适用于连板坯，无法解决钢锭内部缺陷的有效压合问题。

专利公开号：CN102161079B，公开了一种高质量宽厚板坯制造工艺。该工艺在工装水冷底盘上的前后左右四面分体设置水冷动模，前后左右四面设置的水冷动模和下部置的水冷底盘形成组合式水冷模具。采用液压动力系统对板坯实施挤压，使宽厚板坯在压力作用下凝固结晶，消除宽厚板坯内部缩孔与疏松。但是，该工艺附带的设备较多，使用期间的保养与维护较复杂，势必造成坯料的生产成本增加。

专利公告号：CN101654743B，公开了一种电渣炉凝固超大截面钢锭的装置与方法。该装置主要由可移动炉体、假电极、石墨电极、短网、变压器、移动渣包、渣包液压缸、横臂升降系统装置、结晶器、轨道、移动炉体液压缸、横臂和横臂夹头构成。使用本装置及其方法能够实现超大截面钢锭定向凝固，降低生产成本，节约吨钢能耗，缩短作业时间，提高工作效率，提高了钢材质量，增加钢水收得率。但是在倒入渣，插入电极过程中，会对钢液的纯净度造成影响。同时在电弧加热的过程中，加大了结晶器的负担，对结晶器的要求较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法及其装置。

本发明提供的一种双向挤压式厚板坯定向凝固方法包括以下步骤：

a.以定向铸模两端为挤压头，挤压头内通入冷却水冷却；

b.计算水冷装置的凝固系数β

钢液在挤压头的一侧，β值通过式(2)来进行确定：

式中：T_f为液态钢液的温度，T₀为水冷压头的温度，C_pm为单位质量定向铸模所能吸收的热容量，L_f为铁的结晶潜热；

c.确定水冷装置中的冷却水流量和流速

1)冷却水流量Q与凝固系数β通过经验公式(3)得到：

式中：m为钢锭的吨位；

2)冷却水流量Q与流速V的关系由式(4)得到：