專利名稱：連續(xù)鑄造金屬連鑄坯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，用來(lái)在連鑄設(shè)備中連續(xù)鑄造金屬連鑄坯。具體說(shuō)來(lái)，本發(fā)明涉及一種方法，用來(lái)在連鑄設(shè)備中連續(xù)鑄造金屬連鑄坯(尤其 是鋼連鑄坯)，其中具有被連鑄坯外殼包圍的流態(tài)芯部的連鑄坯從冷卻的直通式結(jié)晶器中 拉出，并支撐在連接于直通式結(jié)晶器后面的連鑄坯支撐裝置上，并借助冷卻劑進(jìn)行冷卻，必 要時(shí)還進(jìn)行冶金上的減薄，其中在包括導(dǎo)熱方程的數(shù)學(xué)模擬模型中共同計(jì)算整個(gè)連鑄坯的 熱力學(xué)的狀態(tài)變化。
背景技術(shù)：
從DE 4417808 Al中已知一種連續(xù)鑄造金屬連鑄坯的方法，在此方法中具有被連 鑄坯外殼包圍的流態(tài)芯部的連鑄坯從冷卻的結(jié)晶器中拉出，緊接著支撐在連鑄坯支撐裝置 上，并借助冷卻劑進(jìn)行冷卻。在連續(xù)鑄造工藝的過(guò)程中發(fā)生的狀態(tài)變化借助包括導(dǎo)熱方程 的數(shù)學(xué)模擬模型為整個(gè)連鑄坯實(shí)時(shí)地進(jìn)行共同計(jì)算，并依照計(jì)算出來(lái)的熱力學(xué)的狀態(tài)變化 來(lái)調(diào)整連鑄坯的冷卻。從DE 10122118 Al中已知一種連續(xù)鑄造的方法，在此方法中金屬連鑄坯從結(jié)晶器 中拉出，并支撐在連鑄坯支撐裝置上，并借助冷卻劑進(jìn)行冷卻，并通過(guò)至少一對(duì)連鑄坯導(dǎo)引 滾子進(jìn)行冶金上的減薄，具體說(shuō)來(lái)是以液芯減縮為形式的厚度減薄。專業(yè)人員還已知，金屬連鑄坯在連續(xù)鑄造時(shí)在凝固過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷收縮，即連鑄坯 的尺寸會(huì)發(fā)生變化。出現(xiàn)的連鑄坯收縮的程度與連鑄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，例如待澆鑄的 金屬的物理參數(shù)、澆鑄溫度、澆鑄速度、連鑄坯厚度或連鑄坯冷卻。在連續(xù)鑄造工藝中出現(xiàn)的連鑄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)變化(例如澆鑄速度或連鑄坯冷 卻的變化)相對(duì)連鑄坯支撐裝置的連鑄坯導(dǎo)引滾子的間距仍然被忽略，導(dǎo)致降低金屬連鑄 坯的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，創(chuàng)造一種前述類型的方法，借助此方法例如通過(guò)減少多孔性和/ 或偏析，并通過(guò)改善表面質(zhì)量和/或形狀保持性，可進(jìn)一步改進(jìn)金屬連鑄坯的產(chǎn)品質(zhì)量。此目的通過(guò)前述類型的方法得以實(shí)現(xiàn)，其中在考慮金屬的物理參數(shù)、金屬在澆鑄 分配器中的溫度、連續(xù)測(cè)量的拉出速度、連鑄坯冷卻和連鑄坯厚度的情況下，在數(shù)學(xué)模擬模 型中實(shí)時(shí)地共同計(jì)算連鑄坯的自然收縮，并在考慮金屬連鑄坯的自然收縮的情況下，調(diào)整 連鑄坯支撐裝置的可靠合到連鑄坯上的連鑄坯導(dǎo)引滾子。在計(jì)算連鑄坯的自然收縮時(shí)，在考慮金屬的物理參數(shù)、金屬在澆鑄分配器中的溫 度、連續(xù)測(cè)量的拉出速度、連鑄坯冷卻和連鑄坯厚度的情況下，在數(shù)學(xué)模擬模型中實(shí)時(shí)地?cái)?shù) 值求解導(dǎo)熱方程。為此，將連鑄坯離散，例如拆分成許多體積元素，并在考慮起始條件和邊 界條件的情況下借助處理計(jì)算機(jī)為許多離散的元素周期性地求解導(dǎo)熱方程，因此整個(gè)連鑄 坯產(chǎn)生了隨時(shí)間變化的溫度區(qū)。連鑄坯的與溫度變化有關(guān)的熱膨脹性稱為自然收縮。在從導(dǎo)熱方程的求解中已知每個(gè)離散元素的熱力學(xué)的狀態(tài)變化之后，每個(gè)元素的自然收縮例如 可從體積膨脹或收縮計(jì)算出來(lái)。如果金屬連鑄坯不應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行冶金上的減薄，則可靠 合在連鑄坯上的連鑄坯導(dǎo)引滾子的間距在連鑄坯厚度方向上這樣調(diào)節(jié)，即這個(gè)間距遵循金 屬連鑄坯在連鑄坯拉出方向上的自然收縮。按本發(fā)明的方法的另外兩個(gè)有利的實(shí)施例是，在考慮金屬連鑄坯的自然收縮的情 況下，金屬連鑄坯在連鑄坯支撐裝置中進(jìn)行進(jìn)一步的冶金上的減薄，例如液芯減縮、輕減縮 (尤其是動(dòng)態(tài)輕減縮)或表面處理。液芯減縮和輕減縮對(duì)專業(yè)人員來(lái)說(shuō)是已知的，因此不再 闡述這種冶金上的減薄。同樣從EP 1289691 Bl中得出，在連鑄坯支撐裝置中對(duì)金屬連鑄 坯進(jìn)行冶金上的表面處理。通過(guò)考慮金屬連鑄坯的自然收縮可確保，可在連續(xù)鑄造工藝的 所有運(yùn)行點(diǎn)上(而不是像現(xiàn)有技術(shù)那樣只在一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)上)以有利的方式進(jìn)行進(jìn)一步的冶 金上的減薄。如果在考慮到金屬連鑄坯的與溫度有關(guān)的密度變化，在數(shù)學(xué)模擬模型中數(shù)值求解 導(dǎo)熱方程，則能以尤其精確并因此有利的方式和方法來(lái)實(shí)施按本發(fā)明的方法。專業(yè)人員已 知，金屬的密度變化在很大程度上與溫度有關(guān)。因此例如在連續(xù)鑄造工藝中，在1550°c時(shí) (鋼水在澆鑄分配器中的溫度)約7000kg/m3鋼密度上升到在300°C時(shí)(凝固的連鑄坯)約 7800kg/m3。按本發(fā)明的方法的另一有利的實(shí)施例是，在考慮金屬連鑄坯的與溫度有關(guān)的密度 變化時(shí)，在數(shù)值求解導(dǎo)熱方程時(shí)使用熱函的近似方程，此方程對(duì)于整個(gè)連鑄坯具有精確的 質(zhì)量和精確的熱函。借助此實(shí)施例可確保，能正確地既關(guān)于質(zhì)量又關(guān)于熱函計(jì)算出金屬連 鑄坯的自然收縮，因此可確保求解具有尤其高的準(zhǔn)確性，即熱力學(xué)的狀態(tài)變化和自然收縮。如果數(shù)學(xué)模擬模型包含描述了金屬連鑄坯中期望的組織的形成的計(jì)算模型，尤其 以有利的方式通過(guò)使用連續(xù)的按Avrami (阿夫拉米)的相變模型，則在按本發(fā)明的方法中 有利地考慮到了不同組織形式之間的發(fā)展和轉(zhuǎn)變。在按本發(fā)明的方法的另一尤其有利的構(gòu)造方案中，在考慮計(jì)算出來(lái)的熱力學(xué)的狀 態(tài)變化的情況下調(diào)節(jié)連鑄坯冷卻。通過(guò)此項(xiàng)措施，可確保金屬連鑄坯具有非常高的產(chǎn)品質(zhì) 量，因?yàn)榻饘龠B鑄坯在考慮熱力學(xué)的狀態(tài)變化的情況下進(jìn)行冷卻，并在調(diào)整連鑄坯導(dǎo)引滾 子的間距時(shí)也一同考慮自然的連鑄坯收縮。在鑄造具有任意尺寸的方坯、大方坯、板坯或薄板坯橫截面的金屬連鑄坯時(shí)，可不 受限制地使用按本發(fā)明的方法，以便改進(jìn)鑄造出來(lái)的金屬連鑄坯的質(zhì)量。按本發(fā)明的方法的另一有利的構(gòu)造方案是，可這樣來(lái)調(diào)整可靠合在連鑄坯上的連 鑄坯導(dǎo)引滾子，即連鑄坯的厚度盡可能相當(dāng)于額定值。借助此方法的這個(gè)構(gòu)造方案，可這樣 來(lái)調(diào)整可靠合的連鑄坯導(dǎo)引滾子，即此厚度在連鑄坯拉出方向的確定位置上(例如在連鑄 坯支撐裝置的確定的導(dǎo)引滾子上)盡可能相當(dāng)于厚度額定值(即連鑄坯的目標(biāo)厚度)，因此 連鑄坯在連續(xù)鑄造時(shí)就已經(jīng)可以達(dá)到很高的厚度準(zhǔn)確性。一個(gè)實(shí)施例是，借助控制策略，并在考慮額定值和連鑄坯的自然收縮的情況下，控 制器確定控制量，此控制量輸送到至少一個(gè)可靠合的連鑄坯導(dǎo)引滾子，因此連鑄坯的厚度 盡可能相當(dāng)于額定值。在此實(shí)施例中，此控制器要么以計(jì)算出來(lái)的連鑄坯厚度為出發(fā)點(diǎn)，要 么以測(cè)量出來(lái)的連鑄坯厚度為出發(fā)點(diǎn)。在第一種情況下，計(jì)算出來(lái)的厚度用來(lái)確定控制量， 因此連鑄坯厚度或連鑄坯導(dǎo)引滾子之間的間距不必單獨(dú)地檢測(cè)。
在第二種情況下，連鑄坯厚度借助測(cè)量裝置來(lái)檢測(cè)，并傳輸?shù)娇刂破髦校渲性诳?慮檢測(cè)的連鑄坯厚度的情況下確定控制量。借助此控制方法，連鑄坯厚度可達(dá)到很高的精度。


從未限定的實(shí)施例的以下描述中得出本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征，其中參照以下附 圖，其中圖1在示意性的側(cè)視圖中示出了連鑄設(shè)備；圖2在示意圖中示出了連鑄坯支撐裝置的可液壓靠合的區(qū)段。
具體實(shí)施例方式鋼連鑄坯1由具有特定化學(xué)成份的鋼水2通過(guò)鑄造在冷卻的直通式結(jié)晶器3中形 成。此鋼水2從鋼水包4通過(guò)中間容器5和澆鑄管6注入直通式結(jié)晶器3中，此澆鑄管6從 中間容器5延伸到在直通式結(jié)晶器3中形成的澆鑄液面之下。在直通式結(jié)晶器3的下方設(shè) 置有連鑄坯支撐裝置的連鑄坯導(dǎo)引滾子7，用來(lái)支撐鋼連鑄坯1，此鋼連鑄坯1具有還流態(tài) 的芯部8，開(kāi)始時(shí)還具有非常薄的連鑄坯外殼9。從直通式結(jié)晶器以直的軸線出來(lái)的鋼連鑄 坯1在彎曲區(qū)10中轉(zhuǎn)入圓弧軌道11中，并被連鑄坯導(dǎo)引滾子7支撐著，此連鑄坯導(dǎo)引滾子 7設(shè)置在多個(gè)可液壓靠合的區(qū)段13上。在接在圓弧軌道11后面的矯直區(qū)12中，鋼連鑄坯 1再次直線取向并通過(guò)排出輥道輸出來(lái)，或直接進(jìn)行在線的厚度減薄，例如借助在線設(shè)置的 軋機(jī)機(jī)架。為了冷卻鋼連鑄坯1，它直接或間接地通過(guò)設(shè)置有內(nèi)部冷卻的連鑄坯導(dǎo)引滾子7 進(jìn)行冷卻，因此可把鋼連鑄坯1調(diào)節(jié)到一定的溫度。通過(guò)閉環(huán)控制回路借助處理計(jì)算機(jī)14 給鋼連鑄坯1提供對(duì)于鋼連鑄坯1期望的金屬組織來(lái)說(shuō)是必要的冷卻劑量。在考慮在線計(jì) 算的熱力學(xué)狀態(tài)變化的情況下，由申請(qǐng)人的DE 4417818 Al已知這種連鑄坯冷卻。在處理 計(jì)算機(jī)14的輸入單元中，例如還可輸入鋼2的物量參數(shù)，例如密度、比熱容和熱傳導(dǎo)性，以 及其他連鑄坯冷卻的參數(shù)、滾子間距、連鑄坯寬度、結(jié)晶器中的連鑄坯厚度、連鑄坯厚度在 區(qū)段13中的測(cè)量值以及連續(xù)測(cè)量的澆鑄速度。借助數(shù)學(xué)的模擬模型，它包含導(dǎo)熱方程和冶 金上的計(jì)算模型用來(lái)考慮按Avrami的相變動(dòng)力，在處理計(jì)算機(jī)14中計(jì)算連鑄坯冷卻的額 定水量。鋼連鑄坯1在每個(gè)區(qū)段中受控地冷卻，其中冷卻水量在區(qū)段的單個(gè)冷卻區(qū)中分別 通過(guò)連鑄坯冷卻的閥門(在圖1中，為了視覺(jué)清晰在區(qū)段中只示出了一個(gè)閥門)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 此閥門再次被處理計(jì)算機(jī)14的輸出單元控制。從導(dǎo)熱方程的求解中，還借助公式dV = β · V0 · dT可計(jì)算出由于熱力學(xué)的狀態(tài)變化引起的鋼連鑄坯1的體積收縮，其中β 體積膨脹系數(shù)V 元素的體積V0在參考溫度下的體積T 溫度如果鋼連鑄坯1不應(yīng)該經(jīng)受進(jìn)一步的冶金上的減薄，例如液芯減縮、輕減縮或連 鑄坯的表面處理，則區(qū)段13的可靠合在連鑄坯上的連鑄坯導(dǎo)引滾子7的間距通過(guò)一個(gè)或多 個(gè)液壓缸15調(diào)節(jié)到計(jì)算的連鑄坯厚度，即在考慮自然收縮的情況下。但如果鋼連鑄坯應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的冶金上的減薄，則在考慮自然收縮的情況下，對(duì)減薄必要的厚度變化應(yīng)疊加 于計(jì)算的連鑄坯厚度。優(yōu)選的是，在考慮鋼連鑄坯的與溫度有關(guān)的密度變化的情況下，借助導(dǎo)熱方程計(jì)
算鋼連鑄坯1的熱力學(xué)的狀態(tài)變化。二維的導(dǎo)熱方程例如是 /.
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)在連鑄設(shè)備中連續(xù)鑄造金屬連鑄坯、尤其是鋼連鑄坯的方法，其中具有被 連鑄坯外殼包圍的流態(tài)芯部的連鑄坯從冷卻的直通式結(jié)晶器中拉出，并支撐在連接于直通 式結(jié)晶器后面的連鑄坯支撐裝置中，并借助冷卻劑進(jìn)行冷卻，必要時(shí)還進(jìn)行冶金上的減薄， 其中在包括導(dǎo)熱方程的數(shù)學(xué)模擬模型中共同計(jì)算整個(gè)連鑄坯的熱力學(xué)的狀態(tài)變化，其特征 在于，在考慮金屬的物理參數(shù)、金屬在澆鑄分配器中的溫度、連續(xù)測(cè)量的拉出速度、連鑄坯 冷卻和連鑄坯厚度的情況下，在數(shù)學(xué)模擬模型中實(shí)時(shí)地共同計(jì)算連鑄坯的自然收縮，并在 考慮金屬連鑄坯的自然收縮的情況下，來(lái)調(diào)整連鑄坯支撐裝置的可靠合到連鑄坯上的連鑄 坯導(dǎo)引滾子。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在考慮金屬連鑄坯的自然收縮的情況下，金 屬連鑄坯在連鑄坯支撐裝置中進(jìn)行冶金上的減薄。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，作為冶金上的減薄，要么進(jìn)行液芯減縮、輕 減縮，要么進(jìn)行金屬連鑄坯的表面處理。
4.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在考慮到金屬連鑄坯的與溫度 有關(guān)的密度變化的情況下，在數(shù)學(xué)模擬模型中數(shù)值求解導(dǎo)熱方程。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在數(shù)值求解導(dǎo)熱方程時(shí)，在考慮金屬連鑄坯 的與溫度有關(guān)的密度變化的情況下，使用熱函的近似方程，此方程對(duì)于整個(gè)連鑄坯具有精 確的質(zhì)量和精確的熱函。
6.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，數(shù)學(xué)模擬模型包含計(jì)算模型，此 計(jì)算模型描述了金屬連鑄坯中期望的組織的形成。
7.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在數(shù)學(xué)模擬模型中集成有金屬 的相變模型，尤其是連續(xù)的按阿夫拉米的相變模型。
8.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在考慮計(jì)算出來(lái)的熱力學(xué)的狀 態(tài)變化的情況下調(diào)節(jié)連鑄坯冷卻。
9.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，如此設(shè)置可靠合到連鑄坯上的 連鑄坯導(dǎo)引滾子，使得連鑄坯的厚度盡可能相當(dāng)于額定值。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，借助控制策略，并在考慮額定值和連鑄坯 的自然收縮的情況下，控制器確定控制量，此控制量輸送到至少一個(gè)可靠合的連鑄坯導(dǎo)引 滾子，從而使連鑄坯的厚度盡可能相當(dāng)于額定值。
11.按權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，連鑄坯厚度借助測(cè)量裝置來(lái)檢測(cè)，并傳輸 到控制器中，其中在考慮檢測(cè)的連鑄坯厚度的情況下確定控制量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來(lái)在連鑄設(shè)備中連續(xù)鑄造金屬連鑄坯的方法，其中連鑄坯從冷卻的直通式結(jié)晶器中拉出，并支撐在連鑄坯支撐裝置中，并借助冷卻劑進(jìn)行冷卻，必要時(shí)還進(jìn)行冶金上的減薄，其中在包括導(dǎo)熱方程的數(shù)學(xué)模擬模型中共同計(jì)算整個(gè)連鑄坯的熱力學(xué)的狀態(tài)變化。本發(fā)明的目的是，創(chuàng)造一種方法，借助此方法例如通過(guò)減少多孔性和/或偏析，并通過(guò)改善表面質(zhì)量和/或形狀保持性，可改進(jìn)金屬連鑄坯的產(chǎn)品質(zhì)量。此目的通過(guò)這樣的方法得以實(shí)現(xiàn)，即在考慮金屬的物理參數(shù)、金屬在澆鑄分配器中的溫度、連續(xù)測(cè)量的拉出速度、連鑄坯冷卻和連鑄坯厚度的情況下，在數(shù)學(xué)模擬模型中實(shí)時(shí)地共同計(jì)算連鑄坯的自然收縮，并在考慮金屬連鑄坯的自然收縮的情況下，來(lái)調(diào)整連鑄坯支撐裝置的可靠合到連鑄坯上的連鑄坯導(dǎo)引滾子。
文檔編號(hào)B22D11/12GK102149492SQ200980118623
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者H·瓦爾, K·豪瑟, K·迪滕伯格, P·彭納斯托爾弗, U·費(fèi)施爾, W·基布勒 申請(qǐng)人:西門子Vai金屬科技有限責(zé)任公司