鋼材的連續鑄造法及連續鑄造、軋製法的製作方法
2023-07-17 17:31:01
專利名稱：鋼材的連續鑄造法及連續鑄造、軋製法的製作方法
技術領域：
本發明涉及鋼材的連續鑄造方法以及將連續鑄造和熱軋結合起來進行的方法，特別是涉及一種能夠顯著提高鑄造效率並同時提高鑄坯質量的連續鑄造法，此外還涉及一種將連續鑄造法與熱軋組合起來，由連續鑄造開始、不間斷地生產熱軋鋼材的連續鑄造、軋製法。
為了從根本上降低熱軋鋼材的生產成本，一方面有人提議採用將連續鑄造工序和熱軋工序直接連結起來的方法，另一方面，有人正在研究使得較之原始的鋼錠法接近於製品淨形狀的連續鑄造法更進一步接近於製品淨形狀的方法。
上述兩種方法相互之間沒有矛盾，它們具有共同的目的和共同的技術課題，二者的融合將成為最理想的生產系統。在低級鋼板方面已經部分地達到了實際的生產水平，但在中級以上的鋼材和除鋼板以外的其它鋼材(如型鋼、扁鋼、棒鋼、線材等)則難以實現。
下面敘述關於直接連接化和接近製品淨形狀化的兩個具有代表性的重要技術課題。當然，這些僅僅在操作上的問題不能稱之為課題，但它們至少也是先決問題。
1.上、下工序必須具有基本上相同的生產效率。
歷來的連續鑄造法，特別是在結晶器的正下方拉制鑄坯的連續鑄造法以及將鑄坯一邊彎曲一邊拉制的彎曲式連續鑄造法，當採用單流澆注來鑄造板坯、大方坯、方坯時，其鑄造效率只約相當於後續的軋制效率的幾分之一，因此，將上流的連續鑄造工序和下流的軋制工序機械地連接起來，其效率是非常低的。如果將多流澆注的連續鑄造得來的熱鋼坯直接送去軋制，這樣其效率雖然達到了平衡，但是其連接效果就大為降低。
為了提高連續鑄造的效率，有人試圖採用增大鑄坯的斷面或增加設備長度的方法，然而在前者的場合下，初軋開坯工序不可缺少，這樣當然不可能將兩道工序直接連接，並且與接近製品淨形狀的潮流背道而馳。在後者的場合下，澆注板坯和大方坯的效率能有相當大的提高，但是軋制效率還要比連續鑄造的效率高2～3倍，因此將這兩道工序直接連接是不合理的。
因此，不們迫切希望能有一種能夠大幅度地提高連續鑄造的效率，並且即使採用中小規模的軋制設備也不會在成本方面不利，也就是能夠提高軋制設備的成本效率的方法。最近，對於鋼板來說，在薄板坯和帶坯的連續鑄造中這個問題正在獲得解決，然而由於如下所述的在品質方面的問題，其應用只限於低級鋼板方面。
2.必須具有與先有技術大致相同水平的質量。
在現有的生產系統中，連續鑄造和軋制這兩道工序都是獨立地操作的，它們各自採用獨立的質量管理方法，因此能夠確保達到符合目的製品的質量。並且，由於採用了初軋開坯、鋼坯精整、再加熱等中間工序，故表面質量和內部質量都得到了改善。因此，如果將小斷面的連續鑄造和軋制兩道工序直接連結起來而省掉上述的中間工序，當然會導致品質低下。把在AL和Cu方面應用的鑄造。軋制連貫的方式應用於煉鋼方面的事例也有，例如「WireJournalInternationalJune，1989，P.96」，但由該方式獲得的製品，例如在表面疵點、內部裂紋和中心偏析等方面不能完全達到當前棒鋼、線材的質量水準，因此在實際上不能普及。
至於鋼板方面，直接連結加接近製品淨形狀已取得相當大的進展，但是如下所述質量問題還很大。
薄板坯的連續鑄造……CSP方法如文獻(1)「SEAISI，Jan.1990，P.38」所述，該方法是連續鑄造約50mm厚的薄板坯並直接將其連續地軋製成3mm厚的鋼板。按照該方法，其結晶器斷面在短邊寬度方向的空間很窄，只有約50mm。因此在操作上、質量上帶來很多困難。例如，在結晶器中，為了保證質量，可採用浸入式水口加粉渣保護的澆注法，在該方法中，為了安裝所說的浸入式水口，需要一個具有特殊形狀的結晶器，它所具有的稱為漏鬥形的浸漬部必須足夠寬。在此情況下，薄的凝固殼受到過大的力的作用，產生縱向裂紋和橫向裂紋，另外還有鑄坯過薄，難以順利地進行粉渣保護澆注之類的問題。
另外，如上述文獻(1)中所記載的那樣，凝固時的薄壁鑄坯，從鑄坯的表面到中心存在很大的溫度梯度，這對細化晶粒和減輕偏析有利，但是存在容易引起表面裂紋和內部裂紋這類薄壁鑄坯固有的缺點。並且，在鑄造過程中不可避免地形成凝固終點，故必然存在中心偏析。因此其製品只限於較低級的製品。
薄板坯的連續鑄造……ISP方法如文獻(2)「SEAISI，Jan.1990，P.23」所述，該方法是在50～100mm厚的薄板坯連續鑄造中附設一個輥壓下裝置，將未凝固的或凝固終了的鑄坯壓成更薄的鑄坯。與文獻(1)相同，適用浸入式水口加粉渣保護澆注法。在該方法中，由於使用長方形斷面的結晶器和扁平的水口，因而解決了上述結晶器的問題，但是上述為薄壁板坯所共有的弱點均仍存在。而且，未凝固的鑄坯在壓下時，除了裂紋的問題外，伴隨裂紋的產生還增加了異常偏析的危險性，這給質量管理造成困難。再有，為了進行凝固後的壓下，僅僅在靠近上流處配置軋鋼機還談不上對薄壁化產生實質的效果。
帶鋼的連續鑄造法由鋼水直接澆鑄成數mm厚的鋼板或鋼板坯料的鑄造方法，是使鋼水澆落到旋轉著的單輥的表面而急冷，在該輥的表面瞬時地凝固，或者將鋼水注入相向組合的2個輥之間，使其瞬時凝固，同時該凝固的兩面在雙輥之間被壓接而凝固在一起，形成數mm厚×(1000～2000)mm寬的鑄坯，這樣可使生產線非常緊湊，而且達到輕量化，可以省去加熱爐和昂貴的軋鋼設備等，故對設備費的削減具有極大效果。而且操作費用也可以大大降低。然而在該方法中，由於鑄造鋼板是瞬時凝固而形成的，因此容易產生起泡、粘結熔渣、熱應力裂紋、冷隔等表面缺陷，並且由於熱量向冷卻壁面的傳熱速率的微妙變化而直接地對凝固殼厚度和內部應力產生作用，誘發了內部缺陷，由於許多這類極難解決的質量問題，而又不能採取鍛造比等措施，這樣就無論如何也不能適用於高質量的鋼板，只能作為低級品用或不鏽鋼板用的方法進行開發，其結果只不過達到部分的實用化。
中空鑄坯壓接法在特開昭57-97843中提出了一種無中心偏析的連續鑄造法和將其與熱軋直接結合的方法。在該方法中，將彎曲的鑄坯的軌跡引導至比澆鑄面更高的位置，而且由於鑄坯內部的未凝固部分留了下來，於是形成了真空的空洞，這種中空的鑄坯經過壓延，就製成了實心的鑄坯。其結果，據報導可以克服中心偏析的問題並能控制鑄坯的厚度以及可以製造薄壁板坯等，然而在質量方面沒有解決在芯部周圍廣泛地分布的半宏觀偏析、多孔質和V偏析等缺陷。在生產方面究竟是由於實際斷面的減小而使鑄造效率降低，或者是相反地根據什麼理由，採取什麼手段來使鑄造效率提高，完全沒有提到。這種將兩面連鑄與軋制相結合以及關於接近製品淨形狀的妥當性完全不清楚。
如上所述，在薄板坯連續鑄造法中具有代表性的連續鑄造與軋制的直接結合以及接近製品淨形狀工藝存在很多問題。但是，如果能提供一種能夠解決上述那些問題，不僅適用於薄板，同時也適用於厚板，而且對從大直徑至小直徑的圓鋼、扁鋼、型鋼、線材等皆適用的方法，那末其效益將是非常大的。因此，在連續鑄造中，在不增大鑄坯的斷面和設備長度的情況下使鑄造效率飛躍地提高，消除鑄坯中心、內部或其表面上的鑄造缺陷，使鑄坯的斷面儘可能地小，也就是達到更加接近製品淨形狀，從而簡化軋制設備，改善設備成本對性能的比值等皆成為具體的研究課題。
本發明是針對上述這些情況而研製的，其主要目的是提供一種通過改進通常的彎曲式連續鑄法而達到下列效果的連續鑄造方法①大大提高鑄造效率;
②獲得良好的表面質量和均質的內部組織，而且能消除芯部的缺陷;
③容易獲得具有任選的壁厚和形狀的鑄坯。以上的說明及以下說明都是以對彎曲式連續鑄造方法進行改進作為中心而展開的，不過利用本發明的原理，也可以對水平式連續鑄造法進行改進。
本發明的另一個目的是，提供一種將上述那樣經過改進的連續鑄造法與後續的熱軋法高效率地連接起來，從鑄造開始不間斷地生產鋼板、圓鋼、扁鋼、型鋼、線材等熱軋製品的生產方法。
下面解釋用於解決上述課題的本發明的內容。
(1)首先為了從連續鑄造法的改進進行解釋，作如下說明本發明的連續鑄造方法的基本構成要點是使鑄坯內部的液芯止於鑄坯拉坯軌跡上的特定點Q，在該Q點下流一側的鑄坯內部形成空芯，用軋輥將該空芯部壓接，形成實心鑄坯後拉坯。
特別是本發明的代表性的實施方案的要點是鑄坯的拉坯軌跡至少是從結晶器出來之後即進行彎曲地拉坯的鋼材彎曲型連續鑄造，在鑄坯的拉坯軌跡中的彎曲部分的長度佔整個圓周的1/2以上，一直將鑄坯拉到比澆注面更高的位置，把比上述澆注面高出相當於大氣壓壓力的靜鋼水落差高度的位置作為特定點Q，把在Q點處的凝固殼厚比α，α′規定在0.25-0.85的範圍內。
當鑄坯的橫斷面形狀為圓形時，其凝固殼厚比α＝2d/D;
當鑄坯的橫斷面形狀為長方形時，其凝固殼厚比α′＝2d/A;
式中，d鑄坯凝固殼厚(m);
D結晶器橫斷面形狀為圓形時的結晶器橫斷面的直徑(m);
A結晶器橫斷面形狀為長方形時的結晶器橫斷面的短邊尺寸(m)。
澆注溫度可根據該鋼種的液相線溫度來確定①當比液相線溫度高20～60℃時，可獲得一種其鑄坯外皮為數mm厚的激冷細晶、其內側基本上為柱狀晶的實心鑄坯，或者②當比液相線溫度高0～15℃，並且對結晶器內的鋼水加以電磁攪拌時，可獲得一種其鑄坯外皮為數mm厚的激冷細晶、其內側基本上為等軸晶的實心鑄坯。
至於鑄坯的橫斷面形狀，有圓形和長方形兩種情況，首先描述圓形的較佳的情況，按照在特定點Q處的凝固殼厚比α為0.4-0.85，並根據下列公式(1)-(4)來設定設備模式和鑄造條件Pn=πρk2·Ln[(2/α)-1] (1)V=(4k2/α2)·(Ln/D2) (2)R=(Ln-1.4)/π(3)α=2d/D(4)式中，Pn鑄造效率(Kg/min)p鋼材密度(7600kg/m3)Ln設備長度(澆注面與特定點Q之間的長度m)D鑄坯橫斷面的直徑(m)d鑄坯凝固殼厚(m)K凝固定數0.023～0.031(m/min0.5)R在鑄坯拉坯軌跡中彎曲部的半徑(m)V鑄坯拉坯速度(m/min)下面描述鑄坯橫斷面為長方形的情況，最好根據下列公式(5)～(11)來設定設備參數和鑄造條件
Pn=4k2ρ·(πR+1.4)·[(1/α)+(β/α)-1](5)V=(πR+1.4)·(2k/αA)2(6)0.25≤α'≤0.85(7)d=k((πR+1.4)/V)0.5(8)A'=2(1-p)·d(9)α'=2d/A(10)β=B/A(11)式中，A結晶器橫斷面的短邊尺寸(m)B結晶器橫斷面的長邊尺寸(m)α′凝固殼厚比(鑄坯橫斷面為長方形時的凝固殼厚比)β矩形比A′實心鑄坯橫斷面的短邊厚度(m)P壓接輥的實際壓下率p＝(2d-A′)/2d＝0.05～0.40另外，當使用橫斷面形狀為長方形的鑄坯(包括薄板坯至厚板坯)來製造高級鋼板時，對其有利條件作如下說明，將結晶器橫斷面的短邊尺寸A限定為0.100～0.300m，壓接之前該鑄坯的凝固殼厚d限定為0.025～0.120m，另外，在將鑄坯的全部長邊朝其短邊方向壓接時，把由此形成的實心鑄坯的短邊厚度A′限定為0.035～0.200m。對於在製造常用的一般鋼板時的有利條件可作如下描述，將結晶器橫斷面的短邊尺寸A限定為0.100～0.140m，將Q點處的鑄坯凝固殼厚d限定為0.010～0.020m，將實心鑄坯的短邊厚度A′限定為0.012～0.030m，而該殼厚d則根據公式(12)來設定，並且利用壓接輥的實際壓下率p限定為0.05～0.4。
d=k·(πR'/2V)0.5(12)R′在鑄坯引拉軌跡中的彎曲部分的半徑(m)作為使製造工字梁用的異形坯接近於製品淨形狀的方法，為了通過壓接而使鑄坯內部的空芯粘結在一起，作為壓接方式，推薦使用孔型軋制方式或者使用萬能軋機從四面同時壓下的方式來進行壓接軋制，而實心鑄坯的形狀可以是工字型、H型等異形。
為了使凝固殼厚變得更小和使設備長度變得更短，作為其手段，可以將鑄坯拉坯軌跡中的彎曲部分的長度規定為圓周的1/2以上，從而將鑄坯引拉到比澆注面更高的位置，但並不局限於這種方法，也可以採用如下的方法，即在鑄坯引拉軌跡中的彎曲部分的長度超過圓周的1/4，以該圓弧的最低點作為特定點Q，把鑄坯拉向比Q點更高的位置，同時為了把鑄坯內部液芯的最前端位置截止於Q點附近，在Q點的下流側的鑄坯內部加壓充滿惰性氣體，形成空芯部分。由於形成空芯部分，可望能將凝固殼厚比控制在0.05～0.5的範圍內。
在本發明的連續鑄造法中所用的結晶器設有特別限定，但是為了提高生產率以及能形成更薄壁的凝固殼厚，最好是按如下方式構成，以沿著一個在垂直面內旋轉的水冷車輪的外周邊構成的長方形溝槽作為結晶器的3個面，以環形帶將該溝槽的凝固進行區間封閉，構成剩下的一個面，從而形成結晶器，與拉坯同步地驅動結晶器轉動。
(2)下面解釋本發明關於把上述連續鑄造法與軋製法直接結合的方法。
首先從最基本上說明該方法，即把上述連續鑄造法製得的赤熱狀態的實心鑄坯，1)切斷，成為鋼坯，或者，2)將其原封不動地作為連鑄坯，a)經由均熱爐均熱後，或者，b)不經過均熱爐，直接以單流形式供給軋鋼生產線，將其軋製成鋼板、型鋼、扁鋼、圓鋼、線材等。
另外，也可以在粗軋與精軋之間，把軋材沿軋制方向切割成兩條以上，把它們分別地供給不同的精軋線，或把它們供給同一條精軋線，軋製成製品。
其中，特別是在製造線材的場合下，線材卷的單重可達到3～20噸。
下面參照實施例和附圖詳細說明本發明的構成、作用及其效果。
圖1是示意說明本發明使用的連續鑄造、連續軋制設備的一個例子的側視圖。
圖2是表示作為本發明核心的空芯鑄坯壓下的模式圖。
圖3表示澆注溫度對柱狀晶長度的影響的例子。
圖4示出通過將空芯鑄坯壓下來製造異形坯的例子。
圖5示出製造充滿氣體的空芯鑄坯的例子。
圖6示出將本發明用於離心鑄造法的例子。
圖7示出用於形成充滿氣體的空芯部分的方法。
圖8示出在本發明中使用的將連續鑄造與軋制直接連結的例子。
本發明以常規的彎曲式連續鑄造設備作為原型，使用如圖1所示整體結構的設備。圖2是圖1的關鍵部位的放大說明圖。來自盛鋼桶1、經由中間包2而供入結晶器3的鋼水Me在結晶器3中被冷卻，形成凝固殼成為鑄坯6，然後被夾送輥10和導輥9拉坯。這時鑄坯6的拉坯軌跡的前半部分構成半徑為R的圓弧，並且設定在鑄坯的拉坯軌跡中該圓弧部分的長度為圓周的1/2以上，把鑄坯6拉到比鋼水Me的澆注面L(即在結晶器內鋼水的液面)更高的位置，如圖2的放大說明圖所示，把鑄坯6向上拉到超過比L約高1.4m(相當於大氣壓壓力的靜鋼水落差)的位置(本發明中的特定點)Q點。這樣一來，在鑄坯6內的位置Q以前皆有液芯Lq存在，而在Q點的下流側則形成了內藏真空的空芯Cv的空芯部分S。在Q點處的凝固殼厚比以0.25～0.85為所希望的數值範圍。
接著，由壓接輥8從外面壓下，將空芯部S壓接，形成實心鑄坯12，然後連續地經過導輥9、剪切機等送往串聯式粗軋系列裝置15，經過精軋系列裝置18後由卷取機19將其作為熱軋產品卷取到集束機20上，形成了盤卷。這時，可以不把鑄坯6切斷而連續地軋制，直到相當於該製品的單重(單品重量)時在集束前將其切斷，這是最理想的。根據情況，有時由凝固殼內向空腔Cv中充入氫氣等氣體，這時空芯Cv內的氣體分壓可能上升，從而使Q點下降。即使在此情況下，根據Sievert法則，在分壓與固溶的氫達到平衡以後，充入氣體停止，在Q點少許下降的狀態下進入穩定澆注狀態。
上面通過具體的實施方案說明了本發明方法的構思，其要點是，在鋼的連續鑄造中，在鑄坯引拉軌跡的特定點Q處使鑄坯內部的液芯向Q點的上流側排出，在Q點的下流側形成了空芯部，將該空芯部進行壓接軋制，從而以實心鑄坯的形式拉坯。本發明的實施方案還可以考慮下述的種種方法。例如，在水平式連續鑄造法中，將鑄坯稍稍向上傾斜地拉坯，使鑄坯內液芯的前端截止於比與上述相同的結晶器內鋼水表面高出約1.4m的位置(Q點)，從而使Q點的下流側形成空芯部，可以同樣地使用壓接輥進行壓接。
在這樣的連續鑄造法中，除了如下3個實質性的效果外，還有種種效果和作用。
1)提高鑄造效率;2)消除芯部缺陷;3)製造薄壁鑄坯。
關於鑄造效率的討論理論鑄造效率Po可以根據相應於Ds(m)的正方形斷面場合的公式(13)求出。
Po=ρ×D2s×V (13)[p鋼的密度(kg/m3);V拉坯速度(m/min)]凝固的進行情況可用公知的凝固近似公式(14)來表示d=k×t0.5(14)[d凝固殼厚(m);k凝固常數(m/min0.5);t時間(min)]連鑄機長度L(即凝固區間的長度)可用公式(15)來表示。
L=V×to(15)[to凝固終了時間(min)]當t＝to時，d＝Ds/2，根據式(14)和(15)，可得D2sV=4k2L (16)將其代入式(13)，可得Po=4ρk2L (17)於是，當鑄坯斷面為長方形時的理論鑄造效率Po′和為圓形時的理論鑄造效率Po″分別如式(18)和(19)。
Po'=4ρk2βL (18)Po"=πρk2L (19)[β矩形比＝長邊尺寸/短邊尺寸]
也就是說，鑄造效率與鑄坯尺寸無關，它僅僅與依賴於冷卻強度的k以及連鑄機長度成比例。在實際操作中，由於受到質量上和作業上的制約，鑄造效率充其量只能達到理論值的60～80%，以此實際效率為基礎確定必要的鑄流數目。
為了提高效率，可以進一步地增大L值，但由於拉坯速度V的增大，使得在質量、作業、設備費等問題進一步地增加。
與此相對，在本發明中，鑄造效率Pn可用凝固殼厚比α(＝2d/D)α′＝2d/A作為參數，根據式(20)和(21)求得。
長方形斷面 Pn=4ρk2Ln(1/α'+β/α'-1) (20)圓形斷面 Pn=πρ k2Ln(2/α-1) (21)在本發明中，連鑄機的長度Ln等於從澆注面至Q點的距離。將現有技術的方法與本發明在相同鑄機長度(即Ln＝L)的條件下進行比較，可將式(17)和式(20)歸納成式(22)。
Pn=Po[2/α')-1](22)因此，在本發明中，當α＝0.5時，鑄造效率Pn就等於先有技術的3倍。這一點從式(14)也可看出，因為在凝固初期，凝固效率非常高，反之，在鑄機長度的後半段凝固效率極低。另外，當斷面為矩形時，也能獲得與已往方式同樣的提高效率的效果。這樣，採用本發明的空芯壓接方式就能夠大大地提高鑄造效率。
下面，對前面提及的鑄機和鑄造條件的各個基本特性以及兩者的關係加以說明。
圓形斷面的情況如上所述，鑄造效率是Pn=πρk2Ln[(2/α)-1] (1)
拉坯速度可以通過式(23)和(24)作為式(2)來決定。
V=Ln/tn(23)dn=k·tn0.5=αD/2 (24)V=(4k2/α2)·(Ln/D2) (2)[tn到達特定點Q的時間(min);dnQ點處的殼厚(m);V、Ln、k、D同上]鑄坯軌跡的彎曲半徑R當然根據式(3)決定。
R=(Ln-1.4)/π(3)在實施本發明時，很重要的一點是要設定能夠滿足公式(1)、(2)、(3)關係的連續鑄造條件。
在實施本發明時，對於圓形斷面來說，如果凝固殼厚比α(＝2d/D)過小，則壓下後的鋼坯對於扁平，不適合棒材與線材，而且，拉坯速度也變得過大，故α最好在0.4以上。相反，如果α過大，接近先有技術，則本發明的效率方面和鑄造製品的質量方面就難以發揮其效果，所以α最好是在0.85以下。如果在該範圍內和使鑄造效率Pn＝25～70T/H的條件下來設定各種參數，則可使鑄造與棒材、線材的軋制直接連結能夠順利而且經濟地進行。
鑄坯斷面為長方形時也可同樣地計算，這時的鑄造效率Pn、拉坯速度V、凝固殼厚比α′、矩形比β、殼厚d和實心鑄坯厚度A′分別符合於關係式(5)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)。
為了適應與圓形斷面不同的各種厚度的鋼材，希望凝固殼厚比α′的範圍在0.25～0.85。實際壓下率p按照通常的壓接軋製法採用0.05～0.40的範圍。
綜上所述，本發明的第一個效果是能大幅度地提高鑄造效率。
但是，鑄造效率的提高必然會帶來拉坯速度的增大，而引拉速度增大就會成為引起芯部缺陷和內部裂紋等質量低劣，甚至斷裂等生產事故的原因。這個問題可由下述的第二個效果加以解決。
下面說明本發明的第二個效果，即消除內部缺陷和提高質量。
在鋼的鑄造過程中，其凝固組織是從表面向中心的表皮部分(通常為數mm左右)受到急冷而形成緻密而均勻的激冷細晶，其內側為幾mm～幾十mm厚的本身均勻的柱狀晶，再往裡則是等軸晶。在芯部附近的等軸晶之間產生半宏觀的偏析和宏觀、微觀縮孔等鑄造缺陷，另外在中心部產生中心縮孔，除此之外，由於溶質在固相和液相中的分配比率的關係，必然要發生中心偏析。
對於這些內部缺陷，已往的連續鑄造法所採取的措施是低溫澆注和電磁攪拌，這樣，由於等軸晶化和晶粒微細化而使缺陷分散，或者是通過液芯壓下而防止偏析，但所有這些措施效果都不夠理想，特別是芯部周圍的半宏觀偏析和多孔質等沒有獲得改善。
以往，在希望獲得特別均勻的凝固組織的場合，一般不採用連續鑄造法而是採用單一方向凝固鋼錠法(日本金屬學會會報24，4(1985)P.304)和ESR法(ElectroslagRemelting)等。
根據本發明，採用連續鑄造法也可以獲得能與ESR法相匹敵的均勻組織。也就是說，本發明獲得的連續鑄造製品的組織與已往的連續鑄造一樣，本質上都是由激冷細晶、柱狀晶以及在其內側生成的等軸晶組成，但是，由於設定了合適的凝固殼厚比，使得在芯部附近區域中等軸晶間產生半宏觀偏析和宏觀、微觀的縮孔之前就能將液芯分離掉，然後凝固前面被壓接，這樣就不會產生芯部缺陷。另外，如果設定最適宜的澆注溫度，則可進一步增大本發明消除內部缺陷的效果。即，對應於鑄坯的尺寸，設定較高一些的澆注溫度，可以使得完全不形成等軸晶，而成為實質上只有激冷細晶和柱狀晶的緻密而且均勻的組織，與單一方向凝固鋼錠法得到的材料相同。
在一般的板坯連續鑄造中，如將澆注溫度提高，也能比較容易地在直到中心部的區域內形成柱狀晶，但在此情況下，由於從正、反兩面發生凝固相遇，分別在兩個固液界面處存在的濃化鋼水集合在一起，必然要產生中心偏析，因此這種僅僅由柱狀晶構成的組織不能成為均質的鋼材。
在本發明的實施中，根據鋼種的不同，如果遇到在固液界面處的濃化鋼水難以分離時，可以結合採用在特定點Q的附近進行輕微的電磁攪拌從而使濃化鋼水分散入鋼水內部的方法。
鑄坯斷面尺寸越大，柱狀晶的生長越顯著，這主要取決於澆注溫度，另外，其他重要因素也有，但不是決定性的。例如，在根據[第69、70次西山記念講座(日本鐵鋼協會編)(1980)P171盾]中示出的圖31和圖32進行整理和修改的本發明中的圖3示出了澆注溫度(過熱度)對柱狀晶生長的影響。從圖3可以看出，過熱度從20℃變化至50℃，柱狀晶長度從約0.080m增加至0.150m。但是如施加電磁攪拌作用則可使柱狀晶的長度變短。因此，根據本發明，在小斷面鑄坯的場合，為了得到至少為0.060m的柱狀晶長度，應以20℃作為過熱度的下限，同樣，在大斷面鑄坯的場合，為了得到至少為0.160m的柱狀晶長度，應以60℃作為過熱度的上限。但是過熱度越大，越容易因熱應力而產生內部裂紋和表面裂紋，因此最好在上述限定的允許範圍內將過熱溫度設定在較低區域。
以上示出了使柱狀晶組織均勻化的基本條件，但是作為其效果應用的一個例子，可將必要的熱鍛造比減小。其數值根據製造方法、製品、用途、鋼種而有所不同，但不能定量地表示，鑄坯的斷面應在允許的範圍內儘可能地小，這樣對成本有利。下面根據不同的目的製品，說明相應的標準鑄造條件。
(1)製造中板、薄板用鋼坯的場合按照鑄坯斷面形狀為長方形，過熱度為20～40℃，在Q點處的凝固殼厚為0.025～0.060m來設定各種鑄造條件。殼厚在0.025m以下時，彎曲徑過小，作業上有困難，如殼厚在0.060m以上，則需要過大的熱加工量。
(2)製造厚板、特厚板用鋼坯的場合按照鑄坯斷面形狀為長方形，過熱度為40～60℃，在Q點處的殼厚為0.060～0.120m來設定各種鑄造條件。殼厚在0.060m以下時，不能滿足特厚板的要求，而當殼厚在0.120m以上時，則成為過大的斷面。
(3)製造小直徑的棒、條、線材用鋼坯的場合最好按照鑄坯斷面形狀為圓形，過熱度為20～40℃，在Q點處的殼厚為0.030～0.080m來設定各種鑄造條件。殼厚在0.030m以下鑄造效率過小，而殼厚在0.080m以上時，生產成本提高。
(4)製造粗直徑的棒用鋼坯的場合最好按照鑄坯的斷面形狀為圓形，過熱度為40～60℃，Q點處的殼厚為0.080～0.150m來設定各種鑄造條件。如殼厚在0.080m以下，則有時不能滿足鍛練比的要求，故以它為下限。而如果殼厚在0.150m以上，則產生無益的加工量，故以它為上限。
另外，在第(3)、(4)點中，即使斷面形狀不是圓形而是方形，也可獲得同樣的效果，但圓形比較容易獲得優良的品質。之所以在結晶器部位採用旋轉磁場式電磁攪拌，是因為這樣可以獲得平滑的表面，能夠消除氣泡，以及獲得均勻凝固等離心鑄造的效果。
如上所述，根據本發明的第二個效果，可以獲得均勻的沒有芯部缺陷的凝固組織，依據情況，可以代替單一方向凝固鋼錠法和ESR法。而且，即使是在接近製品淨形狀時不能滿足熱軋鍛造比的情況下，在本發明中獲得的均質的凝固組織也能對此作出補償。
對於不鏽鋼等一部分製品來說，有時不希望柱狀晶生長，而希望得到等軸晶較多的組織。在這種情況下，可以採用低溫澆注(過熱度0～15℃)加上對結晶器內的鋼水進行電磁攪拌的措施，在將該措施應用到本發明中時，應適當地選用凝固殼厚比α的數值，以儘量減少在先有技術中不可避免的在芯部附近的半宏觀偏析和宏觀、微觀縮孔以及V偏析的發生。
另外關於質量問題，伴隨高速澆注會導致缺陷的增大，下面敘述本發明對此現象的效果。高速澆注引起的較大難點是容易產生鼓肚。這種鼓肚會誘發內部裂紋，也是造成拉漏的原因。特別是斷面大時，要防止這種鼓肚將非常困難。
本發明在原理上採取了顯著減小連鑄機長度和向上方拉坯這兩種措施，因此鑄機高度只有先有技術的幾分之一。作用於凝固殼上的鋼水靜壓隨之變小，於是不易產生鼓肚。
下面說明本發明的第三個效果，即很容易地實施接近製品淨形狀的工藝。
在本發明中，當鑄坯的斷面形狀和尺寸與常規的板坯連續鑄造相同的條件下。使連鑄機長度(即鑄坯軌跡的圓形半徑)儘可能減小，拉坯速度儘可能增大，可以使得在Q點處的殼厚相應地變薄。也就是說，僅僅改變了常規的板坯連續鑄造時的拉坯方向，就可以很容易地製造薄板坯。當然，對表面質量具有顯著效果的浸入式水口加粉渣保護澆注法和電磁攪拌等過去有的技術也可原樣地結合應用。這就是要把鑄坯斷面短邊尺寸限定在0.100～0.300m的理由。
在澆注高速化工藝中結晶器部位的問題很多今天已逐步獲得解決。留下的問題是在二次冷卻帶方面的種種問題，然而根據本發明，採用很小的連鑄機長度和很低的連鑄機高度，這樣就很容易解決鼓肚問題。
關於可以獲得的薄板坯的凝固殼厚、圓弧半徑、拉坯速度、實心鑄坯厚度等參數之間的定量關係式已經作了描述。以0.025m作為d的最小值的理由是，d越小當然越經濟，然而，如果取R的實用最小值為2m，V的最大值為5～6m/min，k的最小值為0.023m/min0.5，那末d就約等於0.025，故取它作為可能實現的下限。
關於A′的數值的確定，同樣地將壓接輥的實際壓下率p的最大值定為0.3，將t的下限定為0.035m。
按照以上方法獲得的薄板坯具有與先有技術板坯同等優良的表面質量，但是能夠以簡化的設備，簡化的工序，做到與先有技術的直送軋制工藝同樣原封不動連續地向中間軋制設備供應鋼坯，從而製得熱軋薄板。
在製造如圖4(a)所示那樣的薄壁矩形管狀的空芯鑄坯22，並將其壓接成實心鑄坯拉坯的場合，如果採用圖4(b)所示的孔型軋機32或圖4(c)所示的萬能軋機34從四面同時壓下，製成斷面形狀為Ⅰ型31或H型33的鑄坯，那末，與先有技術的異形鋼坯連續鑄造法相比，就顯得更加接近於製品的淨形狀。並且不會遇到象先有技術的異形鋼坯連續鑄造法那樣的表面裂紋、內部裂紋、偏析等為特異形狀鋼坯所固有的質量問題，可以很容易是獲得在鋼坯表面和內部皆優良的質量。
在要製造比上述鋼坯更為薄壁的鋼坯時，就要對本發明的實施想出新的方法。現在對此說明如下。
為了實現薄壁化，如式(8)所示，必須通過機長最小化和拉坯速度最大化來使凝固時間達到最短。為此，推薦利用氣體壓力將特定點Q設置在鑄坯拉坯圓弧軌跡最低點的方式。其大致情況如圖5所示。在此情況下，殼厚d可根據式(12)算出。
將凝固殼厚比限定為0.05～0.5的理由是，如果小於0.05，當然殼厚變薄，實際上在10mm以下。這一厚度通常在結晶器內是可以形成的，但是結晶器內凝固的進行容易隨位置和時間而不均勻，在進行壓接軋制時容易產生由於應變不均勻所引起的種種不合適情況。另外，如殼厚比在0.5以上，則殼厚過大，這與本來的目的相違背。
圖5的方法是在Q點的下流充滿氣體，從而製造空芯鑄坯，具體的方法可根據圖7(a)、(b)、(c)來說明。
圖7(a)示出澆注開始時的狀況，結晶器的下側開口部被一根引錠杆11閉塞著，在該引錠杆的前端處安裝有一個用於吹氣的鋼管或陶瓷管噴嘴27，通過該噴嘴27吹出惰性氣體並同時開始澆注，並且，此後一直引拉下去。此時產生起泡，但操作上沒有需要特別注意的問題。
如圖7(b)所示，當噴嘴越過鑄坯軌跡的最低點時，將吹出的氣體量提高到某種程度，就會在鑄坯的內側形成空芯，同時過剩的氣體從最低點Q吹入鋼水內並逆著鋼水流動，在鋼水內以氣泡的形式向上浮。同時，液芯的表面m維持在處於最低點的鑄坯上側凝固部分的前面。在液面m的下流側當然不再進行凝固作用。另外，通過對氣體壓力的控制，可以很容易地使Q點向上流側或向下流側移動。
如圖7(c)所示，噴嘴一旦到達壓接輥處就被壓壞，因此不再吹出氣體。這時鑄坯的前端部分就被完全封閉，而空芯部內的氣體就原封不動地保存下來。由於使用的是惰性氣體，被封入的氣體不與鋼水或凝固殼反應，因此氣體壓力得以維持，從而使得以後的液面一直保持在鑄坯軌跡的最低點附近，這時轉入了穩定的澆注狀態。
當圓弧半徑R變小，在拉空芯鑄坯時，作用於尚處在脆性溫度區域內的鑄坯內面的彎曲應變變大，故會產生內部裂紋。即使在這種情況下，也不會象採用液芯壓下法那樣使得濃化的鋼水侵入裂紋中，因此不會發生問題。這也是本發明的效果之一。
以下說明使拉坯速度最大化的具體方法。
在此情況下可以建議用同步式垂直旋轉結晶器來代替往復振動式彎曲結晶器。其理由是，為了實現薄壁化，需要將鑄坯拉坯軌跡半徑R(＝彎曲結晶器半徑)設計得很小，接近於同步式旋轉結晶器的實用尺寸，故很容易進行代替。在此情況下，同步式的最大效果是即澆注的高速化容易實現。為了具體地說明同步式旋轉結晶器的使用方法，可以參考圖6，其中，21是由水冷車輪構成的旋轉結晶器，23是長方形的溝槽，24是用來蓋住該溝槽的環形帶子，從該帶子的內側澆注鋼水。使該車輪的圓周速度與該帶子的移動速度相一致，從而將鑄坯6拉出。
在同步式結晶器中，目前在實際生產中拉坯速度已達到約10m/in，因此，在本發明中也從5m/min開始逐漸高速化，使凝固殼厚達到更薄。
以上說明了以空芯壓下為基礎的本發明的三個效果，即①提高鑄造效率;②消除芯部缺陷和均質化;③容易進行接近製品淨形狀的生產工藝，對於各種熱軋製品來說，這些特徵的最大應用是將連續鑄造與軋制進行合理的結合。
如上所述，根據本發明的三個效果，這個問題可以很容易而且合理地和經濟地得到解決。進而，不僅可將前後工序直接結合，在質量可以允許的前提下，通過儘可能地減小鑄造斷面，可以減小昂貴的軋機的臺數，從而可以獲得工序直接連接和接近製品淨形狀兩方面的效果。關於把連續鑄造與軋制相結合的方法，一旦將實心鑄坯切斷，就將其作為鋼坯供給間歇式的軋制生產線，或者也可以不切斷而將其供給連續式的軋制生產線。另外，在軋制時，可以將鋼坯預先通過均熱爐進行均熱，或者也可將其直接供給軋制生產線，這兩種方式可以自由地選擇。製品可以根據生產的情況適當地加以選擇。
採用連續式軋制實心鑄坯，可以很容易地製造已往難以製造的大單件重量的線材盤卷。按照已往的方法，對於大單件重量的鋼坯，需要大型加熱爐等設備，這就在經濟上成為相當大的負擔，故以單件3噸作為最大的實用界限。按本發明的方法，只要有足夠大型的線材盤卷裝卸設備，就可以很容易而且廉價地製得3～20噸的盤條。這對於線材二次加工的合理化是極為有效的手段。
在製造細徑線材和細徑圓鋼的場合，提高生產效率的難關是精軋速度。為此，作為提高生產能力的方法，最方便的是設置多條軋制線。最近採用的方法有，精軋前將坯料在軋制方向上切割成2條以上分別送往不同的精軋機或送到同一臺精軋機的所謂縱切軋製法。本發明從連續鑄造到製成成品，以單流、連續處理為原則，但是根據需要，也可以使用縱切軋製法。圖8是一個示意圖，圖中的17是分割輥，按照這種組合方式可使本發明的效果得到很好的發揮。
在用本發明的方法來製造各種熱軋鋼材時，其連續鑄造設備的基本規格參數匯集於表1中。根據表中的鑄造效率和實心鑄坯的尺寸，本領域的技術人員可以容易而合理地設計出後續的軋鋼設備。
按照本發明，在彎曲型連續鑄造中，將鑄坯以帶有未凝固部分的狀態向上拉坯並且採用高溫澆注，使得鑄坯變成一種在激冷細晶的內側完全成為柱狀晶的空芯鑄坯，在將其壓接成實心的鑄坯後再拉坯，或者隨後採用一貫連續的方式將其直接送往軋制工序，可以獲得如下的多種效果。
(1)如式(1)所示，可以大幅度地提高鑄造效率，獲得與常規的棒材、線材軋制相當的軋制效率，而且由於可以將連續鑄造與軋制直接連結，因此設備費和生產費用可以大幅度降低。
(2)由於不存在凝固終點，因此完全不產生偏析現象，而且鑄坯內部實際上與存在均質的柱狀晶，因此極有利於將其應用於高級鋼領域。
(3)作為前項的效果，可以減小為了改善鋼的延展性和韌性所必需的熱鍛造比，因此可以減小鑄造斷面積。反之，也能夠製造比以往更大斷面積的軋制產品。這樣就可以大幅度地削減設備費和降低成本。
(4)與前項相同，可以替代單一方向凝固鋼錠法和ESR法等特殊鑄造法，以連續連續鑄造的方式低成本和高產率地製造均質的鋼坯。
(5)當用於低級普通鋼時，由於不發生偏析，因此可以在允許的生產標準範圍內放寬對雜質的控制。這樣，廢鐵成本和精煉成本都可大幅度降低。
(6)對於圓鋼、線材等，①如果鑄坯斷面為圓形，而且②在結晶器部位採用旋轉磁場電磁攪拌而賦予離心鑄造的效果，那麼可以獲得均一凝固、表面平滑、消除針孔等效果，並且由於降低了連鑄機高度，抑制鼓肚，防止了內部裂紋，相應地獲得提高質量的效果，這樣即使省去在連續鑄造和軋制之間的中間工序，也不會產生問題。
(7)將本發明用於板坯時，與以往的板坯連續鑄造相比，在表面質量相同的條件下，內部質量可以大幅度地改善，並且容易製得薄板坯。而且，按照設定條件，有可能獲得極薄的板坯。
(8)作為(7)的效果，不僅可以簡化連續鑄造的設備，而且可使軋制設備更為簡化。這就成為一種新穎的鋼板用接近製品淨形狀的生產工藝。
(9)用於大型的型鋼時，可以容易地製得薄壁而高質量的異形坯。
(10)用於線材時，可以容易地製造超大重量的線材卷。
權利要求
1.一種連續鑄造方法，其特徵在於，按下述方式進行彎曲型連續鑄造，即，在鋼的連續鑄造過程中，使鑄坯內部的液芯停止在拉坯軌跡上的特定點Q，在Q點下流側的鑄坯內部形成空芯，用軋輥將該空芯部壓接，以實心鑄坯形式拉坯，拉坯軌跡至少是從結晶器出來之後就開始彎曲，拉坯軌跡中的彎曲部分的長度為圓周的1/2以上，將鑄坯拉到比澆注面高的位置，將比上述澆注面高出相當於大氣壓壓力的靜鋼水落差高度的位置作為特定點Q，在該Q點處的按照下述關係或求得的凝固殼厚比a、a′規定為0.25～0.85，當鑄坯的橫斷面形狀為圓形時，其凝固殼厚比a=2d/D，當鑄坯的橫斷面形狀為長方形時，其凝固殼厚比a′=2d/A，式中，d鑄坯的凝固殼厚(m)D結晶器的橫斷面形狀為圓形時的結晶器橫斷面直徑(m)，A結晶器的橫斷面形狀為長方形時的結晶器橫斷面短邊尺寸(m)。
2.權利要求1的連續鑄造法，其中，將澆注溫度設定為比該鋼種的液相線溫度。①高出20～60℃的溫度，使得在鑄坯外皮的激冷細晶的內側實質上為柱狀晶;或者②高出0～15℃的溫度，同時對結晶器內的鋼水施加電磁攪拌，使得在鑄坯外皮的激冷細晶的內側實質上為等軸晶。
3.權利要求1或2的連續鑄造法，其中，鑄坯的橫斷面形狀為圓形，按照能使特定點Q處的凝固殼厚比α為0.4～0.85，根據下列關係式(1)～(4)來設定設備規格和鑄造條件Pn=πρk2·Ln[(2/α)-1] (1)V=(4k2/α2)·(Ln/D2) (2)R=(Ln-1.4)/π(3)α=2d/D(4)式中，Pn鑄造效率(Kg/min)p鋼材密度(7600kg/m3)Ln連鑄機長度(澆注面與特定點Q之間的長度m)D結晶器橫斷面的直徑(m)d鑄坯凝固殼厚(m)k凝固常數0.023～0.031(m/min0.5)R拉坯軌跡中彎曲部分的半徑(m)V拉坯速度(m/min)。
4.權利要求1或2的連續鑄造法，其中，鑄坯橫斷面形狀為長方形，根據下列關係式(5)～(11)來設定設備的規格和鑄造條件Pn=4k2ρ·(πR+1.4)·[(1/α)+(β/α)-1](5)V=(πR+1.4)·(2k/αA)2(6)0.25≤α'≤0.85(7)d=k((πR+1.4)/V)0.5(8)A'=2(1-p)·d(9)α'=2d/A(10)β=B/A(11)式中，A結晶器橫斷面的短邊尺寸(m)，B結晶器橫斷面的長邊尺寸(m)，α′鑄坯橫斷面形狀為長方形時的凝固殼厚比，β矩形比，A′實心鑄坯橫斷面的短邊厚度(m)P壓接輥的實際壓下率p＝(2d-A′)/2d＝0.05～0.40
5.權利要求4的連續鑄造法，其中，結晶器橫斷面的短邊尺寸A為0.100～0.300m，壓接之前該鑄坯的凝固殼厚d為0.025～0.120m，隨後在鑄坯橫斷面的整個長邊上沿短邊的方向進行壓接，使得該實心鑄坯橫斷面的短邊厚度A′成為0.035～0.200m。
6.權利要求4的連續鑄造法，其中在壓接時採用孔型軋制方式或採用萬能軋機從四面同時壓下的方式進行壓接，以使實心鑄坯的橫斷面形狀成為異形。
7.一種連續鑄方法，其特徵在於，按下述方式進行彎曲型連續鑄造，即，在鋼的連續鑄造過程中，使鑄坯內部的液芯停止在拉坯軌跡上的特定點Q，在Q點下流側的鑄坯內部形成空芯，用軋輥將該空芯部壓接，以實心鑄坯形成拉坯，鑄坯的拉坯軌跡至少是從結晶器出來之後就開始彎曲，拉坯軌跡中的彎曲部分的長度為圓周的1/4以上，以該圓弧的最低點作為特定點Q，將鑄坯拉向比Q點更高的位置，同時使鑄坯內部的液芯最前端位置停止在Q點附近，在Q點的下流側的鑄坯內部加壓充入惰性氣體，形成空芯部，並將Q點處的凝固殼厚比α、α′設定為0.05～0.5。
8.權利要求7的連續鑄造法，其中，鑄坯斷面形狀為長方形，設定結晶器的橫斷面短邊尺寸A為0.100～0.14m，在Q點處的鑄坯凝固殼厚d為0.010～0.020m，實心鑄坯橫斷面的短邊厚度A′為0.012～0.030m，並根據關係式(12)來設定該殼厚d，以及設定壓接輥的實際壓下率P為0.05-0.4，d=K·(πR'/2V)0.5(12)R′在鑄坯拉坯軌跡中的彎曲部半徑(m)。
9.權利要求8的連續鑄造法，其中，以沿著一個在垂直面內旋轉的水冷車輪的外周邊構成的長方形溝槽作為結晶器的3個面，以環形帶將該溝槽的凝固進行區間封閉並構成剩下的一個面，從而形成結晶器，與拉坯同步地驅動結晶器轉動。
10.權利要求1或7的連續鑄造、軋制方法，其中，將赤熱狀態的實心連鑄坯，1)切斷成為鋼坯，或者2)原封不動地作為連鑄坯，a)經由均熱爐均熱後，或者，b)不經過均熱爐直接地以單流方式供給軋制生產線，軋成鋼板、型鋼、扁鋼、圓鋼、線材等。
11.權利要求10的連續鑄造、軋制方法，其中，在製造線材時，將該線材卷的單重做成3～20噸。
12.權利要求10的連續鑄造、軋制方法，在粗軋工序和精軋工序之間，將軋材沿軋制方向切割成2條以上，然後將它們分別地送往不同的精軋線或送往同一條精軋線，進行製品軋制。
全文摘要
在鋼坯的連續鑄造中，使鑄坯內部的液芯停止在鑄坯拉坯軌跡的特定點Q處，在該Q點的下流側形成空芯，在鑄坯拉坯行程的後半部用軋輥將該空芯部壓接軋制，製成實心鑄坯。通過採用適當的澆鑄溫度得到的實心鑄坯由外皮激冷細晶和內部的柱狀晶構成。另外還公開了將連鑄與後續熱軋工序結合起來的鋼材連鑄連軋方法。據此可以獲得鑄造效率的飛躍提高、質量的改善和鑄造壁厚自由的鑄坯設備，並且能夠將連鑄與軋制直接連結，使各種鋼材接近於製品的淨形狀。
文檔編號B21B1/08GK1107763SQ9411881
公開日1995年9月6日 申請日期1994年11月24日 優先權日1993年11月25日
發明者山田勝彥 申請人:山田勝彥