钢材的连续铸造法及连续铸造、轧制法的制作方法

专利名称：钢材的连续铸造法及连续铸造、轧制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及钢材的连续铸造方法以及将连续铸造和热轧结合起来进行的方法，特别是涉及一种能够显著提高铸造效率并同时提高铸坯质量的连续铸造法，此外还涉及一种将连续铸造法与热轧组合起来，由连续铸造开始、不间断地生产热轧钢材的连续铸造、轧制法。
为了从根本上降低热轧钢材的生产成本，一方面有人提议采用将连续铸造工序和热轧工序直接连结起来的方法，另一方面，有人正在研究使得较之原始的钢锭法接近于制品净形状的连续铸造法更进一步接近于制品净形状的方法。
上述两种方法相互之间没有矛盾，它们具有共同的目的和共同的技术课题，二者的融合将成为最理想的生产系统。在低级钢板方面已经部分地达到了实际的生产水平，但在中级以上的钢材和除钢板以外的其它钢材(如型钢、扁钢、棒钢、线材等)则难以实现。
下面叙述关于直接连接化和接近制品净形状化的两个具有代表性的重要技术课题。当然，这些仅仅在操作上的问题不能称之为课题，但它们至少也是先决问题。
1.上、下工序必须具有基本上相同的生产效率。
历来的连续铸造法，特别是在结晶器的正下方拉制铸坯的连续铸造法以及将铸坯一边弯曲一边拉制的弯曲式连续铸造法，当采用单流浇注来铸造板坯、大方坯、方坯时，其铸造效率只约相当于后续的轧制效率的几分之一，因此，将上流的连续铸造工序和下流的轧制工序机械地连接起来，其效率是非常低的。如果将多流浇注的连续铸造得来的热钢坯直接送去轧制，这样其效率虽然达到了平衡，但是其连接效果就大为降低。
为了提高连续铸造的效率，有人试图采用增大铸坯的断面或增加设备长度的方法，然而在前者的场合下，初轧开坯工序不可缺少，这样当然不可能将两道工序直接连接，并且与接近制品净形状的潮流背道而驰。在后者的场合下，浇注板坯和大方坯的效率能有相当大的提高，但是轧制效率还要比连续铸造的效率高2～3倍，因此将这两道工序直接连接是不合理的。
因此，不们迫切希望能有一种能够大幅度地提高连续铸造的效率，并且即使采用中小规模的轧制设备也不会在成本方面不利，也就是能够提高轧制设备的成本效率的方法。最近，对于钢板来说，在薄板坯和带坯的连续铸造中这个问题正在获得解决，然而由于如下所述的在品质方面的问题，其应用只限于低级钢板方面。
2.必须具有与先有技术大致相同水平的质量。
在现有的生产系统中，连续铸造和轧制这两道工序都是独立地操作的，它们各自采用独立的质量管理方法，因此能够确保达到符合目的制品的质量。并且，由于采用了初轧开坯、钢坯精整、再加热等中间工序，故表面质量和内部质量都得到了改善。因此，如果将小断面的连续铸造和轧制两道工序直接连结起来而省掉上述的中间工序，当然会导致品质低下。把在AL和Cu方面应用的铸造。轧制连贯的方式应用于炼钢方面的事例也有，例如“WireJournalInternationalJune，1989，P.96”，但由该方式获得的制品，例如在表面疵点、内部裂纹和中心偏析等方面不能完全达到当前棒钢、线材的质量水准，因此在实际上不能普及。
至于钢板方面，直接连结加接近制品净形状已取得相当大的进展，但是如下所述质量问题还很大。
薄板坯的连续铸造……CSP方法如文献(1)“SEAISI，Jan.1990，P.38”所述，该方法是连续铸造约50mm厚的薄板坯并直接将其连续地轧制成3mm厚的钢板。按照该方法，其结晶器断面在短边宽度方向的空间很窄，只有约50mm。因此在操作上、质量上带来很多困难。例如，在结晶器中，为了保证质量，可采用浸入式水口加粉渣保护的浇注法，在该方法中，为了安装所说的浸入式水口，需要一个具有特殊形状的结晶器，它所具有的称为漏斗形的浸渍部必须足够宽。在此情况下，薄的凝固壳受到过大的力的作用，产生纵向裂纹和横向裂纹，另外还有铸坯过薄，难以顺利地进行粉渣保护浇注之类的问题。
另外，如上述文献(1)中所记载的那样，凝固时的薄壁铸坯，从铸坯的表面到中心存在很大的温度梯度，这对细化晶粒和减轻偏析有利，但是存在容易引起表面裂纹和内部裂纹这类薄壁铸坯固有的缺点。并且，在铸造过程中不可避免地形成凝固终点，故必然存在中心偏析。因此其制品只限于较低级的制品。
薄板坯的连续铸造……ISP方法如文献(2)“SEAISI，Jan.1990，P.23”所述，该方法是在50～100mm厚的薄板坯连续铸造中附设一个辊压下装置，将未凝固的或凝固终了的铸坯压成更薄的铸坯。与文献(1)相同，适用浸入式水口加粉渣保护浇注法。在该方法中，由于使用长方形断面的结晶器和扁平的水口，因而解决了上述结晶器的问题，但是上述为薄壁板坯所共有的弱点均仍存在。而且，未凝固的铸坯在压下时，除了裂纹的问题外，伴随裂纹的产生还增加了异常偏析的危险性，这给质量管理造成困难。再有，为了进行凝固后的压下，仅仅在靠近上流处配置轧钢机还谈不上对薄壁化产生实质的效果。
带钢的连续铸造法由钢水直接浇铸成数mm厚的钢板或钢板坯料的铸造方法，是使钢水浇落到旋转着的单辊的表面而急冷，在该辊的表面瞬时地凝固，或者将钢水注入相向组合的2个辊之间，使其瞬时凝固，同时该凝固的两面在双辊之间被压接而凝固在一起，形成数mm厚×(1000～2000)mm宽的铸坯，这样可使生产线非常紧凑，而且达到轻量化，可以省去加热炉和昂贵的轧钢设备等，故对设备费的削减具有极大效果。而且操作费用也可以大大降低。然而在该方法中，由于铸造钢板是瞬时凝固而形成的，因此容易产生起泡、粘结熔渣、热应力裂纹、冷隔等表面缺陷，并且由于热量向冷却壁面的传热速率的微妙变化而直接地对凝固壳厚度和内部应力产生作用，诱发了内部缺陷，由于许多这类极难解决的质量问题，而又不能采取锻造比等措施，这样就无论如何也不能适用于高质量的钢板，只能作为低级品用或不锈钢板用的方法进行开发，其结果只不过达到部分的实用化。
中空铸坯压接法在特开昭57-97843中提出了一种无中心偏析的连续铸造法和将其与热轧直接结合的方法。在该方法中，将弯曲的铸坯的轨迹引导至比浇铸面更高的位置，而且由于铸坯内部的未凝固部分留了下来，于是形成了真空的空洞，这种中空的铸坯经过压延，就制成了实心的铸坯。其结果，据报导可以克服中心偏析的问题并能控制铸坯的厚度以及可以制造薄壁板坯等，然而在质量方面没有解决在芯部周围广泛地分布的半宏观偏析、多孔质和V偏析等缺陷。在生产方面究竟是由于实际断面的减小而使铸造效率降低，或者是相反地根据什么理由，采取什么手段来使铸造效率提高，完全没有提到。这种将两面连铸与轧制相结合以及关于接近制品净形状的妥当性完全不清楚。
如上所述，在薄板坯连续铸造法中具有代表性的连续铸造与轧制的直接结合以及接近制品净形状工艺存在很多问题。但是，如果能提供一种能够解决上述那些问题，不仅适用于薄板，同时也适用于厚板，而且对从大直径至小直径的圆钢、扁钢、型钢、线材等皆适用的方法，那末其效益将是非常大的。因此，在连续铸造中，在不增大铸坯的断面和设备长度的情况下使铸造效率飞跃地提高，消除铸坯中心、内部或其表面上的铸造缺陷，使铸坯的断面尽可能地小，也就是达到更加接近制品净形状，从而简化轧制设备，改善设备成本对性能的比值等皆成为具体的研究课题。
本发明是针对上述这些情况而研制的，其主要目的是提供一种通过改进通常的弯曲式连续铸法而达到下列效果的连续铸造方法①大大提高铸造效率;
②获得良好的表面质量和均质的内部组织，而且能消除芯部的缺陷;
③容易获得具有任选的壁厚和形状的铸坯。以上的说明及以下说明都是以对弯曲式连续铸造方法进行改进作为中心而展开的，不过利用本发明的原理，也可以对水平式连续铸造法进行改进。
本发明的另一个目的是，提供一种将上述那样经过改进的连续铸造法与后续的热轧法高效率地连接起来，从铸造开始不间断地生产钢板、圆钢、扁钢、型钢、线材等热轧制品的生产方法。
下面解释用于解决上述课题的本发明的内容。
(1)首先为了从连续铸造法的改进进行解释，作如下说明本发明的连续铸造方法的基本构成要点是使铸坯内部的液芯止于铸坯拉坯轨迹上的特定点Q，在该Q点下流一侧的铸坯内部形成空芯，用轧辊将该空芯部压接，形成实心铸坯后拉坯。
特别是本发明的代表性的实施方案的要点是铸坯的拉坯轨迹至少是从结晶器出来之后即进行弯曲地拉坯的钢材弯曲型连续铸造，在铸坯的拉坯轨迹中的弯曲部分的长度占整个圆周的1/2以上，一直将铸坯拉到比浇注面更高的位置，把比上述浇注面高出相当于大气压压力的静钢水落差高度的位置作为特定点Q，把在Q点处的凝固壳厚比α，α′规定在0.25-0.85的范围内。
当铸坯的横断面形状为圆形时，其凝固壳厚比α＝2d/D;
当铸坯的横断面形状为长方形时，其凝固壳厚比α′＝2d/A;
式中，d铸坯凝固壳厚(m);
D结晶器横断面形状为圆形时的结晶器横断面的直径(m);
A结晶器横断面形状为长方形时的结晶器横断面的短边尺寸(m)。
浇注温度可根据该钢种的液相线温度来确定①当比液相线温度高20～60℃时，可获得一种其铸坯外皮为数mm厚的激冷细晶、其内侧基本上为柱状晶的实心铸坯，或者②当比液相线温度高0～15℃，并且对结晶器内的钢水加以电磁搅拌时，可获得一种其铸坯外皮为数mm厚的激冷细晶、其内侧基本上为等轴晶的实心铸坯。
至于铸坯的横断面形状，有圆形和长方形两种情况，首先描述圆形的较佳的情况，按照在特定点Q处的凝固壳厚比α为0.4-0.85，并根据下列公式(1)-(4)来设定设备模式和铸造条件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铸造效率(Kg/min)p钢材密度(7600kg/m3)Ln设备长度(浇注面与特定点Q之间的长度m)D铸坯横断面的直径(m)d铸坯凝固壳厚(m)K凝固定数0.023～0.031(m/min0.5)R在铸坯拉坯轨迹中弯曲部的半径(m)V铸坯拉坯速度(m/min)下面描述铸坯横断面为长方形的情况，最好根据下列公式(5)～(11)来设定设备参数和铸造条件
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结晶器横断面的短边尺寸(m)B结晶器横断面的长边尺寸(m)α′凝固壳厚比(铸坯横断面为长方形时的凝固壳厚比)β矩形比A′实心铸坯横断面的短边厚度(m)P压接辊的实际压下率p＝(2d-A′)/2d＝0.05～0.40另外，当使用横断面形状为长方形的铸坯(包括薄板坯至厚板坯)来制造高级钢板时，对其有利条件作如下说明，将结晶器横断面的短边尺寸A限定为0.100～0.300m，压接之前该铸坯的凝固壳厚d限定为0.025～0.120m，另外，在将铸坯的全部长边朝其短边方向压接时，把由此形成的实心铸坯的短边厚度A′限定为0.035～0.200m。对于在制造常用的一般钢板时的有利条件可作如下描述，将结晶器横断面的短边尺寸A限定为0.100～0.140m，将Q点处的铸坯凝固壳厚d限定为0.010～0.020m，将实心铸坯的短边厚度A′限定为0.012～0.030m，而该壳厚d则根据公式(12)来设定，并且利用压接辊的实际压下率p限定为0.05～0.4。
d=k·(πR'/2V)0.5(12)R′在铸坯引拉轨迹中的弯曲部分的半径(m)作为使制造工字梁用的异形坯接近于制品净形状的方法，为了通过压接而使铸坯内部的空芯粘结在一起，作为压接方式，推荐使用孔型轧制方式或者使用万能轧机从四面同时压下的方式来进行压接轧制，而实心铸坯的形状可以是工字型、H型等异形。
为了使凝固壳厚变得更小和使设备长度变得更短，作为其手段，可以将铸坯拉坯轨迹中的弯曲部分的长度规定为圆周的1/2以上，从而将铸坯引拉到比浇注面更高的位置，但并不局限于这种方法，也可以采用如下的方法，即在铸坯引拉轨迹中的弯曲部分的长度超过圆周的1/4，以该圆弧的最低点作为特定点Q，把铸坯拉向比Q点更高的位置，同时为了把铸坯内部液芯的最前端位置截止于Q点附近，在Q点的下流侧的铸坯内部加压充满惰性气体，形成空芯部分。由于形成空芯部分，可望能将凝固壳厚比控制在0.05～0.5的范围内。
在本发明的连续铸造法中所用的结晶器设有特别限定，但是为了提高生产率以及能形成更薄壁的凝固壳厚，最好是按如下方式构成，以沿着一个在垂直面内旋转的水冷车轮的外周边构成的长方形沟槽作为结晶器的3个面，以环形带将该沟槽的凝固进行区间封闭，构成剩下的一个面，从而形成结晶器，与拉坯同步地驱动结晶器转动。
(2)下面解释本发明关于把上述连续铸造法与轧制法直接结合的方法。
首先从最基本上说明该方法，即把上述连续铸造法制得的赤热状态的实心铸坯，1)切断，成为钢坯，或者，2)将其原封不动地作为连铸坯，a)经由均热炉均热后，或者，b)不经过均热炉，直接以单流形式供给轧钢生产线，将其轧制成钢板、型钢、扁钢、圆钢、线材等。
另外，也可以在粗轧与精轧之间，把轧材沿轧制方向切割成两条以上，把它们分别地供给不同的精轧线，或把它们供给同一条精轧线，轧制成制品。
其中，特别是在制造线材的场合下，线材卷的单重可达到3～20吨。
下面参照实施例和附图详细说明本发明的构成、作用及其效果。


图1是示意说明本发明使用的连续铸造、连续轧制设备的一个例子的侧视图。
图2是表示作为本发明核心的空芯铸坯压下的模式图。
图3表示浇注温度对柱状晶长度的影响的例子。
图4示出通过将空芯铸坯压下来制造异形坯的例子。
图5示出制造充满气体的空芯铸坯的例子。
图6示出将本发明用于离心铸造法的例子。
图7示出用于形成充满气体的空芯部分的方法。
图8示出在本发明中使用的将连续铸造与轧制直接连结的例子。
本发明以常规的弯曲式连续铸造设备作为原型，使用如图1所示整体结构的设备。图2是图1的关键部位的放大说明图。来自盛钢桶1、经由中间包2而供入结晶器3的钢水Me在结晶器3中被冷却，形成凝固壳成为铸坯6，然后被夹送辊10和导辊9拉坯。这时铸坯6的拉坯轨迹的前半部分构成半径为R的圆弧，并且设定在铸坯的拉坯轨迹中该圆弧部分的长度为圆周的1/2以上，把铸坯6拉到比钢水Me的浇注面L(即在结晶器内钢水的液面)更高的位置，如图2的放大说明图所示，把铸坯6向上拉到超过比L约高1.4m(相当于大气压压力的静钢水落差)的位置(本发明中的特定点)Q点。这样一来，在铸坯6内的位置Q以前皆有液芯Lq存在，而在Q点的下流侧则形成了内藏真空的空芯Cv的空芯部分S。在Q点处的凝固壳厚比以0.25～0.85为所希望的数值范围。
接着，由压接辊8从外面压下，将空芯部S压接，形成实心铸坯12，然后连续地经过导辊9、剪切机等送往串联式粗轧系列装置15，经过精轧系列装置18后由卷取机19将其作为热轧产品卷取到集束机20上，形成了盘卷。这时，可以不把铸坯6切断而连续地轧制，直到相当于该制品的单重(单品重量)时在集束前将其切断，这是最理想的。根据情况，有时由凝固壳内向空腔Cv中充入氢气等气体，这时空芯Cv内的气体分压可能上升，从而使Q点下降。即使在此情况下，根据Sievert法则，在分压与固溶的氢达到平衡以后，充入气体停止，在Q点少许下降的状态下进入稳定浇注状态。
上面通过具体的实施方案说明了本发明方法的构思，其要点是，在钢的连续铸造中，在铸坯引拉轨迹的特定点Q处使铸坯内部的液芯向Q点的上流侧排出，在Q点的下流侧形成了空芯部，将该空芯部进行压接轧制，从而以实心铸坯的形式拉坯。本发明的实施方案还可以考虑下述的种种方法。例如，在水平式连续铸造法中，将铸坯稍稍向上倾斜地拉坯，使铸坯内液芯的前端截止于比与上述相同的结晶器内钢水表面高出约1.4m的位置(Q点)，从而使Q点的下流侧形成空芯部，可以同样地使用压接辊进行压接。
在这样的连续铸造法中，除了如下3个实质性的效果外，还有种种效果和作用。
1)提高铸造效率;2)消除芯部缺陷;3)制造薄壁铸坯。
关于铸造效率的讨论理论铸造效率Po可以根据相应于Ds(m)的正方形断面场合的公式(13)求出。
Po=ρ×D2s×V (13)[p钢的密度(kg/m3);V拉坯速度(m/min)]凝固的进行情况可用公知的凝固近似公式(14)来表示d=k×t0.5(14)[d凝固壳厚(m);k凝固常数(m/min0.5);t时间(min)]连铸机长度L(即凝固区间的长度)可用公式(15)来表示。
L=V×to(15)[to凝固终了时间(min)]当t＝to时，d＝Ds/2，根据式(14)和(15)，可得D2sV=4k2L (16)将其代入式(13)，可得Po=4ρk2L (17)于是，当铸坯断面为长方形时的理论铸造效率Po′和为圆形时的理论铸造效率Po″分别如式(18)和(19)。
Po'=4ρk2βL (18)Po"=πρk2L (19)[β矩形比＝长边尺寸/短边尺寸]
也就是说，铸造效率与铸坯尺寸无关，它仅仅与依赖于冷却强度的k以及连铸机长度成比例。在实际操作中，由于受到质量上和作业上的制约，铸造效率充其量只能达到理论值的60～80%，以此实际效率为基础确定必要的铸流数目。
为了提高效率，可以进一步地增大L值，但由于拉坯速度V的增大，使得在质量、作业、设备费等问题进一步地增加。
与此相对，在本发明中，铸造效率Pn可用凝固壳厚比α(＝2d/D)α′＝2d/A作为参数，根据式(20)和(21)求得。
长方形断面 Pn=4ρk2Ln(1/α'+β/α'-1) (20)圆形断面 Pn=πρ k2Ln(2/α-1) (21)在本发明中，连铸机的长度Ln等于从浇注面至Q点的距离。将现有技术的方法与本发明在相同铸机长度(即Ln＝L)的条件下进行比较，可将式(17)和式(20)归纳成式(22)。
Pn=Po[2/α')-1](22)因此，在本发明中，当α＝0.5时，铸造效率Pn就等于先有技术的3倍。这一点从式(14)也可看出，因为在凝固初期，凝固效率非常高，反之，在铸机长度的后半段凝固效率极低。另外，当断面为矩形时，也能获得与已往方式同样的提高效率的效果。这样，采用本发明的空芯压接方式就能够大大地提高铸造效率。
下面，对前面提及的铸机和铸造条件的各个基本特性以及两者的关系加以说明。
圆形断面的情况如上所述，铸造效率是Pn=πρk2Ln[(2/α)-1] (1)
拉坯速度可以通过式(23)和(24)作为式(2)来决定。
V=Ln/tn(23)dn=k·tn0.5=αD/2 (24)V=(4k2/α2)·(Ln/D2) (2)[tn到达特定点Q的时间(min);dnQ点处的壳厚(m);V、Ln、k、D同上]铸坯轨迹的弯曲半径R当然根据式(3)决定。
R=(Ln-1.4)/π(3)在实施本发明时，很重要的一点是要设定能够满足公式(1)、(2)、(3)关系的连续铸造条件。
在实施本发明时，对于圆形断面来说，如果凝固壳厚比α(＝2d/D)过小，则压下后的钢坯对于扁平，不适合棒材与线材，而且，拉坯速度也变得过大，故α最好在0.4以上。相反，如果α过大，接近先有技术，则本发明的效率方面和铸造制品的质量方面就难以发挥其效果，所以α最好是在0.85以下。如果在该范围内和使铸造效率Pn＝25～70T/H的条件下来设定各种参数，则可使铸造与棒材、线材的轧制直接连结能够顺利而且经济地进行。
铸坯断面为长方形时也可同样地计算，这时的铸造效率Pn、拉坯速度V、凝固壳厚比α′、矩形比β、壳厚d和实心铸坯厚度A′分别符合于关系式(5)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)。
为了适应与圆形断面不同的各种厚度的钢材，希望凝固壳厚比α′的范围在0.25～0.85。实际压下率p按照通常的压接轧制法采用0.05～0.40的范围。
综上所述，本发明的第一个效果是能大幅度地提高铸造效率。
但是，铸造效率的提高必然会带来拉坯速度的增大，而引拉速度增大就会成为引起芯部缺陷和内部裂纹等质量低劣，甚至断裂等生产事故的原因。这个问题可由下述的第二个效果加以解决。
下面说明本发明的第二个效果，即消除内部缺陷和提高质量。
在钢的铸造过程中，其凝固组织是从表面向中心的表皮部分(通常为数mm左右)受到急冷而形成致密而均匀的激冷细晶，其内侧为几mm～几十mm厚的本身均匀的柱状晶，再往里则是等轴晶。在芯部附近的等轴晶之间产生半宏观的偏析和宏观、微观缩孔等铸造缺陷，另外在中心部产生中心缩孔，除此之外，由于溶质在固相和液相中的分配比率的关系，必然要发生中心偏析。
对于这些内部缺陷，已往的连续铸造法所采取的措施是低温浇注和电磁搅拌，这样，由于等轴晶化和晶粒微细化而使缺陷分散，或者是通过液芯压下而防止偏析，但所有这些措施效果都不够理想，特别是芯部周围的半宏观偏析和多孔质等没有获得改善。
以往，在希望获得特别均匀的凝固组织的场合，一般不采用连续铸造法而是采用单一方向凝固钢锭法(日本金属学会会报24，4(1985)P.304)和ESR法(ElectroslagRemelting)等。
根据本发明，采用连续铸造法也可以获得能与ESR法相匹敌的均匀组织。也就是说，本发明获得的连续铸造制品的组织与已往的连续铸造一样，本质上都是由激冷细晶、柱状晶以及在其内侧生成的等轴晶组成，但是，由于设定了合适的凝固壳厚比，使得在芯部附近区域中等轴晶间产生半宏观偏析和宏观、微观的缩孔之前就能将液芯分离掉，然后凝固前面被压接，这样就不会产生芯部缺陷。另外，如果设定最适宜的浇注温度，则可进一步增大本发明消除内部缺陷的效果。即，对应于铸坯的尺寸，设定较高一些的浇注温度，可以使得完全不形成等轴晶，而成为实质上只有激冷细晶和柱状晶的致密而且均匀的组织，与单一方向凝固钢锭法得到的材料相同。
在一般的板坯连续铸造中，如将浇注温度提高，也能比较容易地在直到中心部的区域内形成柱状晶，但在此情况下，由于从正、反两面发生凝固相遇，分别在两个固液界面处存在的浓化钢水集合在一起，必然要产生中心偏析，因此这种仅仅由柱状晶构成的组织不能成为均质的钢材。
在本发明的实施中，根据钢种的不同，如果遇到在固液界面处的浓化钢水难以分离时，可以结合采用在特定点Q的附近进行轻微的电磁搅拌从而使浓化钢水分散入钢水内部的方法。
铸坯断面尺寸越大，柱状晶的生长越显著，这主要取决于浇注温度，另外，其他重要因素也有，但不是决定性的。例如，在根据[第69、70次西山记念讲座(日本铁钢协会编)(1980)P171盾]中示出的图31和图32进行整理和修改的本发明中的图3示出了浇注温度(过热度)对柱状晶生长的影响。从图3可以看出，过热度从20℃变化至50℃，柱状晶长度从约0.080m增加至0.150m。但是如施加电磁搅拌作用则可使柱状晶的长度变短。因此，根据本发明，在小断面铸坯的场合，为了得到至少为0.060m的柱状晶长度，应以20℃作为过热度的下限，同样，在大断面铸坯的场合，为了得到至少为0.160m的柱状晶长度，应以60℃作为过热度的上限。但是过热度越大，越容易因热应力而产生内部裂纹和表面裂纹，因此最好在上述限定的允许范围内将过热温度设定在较低区域。
以上示出了使柱状晶组织均匀化的基本条件，但是作为其效果应用的一个例子，可将必要的热锻造比减小。其数值根据制造方法、制品、用途、钢种而有所不同，但不能定量地表示，铸坯的断面应在允许的范围内尽可能地小，这样对成本有利。下面根据不同的目的制品，说明相应的标准铸造条件。
(1)制造中板、薄板用钢坯的场合按照铸坯断面形状为长方形，过热度为20～40℃，在Q点处的凝固壳厚为0.025～0.060m来设定各种铸造条件。壳厚在0.025m以下时，弯曲径过小，作业上有困难，如壳厚在0.060m以上，则需要过大的热加工量。
(2)制造厚板、特厚板用钢坯的场合按照铸坯断面形状为长方形，过热度为40～60℃，在Q点处的壳厚为0.060～0.120m来设定各种铸造条件。壳厚在0.060m以下时，不能满足特厚板的要求，而当壳厚在0.120m以上时，则成为过大的断面。
(3)制造小直径的棒、条、线材用钢坯的场合最好按照铸坯断面形状为圆形，过热度为20～40℃，在Q点处的壳厚为0.030～0.080m来设定各种铸造条件。壳厚在0.030m以下铸造效率过小，而壳厚在0.080m以上时，生产成本提高。
(4)制造粗直径的棒用钢坯的场合最好按照铸坯的断面形状为圆形，过热度为40～60℃，Q点处的壳厚为0.080～0.150m来设定各种铸造条件。如壳厚在0.080m以下，则有时不能满足锻练比的要求，故以它为下限。而如果壳厚在0.150m以上，则产生无益的加工量，故以它为上限。
另外，在第(3)、(4)点中，即使断面形状不是圆形而是方形，也可获得同样的效果，但圆形比较容易获得优良的品质。之所以在结晶器部位采用旋转磁场式电磁搅拌，是因为这样可以获得平滑的表面，能够消除气泡，以及获得均匀凝固等离心铸造的效果。
如上所述，根据本发明的第二个效果，可以获得均匀的没有芯部缺陷的凝固组织，依据情况，可以代替单一方向凝固钢锭法和ESR法。而且，即使是在接近制品净形状时不能满足热轧锻造比的情况下，在本发明中获得的均质的凝固组织也能对此作出补偿。
对于不锈钢等一部分制品来说，有时不希望柱状晶生长，而希望得到等轴晶较多的组织。在这种情况下，可以采用低温浇注(过热度0～15℃)加上对结晶器内的钢水进行电磁搅拌的措施，在将该措施应用到本发明中时，应适当地选用凝固壳厚比α的数值，以尽量减少在先有技术中不可避免的在芯部附近的半宏观偏析和宏观、微观缩孔以及V偏析的发生。
另外关于质量问题，伴随高速浇注会导致缺陷的增大，下面叙述本发明对此现象的效果。高速浇注引起的较大难点是容易产生鼓肚。这种鼓肚会诱发内部裂纹，也是造成拉漏的原因。特别是断面大时，要防止这种鼓肚将非常困难。
本发明在原理上采取了显著减小连铸机长度和向上方拉坯这两种措施，因此铸机高度只有先有技术的几分之一。作用于凝固壳上的钢水静压随之变小，于是不易产生鼓肚。
下面说明本发明的第三个效果，即很容易地实施接近制品净形状的工艺。
在本发明中，当铸坯的断面形状和尺寸与常规的板坯连续铸造相同的条件下。使连铸机长度(即铸坯轨迹的圆形半径)尽可能减小，拉坯速度尽可能增大，可以使得在Q点处的壳厚相应地变薄。也就是说，仅仅改变了常规的板坯连续铸造时的拉坯方向，就可以很容易地制造薄板坯。当然，对表面质量具有显著效果的浸入式水口加粉渣保护浇注法和电磁搅拌等过去有的技术也可原样地结合应用。这就是要把铸坯断面短边尺寸限定在0.100～0.300m的理由。
在浇注高速化工艺中结晶器部位的问题很多今天已逐步获得解决。留下的问题是在二次冷却带方面的种种问题，然而根据本发明，采用很小的连铸机长度和很低的连铸机高度，这样就很容易解决鼓肚问题。
关于可以获得的薄板坯的凝固壳厚、圆弧半径、拉坯速度、实心铸坯厚度等参数之间的定量关系式已经作了描述。以0.025m作为d的最小值的理由是，d越小当然越经济，然而，如果取R的实用最小值为2m，V的最大值为5～6m/min，k的最小值为0.023m/min0.5，那末d就约等于0.025，故取它作为可能实现的下限。
关于A′的数值的确定，同样地将压接辊的实际压下率p的最大值定为0.3，将t的下限定为0.035m。
按照以上方法获得的薄板坯具有与先有技术板坯同等优良的表面质量，但是能够以简化的设备，简化的工序，做到与先有技术的直送轧制工艺同样原封不动连续地向中间轧制设备供应钢坯，从而制得热轧薄板。
在制造如图4(a)所示那样的薄壁矩形管状的空芯铸坯22，并将其压接成实心铸坯拉坯的场合，如果采用图4(b)所示的孔型轧机32或图4(c)所示的万能轧机34从四面同时压下，制成断面形状为Ⅰ型31或H型33的铸坯，那末，与先有技术的异形钢坯连续铸造法相比，就显得更加接近于制品的净形状。并且不会遇到象先有技术的异形钢坯连续铸造法那样的表面裂纹、内部裂纹、偏析等为特异形状钢坯所固有的质量问题，可以很容易是获得在钢坯表面和内部皆优良的质量。
在要制造比上述钢坯更为薄壁的钢坯时，就要对本发明的实施想出新的方法。现在对此说明如下。
为了实现薄壁化，如式(8)所示，必须通过机长最小化和拉坯速度最大化来使凝固时间达到最短。为此，推荐利用气体压力将特定点Q设置在铸坯拉坯圆弧轨迹最低点的方式。其大致情况如图5所示。在此情况下，壳厚d可根据式(12)算出。
将凝固壳厚比限定为0.05～0.5的理由是，如果小于0.05，当然壳厚变薄，实际上在10mm以下。这一厚度通常在结晶器内是可以形成的，但是结晶器内凝固的进行容易随位置和时间而不均匀，在进行压接轧制时容易产生由于应变不均匀所引起的种种不合适情况。另外，如壳厚比在0.5以上，则壳厚过大，这与本来的目的相违背。
图5的方法是在Q点的下流充满气体，从而制造空芯铸坯，具体的方法可根据图7(a)、(b)、(c)来说明。
图7(a)示出浇注开始时的状况，结晶器的下侧开口部被一根引锭杆11闭塞着，在该引锭杆的前端处安装有一个用于吹气的钢管或陶瓷管喷嘴27，通过该喷嘴27吹出惰性气体并同时开始浇注，并且，此后一直引拉下去。此时产生起泡，但操作上没有需要特别注意的问题。
如图7(b)所示，当喷嘴越过铸坯轨迹的最低点时，将吹出的气体量提高到某种程度，就会在铸坯的内侧形成空芯，同时过剩的气体从最低点Q吹入钢水内并逆着钢水流动，在钢水内以气泡的形式向上浮。同时，液芯的表面m维持在处于最低点的铸坯上侧凝固部分的前面。在液面m的下流侧当然不再进行凝固作用。另外，通过对气体压力的控制，可以很容易地使Q点向上流侧或向下流侧移动。
如图7(c)所示，喷嘴一旦到达压接辊处就被压坏，因此不再吹出气体。这时铸坯的前端部分就被完全封闭，而空芯部内的气体就原封不动地保存下来。由于使用的是惰性气体，被封入的气体不与钢水或凝固壳反应，因此气体压力得以维持，从而使得以后的液面一直保持在铸坯轨迹的最低点附近，这时转入了稳定的浇注状态。
当圆弧半径R变小，在拉空芯铸坯时，作用于尚处在脆性温度区域内的铸坯内面的弯曲应变变大，故会产生内部裂纹。即使在这种情况下，也不会象采用液芯压下法那样使得浓化的钢水侵入裂纹中，因此不会发生问题。这也是本发明的效果之一。
以下说明使拉坯速度最大化的具体方法。
在此情况下可以建议用同步式垂直旋转结晶器来代替往复振动式弯曲结晶器。其理由是，为了实现薄壁化，需要将铸坯拉坯轨迹半径R(＝弯曲结晶器半径)设计得很小，接近于同步式旋转结晶器的实用尺寸，故很容易进行代替。在此情况下，同步式的最大效果是即浇注的高速化容易实现。为了具体地说明同步式旋转结晶器的使用方法，可以参考图6，其中，21是由水冷车轮构成的旋转结晶器，23是长方形的沟槽，24是用来盖住该沟槽的环形带子，从该带子的内侧浇注钢水。使该车轮的圆周速度与该带子的移动速度相一致，从而将铸坯6拉出。
在同步式结晶器中，目前在实际生产中拉坯速度已达到约10m/in，因此，在本发明中也从5m/min开始逐渐高速化，使凝固壳厚达到更薄。
以上说明了以空芯压下为基础的本发明的三个效果，即①提高铸造效率;②消除芯部缺陷和均质化;③容易进行接近制品净形状的生产工艺，对于各种热轧制品来说，这些特征的最大应用是将连续铸造与轧制进行合理的结合。
如上所述，根据本发明的三个效果，这个问题可以很容易而且合理地和经济地得到解决。进而，不仅可将前后工序直接结合，在质量可以允许的前提下，通过尽可能地减小铸造断面，可以减小昂贵的轧机的台数，从而可以获得工序直接连接和接近制品净形状两方面的效果。关于把连续铸造与轧制相结合的方法，一旦将实心铸坯切断，就将其作为钢坯供给间歇式的轧制生产线，或者也可以不切断而将其供给连续式的轧制生产线。另外，在轧制时，可以将钢坯预先通过均热炉进行均热，或者也可将其直接供给轧制生产线，这两种方式可以自由地选择。制品可以根据生产的情况适当地加以选择。
采用连续式轧制实心铸坯，可以很容易地制造已往难以制造的大单件重量的线材盘卷。按照已往的方法，对于大单件重量的钢坯，需要大型加热炉等设备，这就在经济上成为相当大的负担，故以单件3吨作为最大的实用界限。按本发明的方法，只要有足够大型的线材盘卷装卸设备，就可以很容易而且廉价地制得3～20吨的盘条。这对于线材二次加工的合理化是极为有效的手段。
在制造细径线材和细径圆钢的场合，提高生产效率的难关是精轧速度。为此，作为提高生产能力的方法，最方便的是设置多条轧制线。最近采用的方法有，精轧前将坯料在轧制方向上切割成2条以上分别送往不同的精轧机或送到同一台精轧机的所谓纵切轧制法。本发明从连续铸造到制成成品，以单流、连续处理为原则，但是根据需要，也可以使用纵切轧制法。图8是一个示意图，图中的17是分割辊，按照这种组合方式可使本发明的效果得到很好的发挥。
在用本发明的方法来制造各种热轧钢材时，其连续铸造设备的基本规格参数汇集于表1中。根据表中的铸造效率和实心铸坯的尺寸，本领域的技术人员可以容易而合理地设计出后续的轧钢设备。

按照本发明，在弯曲型连续铸造中，将铸坯以带有未凝固部分的状态向上拉坯并且采用高温浇注，使得铸坯变成一种在激冷细晶的内侧完全成为柱状晶的空芯铸坯，在将其压接成实心的铸坯后再拉坯，或者随后采用一贯连续的方式将其直接送往轧制工序，可以获得如下的多种效果。
(1)如式(1)所示，可以大幅度地提高铸造效率，获得与常规的棒材、线材轧制相当的轧制效率，而且由于可以将连续铸造与轧制直接连结，因此设备费和生产费用可以大幅度降低。
(2)由于不存在凝固终点，因此完全不产生偏析现象，而且铸坯内部实际上与存在均质的柱状晶，因此极有利于将其应用于高级钢领域。
(3)作为前项的效果，可以减小为了改善钢的延展性和韧性所必需的热锻造比，因此可以减小铸造断面积。反之，也能够制造比以往更大断面积的轧制产品。这样就可以大幅度地削减设备费和降低成本。
(4)与前项相同，可以替代单一方向凝固钢锭法和ESR法等特殊铸造法，以连续连续铸造的方式低成本和高产率地制造均质的钢坯。
(5)当用于低级普通钢时，由于不发生偏析，因此可以在允许的生产标准范围内放宽对杂质的控制。这样，废铁成本和精炼成本都可大幅度降低。
(6)对于圆钢、线材等，①如果铸坯断面为圆形，而且②在结晶器部位采用旋转磁场电磁搅拌而赋予离心铸造的效果，那么可以获得均一凝固、表面平滑、消除针孔等效果，并且由于降低了连铸机高度，抑制鼓肚，防止了内部裂纹，相应地获得提高质量的效果，这样即使省去在连续铸造和轧制之间的中间工序，也不会产生问题。
(7)将本发明用于板坯时，与以往的板坯连续铸造相比，在表面质量相同的条件下，内部质量可以大幅度地改善，并且容易制得薄板坯。而且，按照设定条件，有可能获得极薄的板坯。
(8)作为(7)的效果，不仅可以简化连续铸造的设备，而且可使轧制设备更为简化。这就成为一种新颖的钢板用接近制品净形状的生产工艺。
(9)用于大型的型钢时，可以容易地制得薄壁而高质量的异形坯。
(10)用于线材时，可以容易地制造超大重量的线材卷。
权利要求
1.一种连续铸造方法，其特征在于，按下述方式进行弯曲型连续铸造，即，在钢的连续铸造过程中，使铸坯内部的液芯停止在拉坯轨迹上的特定点Q，在Q点下流侧的铸坯内部形成空芯，用轧辊将该空芯部压接，以实心铸坯形式拉坯，拉坯轨迹至少是从结晶器出来之后就开始弯曲，拉坯轨迹中的弯曲部分的长度为圆周的1/2以上，将铸坯拉到比浇注面高的位置，将比上述浇注面高出相当于大气压压力的静钢水落差高度的位置作为特定点Q，在该Q点处的按照下述关系或求得的凝固壳厚比a、a′规定为0.25～0.85，当铸坯的横断面形状为圆形时，其凝固壳厚比a=2d/D，当铸坯的横断面形状为长方形时，其凝固壳厚比a′=2d/A，式中，d铸坯的凝固壳厚(m)D结晶器的横断面形状为圆形时的结晶器横断面直径(m)，A结晶器的横断面形状为长方形时的结晶器横断面短边尺寸(m)。
2.权利要求1的连续铸造法，其中，将浇注温度设定为比该钢种的液相线温度。①高出20～60℃的温度，使得在铸坯外皮的激冷细晶的内侧实质上为柱状晶;或者②高出0～15℃的温度，同时对结晶器内的钢水施加电磁搅拌，使得在铸坯外皮的激冷细晶的内侧实质上为等轴晶。
3.权利要求1或2的连续铸造法，其中，铸坯的横断面形状为圆形，按照能使特定点Q处的凝固壳厚比α为0.4～0.85，根据下列关系式(1)～(4)来设定设备规格和铸造条件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铸造效率(Kg/min)p钢材密度(7600kg/m3)Ln连铸机长度(浇注面与特定点Q之间的长度m)D结晶器横断面的直径(m)d铸坯凝固壳厚(m)k凝固常数0.023～0.031(m/min0.5)R拉坯轨迹中弯曲部分的半径(m)V拉坯速度(m/min)。
4.权利要求1或2的连续铸造法，其中，铸坯横断面形状为长方形，根据下列关系式(5)～(11)来设定设备的规格和铸造条件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结晶器横断面的短边尺寸(m)，B结晶器横断面的长边尺寸(m)，α′铸坯横断面形状为长方形时的凝固壳厚比，β矩形比，A′实心铸坯横断面的短边厚度(m)P压接辊的实际压下率p＝(2d-A′)/2d＝0.05～0.40
5.权利要求4的连续铸造法，其中，结晶器横断面的短边尺寸A为0.100～0.300m，压接之前该铸坯的凝固壳厚d为0.025～0.120m，随后在铸坯横断面的整个长边上沿短边的方向进行压接，使得该实心铸坯横断面的短边厚度A′成为0.035～0.200m。
6.权利要求4的连续铸造法，其中在压接时采用孔型轧制方式或采用万能轧机从四面同时压下的方式进行压接，以使实心铸坯的横断面形状成为异形。
7.一种连续铸方法，其特征在于，按下述方式进行弯曲型连续铸造，即，在钢的连续铸造过程中，使铸坯内部的液芯停止在拉坯轨迹上的特定点Q，在Q点下流侧的铸坯内部形成空芯，用轧辊将该空芯部压接，以实心铸坯形成拉坯，铸坯的拉坯轨迹至少是从结晶器出来之后就开始弯曲，拉坯轨迹中的弯曲部分的长度为圆周的1/4以上，以该圆弧的最低点作为特定点Q，将铸坯拉向比Q点更高的位置，同时使铸坯内部的液芯最前端位置停止在Q点附近，在Q点的下流侧的铸坯内部加压充入惰性气体，形成空芯部，并将Q点处的凝固壳厚比α、α′设定为0.05～0.5。
8.权利要求7的连续铸造法，其中，铸坯断面形状为长方形，设定结晶器的横断面短边尺寸A为0.100～0.14m，在Q点处的铸坯凝固壳厚d为0.010～0.020m，实心铸坯横断面的短边厚度A′为0.012～0.030m，并根据关系式(12)来设定该壳厚d，以及设定压接辊的实际压下率P为0.05-0.4，d=K·(πR'/2V)0.5(12)R′在铸坯拉坯轨迹中的弯曲部半径(m)。
9.权利要求8的连续铸造法，其中，以沿着一个在垂直面内旋转的水冷车轮的外周边构成的长方形沟槽作为结晶器的3个面，以环形带将该沟槽的凝固进行区间封闭并构成剩下的一个面，从而形成结晶器，与拉坯同步地驱动结晶器转动。
10.权利要求1或7的连续铸造、轧制方法，其中，将赤热状态的实心连铸坯，1)切断成为钢坯，或者2)原封不动地作为连铸坯，a)经由均热炉均热后，或者，b)不经过均热炉直接地以单流方式供给轧制生产线，轧成钢板、型钢、扁钢、圆钢、线材等。
11.权利要求10的连续铸造、轧制方法，其中，在制造线材时，将该线材卷的单重做成3～20吨。
12.权利要求10的连续铸造、轧制方法，在粗轧工序和精轧工序之间，将轧材沿轧制方向切割成2条以上，然后将它们分别地送往不同的精轧线或送往同一条精轧线，进行制品轧制。
全文摘要
在钢坯的连续铸造中，使铸坯内部的液芯停止在铸坯拉坯轨迹的特定点Q处，在该Q点的下流侧形成空芯，在铸坯拉坯行程的后半部用轧辊将该空芯部压接轧制，制成实心铸坯。通过采用适当的浇铸温度得到的实心铸坯由外皮激冷细晶和内部的柱状晶构成。另外还公开了将连铸与后续热轧工序结合起来的钢材连铸连轧方法。据此可以获得铸造效率的飞跃提高、质量的改善和铸造壁厚自由的铸坯设备，并且能够将连铸与轧制直接连结，使各种钢材接近于制品的净形状。
文档编号B21B1/08GK1107763SQ9411881
公开日1995年9月6日 申请日期1994年11月24日 优先权日1993年11月25日
发明者山田胜彦 申请人:山田胜彦