本发明涉及一种大方坯重轨钢角部质量控制的连铸方法，适用于280mm×380mm断面大方坯重轨钢铸坯，属于大方坯重轨钢连铸生产技术领域。
背景技术
钢轨是铁路轨道的主要组成部件，在铁路运输过程中，对机车提供有效支撑及引导，需承受来自车轮的巨大垂向压力。基于我国基础建设发展需求，铁路运输正以迅猛的速度发展，并不断趋于高速化、重载化。钢轨规格尺寸也逐渐增大，为减少焊接接头，保证铁路钢轨更高的整体性，大规格钢轨的定尺也在增加。通过以前较小断面铸坯轧制大规格长定尺的钢轨无疑要求铸坯长度定尺更长，这造成后续热处理设备需要进行较大改造；此外，如若铸坯断面尺寸不变，而钢轨规格尺寸变大，这对轧制过程的压缩比无疑造成影响，最终影响钢轨致密度等物性指标。连铸生产过程中，铸坯出结晶器以后，钢液的所有热量基本通过坯壳释放，坯壳的质量极大程度地影响铸坯内部钢液的凝固演变，包括凝固组织整体均匀性及周向一致性等等，而且对于超大断面重轨钢连铸生产而言，由于其钢种成分以及钢液凝固传热原理的影响，铸坯凝固过程横截面温度梯度较大，液芯更长，铸坯内部钢液凝固持续时间更长，坯壳质量的有效控制将为铸坯内部凝固组织的均匀生长奠定重要基础，铸坯角部作为坯壳的特殊部分，由于形状的差异，凝固传热均匀性控制困难，而连铸坯角部质量的控制直接影响连铸坯轧制成材率。
结晶器在连铸生产中是最关键的部件，它被业界称为连铸机的“心脏”，结晶器对坯壳质量控制的重要作用体现在：保证出结晶器时铸坯形状合格，并有足够的厚度抵抗钢液静压而避免拉漏；保证坯壳在沿结晶器周向均匀生长，上述作用决定了连铸生产率及铸坯质量控制。有很多学者对连铸坯坯壳质量的控制进行了大量研究，研究方向主要集中在凝固坯壳厚度预测、坯壳安全厚度的获得以及连铸过程拉漏的机理和检测控制研究。对大方坯重轨钢角部质量的控制的研究相对较少，尤其对于280mm×380mm断面大方坯重轨钢角部质量控制装备及技术的具体研究，基本未见。
例如：
cn104384469a公开了一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统及方法。此发明包括：信息采集模块：用来采集浇铸钢种成分、结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸、连铸工艺条件以及沿结晶器不同位置处的初凝坯壳厚度实测值及枝晶间距实测值；所述结晶器几何尺寸,包括板坯宽度、板坯厚度、结晶器高度、铜板厚度、水槽深度、水槽厚度和镍层厚度；所述连铸工艺条件,包括弯月面位置、拉坯速度、进口水温、宽面出口水温、窄面出口水温、宽面冷却水流量和窄面冷却水流量；所述浸入式水口几何尺寸,包括浸入式水口浸入深度和浸入式水口侧孔倾角；钢种热物性参数计算模块：根据信息采集模块采集到的浇铸钢种成分和枝晶间距实测值,计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径,进而获得钢种热物性参数并将其传至结晶器初凝坯壳生长预测模块；所述钢种热物性参数,包括固液相线温度、导热系数、密度、比热和凝固潜热；结晶器初凝坯壳生长预测模块：将结晶器内热量传输、动量传输和质量传输在内的宏观传输过程与结晶器铜板表面形核、钢液内部形核和晶粒生长在内的微观凝固组织演变行为进行耦合,并根据信息采集模块采集到的结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸和连铸工艺条件以及从钢种热物性参数计算模块接收的钢种热物性参数,预测连铸过程结晶器内部高温钢液凝固过程坯壳生长行为并将其传至结果输出模块；结果输出模块：图像化地显示预测的结晶器内部凝固组织形貌,即初凝坯壳生长过程,以及定量化地显示结晶器初凝坯壳厚度预测值,将该初凝坯壳厚度预测值与信息采集模块采集的结晶器的初凝坯壳实测值进行比较,并输出显示该比较结果。但是，对于280mm×380mm断面大方坯重轨钢角部质量控制装备及技术的具体研究，并未涉及。
cn103386472a公开了一种连铸结晶器出口坯壳安全厚度的获取方法。本发明包括以下步骤：测量钢材坯壳表面温度tf、铸坯的宽度b、辊间距l、钢水静压力p；通过公式计算平板的弹性模量e；通过公式计算平板的弯曲刚度d；通过公式计算结晶器出口与足辊间的最大鼓肚形变wmax；以结晶器出口与足辊间的最大鼓肚形变wmax小于等于坯壳的临界鼓肚形变量wc为判据,确定连铸结晶器出口坯壳安全厚度s的范围；其中,α为数值因子,v为泊松比,ts为钢材的固相线温度。但是，对于280mm×380mm断面大方坯重轨钢角部质量控制装备及技术的具体研究，并未涉及。
cn101138785公开了一种大方坯的连铸方法，该发明的技术方案是：大方坯的连铸方法,包括对坯壳的二次冷却,其中坯壳依次通过五个喷淋冷却区进行二次冷却,五个喷淋冷却区沿坯壳冷却方向冷却强度分别为151～194l/(min×m2),34～50l/(min×m2),23～35l/(min×m2),12～19l/(min×m2),8～11l/(min×m2)。本发明通过在坯壳变厚的过程中逐渐降低对坯壳的冷却强度,从而有效减少坯壳的内外温差,降低方坯的热应力,减少大方坯连铸缺陷。本发明尤其适合横断面尺寸为450mm×360mm,材质为35mn2、37mn2等中碳锰钢大方坯的连铸生产。但是，对于280mm×380mm断面大方坯重轨钢角部质量控制装备及技术的具体研究，并未涉及。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种大方坯重轨钢角部质量控制的连铸方法，适用于280mm×380mm断面大方坯，可使得大断面重轨钢铸坯角部凝固传热更加均匀，外形尺寸良好，彻底消除由于角部冷却不均形成的凸包、裂纹等缺陷。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：大方坯重轨钢角部质量控制的连铸方法，大方坯断面为280mm×380mm，采用渐变锥度的管式结晶器装备，其中设计结晶器上口尺寸为292.2mm×392.5mm，结晶器下口尺寸为287.6mm×388.0mm，结晶器中部尺寸如下表所示：
进一步的是：管式结晶器的角部圆角尺寸为r20mm。这样可改善铸坯角部缺陷控制。
进一步的是：管式结晶器的冷却水路为二进二回，具有两个进水口和两个出水口，保证传热均匀性。
此外，实施时还需正常浇铸工艺技术条件作为配合补充，本发明优选按如下工艺技术条件实施：
结晶器的冷却水的工艺参数控制为水流量2700l/min～2900l/min，水压0.80mpa～0.90mpa；
结晶器电磁搅拌电流强度按实际磁场高斯强度为320±10gs进行设置，搅拌电流频率按2.4hz控制；
对于中包浇铸的第1炉次，浇注钢液过热度控制在25℃～45℃；对于中包浇铸的第2～n炉次，浇注钢液过热度控制在15℃～35℃；
拉速控制在0.63m/min～0.70m/min，可按目标拉速0.68m/min恒速浇注。
本发明的有益效果是：采用渐变锥度的管式结晶器装备，并对结晶器的具体尺寸作了合理设计，使其结构简单化，更易于制造及维护，优化铸坯角部冷却，改善铸坯角部缺陷控制。此外，通过对管式结晶器的圆角参数设计，进一步改善了铸坯角部缺陷控制；并通过对冷却水路的改进，以保证传热均匀性。最后，再结合控制浇注钢液过热度、浇注速度、电磁搅拌参数、冷却参数等，确保大方坯重轨钢连铸坯综合质量高水平控制。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
该实施例是某炼钢厂采用本发明的装备技术生产280mm×380mm断面u75v重轨钢。本发明的具体实施方式为：结晶器上口尺寸为292.2mm×392.5mm，结晶器下口尺寸为287.1mm×388.0mm，角部尺寸为r20mm圆弧角；结晶器中部尺寸如下表所示：
其次，设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性。此外，结晶器的冷却水量按2750l/min～2900l/min控制，水压按0.82mpa～0.90mpa控制。
本发明还需正常浇铸工艺技术条件作为配合补充，具体控制要求如下：浇注钢液过热度(中包钢液过热度)控制在17℃～34℃，特别地，对于中包第一炉次，过热度控制在25℃～43℃；将拉速控制在0.65m/min～0.70m/min，目标拉速0.68m/min恒速浇注率达95.6％；结晶器电磁搅拌电流强度按实际磁场高斯强度为320±10gs进行设置，搅拌电流强度为350a±15a,搅拌电流频率为2.4hz。
连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣流入均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，本发明所生产的u75v重轨钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀；铸坯边角部质量稳定，无凸包等角部缺陷，对连铸坯边角部采用φ5mm钻头钻取化学试样进行偏析检验，c元素偏析度标准均方差控制在0.006～0.010。
实施例2
该实施例是某炼钢厂采用本发明的装备技术生产280mm×380mm断面u71mn重轨钢。本发明的具体实施方式为：结晶器具体尺寸(包括上口尺寸、下口尺寸、中部尺寸、角部尺寸)与实施例1相同；其次，设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性。此外，结晶器的冷却水量按2700l/min～2870l/min控制，水压按0.80mpa～0.87mpa控制。
本发明还需正常浇铸工艺技术条件作为配合补充，具体控制要求如下：浇注钢液过热度(中包钢液过热度)控制在15℃～32℃，特别地，对于中包第一炉次，过热度控制在27℃～41℃；将拉速控制在0.65m/min～0.70m/min，目标拉速0.68m/min恒速浇注率达93.9％；结晶器电磁搅拌电流强度按实际磁场高斯强度为320±10gs进行设置，搅拌电流强度为350a±11a,搅拌电流频率为2.4hz。
连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣流入均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，本发明所生产的u71mn重轨钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀；铸坯边角部质量稳定，无凸包等角部缺陷，对连铸坯边角部采用φ5mm钻头钻取化学试样进行偏析检验，c元素偏析度标准均方差控制在0.006～0.009。
实施例3
该实施例是某炼钢厂采用本发明的装备技术生产280mm×380mm断面u78crv重轨钢。本发明的具体实施方式为：结晶器具体尺寸(包括上口尺寸、下口尺寸、中部尺寸、角部尺寸)与实施例1相同；其次，设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性。此外，结晶器的冷却水量按2740l/min～2900l/min控制，水压按0.82mpa～0.90mpa控制。
本发明还需正常浇铸工艺技术条件作为配合补充，具体控制要求如下：浇注钢液过热度(中包钢液过热度)控制在17℃～35℃，特别地，对于中包第一炉次，过热度控制在27℃～45℃；将拉速控制在0.65m/min～0.70m/min，目标拉速0.68m/min恒速浇注率达94.4％；结晶器电磁搅拌电流强度按实际磁场高斯强度为320±10gs进行设置，搅拌电流强度为350a±12a,搅拌电流频率为2.4hz。
连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣流入均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，本发明所生产的u78crv重轨钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀；铸坯边角部质量稳定，无凸包等角部缺陷，对连铸坯边角部采用φ5mm钻头钻取化学试样进行偏析检验，c元素偏析度标准均方差控制在0.004～0.009。
上述实施例说明，通过采用本发明的技术方案后，280mm×380mm断面重轨钢大方坯铸坯角部质量控制良好，铸坯角部零缺陷，坯壳厚度沿周向均匀分布，铸坯边角部均质性较好，为铸坯心部疏松及缩孔的效控制奠定重要基础。