一种双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统及其连铸方法

1.本发明涉及薄带钢铸造技术领域，尤其涉及一种双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统及其连铸方法。


背景技术：

2.目前，传统的薄带连铸的工业化实践以双辊式薄带连铸(trc)为主，国际上已有多条双辊薄带连铸生产线建成投产，包括美国纽柯公司的castrip，蒂森克虏伯的eurostrip、韩国浦项的postrip等项目。宝钢联合国内多家科研单位经过进行长期技术攻关，在宁波建成国内第一条具有自主知识产权的薄带连铸工业化示范线，并于2016年完成了生产性验证。
3.双辊式薄带连铸(trc)的如图1所示，其在实际应用过程中存在如下诸多问题：(1)金属熔体必须在双辊之间完成凝固过程，辊的间距非常小，因此trc工艺只能生产厚度在3mm以内的带钢，单条生产线的产量极低，无法满足现代钢铁公司的高效生产节奏；(2)金属熔体在重力作用下进入凝固区，不易控制拉速，容易发生薄带拉漏和拉断的现象；(3)此外，夹杂物会引起薄带凝固过程的应力集中，在高拉速下造成薄带断裂的风险；因此高速凝固过程要求钢水具有较高洁净度，这也推高了trc工艺的钢水成本。
4.由于trc自身工艺特点的限制，导致其普遍存在运行不稳定、产量低、钢水成本高等问题。因此，急需开发更稳定、高效的、钢水洁净度要求较低的薄带连铸技术，以推动近终型连铸(浇铸接近最终产品尺寸和形状的浇铸方式)的工业化、规模化应用，效缓解钢铁工业低端产能过剩，高端供给不足的困境，对于实现钢铁行业的供给侧结构性改革具有重要意义。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统及其连铸方法，相比现有技术，本发明可用于生产较宽厚度范围的薄带产品，不易发生薄带拉漏和拉断的情况，对金属溶体洁净度具有较高容忍度，且在生产较厚薄带时可减小金属溶体内p、s等元素的偏析程度，保证薄带在厚度方向的均匀性。
7.(二)技术方案
8.第一方面，本发明提供一种减少薄带偏析的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其包括：中间包、传送带、上气冷喷吹系统和下水冷喷淋系统；
9.所述中间包用于容纳金属熔体，所述中间包底部设有狭缝式出口供金属熔体流出；所述传送带设于所述狭缝式出口下方用于承接金属熔体并使金属熔体在传送带表面上铺展成金属熔体层；所述下水冷喷淋系统用于向传送带底面喷冷却水，通过传送带的导热作用以将金属熔体层冷却后进入轧机进行轧制；
10.所述上气冷喷吹系统位于所述传送带上方，用于对金属熔体层的上表面喷吹冷却
惰性气体；在下水冷喷淋系统和上气冷喷吹系统的联合作用下，使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。
11.根据本发明的较佳实施例，在中间包的狭缝式出口下方设有耐火材料制成的导流坡，导流坡与传送带接续，使金属熔体从中间包的狭缝式出口流出后沿着导流坡到达传送带表面。
12.根据本发明的较佳实施例，所述传送带为磨砂表面，以降低基质与金属熔体层空穴的热阻，提高导热效率。传送带为薄且可卷成传送带的铜质膜材或带材。
13.根据本发明的较佳实施例，所述传送带为履带形式，其构成首尾相接的封闭环结构，在所述封闭环结构内设有传送辊，利用传送辊的转动以带动传送带循环转动，传送带则带动其上表面的金属熔体层向轧机的方向移动，并在移动过程中在下水冷喷淋系统向传送带下表面喷淋冷水和上气冷喷吹系统喷吹冷却惰性气体的双重冷却作用下金属熔体层凝固成铸坯。
14.根据本发明的较佳实施例，所述传送辊为2个或多个在相邻两个输送辊之间设有若干支撑辊轴，利用所述支撑辊轴支撑所述传送带使其表面保持平整。
15.根据本发明的较佳实施例，所述上气冷喷吹系统设于所述传送带上方且靠近所述中间包的位置，用于对刚刚从中间包的狭缝式出口流出的金属熔体上表面进行气体冷却。
16.根据本发明的较佳实施例，所述上气冷喷吹系统的下端设有吹气管，吹气口在吹气管下方，所述吹气口为圆孔型或狭长扁口形；且优选地，上气冷喷吹系统的宽度为5-15cm，优选为10cm。
17.根据本发明的较佳实施例，所述上气冷喷吹系统的宽度大于所述传送带的宽度；优选地，所述上气冷喷吹系统两侧分别超出所述传送带的左右两侧各10-20cm，优选是15cm。
18.根据本发明的较佳实施例，所述吹气口到所述金属熔体层的距离为50-80cm，优选为65cm。距离太近易于导致金属熔体层被吹断。
19.根据本发明的较佳实施例，所述吹气口吹出的冷却惰性气体的初速度方向与所述传送带的移动方向呈30
°‑
60
°
的夹角，优选是45
°
的夹角。
20.根据本发明的较佳实施例，还包括控制中心；在所述传送带的上方和下方分别设有温度传感器，所述温度传感器分别测定所述金属熔体层上表面和所述传送带下表面的温度；所述上气冷喷吹系统设有调控冷却惰性气体喷吹速度的第一控制模块，所述下水冷喷淋系统设有调控冷却水喷淋速度的第二控制模块；所述温度传感器与所述控制中心通讯连接，所述控制中心根据所述温度传感器采集的温度数据，发送控制指令给所述第一控制模块及第二控制模块，由此使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。优选地，所述控制中心为计算机或单片机。
21.根据本发明的较佳实施例，所述上气冷喷吹系统设有角度调整机构和/或竖直高度调整机构，所述角度调整机构能够调整所述上气冷喷吹系统的吹气口的朝向，使其能够在一定角度范围内进行扫描式喷吹冷却惰性气体；所述竖直高度调整机构能够调整所述上气冷喷吹系统的吹气口到金属熔体层上表面的距离；或者所述上气冷喷吹系统的数量为2个或2个以上，设于传送带上方，相邻两个上气冷喷吹系统之间隔开距离。
22.根据本发明的较佳实施例，所述上气冷喷吹系统连接低温惰性气源，或者所述上
气冷喷吹系统通过管路连接惰性气源，且在所述管路上设有冷却器，用于对管路中的惰性气体进行冷却后输出。所述惰性气体为纯度99.99％以上的氩气。
23.根据本发明的较佳实施例，所述双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统还包括过渡辊机构，所述过渡辊机构的上表面与所述传送带相平，且连接在传送带的末端与轧机之间，用于将所述传送带传送过来的凝固金属熔体层(铸坯)传输到轧机中轧制。
24.第二方面，本发明提供一种薄带连铸方法，其采用上述任一实施例的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统进行生产。
25.(三)有益效果
26.(1)相较于现有技术，本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统可用于连续地生产较宽厚度范围的薄带产品(1-15mm)，而trc工艺只能生产3mm的带钢；本发明的单辊水平薄带连铸系统不是通过对钢熔体以挤压拉动的方式形成铸坯，而是通过使金属熔体从中间包狭缝式出口流出后流动到传送带的上表面，随着传送带匀速地的水平移动逐渐自然形成连续的铺展在传送带上表面的金属熔体层，金属熔体底部受冷却基质承托，因此其相对trc技术，不易形成薄带拉漏和拉断的现象，同时对金属熔体的洁净度也有较高的适应性，可降低金属溶体成本。
27.(2)本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，在下水冷喷淋系统和上气冷喷吹系统的联合作用下，使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致，使金属熔体层上下两个表面的凝固更均匀、减小金属熔体层在厚度方向上的偏析、保证薄带在厚度方向的均匀性，特别是金属熔体层m厚度较大时，可有效提高薄带的质量。本发明还借助温度传感器、上气冷喷吹系统的控制模块、下水冷喷淋系统的控制模块、计算机等控制中心，实现对金属熔体层上下两个表面冷却强度的实时监测和闭环控制，使金属熔体层上下表面的冷却速度和冷却程度尽可能接近。
28.(3)本发明提供的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，是在原有单辊水平薄带连铸系统(亚快速凝固水平薄带连铸)基础上，在传送带上方一定区域，靠近中间包一侧设置一个上气冷喷吹系统，可加快金属熔体层上侧的冷凝速度(下侧有下水冷喷淋系统)，使钢液上层的热流密度峰值达到32.5mw/m2。下部的冷却基质承托，避免了双辊薄带连铸中存在的薄带断裂的风险、可以通过调整冷却水流量和冷却气体喷吹流量有效地控制凝固速度、减小p、s等元素偏析程度、使凝固组织成分更加均匀。经扫描电子显微镜检测，在薄带的表面和底部发展了较多的细化珠光体结构，该结构对钢材中的晶界阻力大，可以有效地抑制晶界扩散和位错移动，从而提高钢铁的力学性能。
29.(4)中间包的金属熔体从狭缝式出口流出后，在出口和传送带之间的间隙形成回流，回流一旦凝固会影响水平连铸过程的顺行。为了防止该情况发生，本发明在狭缝式出口和传送带之间引入一个耐火材质制成的导流坡，使金属熔体在从狭缝式出口出来之后具备一定的水平速度分量，有效抑制该间隙的回流效应，提高水平连铸过程的稳定性。
30.(5)在本发明的较佳实施例中，上气冷喷吹系统设有角度调整机构和/或竖直高度调整机构，角度调整机构能够调整所述上气冷喷吹系统的吹气口的朝向，使其能够在一定角度范围内进行扫描式喷吹冷却惰性气体，以实现对金属熔体层一段长度范围内进行喷吹冷却；竖直高度调整机构能够调整上气冷喷吹系统的吹气口到金属熔体层上表面的距离，也可以达到调节金属熔体层上表面冷却速度的目的。
附图说明
31.图1为本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统的示意图。
32.图2为本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统的上气冷喷吹系统结构示意图。
33.图3为本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统中在狭缝式出口下方设置导流坡的示意图。
34.图4为本发明的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统中上气冷喷吹系统的宽度大于传送带两侧宽度的示意图。
具体实施方式
35.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
36.实施例1
37.如图2所示，为本发明的一种减少薄带偏析的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其包括中间包1、传送带2、上气冷喷吹系统3、下水冷喷淋系统4、传送辊5、支撑辊轴6、过渡辊机构7、轧机8。中间包1用于容纳熔炼好的金属熔体，其底部设有狭缝式出口11(图4中绘出)供金属熔体流出。
38.传送带2设于狭缝式出口11下方用于承接金属熔体并使金属熔体在传送带2表面上铺展成金属熔体层m。下水冷喷淋系统4设在传送带2下方，用于向传送带2底面喷冷却水，通过传送带2的固体传热作用以将金属熔体层m冷却后进入轧机8进行轧制成薄带。上气冷喷吹系统位于传送带2的上方，用于对金属熔体层m的上表面喷吹冷却惰性气体。优选的，冷却惰性气体为含量99.99％以上的氩气，因为该种气体可避免与金属熔体m发生反应，影响金属熔体m的合金成分。其中，在上气冷喷吹系统3和下水冷喷淋系统4的联合作用下，使金属熔体层m在进入轧机8之前，其上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致，使金属熔体层m凝固更均匀、减小金属熔体层在厚度方向上的偏析、保证薄带在厚度方向的均匀性，提高薄带的质量。
39.所述过渡辊机构7的上表面与传送带2相平，且连接在传送带2的末端与轧机8之间，用于将传送带2传送过来的凝固金属熔体层m(铸坯)传输到轧机8中轧制。利用过渡辊机构7的连接过渡，可减少传送带2的长度和成本，也避免传送带2跨度过长而容易发生蠕变和坍塌变形。
40.传送带2优选为磨砂表面，以降低基质与金属熔体层空穴的热阻，提高导热效率。传送带2为铍铜或钢质的软膜材或带材，具有一定强度且能够像传送带一样被卷曲。铍铜或钢质导热性好且能够更快地将下水冷喷淋系统4的冷量传给金属熔体m，使金属熔体m冷却凝固。
41.如图2所示，传送带2为履带形式，其构成首尾相接的封闭环结构，在封闭环结构内设有传送辊5，利用传送辊5的转动以带动传送带2循环转动，传送带2则带动其上表面的金属熔体层m向轧机8的方向移动。传送辊5的数量为2个，分别设于传送带2构成的封闭环结构的两端，在两个输送辊5之间设有若干支撑辊轴6，利用这些支撑辊轴6支撑传送带2使其表面保持平整，避免介于传送带2两个传送辊5之间的部分发生软塌。
42.其中，上气冷喷吹系统3较佳是设于传送带2上方且靠近中间包1的位置，用于对刚刚从中间包1的狭缝式出口11流出的金属熔体上表面进行气体冷却。上气冷喷吹系统3的下端设有吹气管32，吹气口31位于吹气管32下方(如图3所示)，呈圆孔形，其中，吹气管32为由若干个管口排列组成的管口列结构，每个管口都能喷吹出冷却惰性气体，还能独立控制喷吹气体流量和喷吹压力，上气冷喷吹系统3的宽度为5-15cm，优选为10cm。在本实施例中，上气冷喷吹系统3内部包括由若干根管子组成的管排结构，每根管子内通入冷却惰性气体。
43.结合图3所示，上气冷喷吹系统3直接连接低温惰性气源，或者上气冷喷吹系统3通过一段管路连接惰性气源，而在该段管路上设有冷却器，利用冷却器的冷量传递，用于对管路中的惰性气体进行冷却后，从吹气口31喷吹出来。还可以在上气冷喷吹系统3内部的若干根管子外侧设置夹套结构，在夹套内通入循环的冷却媒介，以对上气冷喷吹系统3喷吹出来的气体进行冷却。
44.结合图4所示，为了保证上气冷喷吹系统3向下喷吹的冷却惰性气体能够覆盖到金属熔体层m的两侧，吹气口31的长度大于传送带2；优选地，上气冷喷吹系统的宽度分别超出所述传送带2的左右两侧的距离为l，l＝10-20cm，优选l＝15cm。
45.结合图4所示，吹气口31到金属熔体层的距离为h，h＝50-80cm，优选，h＝65cm。距离太近易于导致金属熔体层m被吹断，距离太远冷却效果差。
46.结合图4所示，吹气口31吹出的冷却惰性气体的初速度方向与传送带2的移动方向呈α夹角，α＝30
°‑
60
°
，优选是45
°
。这样喷吹出来的冷却惰性气体会以最优的角度作用到金属熔体层m上，减少惰性气体的浪费量。
47.中间包的金属熔体从狭缝式出口流出后，在出口和传送带2之间的间隙形成回流，回流一旦凝固会影响水平连铸过程的顺行。例如，若没有设置导流坡9，则金属熔体m从狭缝式出口11处直接垂直落下，则金属熔体m会向左右两边流动甚至发生堆积，随着流出中间包1的时间变长发生部分凝固，堵塞狭缝式出口11，很容易导致连铸无法进行。为了防止该情况发生，如图4所示，在中间包1的狭缝式出口11下方设有耐火材料制成的导流坡9，导流坡9与传送带2连接，使金属熔体从中间包1的狭缝式出口11流出后沿着导流坡9的表面流到传送带2的表面。通过引入耐火材质制成的导流坡9的结构，使金属熔体在从狭缝式出口11出来之后立即具有一定的水平速度分量，有效抑制在狭缝式出口11与传送带2发生回流、凝固导致水平连铸过程不能顺行的问题。
48.实施例2
49.本实施例与实施例1的区别在于：上气冷喷吹系统3的吹气口为一个狭长扁口形。即上气冷喷吹系统3内部不再分成若干个管子组成的管排，而是一个整体的腔体，该腔体直接连接低温惰性气源，或者通过一段管路连接惰性气源，而在该段管路上设有冷却器，利用冷却器的冷量传递，用于对管路中的惰性气体进行冷却后，再从狭长扁口形喷吹出来。
50.实施例3
51.本实施例与实施例1的区别在于：所述双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统还包括控制中心，该控制中心为控制后台或安装有特定程序的计算机。在传送带2的上方和下方分别设有非接触式温度传感器，非接触式温度传感器分别测定金属熔体层m上表面和传送带2下表面的温度。上气冷喷吹系统3设有调控冷却惰性气体喷吹速度的第一控制模块，下水冷喷淋系统4设有调控冷却水喷淋速度的第二控制模块。将非接触式温度传感器与控制
中心通讯连接，控制中心根据非接触式温度传感器采集的温度数据，比较数据差值，根据差值发送控制指令给第一控制模块及第二控制模块，由此，实现自动化控制使金属熔体层m的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。
52.实施例4
53.本实施例与实施例1的区别在于：上气冷喷吹系统3还设有角度调整机构和/或竖直高度调整机构。角度调整机构能够调整上气冷喷吹系统3的吹气口31的朝向，使吹气口31朝向发生改变，能够在一定角度范围内对金属熔体m的上表面进行扫描式喷吹冷却，可对金属熔体m的一个区段进行喷吹冷却。竖直高度调整机构能够调整上气冷喷吹系统3的吹气口到金属熔体层m上表面的距离，由此可以根据环境温度，金属熔体的种类、熔体的粘度大小，调整吹气口31到金属熔体层的距离。如粘度过小的金属熔体，不易采用近距离喷吹冷却。
54.实施例5
55.本实施例与实施例1的区别在于：上气冷喷吹系统3的数量为2个或2个以上，设于传送带2上方，相邻两个上气冷喷吹系统之间隔开距离。多个上气冷喷吹系统3沿着金属熔体层m的输送方向分布，且越靠后上气冷喷吹系统3喷吹冷却惰性气体的速度越小，或者喷吹量越少。
56.最后应说明的是：以上各实施例中的技术特征，在不产生矛盾的情况下可进行叠加组合，但即使如此也不应脱离本发明技术方案的范围。
57.以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换或叠加组合；而这些修改或者替换或叠加组合，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，包括：中间包、传送带、上气冷喷吹系统和下水冷喷淋系统；所述中间包用于容纳金属熔体，所述中间包底部设有狭缝式出口供金属熔体流出；所述传送带设于所述狭缝式出口下方用于承接金属熔体并使金属熔体在传送带表面上铺展成金属熔体层；所述下水冷喷淋系统用于向传送带底面喷冷却水，通过传送带的导热作用以将金属熔体层冷却后进入轧机进行轧制；所述上气冷喷吹系统位于所述传送带上方，用于对金属熔体层的上表面喷吹冷却惰性气体；在下水冷喷淋系统和上气冷喷吹系统的联合作用下，使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。2.根据权利要求1所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，在中间包的狭缝式出口下方设有耐火材料制成的导流坡，导流坡与传送带接续，使金属熔体从中间包的狭缝式出口流出后沿着导流坡到达传送带表面。3.根据权利要求1所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述传送带为履带形式，其构成首尾相接的封闭环结构，在所述封闭环结构内设有传送辊，传送辊转动带动传送带循环转动，进而带动传送带上表面的金属熔体层向轧机的方向移动，并在移动过程中在下水冷喷淋系统向传送带下表面喷淋冷水和上气冷喷吹系统喷吹冷却惰性气体的双重冷却作用下金属熔体层凝固成铸坯；在相邻两个传送辊之间设有若干支撑辊轴，利用所述支撑辊轴支撑所述传送带使其表面保持平整。4.根据权利要求1所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述上气冷喷吹系统设于所述传送带上方且位于靠近中间包的一端，用于对刚刚从中间包的狭缝式出口流出的金属熔体上表面进行气体冷却。5.根据权利要求1所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述上气冷喷吹系统的下端设有吹气管，吹气管上的吹气口呈圆孔形或狭长扁口形。6.根据权利要求5所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述吹气口到所述金属熔体层的距离为50-80cm；所述上气冷喷吹系统所吹出的冷却惰性气体的初速度方向与所述传送带的移动方向呈30
°‑
60
°
的夹角。7.根据权利要求5所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述上气冷喷吹系统设有角度调整机构和/或竖直高度调整机构，所述角度调整机构能够调整所述上气冷喷吹系统的吹气口的朝向，使其能够在一定角度范围内进行扫描式喷吹冷却惰性气体；所述竖直高度调整机构能够调整所述上气冷喷吹系统的吹气口到金属熔体层上表面的距离；或者所述上气冷喷吹系统的数量为2个或2个以上，设于传送带上方，相邻两个上气冷喷吹系统之间隔开距离。8.根据权利要求1所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，所述双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统还包括过渡辊机构，所述过渡辊机构的上表面与所述传送带相平，且连接在传送带的末端与轧机之间，用于将所述传送带传送过来的凝固金属熔体层传输到轧机中轧制。9.根据权利要求1-8任一项所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，其特征在于，还包括控制中心；在所述传送带的上方和下方分别设有非接触式温度传感器，所述温度传感器分别测定所述金属熔体层上表面和所述传送带下表面的温度；所述上气冷喷吹系统设
有调控冷却惰性气体喷吹速度的第一控制模块，所述下水冷喷淋系统设有调控冷却水喷淋速度的第二控制模块；所述温度传感器与所述控制中心通讯连接，所述控制中心根据所述温度传感器采集的温度数据，发送控制指令给所述第一控制模块及第二控制模块，由此使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。10.一种薄带连铸方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统进行生产。

技术总结
本发明涉及一种双侧强化冷却单辊水平薄带连铸系统，包括中间包、传送带、上气冷喷吹系统和下水冷喷淋系统；中间包底部设有狭缝式出口供金属熔体流出，传送带设于狭缝式出口下方用于承接金属熔体并使金属熔体在其表面铺展成金属熔体层；下水冷喷淋系统用于向传送带底面喷冷却水，通过固体传热对金属熔体层冷却；上气冷喷吹系统位于传送带上方且较靠近中间包一侧，通过喷吹冷却惰性气体对金属熔体层冷却。当金属溶体从中间包底部狭缝式出口流出在传送带作用下向轧机传送时，在两种冷却机制联合作用下，使金属熔体层的上下两个表面的冷却速度和冷却程度接近一致。速度和冷却程度接近一致。速度和冷却程度接近一致。


技术研发人员：常胜 赵紫钰 平晨含 赵俊强 宋浩 邹宗树
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/20