本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种小方坯连铸铸轧工艺方法与设备。
背景技术：
本发明涉及的小方坯连铸,定义为铸坯断面范围为90mm-220mm×90mm-220mm的方坯连铸。
连铸坯是铸态组织，存在缩孔疏松、晶粒粗大的问题。连铸坯中的缩孔疏松需要在轧制过程中的焊合。小方坯连铸坯的尺寸比较小，钢坯的压下率比模铸坯和大方坯相对要小许多，连铸坯中的缩孔疏松在轧制过程中的焊合没有采用模铸工艺和大方坯焊合的好。
连铸小方坯在凝固过程中每隔5-10mm有规则的形成凝固桥，并伴随有严重的疏松和缩孔，在轧制或拉拔过程中，容易发生断裂，特别是深加工用线材比如82b盘条。用户在使用过程中不经过热处理便直接从φ12.5mm冷拉拔到φ5.05mm，拉拔产生的减径率高达85％，如果铸坯中存在的疏松、缩孔或偏析在后序轧制过程中不能消除或减轻，将大大增加盘条在拉拔和捻制过程中的断丝率。
小方坯连铸坯铸态组织，粗大的铸态组织特别是心部的粗大晶粒，需要在轧制过程中通过再结晶细化，也需要一定的压缩比，才能达到使用要求。小方坯连铸坯的尺寸比较小，钢坯的压下率比模铸坯和大方坯相对要小许多，连铸坯的铸态组织在轧制过程中的没有采用模铸工艺和大方坯细化的好，限制了最终的轧材尺寸。特别是用于棒材生产，如35crmo、40cr等。
轧制过程中焊合缩孔疏松、细化晶粒，特别是心部需要连铸坯发生有效的变形，由于轧制过程中铸坯的温度经过均热后基本是均匀温度，变形容易在表面发生，需要多次轧制变形后，心部才产生有效形变。
技术实现要素：
为了克服现有连铸小方坯生产技术的不足，解决连铸小方坯疏松缩孔、提高细化组织，本发明提供一种小方坯连铸铸轧工艺方法，包括以下步骤：
s01：快速冷却钢坯表面，使钢坯的表面和心部存在一定温差；
s02：控制铸轧温度，使得钢坯的铸轧温度高于钢坯相变温度；
s03：实施铸轧，对钢坯进行压下工艺加工；
s04：切割钢坯。
其中，步骤s01中，表面和心部温差不低于70℃。
其中，步骤s02中，铸轧温度高于钢坯相变温度80-100℃。
根据钢种，铸轧温度按奥氏体区实施，铸轧为一种压下加工工艺。
优选的，在步骤s02中，控制钢坯铸轧温度不低于920℃，铸坯角部不低于900℃，使铸坯角部和表面不出裂纹。
优选的，在步骤s01中，控制铸坯表面温度在1000-1060℃内，心部温度在1100-1160℃内，表面和心部温差在70-120℃内，达到铸轧时心部变形更好的效果。
优选的，在步骤s02中，钢坯的铸轧温度采用铸坯热跟踪模型控制。
优选的，在步骤s03与步骤s04中，保持铸坯速度与连铸的拉坯速度相一致。
优选的，步骤s03与步骤s04顺序互换，铸轧在切割后实施，铸坯速度根据铸坯切断情况控制，铸坯未切断时与连铸的拉坯速度相一致，铸坯切断后独立确定。
一种实现上述小方坯连铸铸轧工艺方法进行连铸小方坯生产的小方坯连铸铸轧工艺设备，包括设置在拉坯生产线上拉矫机后的铸轧装置、快冷装置和切割机，快冷装置位于铸轧装置和切割机之前，铸轧装置的位置在切割机之前或者在切割机之后。用快冷装置快速降低连铸坯表面的温度，使连铸坯心部温度来不及降低，控制表面和心部温差不低于70℃，且控铸轧温度在高于连铸坯加热相变温度或者冷却相变温度80-100℃的范围内，再以铸轧装置对连铸坯进行压下工艺加工，切割可以在铸轧前，也可以在铸轧后。
优选的，对连铸坯进行铸轧的铸轧装置为辊，包含上辊和下辊，辊的直径为430mm-630mm，铸轧的压下量rm通过控制辊缝开口度实现，当由上辊驱动时，压下量rm为15mm-25mm；当由双辊驱动时，压下量rm为15mm-50mm。
进一步的，辊铸轧过程满足的条件是：tanα＜μ，tanα的值通过cosα＝(d－rm)/d以及三角函数关系转换计算得到，其中：μ为辊与铸坯摩擦系数、d为辊的直径、rm为铸轧压下量，rm＝h0－h1，其中：h0为铸轧前铸坯厚度、h1为铸轧后铸坯厚度。
铸轧压下量的大小取决于小方坯与最终成品的断面面积比，断面面积比小的小方坯连铸坯采用大的压下量。
本发明的小方坯连铸铸轧工艺方法与设备为后续轧钢提供经过铸轧的连铸小方坯，这种连铸小方坯疏松缩孔经过铸轧达到一定程度的焊合，心部发生有效变形，一次铸轧的冶金效果相当几次的初轧的冶金效果，可以降低成材的轧制比。
附图说明
图1为小方坯连铸铸轧工艺方法流程图；
图2为小方坯连铸铸轧工艺方法与设备示意图；
图3为铸轧温度区间示意图；
图4为小方坯连铸坯温度控制原理图；
图5为钢种72a，断面180mm×180mm的实施例的铸坯热跟踪模型的铸坯温度曲线图；
图6为小方坯连铸铸轧工艺原理；
图7为小方坯连铸坯铸轧装置示意图；
图8为铸轧装置布置在切割机前工艺图；
图9为铸轧装置布置在切割机后工艺图。
图中：1-铸坯，2-拉矫机，3-铸轧装置，4-结晶器，5-快冷装置，6-上辊，7-下辊，8-二冷区，9-切割点，t1-拉矫区温度，t2-铸轧点温度，t1set-拉矫区设定温度，t2set-铸轧点设定温度，v-拉速，sf-二冷强度，qs-快冷强度，e(t)-偏差。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为解决技术问题所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，但不作为本发明要求的保护范围限定。
采取解决连铸小方坯疏松缩孔、提高细化组织的铸轧方法，为后续轧钢提供经过铸轧的连铸小方坯，是采用连铸小方坯生产大规格盘条、棒材生产的重要技术。
如图1所示的小方坯连铸铸轧工艺方法流程；包括以下步骤：
s01：快速冷却钢坯表面，使钢坯的表面和心部存在一定温差，为达到更佳效果，表面和心部温差不低于70℃；可在温差70℃-120℃之间优先选取75℃、85℃、90℃、100℃、105℃或者115℃，若低于70℃，心部得不到有效变形的效果，超过于120℃，表面很难达到要求的温度限制；
s02：控制铸轧温度，使得钢坯的铸轧温度高于钢坯相变温度，铸轧温度高于钢坯相变温度80-100℃；在实施中可优先选取铸轧温度高于钢坯相变温度86℃、90℃或者95℃，若铸轧温度高于相变温度超过100℃将容易导致钢坯铸态组织粗大，若铸轧温度高于相变温度小于80℃,钢坯铸态组织容易导致不均匀；
s03：实施铸轧，对钢坯进行压下工艺加工；根据钢种不同，铸轧温度按奥氏体区实施，铸轧是一种压下加工工艺；
s04：切割钢坯。然后进入下一步骤。步骤s03和步骤s04的顺序可互换，顺序不同对钢坯的拉速控制有可能存在差异。
如图2所示的小方坯连铸铸轧工艺方法与设备，在小方坯连铸生产线上，铸坯1从结晶器4出来，按照拉速v向前推进，在温度t1下经过拉矫机2，t1由铸坯表面温度ts1和心部温度tc1两个变量决定，可记为f1(ts1，tc1)，到快冷装置5时，铸坯表面温度被快速降低为ts2，而铸坯心部温度tc2还未来得及降低，使铸坯表面和心部温差δt＝ts2-tc2不低于70℃，t2由经快冷装置5冷却后的铸坯表面温度ts2和心部温度tc2两个变量决定，可记为f2(ts2，tc2)，控制铸轧温度t2相变温度以上80-100℃的范围内。
图3所示的铸轧温度区间，图中a3是连铸坯加热相变温度曲线，acm是冷却相变温度曲线(说明：a3和acm都是平衡相变温度曲线，热处理中加热时标记为ac3，冷却时为arcm，除非明确是加热或冷却的非平衡相变温度曲线，一般不加c或r，即分别表示为a3和acm)，控制铸轧温度t2在高于连铸坯相变温度曲线a3或者相变温度曲线acm以上80-100℃的范围内，由铸轧装置对铸坯进行铸轧。
图4是小方坯连铸坯温度控制原理，其中v表示拉速，sf表示二冷强度，qs表示快冷强度，t1set表示拉矫区设定温度(即拉矫区温度t1的设定值)，t2set表示铸轧点设定温度(即铸轧温度t2的设定值)，e(t)表示偏差，调节拉速v和外部冷却强度，通过小方坯连铸坯温度控制模型实现对温度t1和t2控制。
图5所示的钢种72a，断面180mm×180mm的实施例的铸坯热跟踪模型的铸坯温度曲线，拉速v-为1.5m/min，图中所示的中心温度曲线与表面温度曲线的差值δt即为钢坯表面和心部温差，铸轧时控制该温差不低于70℃。
图6所示的小方坯连铸铸轧工艺原理，通过铸轧装置3对经过拉矫机2后的铸坯1进行压下工艺加工。铸轧装置3为含上辊6和下辊7的一对辊轴(如图7所示)，有上辊带驱动和上下双辊带驱动两种形式，上辊带驱动设备简单，单一上辊带驱动铸轧装置空转辊的轧制力矩等于零，合力通过空转辊的中心，适用于压下量rm＝15-25mm的较小压力情况；上下辊带驱动适用于压下量rm＝15-50mm的情况。
铸轧装置可以布置在切割机前，也可以布置在切割机后。根据断面、拉速和钢种情况计算铸轧温度，确定布置位置。若铸轧装置布置在切割机前，如图8所示，铸轧的铸坯工件速度与连铸的拉坯速度相一致，上辊带驱动，铸轧辊的转速由驱动辊控制。若铸轧装置布置在切割机后，如图9所示，铸轧的铸坯工件速度根据铸坯切断情况控制，铸坯未切断情况下与连铸的拉坯速度相一致，铸坯切断情况下由铸轧装置独立确定。无论那种情况，铸轧辊的转速都由驱动辊控制。
本发明的小方坯连铸铸轧工艺方法与设备用于解决连铸小方坯疏松缩孔，提高中心区域的致密度。铸轧工艺要达到较好效果，需要控制小方坯铸坯在铸轧点的温度、表面温度，以不出现裂纹的奥氏体区，表面心部温差在70℃-120℃范围内，连铸生产中小方坯连铸坯冷却过程中的温度特点是表面优先冷却，心部温度高于表面，在这样的温度特点下进行轧制，容易使心部产生形变；铸轧压下量rm在15mm-50mm之间。铸轧压下量的大小取决于小方坯与最终成品的断面面积比，断面面积比小的小方坯连铸坯采用大的压下量。生产中开始时最好进行试验调整，已最终成品轧材的合格为原则。
对连铸坯断面为180×180mm的方坯铸轧，生产拉速v为1.4m/min，过热度为25℃，钢种72a，单辊压下，压下量rm为17mm，铸坯角部温度控制为940℃，表面温度1005℃，心部温度1110℃，表面和心部温差在105℃。
以缩孔\疏松评价方法，采用将密度值换算成单位质量的疏松体积进行对比，其公式如下所示。
式中：
vp—单位质量的疏松体积，cm3·g-1(m3·kg-1)；
ρquar.和ρcent.—铸坯1/4和1/2部位的试样密度，kg·m-3。
未实施铸轧的铸坯单位质量的疏松体积vp为1.6，而实施铸轧后的疏松度值明显减小，低至0.4，铸坯低倍组织显示心部区域晶粒比未实施铸轧的铸坯明显变形细化，铸坯中心区域组织得到了非常明显的改善效果，达到铸轧时心部变形最大化的效果。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。