包晶鋼矩形坯二冷配水制度優(yōu)化研究

朱立光 張彩軍 韓毅華 孫立根 陳 偉

(河北聯(lián)合大學(xué))

0 引言

以Q215、Q235為代表的包晶鋼是典型的裂紋敏感性鋼種。由于該鋼種在1495℃時(shí)，在凝固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)包晶反應(yīng)：δFe(鐵素體)+L(液體)→γFe(奧氏體)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的線收縮和體積收縮，其裂紋敏感性較大［1］。只有保證初生坯殼傳熱均勻，才能防止包晶相變誘發(fā)的各種裂紋，因此，一般多采用提高保護(hù)渣結(jié)晶化率和降低結(jié)晶器冷卻水量來(lái)實(shí)現(xiàn)所謂的弱冷工藝［2］。但是，對(duì)于斷面相對(duì)較大的矩形坯而言，角部二維傳熱和鑄坯寬面中心典型一維傳熱所造成的溫差極易誘發(fā)鑄坯偏離角區(qū)域的縱裂紋。從傳統(tǒng)工藝及理論角度出發(fā)，為防止縱裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，連鑄二冷區(qū)相應(yīng)地也應(yīng)該采用弱冷工藝［3-4］。

但在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄機(jī)裝備水平是影響鑄坯質(zhì)量的決定性因素。對(duì)于傳統(tǒng)的矩形坯連鑄機(jī)，鑄坯的鼓肚傾向嚴(yán)重，而鼓肚是導(dǎo)致大多數(shù)鑄坯質(zhì)量問(wèn)題的根源［5-6］。如果對(duì)于包晶鋼矩形坯采用二冷弱冷工藝，會(huì)加劇鼓肚的產(chǎn)生，誘發(fā)鑄坯偏離角縱裂、中間裂紋和三角區(qū)裂紋等，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量的大幅惡化。因此，筆者詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)包晶鋼矩形坯時(shí)存在的鑄坯質(zhì)量問(wèn)題，在優(yōu)化結(jié)晶器錐度和保護(hù)渣的基礎(chǔ)上獲得了結(jié)晶器出口處較均勻的坯殼，進(jìn)而構(gòu)建連鑄二冷區(qū)鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，對(duì)其連鑄二冷配水制度進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得了質(zhì)量較好的鑄坯。

1 凝固及二冷配水特點(diǎn)

一般把含碳量在0.08% ～0.15%鋼種稱(chēng)為包晶鋼。由相圖可見(jiàn)，其凝固正好處于包晶區(qū)，凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生包晶反應(yīng)，而凝固后繼續(xù)進(jìn)行固相轉(zhuǎn)變?chǔ)摹?，?dǎo)致在固相線溫度以下20℃ ～50℃鋼的線收縮最大。此時(shí)，結(jié)晶器彎月面剛凝固的坯殼隨著溫度的下降發(fā)生轉(zhuǎn)變，伴隨著0.38%的體積收縮，坯殼與銅板脫離，形成不均勻氣隙，導(dǎo)致初生坯殼不均勻生長(zhǎng)，熱流最小，在坯殼較薄處形成凹陷，從而應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋［7］。因此，包晶鋼鑄坯表面裂紋是鋼水在結(jié)晶器中凝固時(shí)形成的。首先在初生坯殼薄弱處產(chǎn)生微裂紋，然后出結(jié)晶器后在二冷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，如二冷冷卻強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)造成鑄坯表面溫降較快，斷面內(nèi)溫度梯度增大，熱應(yīng)力增大，若超過(guò)臨界應(yīng)力即發(fā)生裂紋，或在原有微裂紋處擴(kuò)展成明顯裂紋。

2 連鑄生產(chǎn)工藝參數(shù)及鑄坯質(zhì)量問(wèn)題

國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)Q235包晶鋼150 mm×350 mm矩形坯時(shí)，鑄坯出現(xiàn)鼓肚、中心裂紋和三角區(qū)裂紋等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，具體如圖1所示。

經(jīng)排除試誤分析，這與其連鑄二冷配水制度有很大的關(guān)系，為了改善鑄坯質(zhì)量，須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。表1和表2分別為該鋼種連鑄機(jī)設(shè)備及工藝參數(shù)和二冷噴嘴布置方式。

圖1 鑄坯存在的質(zhì)量問(wèn)題

表1 連鑄機(jī)設(shè)備及工藝參數(shù)

表2 二冷噴嘴布置

3 二冷配水制度優(yōu)化

3.1 二冷噴嘴測(cè)試分析

采用PZ-W＆P-Ⅲ型連鑄二冷噴嘴測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)連鑄機(jī)二冷用噴嘴進(jìn)行性能測(cè)試。主要測(cè)試性能包括：不同供水壓力下的水流密度、沖擊壓力分布、水流總量。測(cè)試條件：供水壓力范圍0.2 MPa～0.6 MPa，噴嘴斷面距鑄坯距離115 mm。表3是各型號(hào)噴嘴在0.3 MPa下的噴射角度和流量測(cè)試結(jié)果。

表3 各噴嘴0.3 MPa下噴射角度及水流量

由表3可以看出，8080噴嘴噴射角度略有偏小，11780噴嘴流量嚴(yán)重偏大。其它各噴嘴性能良好，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)各噴嘴進(jìn)行水流密度和沖擊壓力分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，8080噴嘴是橢圓型噴嘴，其中心部位水流密度較小，左右兩端較大，而且其噴射角度偏小;11780噴嘴在壓力較低時(shí)中心水流密度很小，而鑄機(jī)二冷水壓力非常低，這將導(dǎo)致水流覆蓋中間區(qū)域冷卻不良，影響鑄坯質(zhì)量，而且該噴嘴在0.3 MPa下流量14.4 L/min，比設(shè)計(jì)流量偏大23%，將導(dǎo)致該噴嘴噴射面過(guò)冷和其它部位噴水不足，這將導(dǎo)致鑄坯冷卻不良，有可能引起脫方和裂紋等質(zhì)量缺陷。15680噴嘴是橢圓型噴嘴，其加工工藝較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型及冶金準(zhǔn)則

結(jié)合二冷噴嘴測(cè)試結(jié)果，構(gòu)建鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型，根據(jù)鑄坯的對(duì)稱(chēng)性，為簡(jiǎn)化計(jì)算只選取1/4鑄坯斷面進(jìn)行分析。

3.2.1 主控方程

連鑄熱過(guò)程的主控方程為下述的非穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程：

式中：ρ——鋼水密度;

T—— 溫度;

t—— 時(shí)間;

c—— 比熱;

k—— 導(dǎo)熱系數(shù);

相變過(guò)程中產(chǎn)生的潛熱L可用下式表示：

式中：fs——代表固相分率。

這里用熱焓(H)方法來(lái)簡(jiǎn)化上述兩個(gè)公式。與等效熱容法相比，熱焓法避免了等效熱熔法對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的嚴(yán)格限制，可提高計(jì)算精度。在熱焓法中，諸如比熱、潛熱、密度等非線性參數(shù)可用如下一個(gè)參數(shù)代替：

這樣熱傳輸主控方程可描述為：

與鑄坯橫向帶走的熱量相比，拉坯方向傳熱可忽略不計(jì)。這樣公式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化成為二維形式：

3.2.2 基本假設(shè)

上述連鑄過(guò)程熱傳輸數(shù)學(xué)模型基于下列假設(shè)：忽略結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為，鑄坯兩相區(qū)和液芯的對(duì)流傳熱靠增大鋼液導(dǎo)熱系數(shù)值3～6倍進(jìn)行考慮;k(T)，H(T)，ρ(T)僅隨溫度變化;忽略結(jié)晶器振動(dòng)、結(jié)晶器錐度和凝固偏析的影響;忽略彎月面的影響;視彎月面處熔融金屬的溫度為澆注溫度。

3.2.3 初邊界條件

初始條件和邊界條件為：在結(jié)晶器上表面，假設(shè)鋼水溫度與中間包澆注溫度(T0)相等，也即t=0時(shí)刻，T=T0。

結(jié)晶器內(nèi)邊界條件屬于第二類(lèi)邊界條件［8］，其表達(dá)式為：

式中：a——為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

b——是結(jié)晶器冷卻水量、冷卻水溫差、鑄坯結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的函數(shù)。

在二冷區(qū)，邊界結(jié)點(diǎn)熱流率與邊界溫度成線性關(guān)系，即：

式中：Tw——鑄坯表面溫度;

T∞——冷卻水溫度;

hf——鑄坯與水之間的給熱系數(shù)，這里取hf=581w0.451(1-0.0075Tw)［9］，其中 w 為水流密度(L·m-2·s-1)，該值可根據(jù)冷卻水量、冷卻水溫等參數(shù)計(jì)算得到。

在空冷區(qū)，以輻射傳熱為主，輻射傳熱熱流密度采用四次方定律。

3.2.4 求解方法

本模型的求解選用ANSYS。ANSYS分析過(guò)程包含三個(gè)主要步驟［10］。

1)建立有限元模型：①創(chuàng)建或讀入幾何模型;②定義材料屬性;③劃分網(wǎng)格。

2)施加載荷并求解：①施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件;②求解。

3)查看結(jié)果：① 查看分析結(jié)果;② 檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)。

有限單元模型及其網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 有限單元模型及網(wǎng)絡(luò)劃分

3.2.5 冶金準(zhǔn)則

1)鑄機(jī)冶金長(zhǎng)度限制準(zhǔn)則：為了保證鑄坯質(zhì)量，鑄坯在矯直前應(yīng)該完全凝固。

2)結(jié)晶器出口處鑄坯坯殼厚度限制準(zhǔn)則：為了避免漏鋼事故的發(fā)生，結(jié)晶器出口處鑄坯最小坯殼厚度應(yīng)在8 mm～15 mm左右。

3)鑄坯表面冷卻速度限制準(zhǔn)則：沿鑄坯長(zhǎng)度方向，鑄坯的表面冷卻速度一般控制在150℃/m以下。

4)鑄坯表面溫度回升限制準(zhǔn)則：在鑄坯接近完全凝固時(shí)，過(guò)大的溫度回升會(huì)產(chǎn)生中心偏析和中心裂紋。鑄坯表面溫度回升一般控制在100℃/m以下。

5)脆性區(qū)鑄坯矯直變形限制準(zhǔn)則：矯直區(qū)的鑄坯表面溫度應(yīng)避開(kāi)低延性區(qū)溫度，以免矯直時(shí)鑄坯表面產(chǎn)生橫裂。通常采取的措施是調(diào)整二冷制度，保證鑄坯在矯直點(diǎn)的溫度高于塑性較低的第三溫度區(qū)，保持在900℃以上。

6)二冷區(qū)鑄坯表面溫度限制準(zhǔn)則：二冷區(qū)內(nèi)鑄坯表面溫度波動(dòng)范圍應(yīng)保證在900℃ ～1200℃范圍內(nèi)。

3.3 鑄坯溫度場(chǎng)分析及配水方案的確定

根據(jù)冶金準(zhǔn)則，對(duì)鑄坯凝固傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬求解，模擬結(jié)果如下：

3.3.1 原有配水制度下鑄坯溫度場(chǎng)

根據(jù)原有配水方案模擬計(jì)算出拉速在1.5 m/min下鑄坯相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度曲線如圖3所示。

圖3 鑄坯特殊點(diǎn)溫度歷程

由圖3可以看出，當(dāng)拉速為1.5 m/min時(shí)，鑄坯表面寬面中心溫度范圍為903℃～1149℃，在整個(gè)二冷區(qū)內(nèi)，最高返溫為215℃，集中在二冷四段。鑄坯表面窄面中心溫度范圍為967℃～1130℃，在整個(gè)二冷區(qū)內(nèi)，最高返溫為144℃，集中在二冷二段。因此，較高的鑄坯溫度和回溫導(dǎo)致了鼓肚的產(chǎn)生，進(jìn)而誘發(fā)前述的各種鑄坯質(zhì)量問(wèn)題，配水方案亟待優(yōu)化。

3.3.2 優(yōu)化二冷配水后鑄坯溫度場(chǎng)

根據(jù)原有配水制度下的模擬結(jié)果，調(diào)整二冷各段水量，優(yōu)化后的配水方案和關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化后的配水方案和關(guān)鍵點(diǎn)溫度計(jì)算值

由表4可以看出，采用優(yōu)化后的配水方案，鑄坯的寬面和窄面溫度變化區(qū)域較平緩，在符合基本的配水準(zhǔn)則條件下，進(jìn)一步優(yōu)化了鑄坯的溫度場(chǎng)。

4 二冷配水優(yōu)化后鑄坯質(zhì)量分析

該廠采用優(yōu)化后的水表進(jìn)行了 Q235鋼種150 mm×350 mm矩形坯的連鑄生產(chǎn)，并對(duì)拉速1.5 m/min下的鑄坯進(jìn)行取樣進(jìn)行分析，得到的鑄坯低倍照片如圖4所示。

圖4 鑄坯低倍照片

由圖4可以看出，二冷配水制度進(jìn)行優(yōu)化后，鑄坯表面質(zhì)量良好，沒(méi)有明顯的鼓肚變形，僅窄邊存在輕微凹陷。鑄坯內(nèi)部質(zhì)量良好，中心裂紋0級(jí)，中心縮孔0級(jí)，中心疏松0.5級(jí)。

5 結(jié)論

1)鑄機(jī)裝備水平是鑄坯質(zhì)量的決定性因素，合理的二冷配水必須以鑄機(jī)裝備為基礎(chǔ)。

2)包晶鋼連鑄生產(chǎn)應(yīng)加強(qiáng)噴嘴性能檢測(cè)驗(yàn)收，以保證鑄坯在二冷區(qū)均勻穩(wěn)定冷卻。

3)當(dāng)二冷比水量為 1.1 L/kg～1.4 L/kg時(shí)，鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量均得到改善。

6 展望

以Q215、Q235為代表的包晶鋼產(chǎn)品目前應(yīng)用廣泛，在基礎(chǔ)的建材與窄帶市場(chǎng)需求量大，因此也成為眾多中小型鋼鐵企業(yè)的主力生產(chǎn)品種，但由于各企業(yè)起點(diǎn)、發(fā)展戰(zhàn)略不同，導(dǎo)致其澆鑄包晶鋼的鑄機(jī)裝備千差萬(wàn)別，工藝操作水平參差不齊，這就使得已有的同行生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)很難簡(jiǎn)單的復(fù)制到各廠自己的實(shí)際生產(chǎn)中。而且在鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級(jí)的行業(yè)大背景下，產(chǎn)量已不能代表經(jīng)濟(jì)效益，如何生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄坯才是煉鋼廠當(dāng)前需要解決的首要問(wèn)題。因此只有立足于自身工藝操作和裝備水平基礎(chǔ)上的鑄坯質(zhì)量?jī)?yōu)化才是各企業(yè)的正確發(fā)展方向。

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