大型真空錠澆注過程溫度控制分析

陳海堤 邱 斌 王 濤 鄧 琴 馬 平 稅遠(yuǎn)強(qiáng)

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618000)

大型真空錠澆注過程溫度控制分析

陳海堤 邱 斌 王 濤 鄧 琴 馬 平 稅遠(yuǎn)強(qiáng)

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618000)

以450 t鋼錠與340 t鋼錠生產(chǎn)為例，分析大型真空錠澆注過程中溫度的控制。通過分析與曲線擬合，得出大型鋼錠多包合澆過程中各包溫降與溫降因子的關(guān)系式，為優(yōu)化出鋼溫度提供較好的理論依據(jù)。

大型真空錠;澆注溫度;溫降因子

隨著電力、冶金、石化、航天、造船等工業(yè)設(shè)備向整體化和大型化發(fā)展，大型鍛件的需求量和制造等級(jí)不斷提高。大型鋼錠不可避免的會(huì)產(chǎn)生偏析，存在縮孔、疏松等冶金缺陷，為此國內(nèi)外制造廠不斷更新冶煉設(shè)備及工藝，努力提高鋼水純凈度等［1，2］。雖然國內(nèi)大鍛件的生產(chǎn)具有一定規(guī)模，但是與發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距。作者查閱資料發(fā)現(xiàn)，關(guān)于大型鋼錠澆注過程中的關(guān)鍵參數(shù)——溫度控制的報(bào)道和研究比較少。而若要減少大型鋼錠的偏析、疏松，防止錠身部位產(chǎn)生縮孔，保證鋼錠的順序凝固就必須精確控制各包的澆注溫度［3，4］。

為了優(yōu)化特大鋼錠澆注過程中的溫度控制參數(shù)，進(jìn)一步提高大型鋼錠的凝固質(zhì)量，我們對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究其變化規(guī)律。

1 統(tǒng)計(jì)分析的基本參數(shù)定義

因大型鋼錠產(chǎn)品錠型較多，鋼種各異，選擇的工藝流程及合澆方式不同，為了使統(tǒng)計(jì)分析更加準(zhǔn)確，選擇二重當(dāng)前產(chǎn)品的典型代表——450 t A鋼種鋼錠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(1)分析過程同時(shí)需要考慮到出鋼溫度、鎮(zhèn)靜時(shí)間、兌鋼測溫時(shí)間、冶煉噸位與鋼水溫降之間的關(guān)系，所以引入系數(shù)ε，命名為溫降因子，其定義式如下:

式中 T出——出鋼溫度，單位為℃;

t1——鋼水鎮(zhèn)靜時(shí)間，單位為min;

t2——兌鋼測溫時(shí)間，單位為min;

M——冶煉鋼水噸位，單位為t。

(2)定義:澆注過程中的溫降符號(hào)為△T，單位為℃;鋼包內(nèi)鋼水單位時(shí)間溫降符號(hào)為△t，單位為℃/min;出鋼溫度為T出，單位為℃;中間包溫度為T中，單位為℃;A鋼種:澆注溫度較低的鋼種;B鋼種:澆注溫度較高的鋼種。

(3)考慮到澆注過程都在中間包內(nèi)進(jìn)行，而且都采用相同規(guī)格的中間包，中間包的烘烤條件、砌筑結(jié)構(gòu)基本一致，可以認(rèn)為鋼水兌入中間包后的溫降應(yīng)該是與鋼種溫度特性相關(guān)的一個(gè)常量，所以分析統(tǒng)計(jì)圖表時(shí)采用二次曲線擬合。

2 澆注過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 澆注過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)第一包鋼水從出鋼到中間包的測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果剔除異常爐次，繪制成溫降曲線，見圖1。

對(duì)圖形進(jìn)行二次曲線擬合，得出如下公式:

式中，x即為ε，y即為澆注過程溫降△T，39.006取值39，所以公式(2)可以轉(zhuǎn)化為近似公式:

圖1 第一包澆注溫降曲線分析圖Figure 1 Analytic graph of the first ladle pouring temperature drop curve

圖2 第二包澆注溫降曲線分析圖Figure 2 Analytic graph of the second ladle pouring temperature drop curve

圖3 第三包澆注溫降曲線分析圖Figure 3 Analytic graph of the third ladle pouring temperature drop curve

圖4 溫差范圍示意圖Figure 4 Illustrated diagram of temperature difference range

從公式(3)可以得出，鋼水兌入中間包的溫降為39℃，將39℃代入公式(4)中求出鋼包內(nèi)鋼水的單位時(shí)間溫降，列入表1中。

表1 鋼包內(nèi)鋼水的單位時(shí)間溫降Table 1 Tem perature drop per m inute of themolten steel in the ladle

表2 溫差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表Table 2 Static data of tem perature difference

從表1得出該鋼種的單位時(shí)間溫降為0.26℃/min。它是與ε相關(guān)的一個(gè)常數(shù)，可認(rèn)為其值為(0.26±0.05)℃/min。

第一包鋼水兌入中間包的溫度為:

對(duì)第二包鋼水從出鋼到中間包的測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果剔除異常爐次，繪制成溫降曲線，見圖2。對(duì)圖形進(jìn)行曲線擬合。因?yàn)闈沧⑦^程中中間包溫度比較穩(wěn)定，不同時(shí)間測定的溫度相差較小，在對(duì)比多種曲線擬合情況后，選擇較為簡單且能較好解釋上述問題的一次曲線進(jìn)行擬合分析，得出以下公式:

對(duì)第三包鋼水從出鋼到中間包的測溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果剔除異常爐次，繪制溫降曲線，見圖3。

對(duì)圖3進(jìn)行一次曲線擬合，得出以下公式:

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上數(shù)據(jù)、分析模型的可靠性，對(duì)A鋼種的澆注數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果列入表2，并繪制溫差范圍示意圖，見圖4。

從表2和圖4可以看到，統(tǒng)計(jì)出的各包溫降集中在比較窄的范圍內(nèi)，并且平均值與中間值非常接近，說明溫度控制水平較穩(wěn)定。

由A鋼種鎮(zhèn)靜溫降為0.26℃/min，第一包從吊包到測溫時(shí)間間隔約30 min，采用第一包的溫差平均值47℃計(jì)算，得出中間包溫降為39℃。表2中④和⑤為兌鋼過程的輻射溫降，基本可以看成是與鋼種溫度特性相關(guān)的常量。

中間包溫降分為注流溫降和中間包耐材吸熱溫降。可以計(jì)算出中間包耐材吸熱溫降約為14℃(這一點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)B鋼種的數(shù)據(jù)時(shí)也得到很好的證明)。注流溫降約為25℃，這一點(diǎn)與公式(6)、(7)擬合的結(jié)果28℃、25℃基本吻合。

表3 兩種錠型分析結(jié)果Table 3 Analysis results of two types of ingots

綜上所述，本文提出的大型真空鋼錠澆注過程溫度分析模型能夠較好的反應(yīng)本廠的控制水平，符合現(xiàn)場操作條件，對(duì)冶煉溫度參數(shù)的制定與控制有很好的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)果討論與工藝改進(jìn)措施

3.1 結(jié)果討論

(1)根據(jù)以上分析模式對(duì)B鋼種的大型鋼錠進(jìn)行了分析，結(jié)果列入表3。不同澆注溫度的兩個(gè)鋼種，雖然在注流溫降上存在差異，這點(diǎn)也與熱輻射理論相同，但中間包耐材吸熱溫降卻非常吻合，說明本廠中間包的工作條件是非常穩(wěn)定的。

(2)不同鋼種、不同合澆方式、鋼水噸位、鋼包使用等對(duì)后澆包兌鋼溫降有一定影響。當(dāng)這些條件相似時(shí)，中間包兌鋼過程溫降也是相當(dāng)?shù)摹?/p>

(3)同鋼種在鎮(zhèn)靜過程中，因?yàn)閲嵨缓玩?zhèn)靜時(shí)間差別形成的鎮(zhèn)靜單位時(shí)間溫降不同，但是變化較小，不同鋼種則差別較大。A鋼種澆注前鎮(zhèn)靜單位時(shí)間溫降約為(0.26±0.05)℃/min，B鋼種則為(0.33±0.05)℃/min。

(4)采用統(tǒng)計(jì)公式對(duì)多支特大型鋼錠進(jìn)行計(jì)算，誤差小于6%(10℃)的鋼錠占83%。個(gè)別爐次波動(dòng)較大，分析認(rèn)為該現(xiàn)象是澆注過程中測溫點(diǎn)、測溫間隔存在差異形成原始數(shù)據(jù)波動(dòng)造成的。

(5)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，總的溫降=鎮(zhèn)靜溫降+注流溫降+中間包吸熱溫降。鋼水兌入中間包后，因鋼水裸露，存在表面輻射，其散熱量占總溫降的10%左右［5］。所以中間包吸熱溫降又可細(xì)分為中間包吸熱溫降和中間包鋼水表面溫降，四者分別占總溫降的16%、10%、54%、20%。對(duì)鋼水溫降影響的排序?yàn)?注流溫降、中間包吸熱溫降、鎮(zhèn)靜溫降、中間包鋼水表面溫降。

3.2 工藝改進(jìn)措施

針對(duì)上述研究結(jié)果提出以下工藝改進(jìn)措施:

(1)研究新的澆注方式，如鋼包直接澆注、長水口澆注或浸入式水口澆注等，降低注流溫降。

(2)加強(qiáng)中間包的烘烤，同時(shí)加入中間包保溫材料，降低中間包吸熱溫降。

(3)協(xié)調(diào)生產(chǎn)，合理安排吊包時(shí)間，保證吊包、澆注的流暢性，減少鋼包的滯空時(shí)間，降低鎮(zhèn)靜溫降。

(4)設(shè)計(jì)使用整體蓋板，減少鋼液面的輻射及冷空氣的對(duì)流散熱，降低中間包鋼水表面溫降。

4 結(jié)束語

綜上所述，作者認(rèn)為同一生產(chǎn)廠家，對(duì)于大型鋼錠澆注溫度的影響因素基本固定，對(duì)其影響較大的因素為鋼種和工藝模式。為了精確控制大型鋼錠澆注溫度，對(duì)大型鋼錠的澆注提出以下建議:盡量采用相同工藝澆注模式，穩(wěn)定操作水平;完善澆注過程測溫規(guī)范，確定測溫位置與測溫間隔時(shí)間，以便能夠準(zhǔn)確反應(yīng)包內(nèi)溫度，提供準(zhǔn)確的原始分析數(shù)據(jù)。

本文分析模型中的數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步豐富，要對(duì)溫降曲線和分析模型不斷進(jìn)行修正，更好的反應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)情況。要進(jìn)行更準(zhǔn)確的原始數(shù)據(jù)積累，更好的為工藝參數(shù)的制定提供理論依據(jù)，以提高我國大型及特大型鋼錠的凝固質(zhì)量。

［1］ 張明康.大型鋼錠凝固特性初步分析［J］.大型鑄鍛件，1997(4):16-20，23.

［2］ 金楊，安紅萍，等.大型鋼錠凝固特性的初步研究［J］.大型鑄鍛件，2011(1):5-8.

［3］ 沈厚發(fā)，方大成.大型鋼錠中通道(A、V)偏析的預(yù)測及防止［J］.大型鑄鍛件，1995(3):45-47.

［4］ 亓俊杰，梁小平，等.大型鋼錠A偏析的形成機(jī)理及影響因素［J］.大型鑄鍛件，2010(3):42-45.

［5］ G.Henzel，JR.J.Keverial.Ladle Temperature loss，Proceedings of Electric Furnace Connference，1961:435～453.

編輯 杜青泉

Analysis of Temperature Control in Casting Process for Large Vacuum Ingot

Chen Haidi，Qiu Bing，Wang Tao，Deng Qin，M ao Pin，Shui Yuanqiang

Production of450 tand 340 t ingots are used an example，to analyze the temperature control in the casting processes for the large vacuum ingot.Bymeans of analysis and curve fitting，the relation between the temperature drop of each ladle and temperature drop factor in themultiple-ladle casting process for the large ingothas been educed，which provides better theoretical basis to optimize the tapping temperature ofmolten steel.

Large vacuum ingot;pouring temperature;temperature drop factor

TF777

B

2013—05—26