窄斷面異型坯工藝參數(shù)分析及改進研究

賈敬偉，楊鵬輝，毛偉龍

（日照鋼鐵控股集團有限公司型材制造部，山東 日照 276806）

0 引言

由于異型坯的斷面復雜，斷面上各點散熱條件差別較大，腹板為一維傳熱，翼緣頂為二維傳熱，橫截面上各點溫差大，二次冷卻時各面噴水冷卻不均勻，加之斷面復雜，應力難以相互抵消，鑄坯受內(nèi)應力相對較大，腹板圓角附近應力更為集中，因此異型鑄坯表面裂紋控制較規(guī)則斷面鑄坯更難。結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動會對凝固坯殼產(chǎn)生強烈的沖刷作用，而異型坯斷面形狀特殊，鋼液對不同部位坯殼的沖刷強度不同，造成坯殼在出結(jié)晶器時厚度不一。異型坯內(nèi)凝固坯殼均勻、穩(wěn)定生長是獲得鑄坯良好質(zhì)量和防止拉漏事故發(fā)生的先決條件。揭示初始凝固坯殼生長行為，對于控制異型坯質(zhì)量至關(guān)重要。日照鋼鐵控股集團有限公司通過對異型坯開展一系列攻關(guān)，使正常生產(chǎn)時的裂紋率可控到0.5%以內(nèi)，但當前窄斷面BB1（450 mm×350 mm×100 mm）裂紋率為寬斷面BB2（750 mm×370 mm×100 mm）的4 倍，且全部集中于鑄坯外弧側(cè)，因此針對窄斷面和寬斷面結(jié)晶器內(nèi)流場和溫度場數(shù)值模擬分析，以探究鑄坯初生坯殼的差距，為后續(xù)異型坯表面質(zhì)量控制指導方向。

1 異型坯裂紋產(chǎn)生機理分析

1.1 異型坯應力分析

異型坯在凝固過程中主要受3 種應力的作用[1]：

1）熱應力。連鑄坯是通過表面強制冷卻的方式進行傳熱的，因此其橫截面上溫度分布不均勻，表面溫度低，中間溫度高，溫度梯度的存在會使坯殼受到熱應力；同時在鑄坯凝固過程中，沿鑄坯長度方向，溫度逐漸降低并伴隨有表面溫度回升，這種溫度梯度的變化也會造成熱應力。

2）鋼水靜壓力造成的鼓肚應力。坯殼在高溫鋼水的靜壓力作用下，向外鼓脹，在相鄰兩對夾輥之間容易發(fā)生鼓肚變形，產(chǎn)生鼓肚應力。在相鄰兩支導輥之間，鑄坯凝固前沿受到壓應力，坯殼外表面受到拉應力；而在支撐輥處，應力狀態(tài)正好相反。因此，坯殼表面和凝固前沿不斷受到較強幅度的拉應力—壓應力—拉應力的循環(huán)變化，表面和凝固前沿易產(chǎn)生裂紋，已產(chǎn)生的微裂紋也易于擴展。

3）機械應力。一方面是導輥位置不對中或彎曲變形使鑄坯受到的額外的應力；另一方面是正常生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的機械應力，如異型坯在結(jié)晶器內(nèi)和出結(jié)晶器后對其8 個面的支撐，使鑄坯在凝固收縮過程中腹板和翼緣受到結(jié)晶器和支撐輥的拉應力。受結(jié)晶器兩側(cè)內(nèi)緣和支撐輥的阻擋，鑄坯無法進行左右位置調(diào)整來減小和消除在腹板及內(nèi)緣處產(chǎn)生的拉應力。所以，異型坯腹板和內(nèi)緣處的坯殼在凝固過程中所受到的拉應力比規(guī)則鑄坯大。另外，鑄坯在彎曲或矯直過程中，產(chǎn)生彎曲或矯直應力，使內(nèi)弧凝固殼和凝固前沿總是受到拉應力的作用。

1.2 異型坯凝固特性及裂紋產(chǎn)生機理

鑄流在結(jié)晶器內(nèi)通過強制冷卻，形成2～5 mm 厚的激冷層，由于異型坯斷面特性，翼梢為二維傳熱，凝固速度快，坯殼的剛度、強度大，而腹板為一維傳熱，內(nèi)緣處坯殼比表面積較腹板更小，凝固速率也較腹板處的坯殼更小，因此內(nèi)緣處的坯殼最薄而且凝固前沿的溫度梯度最大，柱狀晶的生產(chǎn)最發(fā)達[2]，結(jié)晶器冷卻越強、澆注溫度越高，坯殼內(nèi)外溫差就越大，就越有利于柱狀晶的生長。同時異型坯獨特的形狀使翼緣和腹板在凝固的過程中收縮而產(chǎn)生拉應力，但由于結(jié)晶器兩側(cè)內(nèi)緣的阻擋，鑄坯無法在結(jié)晶器內(nèi)進行左右位置調(diào)整來減小或消除在腹板和內(nèi)緣處產(chǎn)生的拉應力。因此，異型坯腹板和內(nèi)緣處的坯殼在凝固過程中所受的拉應力比規(guī)則鑄坯大。

通過對異型坯凝固特性和應力分析可知：在粗大的柱狀晶之間、腹板和澆注點附近容易產(chǎn)生偏析；異型坯在凝固過程中受熱應力、鼓肚應力和機械應力等綜合作用，在坯殼的薄弱部位產(chǎn)生初始裂紋[3]。

2 不同斷面結(jié)晶器流場和溫度場模擬分析

通過面掃描的方式得到三維結(jié)晶器圖，如圖1 所示，并對其利用分塊的方式進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分。

圖1 三維模型圖和彎月面網(wǎng)格示意圖

窄斷面異型坯正常工藝參數(shù)生產(chǎn)，通過模擬得到以下流場和溫度場主要特征：

1）鋼液在結(jié)晶器下部形成回流，沖刷凝固坯殼，R角離流股最近，沖刷效果最為顯著，BB2、BB1 斷面分別自鋼液面以下0.42 m、0.40 m 后坯殼發(fā)生重融現(xiàn)象。BB2、BB1 斷面回流最低位置在鋼液面以下0.85 m、0.77 m 處，渦心位置距彎月面分別為0.4 m、0.38 m。BB2 斷面沖擊深度大于BB1 斷面。

2）異型坯斷面形狀特殊，鋼液對不同部位坯殼的沖刷強度不同，造成坯殼在結(jié)晶器出口厚度不一，BB2 斷面腹板、R 角外弧最小坯殼厚度分別為19.27 mm、12.8 mm，BB1 斷面腹板、R 角坯殼厚度為14 mm、9.95 mm，在外弧BB2 斷面R 角與腹板平均坯殼厚度之間相差31.9%，BB1 斷面相差28.9%。BB2 斷面腹板與R 角坯殼厚度的均勻性小于BB1 斷面。

3）由于結(jié)晶器弧度的存在，鋼液對外弧一側(cè)坯殼的沖刷的強度略高于內(nèi)弧，在結(jié)晶器出口處，BB2、BB1 斷面R 角部位外弧表面坯殼溫度高于內(nèi)弧溫度，分別高出12 K、10 K，外弧坯殼厚度小于內(nèi)弧坯殼厚度，最大達0.67 mm、0.23 mm。

3 窄斷面異型坯不同工藝參數(shù)下結(jié)晶器流場和溫度場分析

3.1 拉速

拉速參數(shù)設(shè)定為1.10m/min、1.30m/min、1.55m/min。沖擊深度隨拉速的變化情況如圖2 所示，結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度及坯殼厚度對比情況如圖3 所示。

圖2 沖擊深度隨拉速的變化情況

圖3 不同拉速下結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比圖

1）由圖2 及圖3 可知，隨拉速增加，沖擊深度隨之增加，結(jié)晶器出口坯殼表面溫度提高，坯殼厚度減薄。且在R 角內(nèi)外弧上溫度、坯殼厚度的不均勻性增加。

2）R 角與腹板之間坯殼厚度差值與腹板坯殼厚度的比值隨拉速的增加而增加，如表1 所示。

表1 拉速對腹板及R 角坯殼厚度的影響

3.2 過熱度

過熱度參數(shù)設(shè)定為15 K、25 K、35 K，不同過熱度下渦心及回流位置如圖4 所示，結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比情況如圖5 所示。

圖4 渦心及回流位置情況

圖5 不同過熱度下結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比圖

1）由圖4、圖5 可知，隨過熱度增加，結(jié)晶器內(nèi)鋼水渦心及回流位置未發(fā)生變化，過熱度對R 角坯殼表面溫度和坯殼厚度影響較大，過熱度增大，坯殼表面溫度提高，坯殼厚度減薄。

2）R 角與腹板之間坯殼厚度差值與腹板坯殼厚度比值隨過熱度的增加而增加，R 角內(nèi)外弧坯殼表面溫度、坯殼厚度之差隨過熱度的增加而增加，如表2 所示。

表2 過熱度對腹板及R 角坯殼厚度相差百分比的影響

3.3 水口內(nèi)徑

水口參數(shù)設(shè)定為25 mm、30 mm、35 mm，沖擊深度隨水口內(nèi)徑變化情況如圖6 所示，結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比情況如圖7 所示。

圖6 沖擊深度隨水口內(nèi)徑變化情況

圖7 不同水口內(nèi)徑下結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比圖

1）由圖6、圖7 所示，沖擊深度隨水口內(nèi)徑的增加而減小，水口內(nèi)徑對R 角坯殼表面溫度和坯殼厚度影響較大，內(nèi)徑增大，坯殼表面溫度降低，坯殼厚度增大。

2）R 角與腹板之間坯殼厚度差值與腹板坯殼厚度比值隨內(nèi)徑的變化不大，如表3 所示。

表3 水口內(nèi)徑對腹板及R 角坯殼厚度相差百分比的影響

3.4 浸入式水口插入深度

浸入式水口插入深度參數(shù)設(shè)定為55 mm、70 mm、85 mm，沖擊深度隨插入深度的變化情況如圖8 所示，結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比情況如圖9 所示。

圖8 沖擊深度隨插入深度的變化情況

圖9 不用水口插入深度下結(jié)晶器出口內(nèi)外弧溫度、坯殼厚度對比圖

1）由圖8、圖9 所示，結(jié)晶器內(nèi)鋼水沖擊深度隨插入深度的增加而增加，但趨勢不明顯。浸入式水口插入深度對R 角坯殼表面溫度和坯殼厚度影響較大，深度增大，坯殼表面溫度增大，坯殼厚度減薄。

2）R 角與腹板之間坯殼厚度差值與腹板坯殼厚度比值隨深度的增加而增加，但是影響不大，如表4所示。

表4 水口插入深度對腹板及R 角坯殼厚度相差百分比的影響

4 結(jié)論

1）通過對BB2 斷面和BB1 斷面異型坯流場和溫度場分析，BB2 斷面腹板與R 角坯殼厚度的均勻性小于BB1 斷面，而實際生產(chǎn)中BB1 斷面裂紋率是BB2斷面裂紋率4 倍，且集中于外弧側(cè)，通過溫度場分析，初生坯殼厚度BB1 斷面小于BB2 斷面，外弧側(cè)厚度小于內(nèi)弧側(cè)，后續(xù)應針對不同工藝參數(shù)進行分析，從而增加BB1 斷面坯殼厚度。

2）參考BB1 斷面沖擊深度不過彎月面以下0.8 m，以及自身的坯殼厚度規(guī)律，應該控制BB1 斷面拉速在1.30 m/min 以下。

3）建議控制BB1 斷面的過熱度在25 K 以下，因為過熱度對R 角穩(wěn)定、坯殼厚度影響較大，但是對腹板的影響不大。同時優(yōu)化保護渣的理化性能，保證低過熱度下保護渣的潤滑作用，防止黏結(jié)漏鋼。

4）在結(jié)晶器外弧R 角增加一定的水量，保證出結(jié)晶器時坯殼厚度在內(nèi)外弧側(cè)的均勻性。

5）插入深度對R 角坯殼表面溫度和坯殼厚度影響較大，深度增大，坯殼表面溫度增大，坯殼厚度減薄，應試驗選擇合適的浸入式水口插入深度。