應(yīng)用射釘實(shí)驗(yàn)修正厚板坯連鑄機(jī)輕壓下模型的研究

于曉梅

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司品質(zhì)保證部，山東 萊蕪，271104）

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)連鑄工序解決連鑄坯中心偏析和疏松的一種非常有效的手段，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們都進(jìn)行過深入研究[1]。動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的工藝參數(shù)分為動(dòng)態(tài)輕壓下區(qū)間、動(dòng)態(tài)輕壓下量[2]和壓下量在各個(gè)扇形段的分配，在實(shí)際生產(chǎn)中，只有合理的使用這些工藝參數(shù)，與實(shí)際的鋼種、拉速、配水配合好，才能獲得較好的連鑄坯偏析與疏松的等級(jí)。但由于連鑄生產(chǎn)過程連鑄坯是多維傳熱，高溫鑄坯內(nèi)部熱傳導(dǎo)的多變性，因此不同的煉鋼廠不同的生產(chǎn)工藝和不同的連鑄機(jī)配制，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)連鑄機(jī)在配制動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)時(shí)，采用不同的工藝參數(shù)。目前各個(gè)鋼廠都是根據(jù)各自的工藝特點(diǎn)和設(shè)備配制，結(jié)合自己連鑄機(jī)的特點(diǎn)來設(shè)定符合自己生產(chǎn)條件的輕壓下參數(shù)。

連鑄坯凝固坯殼厚度是連鑄生產(chǎn)中一個(gè)非常重要參數(shù)，它直接反映著鑄坯的冷卻狀況和拉速的合理程度。本項(xiàng)目采用射釘法對(duì)鑄機(jī)的坯殼厚度、液相穴長(zhǎng)度、凝固系數(shù)等方面進(jìn)行研究，并依據(jù)射釘法研究的數(shù)據(jù)和結(jié)果來對(duì)鑄機(jī)的二次冷卻、輕壓下區(qū)間、鑄機(jī)拉速等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

傳熱模型計(jì)算結(jié)果的可靠性與鑄坯所受到的實(shí)際冷卻條件密切相關(guān)。在結(jié)晶器區(qū)域，鑄坯受到的冷卻與結(jié)晶器進(jìn)出水量、溫差、有效冷卻面積相關(guān)，利用熱平衡原理，可以準(zhǔn)確確定出鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)所受到的冷卻強(qiáng)度。實(shí)際對(duì)傳熱模型計(jì)算結(jié)果可靠性影響較大的是二冷區(qū)邊界條件，為此本研究中引入了修正系數(shù)，對(duì)鑄坯二冷區(qū)冷卻邊界條件進(jìn)行修正，將射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果及傳熱模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以確定修正系數(shù)[3]。

壓下區(qū)間是動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)最重要的參數(shù)，這個(gè)區(qū)間由鑄坯凝固末端的位置決定。我們根據(jù)動(dòng)態(tài)輕壓下的工作原理，在連鑄機(jī)扇形段的主動(dòng)輥施加機(jī)械力，在鑄坯的凝固末端壓碎已搭橋的樹枝晶，可以補(bǔ)償連鑄坯的冷卻收縮作用，防止未凝固的富含高濃度其他元素的鋼液向鑄坯中心流動(dòng)。因此，我們是否能找到鑄坯的凝固終點(diǎn)至關(guān)重要。目前鑄坯凝固終點(diǎn)是由計(jì)算機(jī)的二冷模型計(jì)算出來的，但計(jì)算模型和實(shí)際的凝固終點(diǎn)到底是不是一致，還需要驗(yàn)證。若輕壓下位置作用在凝固末端之后，此時(shí)鑄坯已經(jīng)凝固，就沒法改善鑄坯的內(nèi)部缺陷了；若輕壓下位置作用在凝固末端之前，此時(shí)鑄坯尚未凝固，就失去了輕壓下應(yīng)有的作用。因此，在連鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，找到合適的壓下位置對(duì)輕壓下技術(shù)來說至關(guān)重要[3]。本文通過在萊鋼型鋼煉鋼廠4#板坯連鑄機(jī)進(jìn)行壓下區(qū)間調(diào)整試驗(yàn)對(duì)輕壓下壓下區(qū)間做進(jìn)一步的研究，研究結(jié)果對(duì)改善4#連鑄機(jī)鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量具有重要意義。

1 射釘實(shí)驗(yàn)原理

連鑄坯凝固坯殼厚度檢測(cè)的試驗(yàn)方法有很多種，如刺穿坯殼法，同位素法等。但刺穿坯殼法屬于破壞性試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)無法操作。同位素法會(huì)產(chǎn)生一定的放射性污染，試驗(yàn)的可操作性差。因此，采用射釘法具有不影響生產(chǎn)、不產(chǎn)生廢品、操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

因此，實(shí)際生產(chǎn)中常采用射釘法來檢測(cè)凝固坯殼厚度。射釘法的基本原理為：鑄坯出結(jié)晶器后，在某一位置射入鋼釘，鋼釘?shù)囊合嗑€溫度低于所測(cè)鋼種的液相線溫度，因而在液相區(qū)的釘子完全熔化，兩相區(qū)的釘子部分熔化，在固相區(qū)的釘子未熔化，同時(shí)，釘子上有兩道含有硫化物的溝槽，低熔點(diǎn)的硫化物在射釘進(jìn)入鑄坯液相穴時(shí)，會(huì)迅速擴(kuò)散，根據(jù)硫化物的擴(kuò)散情況，采用酸侵蝕和硫印的方法，能顯示出鑄坯的液芯厚度。切取帶射釘?shù)蔫T坯就可以直接測(cè)出凝固坯殼厚度。

射釘法可以根據(jù)示蹤鋼釘?shù)娜刍闆r，來準(zhǔn)確顯示射釘位置的凝固坯殼厚度，確定該橫斷面上的凝固進(jìn)程。但是，因?yàn)樯溽斣囼?yàn)裝備的限制，試驗(yàn)不能精確的在線跟蹤鑄坯在整個(gè)鑄機(jī)內(nèi)的凝固情況。

結(jié)合局部精確測(cè)量凝固坯殼厚度的射釘法，確定板坯的凝固坯殼厚度分布狀況與凝固終點(diǎn)位置，進(jìn)而為鑄坯凝固分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法和方案

本文采用射釘試驗(yàn)法確定鑄坯厚度，第一組射釘實(shí)驗(yàn)是在二冷第11段與12扇形段中間、二冷第12段與13扇形段中間的1/2、1/4寬度處進(jìn)行的。具體射釘位置距結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的距離分別為：27.522m、29.905m。第二組實(shí)驗(yàn)是在二冷第9段與10扇形段中間的1/2寬度處、二冷第10段與11扇形段中間的1/2、1/4寬度處進(jìn)行。具體射釘位置距結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的距離分別為：22.765m、25.145m。

兩組射釘實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的鋼種、澆注溫度、拉坯速度、二冷配水等工藝參數(shù)如表1和表2所示，澆注斷面為300mm×2200mm。

連鑄機(jī)結(jié)晶器是垂直的，零段是直弧形，連鑄機(jī)半徑10m，扇形段共有14個(gè)段，主要工藝參數(shù)：試驗(yàn)鋼種Q345D，斷面300mm×2200mm，拉速0.85m/min，鋼水過熱度20℃～30℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過在連鑄機(jī)二冷11段與12段之間處進(jìn)行的射釘實(shí)驗(yàn)，鑄坯邊緣至釘子邊緣擴(kuò)散開始區(qū)域的區(qū)域?yàn)楣虘B(tài)坯殼區(qū)域；釘子邊緣開始擴(kuò)散到鑄坯中心是固液兩相區(qū)（或糊狀區(qū)），沒有中心充分?jǐn)U散區(qū)域，這表明，鑄坯到達(dá)此位置時(shí)，鑄坯中心已處于固液兩相區(qū)。射釘一側(cè)為鑄坯內(nèi)弧側(cè)，由圖1可知，鑄坯中心區(qū)域的糊狀區(qū)寬度基本處于中心對(duì)稱狀態(tài)，因此本研究中外弧和內(nèi)弧凝固坯殼厚度認(rèn)為是相等的。

由射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，距結(jié)晶器內(nèi)鋼液面距離為27.522m處凝固坯殼厚度為132.8mm～141.7mm（1/4寬度～1/2寬度）。這表明VAI模型預(yù)測(cè)的凝固厚度比實(shí)際鑄坯凝固厚度要薄一點(diǎn)，也意味著VAI預(yù)測(cè)模型的凝固終點(diǎn)比實(shí)際凝固終點(diǎn)要靠后。

通過對(duì)Q345D鋼的傳熱模型進(jìn)行分析，首先將修正系數(shù)分別調(diào)整為0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.0、1.01、1.02，確定最佳修正系數(shù)在0.99～1.01之間，然后微調(diào)修正系數(shù)。獲得不同修正系數(shù)條件下，鑄坯在27.522m處鑄坯寬度中心處的凝固厚度值。

由前可知，在距結(jié)晶器內(nèi)鋼液面27.522m處，射釘實(shí)驗(yàn)測(cè)定的鑄坯寬度中心處凝固坯殼厚度為141.7mm，故修正系數(shù)為0.994的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為接近。

綜合比較22.765m和25.145m處模型預(yù)測(cè)的凝固坯殼厚度，對(duì)比Q345D射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，修正系數(shù)為0.999時(shí)，模型預(yù)測(cè)凝固坯殼厚度與實(shí)際射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為接近，因此，對(duì)Q345D而言，最優(yōu)修正系數(shù)為0.999。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)傳熱模型預(yù)測(cè)及射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于Q345E鋼種而言，模型修正系數(shù)為0.994；對(duì)于Q345D而言，模型修正系數(shù)為0.999。

（2）根據(jù)修正后的傳熱模型計(jì)算結(jié)果可知，本研究條件下，Q345D鋼種的凝固終點(diǎn)為28.328m，比VAI模型預(yù)測(cè)的凝固終點(diǎn)前移0.592m。

（3）本研究條件下，Q345D鋼種澆注時(shí)，鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)為26.83mm/min1/2。

（4）Q345D鋼合適的輕壓下區(qū)間為22.965m～25.842m。