動態(tài)輕壓下技術(shù)在板坯連鑄生產(chǎn)線中的應(yīng)用

米進(jìn)周，鐘立雯，王旭英，何 力

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

目前，我國鋼鐵企業(yè)已從粗放發(fā)展進(jìn)入到集約生產(chǎn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，質(zhì)量、品種和先進(jìn)的工藝裝備將直接決定鋼鐵企業(yè)在日益激烈市場中的競爭力。連鑄生產(chǎn)線澆注包晶鋼、中碳鋼、高碳鋼等品種鋼生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的中心偏析等缺陷成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸，會引發(fā)降低鋼材的焊接性能、抗氫致裂紋、延展性能等一系列的質(zhì)量問題[1-2]。通過合理地應(yīng)用動態(tài)輕壓下技術(shù)可以很好的減輕鑄坯的中心偏析缺陷。

輕壓下技術(shù)的基本原理是通過實施一定的壓下量在連鑄坯凝固末端附近補償或抵消連鑄坯的凝固過程收縮量。這樣可抑制枝晶間富集溶質(zhì)元素的殘余鋼液向連鑄坯中心橫向流動，消除或減少連鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙；另外，輕壓下產(chǎn)生的擠壓作用還可以促使液芯中心富集溶質(zhì)元素的液相鋼液在鋼液中重新分配，達(dá)到使連鑄坯的凝固組織更加均勻，改善中心偏析缺陷的目的[3-4]。

動態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線中進(jìn)行了應(yīng)用，定期對鑄坯取樣做內(nèi)部質(zhì)量低倍檢測，結(jié)果表明，鑄坯中心偏析達(dá)到B0.5等級(含B0.5)的比例超過95%。其中，鑄坯中心偏析達(dá)到C0.5等級的比例達(dá)75%，大大提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

1 計算模型

動態(tài)輕壓下技術(shù)主要包括溫度場計算模型和動態(tài)壓下計算模型兩部分。溫度場計算模型是壓下模型計算的基礎(chǔ)，其依據(jù)連鑄凝固傳熱理論，結(jié)合鋼種成分等工藝參數(shù)、連鑄機設(shè)備參數(shù)和生產(chǎn)過程參數(shù)，實時計算結(jié)晶器和扇形段區(qū)域鑄坯的表面溫度、中心溫度、坯殼厚度以及兩相區(qū)固相率分布參數(shù)；動態(tài)壓下模型根據(jù)溫度場模型計算的兩相區(qū)固相率分布參數(shù)，結(jié)合壓下起始固相率、壓下結(jié)束固相率、壓下量等設(shè)定工藝參數(shù)計算出合理的扇形段壓下量并將其轉(zhuǎn)化為扇形段的設(shè)定輥縫值[5-6]。

1.1 溫度場計算模型

溫度場計算模型應(yīng)用將鑄流中的鑄坯離散為切片進(jìn)行跟蹤的方法，依據(jù)鑄坯凝固傳熱理論和合理的假設(shè)對每個切片建立傳熱微分方程，通過有限差分法求解各切片傳熱微分方程，動態(tài)計算各切片的表面溫度、中心溫度和坯殼厚度以及鑄坯凝固末端兩相區(qū)內(nèi)的固相率分布參數(shù)。

對于板坯凝固傳熱理論，本文提出假設(shè)：(1)不考慮結(jié)晶器周期性振動以及結(jié)晶器鋼水液面波動的影響；(2)認(rèn)為內(nèi)外弧傳熱過程完全一致；(3)溫度場模型采用厚度方向一維差分方法進(jìn)行計算；(4)不考慮對流場和溶質(zhì)濃度場進(jìn)行耦合計算；(5)二冷區(qū)傳熱采用綜合換熱系數(shù)[7-8]。

采用熱焓法板坯凝固傳熱方程

(1)

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；H為熱焓；T為溫度；x為沿板坯中心指向厚度方向的坐標(biāo)；t為時間。

系統(tǒng)計算出鑄流中每個切片的溫度場參數(shù)，將所有切片的溫度場組合起來就形成了整個鑄流的溫度場參數(shù)。在實際生產(chǎn)中，隨著鋼水溫度、拉坯速度、冷卻水量的變化，溫度場模型計算的鑄坯切片的表面溫度、中心溫度、坯殼厚度以及鑄坯凝固末端兩相區(qū)固相率分布參數(shù)也發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為兩相區(qū)的前移或者后移以及兩相區(qū)的區(qū)域長度變化，為輕壓下實現(xiàn)“動態(tài)”跟蹤提供了條件[9]。

1.2 動態(tài)壓下計算模型

動態(tài)壓下計算模型包括壓下參數(shù)計算和壓下動作規(guī)則兩個部分。壓下參數(shù)的準(zhǔn)確計算是改善鑄坯中心偏析的基礎(chǔ)，合理的扇形段壓下動作規(guī)則可以確保設(shè)備安全、壓下動作跟蹤準(zhǔn)確。

壓下參數(shù)主要包括壓下區(qū)間、壓下量及壓下速率。

壓下區(qū)間的確定通常是以兩相區(qū)的固相率fs來判斷，如圖1所示，在液相線和固相線之間的區(qū)間，q2是一次柱狀晶開始生長區(qū)，固液相均可流動；q1是相鄰柱狀晶二次晶臂開始并完成相互連結(jié)區(qū)；q2和q1分界處的固相分率為0.3～0.4，p為相鄰柱狀晶完全連接區(qū)，此處柱狀晶間隙中殘留鋼液基本不能流動，q1和p分界處的固相分率是0.6～0.7，所以實施輕壓下最佳區(qū)間應(yīng)在鑄坯中心固相分率為0.3～0.7 的位置[10-11]。

圖1 鑄坯凝固末端兩相區(qū)示意圖

另外，在內(nèi)裂紋敏感區(qū)域內(nèi)，連鑄坯的受力或變形超過一定程度時，將會產(chǎn)生內(nèi)裂，這一區(qū)間在0.8～0.99之間，輕壓下要避開這一區(qū)域。從生產(chǎn)應(yīng)用看[12-13]，奧鋼聯(lián)認(rèn)為最佳動態(tài)輕壓下位置為固相分率0.3～0.7區(qū)間 ；包鋼的U71Mn鋼種， 尺寸為280 mm×380 mm方坯壓下區(qū)間為0.4～0.9；臺灣中鋼的大方坯連鑄機壓下區(qū)域在0.55～0.75取得了很好效果。另有許多文獻(xiàn)認(rèn)為：輕壓下位置應(yīng)是在鑄坯凝固末端附近某一臨界固相率以上，比如fs> 0.8[14-15]。 濟(jì)鋼板坯連鑄機壓下區(qū)間為fs=0.5～0.95。

壓下量大小需要滿足以下三個要求：(1)能夠?qū)︿撘耗踢^程中的體積收縮量進(jìn)行完全補償，減少中心偏析；(2) 實施的壓下量不能使鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋；(3) 壓下時產(chǎn)生在連鑄機扇形段上的反作用力要在許可載荷范圍內(nèi),防止扇形段設(shè)備受到損壞[16-17]。

壓下速率是單位時間的壓下量，最佳壓下速率應(yīng)該和鑄坯凝固速率一致，當(dāng)壓下速率小于凝固速率，壓下將不及時，凝固補償不充分，仍出現(xiàn)中心偏析。如果壓下速率過大，將會導(dǎo)致連鑄坯的應(yīng)變率過大，將會產(chǎn)生裂紋[18]。

扇形段動作規(guī)則主要包括開始澆鑄時的扇形段動作規(guī)則；拉尾坯時的扇形段動作規(guī)則；穩(wěn)定拉速時的扇形段動作規(guī)則；升高拉速時扇形段的動作規(guī)則；降低拉速時扇形段的動作規(guī)則和異常情況下的扇形段動作規(guī)則。具體體現(xiàn)為實施輕壓下的各扇形段在執(zhí)行動作時的動作先后順序和壓下量的平緩變化。例如：當(dāng)拉速從穩(wěn)定狀態(tài)升速時，引起兩相區(qū)后移，壓下扇形段的入口和出口輥縫根據(jù)鑄流長度的變化進(jìn)行跟蹤，依次以從前向后的順序動作達(dá)到新的目標(biāo)輥縫值。

2 計算模型應(yīng)用

動態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線中進(jìn)行了應(yīng)用。

連鑄基本工藝參數(shù)：

主要生產(chǎn)鋼種 包晶鋼、中低碳非包晶鋼、中高碳鋼

鑄坯厚度 300 mm

鑄坯寬度 900～2 510 mm

穩(wěn)定拉速 0.9 m/min

扇形段數(shù)目 14

冶金長度 34 m

2.1 溫度場計算應(yīng)用

系統(tǒng)將連鑄機固有設(shè)備參數(shù)、所有鋼種的物性參數(shù)，包括液相線、固相線、凝固潛熱、不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱等，預(yù)先存儲到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)生產(chǎn)開始后，隨著鋼水向拉坯方向連續(xù)移動，系統(tǒng)在結(jié)晶器液面處不斷產(chǎn)生新的固定長度切片，切片隨著拉速向鑄機末端移動，形成了鑄機中的鑄坯切片隊列，當(dāng)某切片位置超出鑄機末端時，此切片自動從隊列中消除。在澆注過程中，溫度場模型從數(shù)據(jù)庫中自動調(diào)取連鑄機固有設(shè)備參數(shù)和當(dāng)前生產(chǎn)的鋼種物性參數(shù)，同時模型實時采集拉速、鋼水過熱度、結(jié)晶器水量、結(jié)晶器各支路進(jìn)出冷卻水溫差、二次冷卻各冷卻區(qū)實際水量等生產(chǎn)過程參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)凝固傳熱模型和有限差分法完成各切片鑄坯表面溫度、鑄坯中心溫度、鑄坯坯殼厚度、兩相區(qū)固相率等溫度場參數(shù)的計算。隨后，系統(tǒng)進(jìn)一步將切片溫度場參數(shù)轉(zhuǎn)化為各冷卻區(qū)和各扇形段對應(yīng)的溫度場參數(shù)。計算的鑄坯溫度場分布圖如圖2所示。

圖2 鑄坯溫度場分布

為了符合特定生產(chǎn)環(huán)境的條件，提高溫度場模型計算精度，在鑄機生產(chǎn)狀態(tài)時，由于鑄坯表面大量的水汽影響，需要配合以壓縮空氣進(jìn)行水氣吹掃，維護(hù)、設(shè)計人員應(yīng)用手持式激光測溫儀對各扇形段區(qū)域的鑄坯中心表面溫度進(jìn)行測量。測量溫度與模型計算的各扇形段鑄坯表面溫度進(jìn)行比較，根據(jù)計算與實際測量溫度的差值對模型中的鑄坯凝固傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，使得計算溫度逼近測量溫度。

2.2 動態(tài)壓下計算模型應(yīng)用

2.2.1 輥縫控制

板坯連鑄動態(tài)輕壓下的實施，是通過控制扇形段入口和出口輥縫值實現(xiàn)的。扇形段內(nèi)弧框架的4個角部分別有4個油缸，沿著鑄流方向分為入口油缸2個和出口油缸2個，4個油缸均可單獨進(jìn)行控制，一般入口和出口兩個油缸分別進(jìn)行同步控制。每個油缸帶有1個位移傳感器和1對壓力傳感器，用來測量油缸位置處的輥縫值和所承受的壓力值，每個油缸配置有1個液壓伺服閥用來驅(qū)動內(nèi)弧框架油缸上下移動。系統(tǒng)將設(shè)定輥縫下發(fā)到PLC控制器，PLC控制器根據(jù)位移傳感器測量的實際輥縫值與設(shè)定輥縫之間的差值，驅(qū)動液壓伺服閥動作，使得實際輥縫等于設(shè)定輥縫值，構(gòu)成了輥縫PID閉環(huán)控制。位移傳感器的測量精度達(dá)到5 um,系統(tǒng)控制精度達(dá)到0.1 mm。壓力傳感器檢測值用來對扇形段受力進(jìn)行監(jiān)控并進(jìn)行超壓報警[19-20]。

2.2.2 壓下工藝參數(shù)設(shè)定

工藝人員根據(jù)鋼種和鑄坯厚度不同進(jìn)行壓下參數(shù)分組，每組主要設(shè)置參數(shù)包括總壓下量、起始壓下固相率、結(jié)束壓下固相率、固相率0～1.0時，以0.1遞增的各固相率處的累積壓下量占百分比參數(shù)，例如鋼種為Q235，鑄坯厚度300 mm分組，總壓下量6 mm時，起始固相率為0.3，在固相率為0.6處壓下量百分比為50%，則表示從固相率為0.3到固相率0.6處的累積壓下量為6×50%=3 mm。壓下工藝參數(shù)設(shè)定值保存在數(shù)據(jù)庫中，通過人機界面可以對其進(jìn)行添加、修改和刪除操作。

為了避免扇形段設(shè)備承受大的載荷而影響設(shè)備使用壽命，對于單個扇形段設(shè)定單段最大壓下量，如果計算出的某段壓下量大于最大壓下量則取最大壓下量。

經(jīng)過多次生產(chǎn)實踐驗證，針對包晶合金鋼，采取固相率0.5～0.95壓下區(qū)間效果較好[21]。

2.2.3 扇形段壓下量分配

生產(chǎn)過程中，壓下模型根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)的鋼種和鑄坯厚度自動調(diào)取對應(yīng)分組的壓下工藝設(shè)定參數(shù)，再將各固相率區(qū)間的計算壓下量映射到對應(yīng)的扇形段中。如果某固相率區(qū)間在m扇形段中，則將此固相率區(qū)間對應(yīng)的壓下量分配給m扇形段；如果壓下起始固相率在某扇形段中間，則用起始固相率所處位置到此扇形段末尾位置的距離占整個扇形段長度的比例乘以最大壓下量來計算此扇形段壓下量。如果壓下結(jié)束時，固相率在某扇形段中間，則用結(jié)束固相率所處位置到此扇形段開始位置的距離占整個扇形段長度的比例乘以最大壓下量來計算此扇形段壓下量。

由于扇形段間的距離較短，并且扇形段入口分配壓下量將使前后兩個扇形段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析變得復(fù)雜，所以一般扇形段入口側(cè)不分配壓下量。

2.2.4 輥縫計算

動態(tài)輕壓下的實施是通過將模型計算的各扇形段壓下量轉(zhuǎn)換為各扇形段輥縫值來實現(xiàn)的，建立在控制鑄坯厚度對應(yīng)的常規(guī)輥縫基礎(chǔ)上的。

輥縫計算公式

Gdi=Gci-Ai

(2)

式中，Gdi為第i個扇形段輥縫，mm；Gci為常規(guī)輥縫即鑄坯自然收縮形成的輥縫，mm；Ai為壓下量，mm；i表示扇形段號。

生產(chǎn)過程中，拉速的升降變化引起固液兩相區(qū)位置、兩相區(qū)長度以及兩相區(qū)固相率分布的變化，壓下模型將自動跟隨兩相區(qū)的參數(shù)變化進(jìn)行各扇形段設(shè)定輥縫的實時計算，即時調(diào)整壓下參數(shù)分布。

在開始澆鑄階段，為了使得扇形段夾送輥避開引錠頭部，系統(tǒng)對引錠頭位置進(jìn)行動態(tài)跟蹤，在引錠頭到達(dá)某扇形段入口之前此扇形段設(shè)定輥縫大于引錠頭厚度，當(dāng)引錠頭通過此扇形段一定距離后，此扇形段輥縫恢復(fù)到正常設(shè)定輥縫；在拉尾坯階段，為了使扇形段輥避開硬度較高且有些上翹的鑄坯尾部，系統(tǒng)對鑄坯尾部位置進(jìn)行動態(tài)跟蹤，在坯尾到達(dá)某扇形段入口之前,此扇形段設(shè)定輥縫遠(yuǎn)大于尾坯厚度，當(dāng)坯尾通過此扇形段一定距離后，此扇形段輥縫恢復(fù)到正常設(shè)定輥縫。

對于異常工況造成扇形段設(shè)備受力過大的情況，系統(tǒng)設(shè)置了壓力限值保護(hù)功能。當(dāng)采集到的扇形段承受壓力大于保護(hù)壓力上限1時，此扇形段輥縫以一定速度增大，當(dāng)實測壓力小于保護(hù)壓力2時，輥縫不再增加；當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常，實測壓力小于保護(hù)下限壓力3時，輥縫以一定速度減小，直到恢復(fù)到計算設(shè)定輥縫。

壓下模型計算的壓下量分配圖如圖3所示。

圖3 壓下量計算分配圖

3 應(yīng)用結(jié)果

本文描述的動態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線進(jìn)行了應(yīng)用,為了驗證動態(tài)輕壓下效果，通過酸洗低倍對連鑄坯的中心偏析進(jìn)行了分析。在動態(tài)輕壓下系統(tǒng)正式投產(chǎn)后，定期做低倍檢驗，并按《YB/T4003-1997連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。為了對比使用輕壓下和不使用輕壓下的區(qū)別，本文對某一連鑄澆次采取了第2爐使用輕壓下，第3爐不使用輕壓下的辦法，拉速為0.9 m/min，生產(chǎn)鋼種為ADQ228，斷面為300 mm×2 510 mm，總壓下量為5.8 mm。取第2爐的第二塊連鑄坯和第3爐第二塊連鑄坯進(jìn)行低倍檢驗。低倍相片如圖4和圖5所示，采用輕壓下的鑄坯中心偏析得到很大改善。

圖4 沒有輕壓下低倍(B1.0)

圖5 有輕壓下低倍(C0.5)

動態(tài)輕壓下技術(shù)經(jīng)過半年來的投用，結(jié)果表明，鑄坯中心偏析達(dá)到B0.5等級(含B0.5)的比例超過95%。其中，鑄坯中心偏析達(dá)到C0.5等級的比例達(dá)75%，大大提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文對動態(tài)輕壓下技術(shù)的核心模型——溫度場計算模型和動態(tài)壓下計算模型的原理以及在某鋼鐵廠連鑄生產(chǎn)線上的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。從動態(tài)輕壓下技術(shù)的實際應(yīng)用效果來看，其減輕合金鋼、中高碳鋼等厚板坯的中心偏析效果明顯，大大改善了連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。