GCr15SiMn鋼超大圓坯凝固過程傳熱研究

許建飛，麻永林

(1. 華北理工大學 期刊社，河北 唐山 063210；2. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

引言

連鑄技術由于其高生產(chǎn)效率、高質量、低成本，在世界鋼鐵行業(yè)獲得較大發(fā)展，2018年國內鋼鐵行業(yè)連鑄比為98.5%，其中重點企業(yè)已實現(xiàn)全連鑄生產(chǎn)[1]。大尺寸圓坯技術也獲得了飛速發(fā)展，廣泛應用于石油、化工等重大民生領域。各種研究表明，鑄坯的均勻凝固傳熱過程對鑄坯坯殼生長和表面質量具有重要的影響[2,3]。為了提高鑄坯質量減少表面裂紋，獲得圓坯連鑄過程溫度分布及坯殼生長過程顯得十分重要。

隨著計算機技術及數(shù)值模擬技術的飛速發(fā)展，許多專家學者對此進行研究，Yamauchi等人[4]建立了一種結晶器流體與傳熱模型，通過研究液態(tài)鋼水渣膜靜壓力確定鋼水的液態(tài)渣膜厚度。Hooli[5]認為彎月面下渣相結構決定了渣相改變。通過計算鑄坯與結晶器之間的氣隙，Nawrat and Skorek[6]重新確認了鑄坯與結晶器之間的熱阻。Ki Young[7]使用一種雙耦合熱力模型計算結晶器變形及氣隙形成。然而上述研究很少涉及到圓坯特別是超大尺寸圓坯，因此使用商業(yè)有限元軟件ANSYS對直徑φ450、φ600的GCr15SiMn鋼進行數(shù)值模擬計算分析，獲得不同工藝參數(shù)下鑄坯溫度場及生長規(guī)律。

1計算用軸承鋼

軸承鋼是用于制造滾動軸承的滾珠，滾柱和套筒等的鋼種，其具有較高的硬度、耐磨性、韌性、優(yōu)良的綜合力學性能、較高的尺寸穩(wěn)定性和機械加工性能[8]。其優(yōu)良的性能使得其在現(xiàn)代工業(yè)中的應用更加廣泛，GCr15SiMn鋼屬于高碳鉻軸承鋼，是在GCr15的基礎上通過適當提高一些硅和錳的含量改進而來，主要用于生產(chǎn)各種軸承套圈和滾動體等，而其連鑄生產(chǎn)的超大圓坯則廣泛用于生產(chǎn)尺寸較大無縫鋼管，并廣泛應用于運輸、石油、天然氣等行業(yè)。

1.1 軸承鋼凝固模式

如表1所示，GCr15SiMn鋼的含碳量在0.96%～1.00%之間，其凝固模式為：L→γ+L→γ金屬液凝固過程中，當?shù)竭_液相線溫度時，先析出相為γ，隨著凝固溫度下降γ相含量不斷增多，最后凝固組織全部是奧氏體單相組織。

表1 GCr15SiMn鋼成分含量(質量分數(shù)/%)

1.2 熱物性參數(shù)

軸承鋼的熱物性參數(shù)如: 密度、比熱、導熱系數(shù)、凝固潛熱、液固相線溫度等通常都是隨溫度變化的曲線函數(shù)，由相應的經(jīng)驗公式計算求得GCr15SiMn鋼的熱物性參數(shù)，如表2所示。

表2 GCr15SiMn隨溫度變化的物理參數(shù)

2數(shù)學傳熱模型

2.1 基本模型及假設

假設圓坯上材料屬性均勻并各向同性的，如圖1選取超大圓坯上一小段微元體，根據(jù)能量守恒定律和轉化定律對微元體進行熱分析，得出圓坯在柱坐標系下的傳熱數(shù)學模型。

圖1 柱坐標下微元體

(1)

上式中：ρ為鋼的密度，kg/m3；C為鋼的比熱，J·(kg·℃)-1；T為鑄坯溫度℃；t為時間，s；Q為內熱源強度，W/M3；λ為鋼坯的導熱系數(shù)，W/(m·℃)。

2.2 初始條件及邊界條件

當鋼水進入圓坯結晶器時，熱量被結晶器銅管內高速流動的冷卻水迅速帶走，并形成有效安全的坯殼厚度，防止鑄坯漏鋼。將結晶器與鑄坯表面的熱量傳遞簡化為冷卻水帶走的熱量，對其加載平均熱流密度：

(2)

F=π·R×L

(3)

圓坯工作支承輥如圖2所示，其形狀和尺寸根據(jù)鑄坯的形狀和尺寸調節(jié)。當圓坯進入二冷區(qū)時仍然存在著高溫熔融的液芯[16]，為保證鑄坯均勻冷卻，將二冷區(qū)分為4段。其換熱系數(shù)h的數(shù)值根據(jù)不同冷卻段的噴水量和噴水方式不同具體也不相同：

圖2 支撐工作輥

足輥段：h=0.581W0.451(1-0.007 5Ta)

(4)

氣霧冷卻段：h=0.35W+0.13

(5)

式中：W為水流密度，(L/m2·s)；Ta為環(huán)境溫度，℃。

3現(xiàn)場條件及驗證

GCr15SiMn鋼屬于高碳鉻軸承鋼，而其連鑄生產(chǎn)的超大圓坯則廣泛用于無縫鋼管方面。φ450、φ600型超大圓坯現(xiàn)場生產(chǎn)實際工藝參數(shù)由某廠提供如表3所示，并由此計算了2種不同尺寸超大圓坯連鑄凝固過程，對比分析了相應工藝參數(shù)對2種不同尺寸圓坯凝固過程溫度分布及坯殼生長的影響。

表3 現(xiàn)場條件

基于上述某廠φ450、φ600型超大圓坯現(xiàn)場提供的工藝參數(shù)，經(jīng)過計算并轉化加載在圓坯凝固傳熱模型上，將2種尺寸圓坯在凝固末端位置的坯殼表面溫度和液芯長度與現(xiàn)場在線檢測的數(shù)據(jù)進行了對比分析，如表4所示φ450圓坯坯殼表面溫度和液芯長度的相對誤差分別是1.78%、5.61%；而φ600圓坯坯殼表面溫度和液芯長度的相對誤差分別是0.47%、3.1%。

表4 模型驗證

4超大圓坯凝固過程結果分析

4.1 拉坯速度對鑄坯凝固的影響

圖3為φ450圓坯在不同拉坯速度下其坯殼表面和液芯溫度以及坯殼厚度生長情況，其中拉坯速度的大小根據(jù)現(xiàn)場工藝條件和鑄坯截面尺寸制定。而拉坯速度的改變對圓坯坯殼和液芯表面溫度以及凝固坯殼的生長會有很大的影響。拉坯速度提高0.04 m/min，出結晶器坯殼厚度減少約2.5 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加20 ℃，液芯長度增加2.2 m。由于拉坯速度增加會導致鑄坯的相對冷卻時間減少，這會造成圓坯整體溫度上升和凝固坯殼厚度減少，此外，由于坯殼內部高溫熔融液芯熱量的釋放會使得凝固初始階段坯殼溫度緩慢降低并生長緩慢，而當熱量釋放結束后坯殼由于熱阻的消失而迅速生長。

圖3 φ450圓坯不同拉速下圓坯凝固生長情況 圖4 φ600圓坯不同拉速下圓坯凝固生長情況

而圖4為φ600圓坯在不同拉坯速度下坯殼表面和液芯溫度以及坯殼厚度生長情況，其拉坯速度的大小同樣根據(jù)現(xiàn)場工藝條件和鑄坯截面尺寸制定。結果表明，當拉坯速度提高0.04 m/min時，出結晶器坯殼厚度減少約2.54 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加30.4 ℃，液芯長度增加3.57 m。通過對比分析可知，截面尺寸更大的鑄坯在拉速提高相同程度下，凝固坯殼溫度升高幅度較大，相應的液芯長度增加幅度也較大。

4.2 過熱度對鑄坯凝固的影響

圖5為φ450圓坯在不同過熱度下其溫度場分布和凝固坯殼生長情況，由計算結果可知，過熱度的改變對圓坯坯殼和液芯表面溫度以及凝固坯殼的生長影響不大。對于φ450圓坯，過熱度每提高10 ℃，出結晶器坯殼厚度減少約0.43 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加6.4 ℃，液芯長度增加0.3 m。過熱度對圓坯溫度場分布和凝固坯殼生長和拉坯速度有相似的影響趨勢，即會使得鑄坯整體溫度上升、凝固坯殼厚度減薄，但是其影響能力卻小于拉坯速度。

圖5 φ450圓坯不同過熱度下圓坯凝固生長情況 圖6 φ600圓坯不同過熱度下圓坯凝固生長情況

而圖6為φ600圓坯在不同過熱度下坯殼表面和液芯溫度以及坯殼厚度生長情況，結果表明，φ600圓坯在過熱度增加相同幅度下，即過熱度提高10 ℃，出結晶器坯殼厚度減少約1.27 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加15.2 ℃，液芯長度增加1.79 m。而2種不同尺寸的圓坯溫度場分布及坯殼厚度生長情況表明過熱度的變化對于尺寸較大的φ600圓坯影響更大。

4.3 二冷區(qū)水量對鑄坯凝固的影響

圖7和圖8分別為φ450、φ600型超大圓坯在3個不同比水量條件下鑄坯的溫度分布和坯殼凝固情況，對于φ450圓坯，當比水量增加0.02 L/kg時，出二冷區(qū)表面溫度減少5 ℃，凝固位置向前移動0.2 m。φ600圓坯在比水量增加相同幅度下，出二冷區(qū)表面溫度減少9.5 ℃，凝固位置向前移動0.34 m。表明二冷區(qū)比水量變化對二冷區(qū)溫度影響很大，當比水量增加相同幅度的條件下，由于φ600型超大圓坯的拉速較慢，因此在二冷區(qū)比水量增加相同幅度的條件下，它對φ600型超大圓坯二冷區(qū)溫度影響也較大。

圖7 φ450圓坯不同比水量下圓坯凝固生長情況 圖8 φ600圓坯不同比水量下圓坯凝固生長情況

4.4 二冷區(qū)長度對鑄坯凝固的影響

圖9和圖10分別是φ450、φ600型超大圓坯在不同二冷區(qū)長度條件下鑄坯的溫度分布和坯殼凝固情況。

圖9 φ450圓坯不同二冷區(qū)長度下圓坯凝固生長情況 圖10 φ600圓坯不同二冷區(qū)長度下圓坯凝固生長情況

對于φ450圓坯，二冷區(qū)長度增加2 m，出二冷區(qū)表面溫度下降45.4 ℃，液芯長度減少0.41 m。φ600圓坯在二冷區(qū)長度增加相同幅度下出二冷區(qū)表面溫度下降51.7 ℃，液芯長度減少0.24 m。表明二冷區(qū)長度變化對二冷區(qū)溫度影響也很大，適當增加二冷區(qū)長度能夠增加鑄坯冷卻時間，促進鑄坯凝固。同樣的二冷區(qū)長度的變化對φ600型超大圓坯二冷區(qū)溫度和坯殼生長情況影響程度也較大。

5結論

(1)拉速每提高0.4 m/min，對于φ450圓坯，出結晶器坯殼厚度減少約2.5 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加20 ℃，液芯長度增加2.2 m；φ600圓坯在拉速增加相同幅度下，出結晶器坯殼厚度減少約2.54 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加30.4 ℃，液芯長度增加3.57 m。

(2)過熱度每提高10 ℃，對于φ450圓坯，出結晶器坯殼厚度減少約0.43 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加6.4 ℃，液芯長度增加0.3 m。φ600圓坯在過熱度增加相同幅度下，過熱度提高10 ℃，出結晶器坯殼厚度減少約1.27 mm，出二冷區(qū)圓坯表面溫度增加15.2 ℃，液芯長度增加1.79 m。

(3)當比水量增加0.02 L/kg時，對于φ450圓坯，出二冷區(qū)表面溫度減少5 ℃，凝固位置向前移動0.2 m。φ600圓坯在比水量增加相同幅度下，出二冷區(qū)表面溫度減少9.5 ℃，凝固位置向前移動0.34 m。二冷區(qū)長度增加2 m，對于φ450圓坯，出二冷區(qū)表面溫度下降45.4 ℃，液芯長度減少0.41 m。φ600圓坯在二冷區(qū)長度增加相同幅度下出二冷區(qū)表面溫度下降51.7 ℃，液芯長度減少0.24 m。

(4)對于φ450、φ600型軸承鋼2種超大圓坯而言，拉坯速度、過熱度、二冷區(qū)水量和長度等連鑄工藝因素的變化對于尺寸較大的φ600型超大圓坯的溫度分布及坯殼生長情況影響較大，其中拉速的影響效果最大。