板坯連鑄機輥縫收縮的仿真計算研究

黎建全，何 博，龍木軍，周明佳，陳 雄，高 原

(1.攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠，四川 攀枝花 617062；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；3.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044，4. 攀鋼集團西昌鋼釩有限公司,四川 西昌 615032)

0 前言

鋼液在連鑄機中冷卻、凝固過程必然會產(chǎn)生體積收縮，在結(jié)晶器內(nèi)設置倒錐度，在二冷區(qū)設置合適的輥縫可彌補鑄坯的凝固收縮，有效防止鋼水負吸入，減輕鑄坯中心偏析[1,2]，但不合理的輥縫收縮會對連鑄坯質(zhì)量造成影響，收縮量過小時，對于中心偏析和中心疏松改善不明顯；收縮量過大時，鑄坯受到擠壓過度，可能會導致內(nèi)裂的產(chǎn)生；同時收縮量過大時，長時間還容易引起壓下區(qū)域輥子的損壞[3]。

連鑄機的輥縫收縮技術是依據(jù)鋼種的凝固收縮特性預先設定好一定的錐度，對鑄坯的凝固收縮量進行一定的補償[4,5]。可以通過連鑄機輥縫收縮，在連鑄坯液芯末端施加均勻外力，形成一定的壓縮量來補償鑄坯的凝固收縮量[6]。

本文結(jié)合某廠2號板坯連鑄機結(jié)構特點及生產(chǎn)鋼種，研究其輥縫收縮制度，并提出了改進建議，提高連鑄坯的質(zhì)量。

1 2號板坯連鑄機現(xiàn)狀

2號板坯連鑄機為一臺單流直弧形連鑄機，鑄機半徑8 m，冶金長度30 m，澆鑄斷面為200 mm×(900～1350)mm，主要生產(chǎn)碳素結(jié)構鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼、耐候結(jié)構鋼、汽車用鋼、焊瓶鋼、管線鋼、船用鋼，IF和電工鋼等，工作拉速0.2～2.0 m/min，結(jié)晶器寬面及足輥沒有設置錐度，沒有收縮，二冷零段直線段前3對夾輥均無輥縫收縮量，之后才開始設置輥縫收縮，每個扇形段基本上按0.3 mm的規(guī)律收縮，沒有使用二冷動態(tài)輕壓下技術，從Seg10#開始的扇形段輥縫不再收縮。

2 輥縫收縮曲線的計算分析

2.1 連鑄機輥縫收縮的計算方法

板坯連鑄凝固過程中，必然會產(chǎn)生鋼液體積收縮、兩相區(qū)鋼液凝固收縮和凝固坯殼的冷卻收縮，不同的收縮，其計算方法也有所不同[7,8]。

2.1.1 鋼液體積收縮的計算方法

鋼液體積收縮是指鋼液由澆鑄溫度降至液相線溫度的收縮，其體積變化的特點是：沒有發(fā)生相變，體積收縮較小,鋼液密度發(fā)生了變化[9]。根據(jù)質(zhì)量守恒，m=ρ1gv1=ρ2gv2，由計算軟件逐一計算每一個液態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量，再將各個液態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量相疊加，即為鋼液的體積收縮量[10]。

采用STA449C綜合熱分析儀、DIL402熱膨脹儀以及Gleeble1500D熱模擬試驗機模擬測試連鑄坯的高溫物理性能，計算獲得典型鋼種鑄坯的相關熱物性參數(shù)，四個典型鋼種的澆鑄溫度、固相線溫度、液相線溫度和密度與溫度的函數(shù)關系如表1所示。表1中T為試樣溫度，℃。

表1 典型鋼種熱物性參數(shù)

2.1.2 兩相區(qū)鋼液凝固收縮的計算方法

兩相區(qū)鋼液的凝固收縮是指鋼液從液相線溫度降至固相線溫度產(chǎn)生的收縮，體積收縮與鋼種化學成分有關[11,12]，本研究中考慮了包晶區(qū)的包晶相變收縮對鋼液凝固收縮的影響。

由鐵碳相圖可以知道，碳鋼由液態(tài)降溫凝固，隨著溫度降低不斷析出δ相或者γ相。在固-液兩相區(qū)，以(L+δ)或(L+γ)兩相存在，或者(L+δ+γ)三相共存，具體的存在狀態(tài)跟鋼種的碳含量和其他成分含量有關，隨著固相(δ、γ相)的增加，密度不斷增大，體積不斷收縮。利用相圖和杠桿定律，求得δ相和γ相的質(zhì)量分數(shù)，再根據(jù)每一個兩相區(qū)網(wǎng)格中的組相成分的密度，利用表2中的方程逐一計算(L+δ)、(L+γ)和(L+δ+γ)兩相區(qū)的密度就可獲得到鋼液凝固收縮。表2中ρ0為溫差0K時的液相密度，取7.02×103kg/m3；ΔρL/δ、ΔρL/γ分別為在δ、γ相內(nèi)液相線和固相線的密度差，ΔρL/δ=0.25×103kg/m3，ΔρL/γ=0.39×103kg/m3；fδ、fγ分別為在δ、γ相內(nèi)的質(zhì)量分數(shù)。

表2 兩相區(qū)的密度計算方程式

不同鋼種成分對收縮的影響不同。對于C大于0.09%小于0.18%的鋼種，冷卻到固相線溫度時(約為1 493 ℃)，將發(fā)生包晶反應[13]。這種鋼同時承受溫度下降的自然熱收縮和相變收縮，且相變收縮的量較大[14,15]。因此對于包晶鋼的輥縫設計應與非包晶鋼有所區(qū)別。

對包晶鋼的收縮行為，已有不少學者開展了相關研究。如包晶鋼的凝固正好處于包晶區(qū)(L+δ→γ)，凝固過程中會發(fā)生δFe→γFe相變，并伴隨著較大的體積收縮，體積收縮大概為0.38%[16]。Q235B2(碳含量為0.12%～0.14%)的坯殼的體積收縮率高達0.5%[17]。對于碳含量在0.08%～0.14%的鋼種，相變過程中的收縮量比此碳含量以外的鋼種增加3.8%[18]。

在實際連鑄生產(chǎn)中，鑄坯內(nèi)部液芯的鋼水靜壓力較大，鋼液對碳含量處于包晶鋼范圍的鋼種鑄坯的包晶反應收縮有一定的補縮作用[19]。而且，每一爐鋼液成分即使處在包晶范圍，也未必會達到最大收縮。通過對已有文獻的總結(jié)和分析計算，對于包晶鋼的具體碳含量范圍，不同的鋼廠或文獻報道均不盡相同，結(jié)合該廠情況，選取包晶鋼的包晶反應對連鑄坯收縮的影響系數(shù)為0.38%。

2.1.3 凝固坯殼體積收縮的計算方法

凝固坯殼的收縮是指在拉坯過程中，鑄坯溫度逐漸下降，引起已凝固坯殼的固態(tài)體積自然收縮，根據(jù)鋼種連鑄坯的熱膨脹性能(相對膨脹量與溫度的函數(shù)關系)，逐一計算每一個固態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量，將各個固態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量相疊加，即為凝固坯殼的體積收縮量。在模擬連鑄過程的實驗條件下測試分析得到鑄坯在固態(tài)下的熱膨脹性能(此熱膨脹性能包括了鑄坯二次低延性區(qū)域的奧氏體相變收縮)，獲得的四個典型鋼種在降溫速度為5 ℃/min條件下的熱膨脹曲線回歸處理，得到各鋼種鑄坯在固態(tài)下相對膨脹量與溫度的函數(shù)關系如表3所示。表3中L0為室溫下熱膨脹測試試樣的長度，m；ΔL為試樣長度變化(增加)的差值，m；為試樣溫度，℃。

表3 鑄坯在固態(tài)下相對膨脹量與溫度的函數(shù)關系

2.1.4 連鑄坯凝固末端壓下輥縫控制

連鑄過程中，由于二冷區(qū)冷卻的不均勻性，造成鑄坯傳熱的不穩(wěn)定[20,21]，導致柱狀晶生長不穩(wěn)定，局部區(qū)域優(yōu)先生長，在某一局部區(qū)域兩邊相對生長的柱狀晶相連接，或者等軸晶的下落被柱狀晶捕集而形成“搭橋”，液相穴內(nèi)鋼液被“凝固橋”分開，橋下面的殘余鋼液凝固收縮時得不到上面鋼液的補充，與鑄坯凝固殼之間會產(chǎn)生一定的間隙，從而形成疏松或縮孔[22]?？梢酝ㄟ^鑄坯凝固末端壓下技術來彌補這個間隙，改善這種狀況。

2.2 輥縫收縮計算結(jié)果與分析

Q235G和L245MB鋼的碳含量都處于包晶區(qū)范圍內(nèi)，而P510L和Q450NQR1的碳含量處于包晶區(qū)的邊緣區(qū)域，包晶鋼和非包晶鋼的鑄坯凝固收縮存在較大差異，分別計算兩類鋼種的輥縫收縮值見表4，輥縫收縮曲線如圖1所示。

表4 鑄坯的輥縫收縮計算結(jié)果

圖1 連鑄機的輥縫收縮曲線

圖1、圖2和表4中的現(xiàn)有輥縫收縮值是指2號板坯連鑄機目前使用的輥縫收縮值。基礎輥縫收縮值是指根據(jù)前面計算方法計算得到的輥縫收縮值。推薦輥縫收縮值是在基礎輥縫收縮值的基礎上，加上了鑄坯凝固末端輥縫壓下控制的輥縫收縮值。

圖2 兩類鋼種輥縫收縮比較

從圖2中可見，在二冷前期，計算所得Q235G和L245MB的基礎及推薦輥縫收縮量比現(xiàn)用輥縫收縮量要大，而P510L和Q450NQR1的鑄機基礎及推薦輥縫收縮值，二冷前期的跟現(xiàn)用輥縫收縮量基本上相同，這是因為Q235G和L245MB的碳含量都處于包晶區(qū)范圍內(nèi)，連鑄凝固過程中，在結(jié)晶器彎月面處凝固時會發(fā)生包晶反應，坯殼的收縮率高，凝固收縮量比其他鋼種要大。

二冷后期的基礎輥縫收縮比現(xiàn)用輥縫收縮小，推薦輥縫收縮均比現(xiàn)用大。因此推薦在連鑄坯凝固末端的實施輥縫輕壓下控制，有利于改善甚至消除連鑄坯的中心疏松、中心偏析、中心縮孔等問題。

由圖2可見，Q235G鋼和L245MB鋼的輥縫收縮量大于P510L鋼和Q450NQR1鋼，這主要是前者在結(jié)晶內(nèi)凝固時會發(fā)生包晶反應，坯殼的收縮率高，凝固收縮量大，在出結(jié)晶器時，鑄坯的外在橫斷面尺寸比P510L鋼和Q450NQR1鋼要小。二冷中后期，由于鋼水靜壓力大，鋼液對包晶鋼收縮的補縮效果比較好，連鑄坯的收縮差異不大。在鑄坯凝固末端，由于鑄坯凝固枝晶“搭橋”之后，鋼液無法補縮，此時包晶鋼的收縮量比較大，產(chǎn)生中心疏松、縮孔等問題更嚴重，因此生產(chǎn)Q235G鋼和L245MB鋼時，凝固末端壓下量比P510L鋼和Q450NQR1鋼大。

3 2號板坯鑄機現(xiàn)有的輥縫收縮存在問題及建議

從2號板坯連鑄機現(xiàn)用的輥縫收縮制度看，也使用了鑄坯凝固末端壓下技術，總壓下量約為0.8 mm，分布在Seg7#、Seg8#和Seg9#三個扇形段，壓下位置為14.325～21.198 m，且壓下量偏小僅0.8 mm。而4個典型鋼種拉速1.0～1.6 m/min時，凝固末端至結(jié)晶器彎月面的距離為14.60～24.09 m。由此可見，在較高拉速(如1.6 m/min)生產(chǎn)的情況下，連鑄坯在Seg10#還存在液芯，沒有完全凝固；但2號板坯連鑄機的輥縫值從Seg10#開始就不再收縮，達不到鑄坯凝固末端壓下的效果，鑄坯容易產(chǎn)生中心疏松、中心偏析等質(zhì)量問題。

鑄坯凝固末端輥縫壓下技術屬于靜態(tài)壓下技術，不能在線調(diào)整壓下的位置，壓下位置只能是一個固定的區(qū)域，因此，壓下位置需要兼顧各種工況下的鑄坯凝固狀態(tài)，使輥縫收縮在各種工況下都能有效地實施鑄坯凝固末端壓下技術。為了兼顧高拉速下連鑄坯的凝固末端壓下效果，建議延長實施鑄坯凝固末端壓下的區(qū)域，壓下位置延長至Seg10#扇形段，適當增加壓下量，Q235G鋼和L245 MB鋼增加到1.3 mm，P510L鋼和Q450NQR1鋼增加到1.1 mm。

2號板坯鑄機為直弧形鑄機，結(jié)晶器寬面是平行的，沒有錐度，足輥段與結(jié)晶器相連，也沒有輥縫收縮，容易造成二冷前期鑄坯尤其是包晶鋼鑄坯，在出結(jié)晶器時的凝固殼比較薄，在拉坯方向上不均勻，鼓肚增加，造成鑄坯裂紋等質(zhì)量問題。在工程改造允許的情況下，建議板坯連鑄機的結(jié)晶器設置錐度，不但有利于提高結(jié)晶器的傳熱效率，改善鑄坯在拉坯方向上的凝固殼均勻性，而且足輥區(qū)域的輥縫能適應補償連鑄坯出結(jié)晶器后的尺寸收縮，改善鑄坯出結(jié)晶器后的鼓肚情況，提高連鑄坯質(zhì)量尤其是包晶鋼連鑄坯的質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)連鑄機輥縫收縮與鋼種成分有較大關系，鑄機輥縫收縮制度應有所不同，包晶鋼的收縮要大于非包晶鋼種。

(2)實際生產(chǎn)中對輥縫收縮來說，包晶鋼主要應考慮兩個方面，一是凝固初期結(jié)晶器的錐度和二冷初期的輥縫問題；二是凝固末期由于“小鋼錠”問題引起的中心過大收縮造成中心疏松和偏析問題。

(3)2號板坯連鑄機現(xiàn)用凝固末端輥縫總壓下量(0.8 mm)稍微偏小，需要在鑄坯凝固末端實施一個更大的末端壓下量，建議Q235G鋼和L245MB鋼增加到1.3 mm，P510L鋼和Q450NQR1增加到1.1 mm。

(4)2號板坯連鑄機現(xiàn)用鑄機輥縫的末端壓下位置為14.325～21.198 m，不能兼顧4個典型鋼種高拉速生產(chǎn)時的凝固末端壓下，達不到減輕鑄坯中心偏析、縮松的效果，建議將壓下位置延長至第10扇形段。

(5)連鑄坯尤其是包晶鋼鑄坯，在出結(jié)晶器時的凝固殼比較薄，凝固殼厚度在拉坯方向上不均勻，容易導致二冷前期鑄坯發(fā)生嚴重鼓肚變形。2號板坯連鑄機的結(jié)晶器和足輥段都沒有錐度，建議對結(jié)晶器設置錐度，對提高連鑄坯質(zhì)量尤其是包晶鋼連鑄坯的質(zhì)量有重要影響。