包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究

朱立光 张彩军 韩毅华 孙立根 陈 伟

(河北联合大学)

0 引言

以Q215、Q235为代表的包晶钢是典型的裂纹敏感性钢种。由于该钢种在1495℃时，在凝固过程中会出现包晶反应：δFe(铁素体)+L(液体)→γFe(奥氏体)，产生强烈的线收缩和体积收缩，其裂纹敏感性较大［1］。只有保证初生坯壳传热均匀，才能防止包晶相变诱发的各种裂纹，因此，一般多采用提高保护渣结晶化率和降低结晶器冷却水量来实现所谓的弱冷工艺［2］。但是，对于断面相对较大的矩形坯而言，角部二维传热和铸坯宽面中心典型一维传热所造成的温差极易诱发铸坯偏离角区域的纵裂纹。从传统工艺及理论角度出发，为防止纵裂纹的进一步扩展，连铸二冷区相应地也应该采用弱冷工艺［3-4］。

但在实际生产中，铸机装备水平是影响铸坯质量的决定性因素。对于传统的矩形坯连铸机，铸坯的鼓肚倾向严重，而鼓肚是导致大多数铸坯质量问题的根源［5-6］。如果对于包晶钢矩形坯采用二冷弱冷工艺，会加剧鼓肚的产生，诱发铸坯偏离角纵裂、中间裂纹和三角区裂纹等，导致铸坯质量的大幅恶化。因此，笔者详细分析了国内某厂生产包晶钢矩形坯时存在的铸坯质量问题，在优化结晶器锥度和保护渣的基础上获得了结晶器出口处较均匀的坯壳，进而构建连铸二冷区铸坯凝固传热数学模型，对其连铸二冷配水制度进行优化，最终获得了质量较好的铸坯。

1 凝固及二冷配水特点

一般把含碳量在0.08% ～0.15%钢种称为包晶钢。由相图可见，其凝固正好处于包晶区，凝固时会产生包晶反应，而凝固后继续进行固相转变δ→γ，导致在固相线温度以下20℃ ～50℃钢的线收缩最大。此时，结晶器弯月面刚凝固的坯壳随着温度的下降发生转变，伴随着0.38%的体积收缩，坯壳与铜板脱离，形成不均匀气隙，导致初生坯壳不均匀生长，热流最小，在坯壳较薄处形成凹陷，从而应力集中而出现裂纹［7］。因此，包晶钢铸坯表面裂纹是钢水在结晶器中凝固时形成的。首先在初生坯壳薄弱处产生微裂纹，然后出结晶器后在二冷区进一步扩展，如二冷冷却强度过大，会造成铸坯表面温降较快，断面内温度梯度增大，热应力增大，若超过临界应力即发生裂纹，或在原有微裂纹处扩展成明显裂纹。

2 连铸生产工艺参数及铸坯质量问题

国内某厂生产Q235包晶钢150 mm×350 mm矩形坯时，铸坯出现鼓肚、中心裂纹和三角区裂纹等严重质量问题，具体如图1所示。

经排除试误分析，这与其连铸二冷配水制度有很大的关系，为了改善铸坯质量，须对其进行优化。表1和表2分别为该钢种连铸机设备及工艺参数和二冷喷嘴布置方式。

图1 铸坯存在的质量问题

表1 连铸机设备及工艺参数

表2 二冷喷嘴布置

3 二冷配水制度优化

3.1 二冷喷嘴测试分析

采用PZ-W＆P-Ⅲ型连铸二冷喷嘴测试系统，对连铸机二冷用喷嘴进行性能测试。主要测试性能包括：不同供水压力下的水流密度、冲击压力分布、水流总量。测试条件：供水压力范围0.2 MPa～0.6 MPa，喷嘴断面距铸坯距离115 mm。表3是各型号喷嘴在0.3 MPa下的喷射角度和流量测试结果。

表3 各喷嘴0.3 MPa下喷射角度及水流量

由表3可以看出，8080喷嘴喷射角度略有偏小，11780喷嘴流量严重偏大。其它各喷嘴性能良好，符合国家标准。经过对各喷嘴进行水流密度和冲击压力分布进行测试，结果发现，8080喷嘴是椭圆型喷嘴，其中心部位水流密度较小，左右两端较大，而且其喷射角度偏小;11780喷嘴在压力较低时中心水流密度很小，而铸机二冷水压力非常低，这将导致水流覆盖中间区域冷却不良，影响铸坯质量，而且该喷嘴在0.3 MPa下流量14.4 L/min，比设计流量偏大23%，将导致该喷嘴喷射面过冷和其它部位喷水不足，这将导致铸坯冷却不良，有可能引起脱方和裂纹等质量缺陷。15680喷嘴是椭圆型喷嘴，其加工工艺较好，满足设计要求。

3.2 铸坯传热数学模型及冶金准则

结合二冷喷嘴测试结果，构建铸坯传热数学模型，根据铸坯的对称性，为简化计算只选取1/4铸坯断面进行分析。

3.2.1 主控方程

连铸热过程的主控方程为下述的非稳态热传输方程：

式中：ρ——钢水密度;

T—— 温度;

t—— 时间;

c—— 比热;

k—— 导热系数;

相变过程中产生的潜热L可用下式表示：

式中：fs——代表固相分率。

这里用热焓(H)方法来简化上述两个公式。与等效热容法相比，热焓法避免了等效热熔法对时间步长和空间步长的严格限制，可提高计算精度。在热焓法中，诸如比热、潜热、密度等非线性参数可用如下一个参数代替：

这样热传输主控方程可描述为：

与铸坯横向带走的热量相比，拉坯方向传热可忽略不计。这样公式可以进一步简化成为二维形式：

3.2.2 基本假设

上述连铸过程热传输数学模型基于下列假设：忽略结晶器内的钢液流动行为，铸坯两相区和液芯的对流传热靠增大钢液导热系数值3～6倍进行考虑;k(T)，H(T)，ρ(T)仅随温度变化;忽略结晶器振动、结晶器锥度和凝固偏析的影响;忽略弯月面的影响;视弯月面处熔融金属的温度为浇注温度。

3.2.3 初边界条件

初始条件和边界条件为：在结晶器上表面，假设钢水温度与中间包浇注温度(T0)相等，也即t=0时刻，T=T0。

结晶器内边界条件属于第二类边界条件［8］，其表达式为：

式中：a——为经验常数;

b——是结晶器冷却水量、冷却水温差、铸坯结构尺寸等参数的函数。

在二冷区，边界结点热流率与边界温度成线性关系，即：

式中：Tw——铸坯表面温度;

T∞——冷却水温度;

hf——铸坯与水之间的给热系数，这里取hf=581w0.451(1-0.0075Tw)［9］，其中 w 为水流密度(L·m-2·s-1)，该值可根据冷却水量、冷却水温等参数计算得到。

在空冷区，以辐射传热为主，辐射传热热流密度采用四次方定律。

3.2.4 求解方法

本模型的求解选用ANSYS。ANSYS分析过程包含三个主要步骤［10］。

1)建立有限元模型：①创建或读入几何模型;②定义材料属性;③划分网格。

2)施加载荷并求解：①施加载荷及载荷选项、设定约束条件;②求解。

3)查看结果：① 查看分析结果;② 检验结果(分析是否正确)。

有限单元模型及其网格划分如图2所示。

图2 有限单元模型及网络划分

3.2.5 冶金准则

1)铸机冶金长度限制准则：为了保证铸坯质量，铸坯在矫直前应该完全凝固。

2)结晶器出口处铸坯坯壳厚度限制准则：为了避免漏钢事故的发生，结晶器出口处铸坯最小坯壳厚度应在8 mm～15 mm左右。

3)铸坯表面冷却速度限制准则：沿铸坯长度方向，铸坯的表面冷却速度一般控制在150℃/m以下。

4)铸坯表面温度回升限制准则：在铸坯接近完全凝固时，过大的温度回升会产生中心偏析和中心裂纹。铸坯表面温度回升一般控制在100℃/m以下。

5)脆性区铸坯矫直变形限制准则：矫直区的铸坯表面温度应避开低延性区温度，以免矫直时铸坯表面产生横裂。通常采取的措施是调整二冷制度，保证铸坯在矫直点的温度高于塑性较低的第三温度区，保持在900℃以上。

6)二冷区铸坯表面温度限制准则：二冷区内铸坯表面温度波动范围应保证在900℃ ～1200℃范围内。

3.3 铸坯温度场分析及配水方案的确定

根据冶金准则，对铸坯凝固传热过程进行模拟求解，模拟结果如下：

3.3.1 原有配水制度下铸坯温度场

根据原有配水方案模拟计算出拉速在1.5 m/min下铸坯相应关键点的温度曲线如图3所示。

图3 铸坯特殊点温度历程

由图3可以看出，当拉速为1.5 m/min时，铸坯表面宽面中心温度范围为903℃～1149℃，在整个二冷区内，最高返温为215℃，集中在二冷四段。铸坯表面窄面中心温度范围为967℃～1130℃，在整个二冷区内，最高返温为144℃，集中在二冷二段。因此，较高的铸坯温度和回温导致了鼓肚的产生，进而诱发前述的各种铸坯质量问题，配水方案亟待优化。

3.3.2 优化二冷配水后铸坯温度场

根据原有配水制度下的模拟结果，调整二冷各段水量，优化后的配水方案和关键点计算结果见表4。

表4 优化后的配水方案和关键点温度计算值

由表4可以看出，采用优化后的配水方案，铸坯的宽面和窄面温度变化区域较平缓，在符合基本的配水准则条件下，进一步优化了铸坯的温度场。

4 二冷配水优化后铸坯质量分析

该厂采用优化后的水表进行了 Q235钢种150 mm×350 mm矩形坯的连铸生产，并对拉速1.5 m/min下的铸坯进行取样进行分析，得到的铸坯低倍照片如图4所示。

图4 铸坯低倍照片

由图4可以看出，二冷配水制度进行优化后，铸坯表面质量良好，没有明显的鼓肚变形，仅窄边存在轻微凹陷。铸坯内部质量良好，中心裂纹0级，中心缩孔0级，中心疏松0.5级。

5 结论

1)铸机装备水平是铸坯质量的决定性因素，合理的二冷配水必须以铸机装备为基础。

2)包晶钢连铸生产应加强喷嘴性能检测验收，以保证铸坯在二冷区均匀稳定冷却。

3)当二冷比水量为 1.1 L/kg～1.4 L/kg时，铸坯表面质量和内部质量均得到改善。

6 展望

以Q215、Q235为代表的包晶钢产品目前应用广泛，在基础的建材与窄带市场需求量大，因此也成为众多中小型钢铁企业的主力生产品种，但由于各企业起点、发展战略不同，导致其浇铸包晶钢的铸机装备千差万别，工艺操作水平参差不齐，这就使得已有的同行生产经验很难简单的复制到各厂自己的实际生产中。而且在钢铁产业升级的行业大背景下，产量已不能代表经济效益，如何生产高质量的铸坯才是炼钢厂当前需要解决的首要问题。因此只有立足于自身工艺操作和装备水平基础上的铸坯质量优化才是各企业的正确发展方向。

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