连铸方坯动态轻压下位置

连铸方坯动态轻压下位置
张松;杨彦宏
【摘要】为准确确定铸坯凝固末端的位置,合理选择压下区域,为实施动态轻压下提供有效技术手段,利用数值模拟方法计算某炼钢厂2#铸机连铸方坯中温度场,用传热模型分析了45#钢在某工艺下的铸坯温度分布图.固相率0.3为轻压下初始点,压下区间总长度为10 m且拉速0.76 m/min时的压下量为0.7 mm/m.
【期刊名称】《辽宁科技大学学报》
【年(卷),期】2010(033)002
【总页数】4页(P132-135)
【关键词】连铸方坯;温度场;动态轻压下
【作者】张松;杨彦宏
【作者单位】辽宁科技大学,材料科学与冶金学院,辽宁,鞍山,114051;辽宁科技大学,机械工程与自动化学院,辽宁,鞍山,114051
【正文语种】中文
【中图分类】TF777
在连铸生产中,板坯内部一般都会存在中心偏析、中心疏松及内裂等缺陷,影响了铸坯内部质量。

抑制内部缺陷问题最有效且经济的方法是采用轻压下技术[1]。

凝固末端的轻压下技术始于20世纪70年代末,是在辊缝收缩的基础上发展起来的。

在铸坯凝固末端,对铸坯施以2%-3%的压下量,以阻止凝固末端富集偏析元素的钢液向下流动,减少中心偏析[2]。

动态轻压下技术已成为现代连铸机关键技术的重要组
成部分[3]。

在铸坯凝固过程中,坯壳至中心分为固态、固-液态、液-固态和液态四个区域。

由
于选分结晶,在铸坯凝固末端的残余液相中含有的溶质浓度很高,当这些残余液相在
铸坯中心部位凝固时,会产生很严重的中心偏析[4]。

在铸坯凝固过程中,如果柱状晶发达,会在凝固末端形成“搭桥”,阻碍上游钢液向下游动,凝固末端的残余液相不能被上游溶质浓度低的钢液稀释,就会在铸坯中心形成一条偏析带。

同时,残余液相在
凝固末端急速凝固时,会急剧收缩,产生缝隙,如不能得到钢液的补充,就会产生疏松[5]。

轻压下的目的,就是要通过机械压下来补偿铸坯凝固后期体收缩,抑制枝晶间浓化钢水向中心富集,减轻或焊和中心疏松,减轻中心偏析。

机型:弧形(半径9m);常用断面:240mm×280mm和160mm×200mm;钢种:45#;
拉矫机油缸行程:140～500mm。

结合凝固、流动、传质、传热以及应力应变分析等复杂物理过程,考虑了结晶器和
水口结构及二冷区喷嘴位置、水流分布及辊列布置等铸机参数,结合了钢种、断面、拉速、浇注温度、结晶器和二冷区冷却水的水量和水温等连铸工艺参数,根据傅立
叶定律、能量守恒定律和质量守恒定律建立连铸导热微分方程,模拟计算液芯位置
及铸坯温度分布。

为了计算连铸坯上的温度分布,温度场计算模型采用切片法,切片示意如图1所示。

将铸坯沿拉坯方向分成 n小块,并编号。

根据小块的编号,选择合适的边界条件,采用二维计算模型跟踪每个小块的温度场变化。

在计算过程中,每个小块的边界条件都
实时采集、实时刷新,可以真实反映铸坯的温度场。

以铸坯表面为原点,铸坯厚度方
向为 X轴,基于模型假设,铸坯凝固传热的微分方程为
式中:θ为温度,℃;ρ为密度,kg/m3;c为比热容,kJ/(kg·℃); K为有效导热系
数,W/(m·℃);s0为源项。

初始条件:t=0时,结晶器中钢水温度等于浇铸温度,即
θ(x,y,0)=θc;边界条件:结晶器
二冷区
铸坯中心
式中为温度场函数θ的法向导数
式中:nx和ny是求解区域边界外法线的方向余弦,θc为浇铸温度;ρ为水的密度(kg/m3);为水的比热容,kJ/(kg·℃);W为结晶器冷却水流量,m3/s;Δθ为结晶器进出水温差,℃;Am为结晶器表面积, m2;θ为冷却水温度,℃;h为铸坯与冷却水之间的传热系数,W/(m2·℃)。

某炼钢厂2#大方坯铸坯大断面为240 mm×280 mm。

铸机工艺:普碳钢浇注温度1 530～1 550℃,中高碳钢浇注温度1 500～1 520℃;拉速0.6～1.0 m/min,最高拉速1.1 m/min;结晶器水流量130～150 m3/h。

在现场实际配水拉速0.76 m/min、中包温度1 523℃时,45#钢铸坯的温度分布计算结果如图2所示。

拉速为0.6～1.0 m/min、中包温度为1 523℃时,坯壳生长情况如图3所示。

其中,0.76、0.9 m/min为现场实际配水拉速。

由图3可以看出,在结晶器里和凝固后期,坯壳生长非常快。

同时铸坯凝固受拉速影响大,当拉速从0.6 m/min提高到1.0 m/min,凝固末端从距液面9 m(出了二冷的三段,但未进入拉矫机)拉长到16 m(拉矫机内)。

现场最常采用的拉速0.7～0.9
m/min对应的凝固末端范围是10.7～14.4 m,处于进入拉矫机前和第一、第二拉矫机之间。

另外,计算结果显示,铸机的最大拉速1.1 m/m in时,凝固末端达到18 m,正好处于拉矫机末端。

在铸坯凝固后期,铸坯中心部位的温度急剧下降,坯壳生长很快,如图4所示。

在这个过程中,凝固收缩的量很大,如不在此区域实施外界强制变化补偿变形量,很容易造成液芯无法补充凝固收缩的量。

中心部位的液芯非常狭长,当固相率达到一定值时,可能发生柱状晶“搭桥”现象,在这个区域需要施加一定的压下量,在补充热收缩的同时,粉碎已“搭桥”的柱状晶,避免缩孔的产生。

这两个区域相加,即为压下区间。

一
般压下区间的选择根据钢种不同会有区别,但一般最大压下区间固相率不会超过0.3～1。

由于液芯较狭长,方坯一般较板坯开始压下处的固相率小,因此,从固相率为0.3就需要实施轻压下了。

根据传热模型计算的温度结果,45#钢在现场常用拉速0.76 m/min时,铸坯厚度方向纵剖面的温度分布如图4所示。

45#钢的两相区长约8 m。

中心固相率0.3距弯月面8.3 m(进拉矫机前空冷区内),此时对应的凝固末端距11.7 m,仍然位于拉矫机前的空冷区内,但已进入拉矫机的保温套区域。

因此,浇注工艺应选择的压下区间为出二冷第三段后、进拉矫机前,距液面8.3～11.7 m。

考察拉速在0.6～1.0 m/min内波动时,对应的压下区间分析结果如图5所示。

随着拉速的增加,压下区间往后移,并且区间增加。

所有情况下的压下区间从二冷第三段延伸到第三个拉矫机,总长达10 m。

总压下量要完全补偿压下处钢液在降温和凝固过程中的体积收缩量,才能促使富集溶质剩余液相向上游流动。

总压下量大小必须满足:(1)减少中心偏析和中心疏松——补偿凝固收缩,可以理解为最小压下量的确定原则,一般根据压下区间的液芯厚度即可确定。

(2)避免铸坯产生内裂——应力应变低于强度极限,现在常采用建立有限元模型,依据粘塑性理论分析压下区间的应力应变场来确定。

(3)轻压下区压下量产生的作用力不能影响铸机扇形段机架结构的完整性,不能对支承辊的疲劳寿命产生不利影响。

以45#钢在拉速0.76 m/min、中包温度1 523℃时的浇注工艺为例进行分析。

根据计算所得,固相率为0.3时的铸坯断面糊状区面积为8 627 mm2,按照普通钢铁的凝固收缩率,至少需要2.5 mm的压下量。

取计算所得的压下区间3.4 m,在此压下量下的压下率为0.7 mm/m,处于最佳压下率范围内。

当浇注工艺,尤其是拉速改变时,凝固末端和压下区间都会发生较大的改变,但是液芯的形状变化不大,对应的压下量需求只发生了微小的改变。

凝固末端动态轻压下技术对减少中心偏析和疏松具有明显的效果,是提高铸坯内部
质量的最有效且经济的方法。

利用大方坯铸坯温度场的计算模型确定铸坯凝固末端的位置,从而确定45#钢的压下模式:固相率等于0.3时为轻压下初始点,压下区间总长度为10 m,拉速0.76 m/min时的压下量为0.7 mm/m。

本文可为方坯连铸动态轻压下生产实践和技术改造提供参考。

【相关文献】
[1]张玉宝,和光磊,韩淑华.连铸动态轻压下位置的研究[J].中国重型装备,2008(3):1-3.
[2]蔡开科,程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京:冶金工业出版社,1994:1.
[3]HEINZ H,MANFRED T,M ICHAEL S,et al.Advanced equipment for high-performance casters[J].MPT International, 2003,26(3):74-80.
[4]杨国明.炼钢-连铸新技术800问[M].北京:冶金工业出版社,2003:1.
[5]谢海唯,朱苗勇,宋景欣,等.连铸方坯凝固末端轻压下位置的预报研究[J].材料与冶金学
报,2003,2(3):185-188.。