600mm 35CrMo钢立式连铸圆坯宏观组织分析

600mm 35CrMo钢立式连铸圆坯宏观组织分析
张连望;张羽;张佳正;李静;李胜利;许长军
【摘要】基于中原特钢股份有限公司立式连铸工艺与CAFE形核理论,建立了
Φ600 mm 35CrMo钢立式连铸圆坯传热凝固耦合模型,采用薄片移动边界法对圆坯宏观组织进行数值模拟,分析了钢液浇注过热度和二冷水制度对宏观组织的影响,并在现场进行了Φ600 mm 35CrMo钢圆坯的连铸生产.结果表明:圆坯宏观组织形貌模拟结果与现场低倍组织相一致,过热度为40℃时中心等轴晶率为29.16%.当过热度由30℃升高到50℃时,晶粒数由9332个减小到7155个,降低了23.33%;晶粒平均半径由1302μm增大到1622μm,增大了24.58%;中心等轴晶率由35.75%减小到21.13%.当冷却强度由弱冷变为强冷时,晶粒数由9391个减小到7228个,晶粒平均半径由1259μm增大到1576μm,中心等轴晶率由36.05%减小到
23.04%.%Based on ZhongYuan Special Steel's continuous casting process parameters and CAFE nucleation theory,a mathematic model coupling heat transfer and solidification in a Φ600 mm vertical continuous casting round steel billet was established. Using chip-moving boundary method,the macrostructure in a Φ600 mm 35CrMo round billet was numerically simulated.In this work,the influence of the molten steel superheat and the secondary cooling intensity on the macrostructure in the 35CrMo round billet was analyzed,and the con-tinuous casting of Φ600 mm round billet was carried out in the steelworks.The results show that simulation and practical cases both reveal consistent macrostructure morphology;when the superheat is 40°C the round billet has the center equiaxial grain ratio of 29.16%;when the superheat increases from 30°C to 50°C,the number of
grains decreases from 9 332 to 7 155 corresponding to 23.33% reduction while the average radius of the grains increases from 1 302μm to 1 622μm corresponding to 24.58% increase with the center equiaxial grain ratio decreasing from 35.75% to 21.13%. When the cooling intensity increases from low cooling to strong cooing,the number of grains decreases from 9391 to 7 228,and the average radius of the grains in-creases from 1
259μm to 1 576μm with the center equiaxial grain ratio decreasing from 36.05% to 23.04%.
【期刊名称】《辽宁科技大学学报》
【年(卷),期】2018(041)001
【总页数】6页(P14-19)
【关键词】35CrMo钢;立式连铸;大断面圆坯;宏观组织
【作者】张连望;张羽;张佳正;李静;李胜利;许长军
【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;中原特钢有限公司,河南济源454650;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051
【正文语种】中文
【中图分类】TF777;TP391.9
钢液的凝固阶段，晶粒的形核与生长直接影响铸坯的宏观组织，决定了铸坯内部质
量，对产品成分均匀性和淬透性等有重要影响。

立式连铸机与传统立弯式连铸机相比无弯曲与矫直过程，铸坯表面裂纹缺陷几率较低。

连铸生产过程铸坯断面温度场和应力场分布均匀，无内外弧差异，内弧侧无夹杂物聚集问题［1］。

韩国浦项420 mm×530 mm板坯立式连铸机于2012年开始生产，美国铁姆肯480
mm×610 mm板坯立式连铸机于2014年开始生产。

中原特钢股份有限公司（后称“中原特钢”）的世界首台大规格圆坯立式连铸机于2015年投产，最大能生产800 mm直径合金钢圆坯，圆坯质量满足市场需求。

本文以中原特钢圆坯立式连
铸机为研究对象，构建立式连铸圆坯凝固传热模型，进行铸坯组织模拟，讨论钢液过热度、拉速和冷却强度对宏观组织的影响规律。

1 模型建立
将Φ600 mm×20 mm的圆坯作为计算实体，划分四面体网格并建立二维非稳态
模型［2］。

使用薄片移动边界法对温度场进行数值计算，然后在模型上选取
Φ600 mm×2 mm的薄片，用CAFE（Cellular automation finite element）法对宏观组织进行数值模拟。

35CrMo钢的主要化学成分：w（C）=0.35%，w（Si）=0.29%，w（Mn）=0.60%，w（Cr）=0.97%，w（Mo）=0.19%，w（Ni）
=0.14%，w（Cu）=0.07%。

由ProCAST数据库计算出合金热物性参数。

1.1 传热模型
根据立式连铸圆坯的传热特点，同时为计算方便，对传热模型做出如下假设：（1）忽略钢液流动对传热的影响；（2）忽略轴向传热；（3）忽略结晶器振动对传热
的影响；（4）结晶器传热采用平均热流；（5）二冷区各段水量均匀分布。

从结晶器弯月面开始，薄片连续通过结晶器、二冷区和空冷区。

传热模型边界条件的计算式如表1。

其中，二冷区的边界条件运用MCA方法处理［3］，得到综合
传热系数h［4］。

结晶器工况条件：开浇温度1 538℃，过热度40℃，结晶器进出水温差5℃，结晶器水流量2 650 L/min，结晶器有效长度0.7 m，拉坯速度
0.18 m/min。

表1 传热模型的计算式Tab.1 Computational formula of heat transfer model
计算式Q=QWCW ∆TW ∕F h=350×W0.351 qr=kσ[(Tb+273)4-(Ta+273)4]阶段结晶器二冷区空冷区
表1中：Q为结晶器平均热流密度，W/m2；QW为结晶器冷却水量，kg/s；CW 为水的比热；∆TW为结晶器内进出水温度差，°C；F为结晶器与铸坯间有效冷却
面积，m2；h为铸坯表面换热系数，W/（m2·K）；W为水流密度，L/（m2·s）；qr为辐射换热热流密度，W/m2；σ为波尔兹曼常数；k为表面辐射系数；Tb为
板坯表面温度，°C；Ta为环境温度，°C。

1.2 凝固模型
在凝固过程中，枝晶形核分为均匀和非均匀两种方式。

目前对于宏观组织的数值模拟，非均匀形核采用连续形核和瞬时形核两种处理方法。

图1为非均匀形核高斯
分布函数，表示了面和体的分布曲线，能够实际反映凝固条件对晶粒大小和形态分布的影响。

图1 非均匀形核高斯分布函数Fig.1 Gaussian distribution function for Non-uniform nucleation
假设形核过程在不同位置上发生，dn/d（∆T）为连续而非离散的分布函数，表示了晶粒的密度变化，增大过冷度∆T促使晶粒密度dn增大。

已知过冷度∆T，晶核密度n（∆T）计算式
dn/d（∆T）由高斯分布函数确定［5］
式中：∆Tmax代表平均形核过冷度，K；∆Tσ代表形核过冷度标准方差，K；nmax代表最大形核密度。

采用 KGT（Kurz-Givoanola-Trivedi）［6］模型作为枝晶尖端生长动力学模型。

首先KGT模型能够描述强制性尖端的生长在快速凝固过程，建立了过冷度和枝晶
生长速度的关系；其次KGT模型包含了溶质陷落、扩散系数的温度改变关系在强
凝固速度下；最后考虑了动力学效应和曲率对过冷度大小的变化。

凝固过程中形核过冷度∆T可以分为四个过冷度的加和，其表达式
式中：∆T代表枝晶尖端的过冷度；∆Tc代表成份过冷度；∆Tt代表热力学过冷度；∆Tr代表固液界面曲率过冷度；∆Tk代表生长动力学过冷度。

大多数的合金，其热力学过冷度∆Tt，固液界面曲率过冷度∆Tr和生长动力学过冷度∆Tk相比于成份过冷度∆Tc来说小很多，因此计算时可以进行忽略。

对KGT模型进行拟合，得到的枝晶尖端生长速度v（∆T）与形核过冷度∆T的关
系式
式中：a2和a3代表生长动力学参数。

数值模拟使用的体积与面积形核参数为：
1.3 模型耦合
为将传热模型和凝固模型耦合到一起，微观组织为温度场的函数。

CA元胞与FE
节点间设定插值因子，插值因子和FE节点温度结合可以确定元胞的温度。

当满足过冷度形核条件时，某些节点开始形核，采用同样的插值因子，在节点处对晶粒形核过程的释放潜热进行求和，并更新节点温度［7］。

2 模拟结果分析
2.1 模型与实际组织对比
基于连铸工艺参数与CAFE形核参数，数值计算得到了圆坯枝晶结构，如图2a所
示。

色泽深度表明晶粒的生长方向［8］。

同工艺参数条件下，现场生产得到了35CrMo钢圆坯，其酸洗后的低倍组织如图2b所示。

不难看出，数值计算结果与实际生产拥有相同的宏观组织形貌，铸坯的中心等轴晶率为29.16%。

圆坯的低倍组织可以划分为表面激冷层、柱状晶区和中间等轴晶区。

首先，高温钢液受到激冷作用，在结晶器内壁迅速形成细小的等轴晶，即激冷层。

接着形成柱状晶区，它是由定向生长形成的粗大柱状晶。

随着柱状晶生长，固液混合区的温度梯度逐渐降低。

柱状晶生长缓慢且向等轴晶的过渡转变，形成了中心等轴晶区。

图2 模拟结果和铸坯低倍组织对比Fig.2 Comparison between experimental and simulation results
2.2 过热度对宏观组织的影响
钢液过热度是保证连铸生产顺行和铸坯质量的关键工艺参数之一。

选择30、40、50℃过热度，保持其它工艺参数不变，模拟结果如图3所示。

可以看出，随着钢液过热度升高，凝固组织中柱状晶比例逐渐增大，晶粒尺寸明显粗化。

如图4所示，当过热度由30℃升高到50℃时，晶粒数由9 332个减小到7 155个，降低了23.33%；晶粒平均半径由1 302 μm增大到1 622 μm，增大了24.58%；中心等轴晶率由35.75%减小到21.13%。

过热度发生变化致使最大形核基底数发生改变，由于高温熔融钢液中最大形核基底数必然少于低温钢液，过热度愈高，最大形核密度愈低。

因此，当过热度升高时，使得靠近结晶器的元胞过冷度降低，减小了熔体形核率，增大了结晶时间，进而等轴晶的生长受到抑制。

温度梯度的增大，增加了柱状晶区的面积，晶粒组织粗大。

与此相反，过热度降低，降低了型壁上脱离的晶粒，枝晶破碎形成的游离晶体和钢液表面形成的小晶体重熔消失的可能性。

当钢液内拥有较多结晶核心时，利于晶核长大形成等轴晶，柱状晶的生长受到阻碍。

但是，低温下的原子扩散能力较差，为了获得稳定的结晶核心并使铸坯组织晶粒均匀，要对凝固过程中的铸坯进行持续保
温。

因此，低过热度浇注并对凝固过程中的铸坯进行保温有利于提高铸坯等轴晶率和组织均匀度。

图3 不同过热度的宏观组织Fig.3 Macrostructure with different superheat
图4 不同过热度对晶粒的影响Fig.4 Effect of different superheat on grain number and size
2.3 二冷制度对宏观组织的影响
三种不同的冷却制度如表2所示，其它工艺参数保持不变，模拟结果如图5所示。

可以看出，强冷却强度增大了柱状晶比例和晶粒尺寸。

如图6所示，当冷却强度
由1组提高到3组时，晶粒数由9 391个减小到7 228个，减少了23.03%；晶
粒平均半径由1 259 μm增大到1 576 μm，增大了25.18%。

中心等轴晶率由36.05%减小到23.04%。

表2 不同冷却制度Tab.2 Different cooling intensity组号1 2 3二冷各水区冷却水量/（L·min-1）一区11.3 17 22.6二区18 27 36三区10 15 20
从枝晶生长速度角度考虑，强冷却强度降低了圆坯表面温度，使横断面凝固前沿温度梯度变大，利于柱状晶生长。

弱冷却强度可减小柱状晶带宽度，利于等轴晶生长；从平均形核过冷度上考虑，强冷却强度增强了形核力，易达到晶粒形核需要的平均形核过冷度，不利于柱状晶向等轴晶的转变，减小二冷水量是抑制柱状晶生长的一个积极因素。

实际生产时，不同拉速配以不同的冷却制度，拉速增大，冷却强度要随之加强；拉速减小，冷却强度要随之减弱，以到达相同的比水量。

因此，拉速对于宏观组织的影响类似于冷却强度的影响，低拉速利于等轴晶率的提高。

图5 不同冷却强度的宏观组织Fig.5 Macrostructure with different cooling intensity
图6 不同冷却制度对晶粒的影响Fig.6 Effect of different cooling intensity on
grain number and size
3 结论
（1）基于中原特钢的连铸工艺参数，对35CrMo铸坯进行数值模拟。

模拟与实际两者拥有相同的宏观组织形貌，铸坯的中心等轴晶率为29.16%。

（2）随着钢液过热度的逐渐增大，宏观组织逐渐粗化。

当过热度由30℃升高到50℃时，晶粒数由9 332个减小到7 155个，降低了23.33%；晶粒平均半径由
1 30
2 μm 增大到1 622 μm，增大了24.58%；中心等轴晶率由35.75%减小到21.13%。

低过热度浇注有利于等轴晶率的提高。

（3）随着冷却强度的逐渐增大，宏观组织逐渐粗化。

当冷却强度由1组变成3组时，晶粒数由9 391个减小到7 228个，减少了23.03%；晶粒平均半径由 1 259 μm 增大到1 576 μm，增大了25.18%。

中心等轴晶率由36.05%减小到23.04%。

拉速对于宏观组织的影响类似于冷却强度的影响，弱冷却强度和慢拉速利于等轴晶率的提高。

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