圆坯连铸工艺参数对铸坯凝固的影响与分析

圆坯连铸工艺参数对铸坯凝固的影响与分析

孙向东朱立光朱新华

(河北联合大学冶金与能源学院，河北，唐山063009)

摘要：连铸是钢铁工业的重要环节，由于其生产条件的特殊性，有些数据很难从现场直接获取。

经验值难以准确判断现场铸坯凝固变化规律，与理论存在偏差，则可能造成铸坯质量的下降。本

研究在ANSYS的基础上，针对钢种37Mn5，铸坯断面Ф210mm建立传热模型。通过模拟实验，考

虑了铸机拉速，过热度，冷却强度在铸坯凝固传热过程中对其表面温度，凝固坯壳厚度，凝固终

点位置的影响，并分析其对铸坯质量产生的影响，从而为现场生产提供理论指导，实现连铸机的

高效、优质生产。

关键词：圆坯连铸；传热模型；冷却强度；过热度；裂纹

Analysis about Technological Parameter of Round Billet

Continuous Casting on the Influence of Strand Solidification

Sun Xiangdong Zhu Liguang Zhu Xinhua

(College of Metallurgy and Energy Hebei United University Tangshan 063009 Hebei China)

Abstract: continuous casting is an important part of the iron and steel industry, due to the particularity of its production conditions, some data were difficult to be directly obtained from the site.The value of experience can not exact judge shifty regular pattern of strand solidification in site, it should exist deviation with theory, maybe result in the quality of strand declined. Therefore, this study based on ANSYS, we will build the heat transfer mode about the steel of 37Mn5 and the section of Ф210mm. Through simulation experiments, considering the casting machine speed, degree of superheat and cooling intensity on the influence of slab solidification and heat transfer, analyzes its the surface temperature of slab, slab solidification shell thickness and solidification end point, and analyze its impact on casting quality, so as to provide theoretical guidance for practical production, achieve continuous caster efficient, superior quality of casting's production.

Key words：Round billet continuous casting, The heat transfer model, Cooling intensity, Degree of superheat,The crack

1 前言

连铸工艺在钢铁冶金中的地位超乎其前，由于连铸机的使用，大大提高了金属的收得率，降低了成本，也增加了钢材产量。随着连铸技术的日益发展，钢材产量已经不是焦点，如何生产出高质量的铸坯却越发被生产企业所关注。37Mn5钢属于合金结构钢，它主要用于石油化工行业，因此，钢种质量的优劣性就决定着它在石油化工行业的使用寿命。由于37Mn5钢是裂纹敏感钢种，在生产中极易出现裂纹，从而影响终产品的质量。天钢联合特钢生产圆坯规格为Ф210mm，Ф270mm，Ф300mm，Ф350mm。针对37Mn5钢出现裂纹的情况，为了更全面的了解铸坯凝固过程，本研究建立了Ф210mm断面的铸坯凝固传热模型。以期通过应用该模

型，在改变工艺参数的条件下，获得铸坯表面温度，坯壳厚度，凝固终点位置随工艺参数变化的情况。从而为分析铸坯内裂纹的发生提供理论数据，为钢铁企业现场生产提供一定的理论指导作用。

2 圆坯凝固传热数学模型的建立

2.1 模型建立的假设条件

在圆坯连铸的生产过程中，实际上是液态钢水到固态钢的一个冷凝过程，也即是说内部过热和潜热的一个释放过程。在建立模型时，往往采用切片移动原理来完成。铸坯内部热量通过薄片上的节点传递到铸坯表面，再与冷却铜壁或者二冷水接触将其热量散失，从里到外形成一定的温度梯度，实现钢液的凝固。铸坯向外传递热量多少，关系到坯壳厚度的形成。其实质则与外界金属的热物理性质和连铸时的物理边界问题有关。

本研究中为了明确模拟圆坯传热模型，做了如下假设：

(1) 由于钢液在沿着拉坯方向的传热变化不大，忽略其纵向传热，将3维模型转化为

2维模型；

(2) 钢液凝固潜热按热焓方法进行处理；

(3) 钢的热物性参数仅与温度相关，和空间位置的变化没有关系；

(4) 铸坯的物理特性为各向同性；

(5) 铸坯表面的辐射传热，与二次冷却水的换热以及与支承辊的导热采用综合换热

系数一起考虑；

(6) 圆坯是轴对称体，采用1/4面作为研究对象。

基于以上假设，建立非稳态圆坯凝固传热数学方程：

v q T r r T r T C +∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=∂∂2

221θλλτρ (1) 式中：λ—导热系数，)/(C m W o ⋅；C —比热容，)/(C kg J o ⋅；ρ—密度，3/m kg ；T —温度，℃；θ,r —圆柱坐标系两个方向的坐标，m ；τ—圆坯在结晶器内停留的时间，s ；v q —内热源，)/(3s m J ⋅。

2.2 初始条件与边界条件

(1) 初始条件

浇注时间τ=0时，浇注温度T=T 0，其中T 0为结晶器内钢水弯月面处微元体钢水温度。

(2) 边界条件

铸坯中心视为线对称传热，可以视为绝热，不发生热量传递，表述为：τ≥0，00=∂∂-=r r T

λ；铸坯表面发生热量传递表述为

[1,3,7]：τ≥0，q r T r

r =∂∂-=λ 其中：τ—浇注时间，s ；T —浇注温度，℃；r —铸坯半径，m ；λ—导热系数，)/(C m W o ⋅；q —表面热流，)/(2

m W 。 结晶器内：

τb a q -= (2)