圆坯连铸二冷系统优化

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圆坯连铸二冷系统优化

章香林，秦勤，吴迪平，臧勇，刘巧

(tL京科技大学机械工程学院，北京100083)

摘要：圆坯内裂纹是改善圆坯质量的难题之一，并影响企业的经济效益。采用实验和数值模拟相结合的方法，通过建立热机耦合有限元仿真模型，重点研究圆坯的凝固过程，并利用实测的铸坯温度和铸坯厚度来验证有限元模型的正确性。仿真分析表明圆坯内裂纹是由于圆坯在凝固过程中凝同前沿应变超出了材料临界应变而形成的。最后，在分析主要工艺参数对铸坯凝固过程影响的基础上，提出了有效防止铸坯内裂纹产生的二冷工艺参数优化方案。

关键词：圆坯；内裂纹；热机耦合；二冷系统

中图分类号：TF777．9 文献标识码：A 文章编号：1002－1043(2009)01—0047－04

铸坯内部裂纹是影响铸坯内部质量的主要因素之一。通常认为，铸坯内裂纹是凝固、弯曲和矫直过程中铸坯内部变形率超过材料允许变形率而形成的。

目前普遍采用铸坯二冷应力模型来预测内裂纹，进而通过采用优化工艺参数的方法来避免裂纹的产生。文献[1]认为，铸坯内裂纹是由于铸坯在凝固过程中冷却水量分布不当导致铸坯的温升或温降过快，从而在坯壳上产生热应力和相变应力；文献[2]认为铸坯内裂纹是在凝固过程中形成，取决于凝固前沿所承受应变的大小及该钢种产生裂纹的临界应变；文献[3]建立了铸坯凝固传热模型，定量计算了凝同过程的主要应变，认为辊子对中精度偏差超过2．0 mm时会导致铸坯产生裂纹；文献[4]认为铸坯内裂纹的形成主要取决于凝固前沿应变与临界应变的相对大小，在总结很多研究结果的基础上，得出了钢中碳当量及锰硫比与临界应变的关系。

某厂在技术改造中引进了意大利Danieli公司的圆坯弧形连铸机，该铸机自投产以来，出现了诸如铸坯内裂纹等质量问题，其裂纹多发生在铸坯表面以下20~40 1Tim处。为此，本研究将采用数值仿真的方法，建立圆坯的热机耦合模型，模拟圆坯凝固前沿的应力应变，找出圆坯内裂纹的发生位置和原因。在此基础上，通过寻求优化二冷工艺参数的方式来减消铸坯内裂纹。

1 铸坯凝固过程温度场仿真

本文以Ф450mm的车轮钢圆坯为研究对象。基本工艺参数如下：拉坯速度范围0．45～0．58 m／min；结晶器进出水温差控制在4．0℃左右；二冷比水量(1．29L／㎏；总冶金长度为29 m。

1．1 模型的建立

圆坯连铸凝固模型可采用二维模型，利用圆坯截面的中心对称性取1／8截面建模。有限元模型如图1所示。在模型中，结晶器和空冷区给出求解域边界上的热流密度，按第2类边界条件处理；水冷区给出求解域边界上的热交换系数，按第3类边界条件处理。

1．2仿真结果验证

利用网坯连铸的凝固模型，仿真分析得到铸坯表面的温度分布以及铸坯厚度，为了验证分析模型的正确性，将仿真分析结果和相应的试验结果对比分析。

在现场实验过程中，分别采用智能红外测温仪和“射钉法”来测定铸坯凝固过程中的表面温度和坯壳厚度，现将实验测得数据与仿真结果进行对比并绘制在图2中。仿真结果与实测数据非常接近，说明凝固传热模型可以真实地反映实际连铸过程的凝固特征。

1．3仿真结果分析

在上述基础上，对整个圆坯的凝固过程进行系统仿真分析，得到圆坯凝固过程温度变化及坯壳厚度变化，结果如图3所示。

计算结果表明：结晶器出口铸坯坯壳厚度约19mm，满足铸坯不发生漏钢的基本要求；铸坯在整个二冷区其表面温度最高为1099．7℃，最低为938．4℃，均大于900℃，避开了低温脆性区；二冷区铸坯降温速率均小于200℃／m，满足二冷区冷却条件；铸坯在经过足辊区和移动段时，表面回温速率为383．67℃／m，远远大于100℃／m，存在急速回温现象；其它位置温升均小于100℃／m，满足回温条件。

为探讨圆坯产生内裂纹的原因，还必须进行铸坯的热机耦合分析，而铸坯的凝同过程温度场分析只是铸坯热机耦合分析的基础。

2 铸坯凝固过程应力应变仿真

在进行铸坯的热机耦合分析时，将铸坯在凝同分析过程中得到的节点温度作、力“体力”载荷施加在后序的应力应变分析中。

2．1 模型的建立

直接在传热模型中剔除液芯，得到应力应变的有限元模型(加载后)如图4所示。

模型中，初始条件为热分析所得的铸坯温度场；对称边界施加对称约束，约束坯壳沿着铸流方向移动；铸坯空腔表面施加钢水静压力。

2．2高温力学性能参数的确定

本研究采用Gleeble－2000热／力模拟试验机进行车轮钢高温性能试验，其结果除了直接确定钢的高温强度、断面收缩率之外，还可为铸坯应力应变数值模拟提供基本物性参数，如零强度温度、零塑性温度等。其它机械性能参数如表1所示。

2．3 仿真结果

铸坯在整个凝固过程中，应力在铸坯表面形成集中区域，最大应变则分布于铸坯凝固前沿。最大应变值在足辊区出现两个峰值，分别为0．297％和0．302％，见图5。

2．4 裂纹产生原因分析

H．Hiebler[4]通过总结文献得到的临界应变与钢种成分的关系，其中碳当量的计算公式为：

根据车轮钢的化学成分，由上式计算CP约为0．662 5％，得其锰硫比ω(Mn)／ω(S)约为22．86。对照图6，可以确定车轮钢的临界应变为0．25％。而铸坯在足辊区凝固前沿应变最大值达到了0．302％，超过了其临界应变，可见裂纹是在足辊区凝固前沿发生的。

铸坯在凝固过程中，出现应变峰值处的坯壳厚度约分别为19 mm和25 mm，由此可以判定，铸坯内裂纹是在凝固坯壳19 mm处产生，凝固前沿应变在坯壳厚度为25 mm处达到最大，加剧了裂纹的扩展。根据H．Fujii的实验可知，铸坯内裂纹形成以后，将随着凝固界面的推进而向铸坯内部延伸[5]。因此，形成了从铸坯表面以下19mm至40mm左右的裂纹区域，这与现场实测的铸坯截面内裂纹的位置相吻合。

3 工艺参数优化

由于凝同前沿的应变大于许用的临界应变而导致内裂纹的发生，为了减小铸坯凝固前沿应变，可以采取优化工艺参数的办法来减少裂纹的发生。

3．1 主要工艺参数对铸坯凝固过程的影响

影响圆坯凝同过程的主要工艺参数有过热度、拉速和比水量。分析表明：保持拉速和比水量不变的情况下，过热度每增加10℃，铸坯表面温度平均增加6．56℃；保持浇注温度和比水量不变的情况下，拉速每提高0．10m／min，铸坯表面温度平均增加107℃；保持浇注温度和拉速不变的情况下，改变二冷比水量，得到的铸坯表面温度变化曲线如图7所示。

3．2工艺参数优化

由圆坯凝固模型的仿真结果可知：对铸坯表面温度起决定性作用的是二冷强度。因此，保持过热度不变和拉速恒定的状况下，调节比水量可以使得铸坯表面温度更趋于均匀变化，从而减小凝固前沿由温度梯度引起的应变。若能使之处于临界应变范同之内，就可以有效地防止铸坯产生内裂纹。

在确定工艺参数优化方案时，应保证：铸坯在结晶器出口处应具有足够的坯壳厚度以防止漏钢。因此，对结晶器的冷却强度不作调整；在保证温降速率小于200℃／m的情况下，加大足辊段和移动段冷却强度，遏制铸坯表面温度急剧回升；在铸坯进入拉矫机之前，为保证铸坯表面温度在900℃以上、不落人矫直脆性“口袋区”，应适量减小同定I段和同定Ⅱ段冷却强度。综合考虑到上述因素，最终确定的优化冷却强度参数如表2所示。

3．3优化工艺参数后的效果分析

优化二冷参数后，铸坯在整个二冷段的表面温度分布比原工况更趋均匀，最高点温度下降了约12℃，最低点上升了约35℃，如图8所示。优化后铸坯凝固前沿的应变比原T况有了明显下降，应变峰值分别下降至0．185％和0．186％(见图5)，处于该钢种临界应变范围之内。南于移动段的冷却强度加大，铸坯温降速率比原工况有所加快(见图8)．但仍远远小于200℃／m的温降速率。优化后的铸坯在足辊区回温速率明显减小，为270．18℃／m，相比原工况条件下的383．67℃／m的回温速率有了大幅下降。

优化了二冷强度后的铸坯在足辊区仍存在回温过快现象，主要是受到现场实际生产条件的制约。因为足辊区冷却水引自结晶器振动台，无法增加一路气源，也就无法将当前的水喷淋冷却形式改为气雾冷却形式，只能通过适量增加水流密度的方式来加强冷却效果。

通过增加足辊区的水流密度使热交换系数有所提高，但其幅度并不大。因为当水流密度增大到一定程度以后，则很难进一步起到强化传热的作用，对提高热交换系数的影响并不大[6]。因此，足辊区回温过快现象在当前条件下难以得到彻底解决，但从优化了二冷参数后的铸坯凝固前沿等效应变结果不难看出，铸坯在凝固前沿的等效应变都下降至该钢种的临界应变范围之内，这对于减少铸坯发生内裂纹，起到了良好的促进作用。

(1)建立圆坯凝固模型，仿真分析了圆坯在凝同过程中的铸坯温度和铸坯厚度，并将仿真分析结果与实验数据进行对比分析，验证了仿真模型的正确性。

(2)铸坯运行至足辊区和移动段前端时，存在表面温度急剧回升现象，导致铸坯在凝固前沿的应变超出了其临界应变，这是圆坯形成内裂纹的主要原因。

(3)通过优化二冷工艺参数，使得铸坯在整个二冷段的表面温度分布趋于均匀，铸坯在凝固前沿的应变峰值下降至该钢种的临界应变范围之内，可有效防止铸坯产生内裂纹。

[参考文献]

[1] 何宇明，朱斌，胡兵．降低连铸板坯内部裂纹改判率攻关实践[J]．钢铁，2001，36(2)：23—25．

[2] 袁伟霞，韩志强，蔡开科．连铸板坯凝固过程应变及内裂纹研究[J]．炼钢，2001，17(2)：48—51．

[3] 朱国森，于会香，王新华．连铸板坯凝固过程的应变分析[J]．北京科技大学学报，2004，26(3)：252—254．