非平衡固相线及其对连铸轻压下有效区间影响的研究

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钱宏智¹张家泉¹崔立新²刘伟涛²陶金明²

(1．北京科技大学钢冶系， 2．中冶连铸北京研究院)

摘要：凝固过程动态轻压下是现代连铸技术的重要工艺和研究内容。其控制模型的准确性直接影响轻压下效果，固相线温度是影响压下区间可靠性的重要热物性参数。实践应用表明，采用非平衡凝固状态下的固相线，模型热跟踪计算结果与铸坯实际凝固状态吻合很好。鉴于当前非平衡凝固固相线研究的不足及其对轻压下控制模型精度的影响，本文提出基于规则的正六棱锥体枝晶的凝固过程溶质微观偏析模型可以较好地确定非平衡凝固的固相线温度。

关键词：连铸，非平衡凝固，轻压下区间

1．前言

作为现代连铸工艺中关键工艺之一的动态轻压下工艺，由于其明显地提高铸坯内部质量而越来越多的被应用。现代大方坯连铸中，由于断面大及生产钢种含碳量高等特点，铸坯内部偏析相对比较严重，同时还容易发生疏松缩孔，降低铸坯内部质量。因此大方坯连铸生产中，采用轻压下技术是提升其铸坯质量的必要工艺之一。大方坯连铸过程中动态二冷与动态轻下控制模型是整个大方坯连铸动态轻压下工艺的核心，模型的精确度直接决定轻压下工艺的效果。二级控制模型主要通过控制二冷水量并且实时跟踪铸坯凝固进程来确定合适的压下区间、给出合理的压下量。从而实现补偿铸坯因凝固过程中温降而引起的体收缩、控制中心浓化钢水的流动，达到改善铸坯中心偏析和综合内部质量的目的。

轻压下技术关键性的工艺参数包括：总压下量、压下位置（压下区间）以及指定区域的压下率和压下速率。影响该关键工艺参数的因素有很多，其中钢种基本热物理特性决定了对该钢种实施轻压下的总压下量。拉速制度不仅影响铸坯的矫直区温度，更主要影响凝固终点的位置^[1,2]，进而影响对该钢种实施轻压下的压下区间。实际凝固固相线对轻压下工艺参数的影响十分重要，本文侧重研究固相线对压下位置的影响。

压下位置是轻压下技术的重要参数之一。压下位置的确定应该考虑坯壳内钢水的凝固状态和流动补缩能力。连铸过程本身固有的特点决定压下区间必须处于铸坯中心两相区中。压下区间的合理与否直接影响铸坯质量的提升程度与轻压下效果。压下区间靠前(固相分率较低的区间1，由于钢水在低固相率处有较好的流动性，可以补偿因凝固而产生的收缩，压下效果并不好，且可能产生中间裂纹^[3]，或造成铸坯的较大变形^【⁴^】。压下区间靠后，铸坯内裂纹减少，但压下效果不明显^【³^】。若压下位置进入零塑性温度和粘滞性温度之间，由于无钢水补缩且铸坯不具备一定的强度和塑性，容易产生裂纹。

凝固过程中，钢中其他合金元素以及这些合金在枝晶间的偏析导致凝固偏离平衡状态。非平衡凝固状态下的温度相关的固相分率及热物性参数是描述钢的热物理特性和热．力学凝固行为的关键参数。利用凝固过程中溶质在枝晶问的微观偏析模型可以更合理地确定相关凝固参数。

2．固相线的计算

在几个钢种热物性参数中，影响两相区分布的主要参数为液相线和固相线。二者之间的差值决定了固液两相区的大小，也反映了该钢种溶质的偏析程度。对于液相线的计算，研究人员给出不同的公式^【^5-7^】，虽然各个公式之间存在一定差异，根据各自公式的应用范围，结果基本能满足工程要求。然而，针对固相线的计算则很少，主要是因为钢中含有多种合金元蚕，这些多元合金及相互作用对固相线的影响还相对缺乏。有些研究者提供了一些实验数据^【⁸^】，但是这些数据相对分散，很难清晰反应出钢种中不同溶质元素对固相线的影响。

2．1平衡状态固相线计算

常用的计算公式是基于Fe—C平衡相图确定的平衡凝固下固相线计算公式。该公式是将钢中其他元素根据该元素对钢种凝固影响转化成相应含量的碳的影响，即碳当量，然后根据Fe—C平衡相图中相关的相分界线，计算该钢种固相线。下式就是常见的固相线计算公式^[9]：

2．2利用微观偏析模型计算非平衡凝固状态固相线

利用公式(1)计算固相线温度与生产条件下实验测量的数据相比，发现计算数值明显偏高。这主要是因为钢中多元合金元素及这些元素在枝晶问的微观偏析乃至宏观偏析导致连铸过程中钢的凝固路径偏离平衡状态。因此，连铸过程中采用平衡凝固条件下固相线计算公式势必会影响动态二冷与动态轻压下在线二级模型的控制精度。

为了模拟研究微观偏析，许多人在建立模型时考虑合金元素不尽相同。有的考虑2种合金元素^【¹⁰^，11^】有的考虑5种合金元素^【^12~15^】，甚至更多种合金元素[’6~18]。本文利用Ueshima^[13]等人建立的两相区溶质微观偏析模型，可同时考虑C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni等14种合金元素确定非平衡凝固状态下溶质的再分配及相关热物理特性。该模型是以规则的正六棱锥体枝晶凝固模型为基础，根据溶质扩散的菲克定律与质量守恒定律，同时考虑凝固过程中δ／γ相变建立起来的。在不同冷却条件和钢种成分条件下，对该模型进行有限差分计算，可以计算两相区组成及各组分的比率，同时可以确定全固相时的温度，即固相线温度。文献^【¹⁹^】，通过检索数据，对5种合金元素的模型进行校验。比较结果显示，该模型能很好地反映了连铸凝固过程中两相区的凝固进程。

本文以碳钢为研究对象，列出5种合金元素的平衡分配系数及扩散系数，如见表I。

3．计算结果及讨论

3．1模型计算固相线结果与某厂二级控制模型数据比较

表2为某厂引进国外先进工艺所用二级控制模型所列的钢种成分。利用凝固过程中溶质微观偏析模型(SSMSM)计算该钢种的固相线温度，同时与其模型采用的固相线进行对比，对比结果见图1。

图1模型计算固相线与某厂二级控制模型对应钢种取值的比较

根据对比结果，模型计算结果与该厂二级控制模型采用的数据几乎形同，二者最大相差0．83％。可见，引进国外先进工艺的二级模型实际使用了非平衡固相线温度，其合理性在生产实践中得到验证。因此，本研究建立的凝固过程溶质微观偏析模型计算的固相线温度可以应用于自主开发的二级控制模型关于固相线的选择。

3．2固相线温度对冶金长度和压下区间的影响

下面将分别讨论平衡凝固与非平衡凝固固相线对连铸过程中钢水的凝固进程的影响。为了说明方便，以下采用平衡凝固状态下固相线的简称平衡状态，采用非平衡凝固状态下的固相线的简称非平衡状态。钢水成分见表3。

A)不同固相线对液芯长度的影响

从表4可见，非平衡凝固下两相区相对平衡凝固条件下两相区要宽得多。以大方坯为例，以下计算表明，这将对连铸过程中钢水的凝固进程计算产生很大的影响。计算条件见表5和表6。

由此，分别计算平衡凝固与非平衡凝固固相线对凝固终点的影响，结果见图5。

从图5可见，针对每个钢种，非平衡状态计算的凝固终点比平衡状态计算的凝固终点位置明显增大，且随着钢种含碳量的增加而增加。20钢两者之间的差值为0．38m，而45钢二者之间的差值相差为0．80m，U71Mn二者之间差值则为1．66m。高碳钢非平衡与平衡凝固条件对铸坯凝固终点的影响十分明显。

B)不同固相线对压下区间的影响

轻压下的工艺参数直接影响轻压下工艺效果。以下讨论不同计算条件下的凝固固相线温度差异对选择轻压下区间的影响。计算表明，上述三个钢种在正常拉速下铸坯的凝固进程及压下区间分布见图6～8。

其中，图中实线表示的是平衡条件下的凝固进程和固相分率随距离的变化，点划线为非平衡条件下铸坯凝固进程和固相分率随距离的变化。可见，平衡状态下两相区长度比非平衡状态下两相区明显偏短，且位于非平衡状态两相区内。通过比较压下区问(比如取fs=0．3～0．95)来看，平衡状态压下区间要远小于非平衡凝固条件下的压下区间。且随着含碳量的增加这种差异明显增加。比较结果见表7。