板坯连铸机辊缝收缩的仿真计算研究
时间：2023-01-23 09:20:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黎建全，何 博，龙木军，周明佳，陈 雄，高 原
(1.攀钢集团攀枝花钢钒有限公司提钒炼钢厂，四川 攀枝花 617062；
2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；
3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044，4. 攀钢集团西昌钢钒有限公司,四川 西昌 615032)
钢液在连铸机中冷却、凝固过程必然会产生体积收缩，在结晶器内设置倒锥度，在二冷区设置合适的辊缝可弥补铸坯的凝固收缩，有效防止钢水负吸入，减轻铸坯中心偏析[1,2]，但不合理的辊缝收缩会对连铸坯质量造成影响，收缩量过小时，对于中心偏析和中心疏松改善不明显；
收缩量过大时，铸坯受到挤压过度，可能会导致内裂的产生；
同时收缩量过大时，长时间还容易引起压下区域辊子的损坏[3]。
连铸机的辊缝收缩技术是依据钢种的凝固收缩特性预先设定好一定的锥度，对铸坯的凝固收缩量进行一定的补偿[4,5]。可以通过连铸机辊缝收缩，在连铸坯液芯末端施加均匀外力，形成一定的压缩量来补偿铸坯的凝固收缩量[6]。
本文结合某厂2号板坯连铸机结构特点及生产钢种，研究其辊缝收缩制度，并提出了改进建议，提高连铸坯的质量。
2号板坯连铸机为一台单流直弧形连铸机，铸机半径8 m，冶金长度30 m，浇铸断面为200 mm×(900～1350)mm，主要生产碳素结构钢、优质碳素结构钢、耐候结构钢、汽车用钢、焊瓶钢、管线钢、船用钢，IF和电工钢等，工作拉速0.2～2.0 m/min，结晶器宽面及足辊没有设置锥度，没有收缩，二冷零段直线段前3对夹辊均无辊缝收缩量，之后才开始设置辊缝收缩，每个扇形段基本上按0.3 mm的规律收缩，没有使用二冷动态轻压下技术，从Seg10#开始的扇形段辊缝不再收缩。
2.1 连铸机辊缝收缩的计算方法
板坯连铸凝固过程中，必然会产生钢液体积收缩、两相区钢液凝固收缩和凝固坯壳的冷却收缩，不同的收缩，其计算方法也有所不同[7,8]。
2.1.1 钢液体积收缩的计算方法
钢液体积收缩是指钢液由浇铸温度降至液相线温度的收缩，其体积变化的特点是：没有发生相变，体积收缩较小,钢液密度发生了变化[9]。根据质量守恒，m=ρ1gv1=ρ2gv2，由计算软件逐一计算每一个液态网格的体积收缩量，再将各个液态网格的体积收缩量相叠加，即为钢液的体积收缩量[10]。
采用STA449C综合热分析仪、DIL402热膨胀仪以及Gleeble1500D热模拟试验机模拟测试连铸坯的高温物理性能，计算获得典型钢种铸坯的相关热物性参数，四个典型钢种的浇铸温度、固相线温度、液相线温度和密度与温度的函数关系如表1所示。表1中T为试样温度，℃。
表1 典型钢种热物性参数
2.1.2 两相区钢液凝固收缩的计算方法
两相区钢液的凝固收缩是指钢液从液相线温度降至固相线温度产生的收缩，体积收缩与钢种化学成分有关[11,12]，本研究中考虑了包晶区的包晶相变收缩对钢液凝固收缩的影响。
由铁碳相图可以知道，碳钢由液态降温凝固，随着温度降低不断析出δ相或者γ相。在固-液两相区，以(L+δ)或(L+γ)两相存在，或者(L+δ+γ)三相共存，具体的存在状态跟钢种的碳含量和其他成分含量有关，随着固相(δ、γ相)的增加，密度不断增大，体积不断收缩。利用相图和杠杆定律，求得δ相和γ相的质量分数，再根据每一个两相区网格中的组相成分的密度，利用表2中的方程逐一计算(L+δ)、(L+γ)和(L+δ+γ)两相区的密度就可获得到钢液凝固收缩。表2中ρ0为温差0K时的液相密度，取7.02×103kg/m3；
ΔρL/δ、ΔρL/γ分别为在δ、γ相内液相线和固相线的密度差，ΔρL/δ=0.25×103kg/m3，ΔρL/γ=0.39×103kg/m3；
fδ、fγ分别为在δ、γ相内的质量分数。
表2 两相区的密度计算方程式
不同钢种成分对收缩的影响不同。对于C大于0.09%小于0.18%的钢种，冷却到固相线温度时(约为1 493 ℃)，将发生包晶反应[13]。这种钢同时承受温度下降的自然热收缩和相变收缩，且相变收缩的量较大[14,15]。因此对于包晶钢的辊缝设计应与非包晶钢有所区别。
对包晶钢的收缩行为，已有不少学者开展了相关研究。如包晶钢的凝固正好处于包晶区(L+δ→γ)，凝固过程中会发生δFe→γFe相变，并伴随着较大的体积收缩，体积收缩大概为0.38%[16]。Q235B2(碳含量为0.12%～0.14%)的坯壳的体积收缩率高达0.5%[17]。对于碳含量在0.08%～0.14%的钢种，相变过程中的收缩量比此碳含量以外的钢种增加3.8%[18]。
在实际连铸生产中，铸坯内部液芯的钢水静压力较大，钢液对碳含量处于包晶钢范围的钢种铸坯的包晶反应收缩有一定的补缩作用[19]。而且，每一炉钢液成分即使处在包晶范围，也未必会达到最大收缩。通过对已有文献的总结和分析计算，对于包晶钢的具体碳含量范围，不同的钢厂或文献报道均不尽相同，结合该厂情况，选取包晶钢的包晶反应对连铸坯收缩的影响系数为0.38%。
2.1.3 凝固坯壳体积收缩的计算方法
凝固坯壳的收缩是指在拉坯过程中，铸坯温度逐渐下降，引起已凝固坯壳的固态体积自然收缩，根据钢种连铸坯的热膨胀性能(相对膨胀量与温度的函数关系)，逐一计算每一个固态网格的体积收缩量，将各个固态网格的体积收缩量相叠加，即为凝固坯壳的体积收缩量。在模拟连铸过程的实验条件下测试分析得到铸坯在固态下的热膨胀性能(此热膨胀性能包括了铸坯二次低延性区域的奥氏体相变收缩)，获得的四个典型钢种在降温速度为5 ℃/min条件下的热膨胀曲线回归处理，得到各钢种铸坯在固态下相对膨胀量与温度的函数关系如表3所示。表3中L0为室温下热膨胀测试试样的长度，m；
ΔL为试样长度变化(增加)的差值，m；
为试样温度，℃。
表3 铸坯在固态下相对膨胀量与温度的函数关系
2.1.4 连铸坯凝固末端压下辊缝控制
连铸过程中，由于二冷区冷却的不均匀性，造成铸坯传热的不稳定[20,21]，导致柱状晶生长不稳定，局部区域优先生长，在某一局部区域两边相对生长的柱状晶相连接，或者等轴晶的下落被柱状晶捕集而形成“搭桥”，液相穴内钢液被“凝固桥”分开，桥下面的残余钢液凝固收缩时得不到上面钢液的补充，与铸坯凝固壳之间会产生一定的间隙，从而形成疏松或缩孔[22]。可以通过铸坯凝固末端压下技术来弥补这个间隙，改善这种状况。
2.2 辊缝收缩计算结果与分析
Q235G和L245MB钢的碳含量都处于包晶区范围内，而P510L和Q450NQR1的碳含量处于包晶区的边缘区域，包晶钢和非包晶钢的铸坯凝固收缩存在较大差异，分别计算两类钢种的辊缝收缩值见表4，辊缝收缩曲线如图1所示。
表4 铸坯的辊缝收缩计算结果
图1 连铸机的辊缝收缩曲线
图1、图2和表4中的现有辊缝收缩值是指2号板坯连铸机目前使用的辊缝收缩值。基础辊缝收缩值是指根据前面计算方法计算得到的辊缝收缩值。推荐辊缝收缩值是在基础辊缝收缩值的基础上，加上了铸坯凝固末端辊缝压下控制的辊缝收缩值。
图2 两类钢种辊缝收缩比较
从图2中可见，在二冷前期，计算所得Q235G和L245MB的基础及推荐辊缝收缩量比现用辊缝收缩量要大，而P510L和Q450NQR1的铸机基础及推荐辊缝收缩值，二冷前期的跟现用辊缝收缩量基本上相同，这是因为Q235G和L245MB的碳含量都处于包晶区范围内，连铸凝固过程中，在结晶器弯月面处凝固时会发生包晶反应，坯壳的收缩率高，凝固收缩量比其他钢种要大。
二冷后期的基础辊缝收缩比现用辊缝收缩小，推荐辊缝收缩均比现用大。因此推荐在连铸坯凝固末端的实施辊缝轻压下控制，有利于改善甚至消除连铸坯的中心疏松、中心偏析、中心缩孔等问题。
由图2可见，Q235G钢和L245MB钢的辊缝收缩量大于P510L钢和Q450NQR1钢，这主要是前者在结晶内凝固时会发生包晶反应，坯壳的收缩率高，凝固收缩量大，在出结晶器时，铸坯的外在横断面尺寸比P510L钢和Q450NQR1钢要小。二冷中后期，由于钢水静压力大，钢液对包晶钢收缩的补缩效果比较好，连铸坯的收缩差异不大。在铸坯凝固末端，由于铸坯凝固枝晶“搭桥”之后，钢液无法补缩，此时包晶钢的收缩量比较大，产生中心疏松、缩孔等问题更严重，因此生产Q235G钢和L245MB钢时，凝固末端压下量比P510L钢和Q450NQR1钢大。
从2号板坯连铸机现用的辊缝收缩制度看，也使用了铸坯凝固末端压下技术，总压下量约为0.8 mm，分布在Seg7#、Seg8#和Seg9#三个扇形段，压下位置为14.325～21.198 m，且压下量偏小仅0.8 mm。而4个典型钢种拉速1.0～1.6 m/min时，凝固末端至结晶器弯月面的距离为14.60～24.09 m。由此可见，在较高拉速(如1.6 m/min)生产的情况下，连铸坯在Seg10#还存在液芯，没有完全凝固；
但2号板坯连铸机的辊缝值从Seg10#开始就不再收缩，达不到铸坯凝固末端压下的效果，铸坯容易产生中心疏松、中心偏析等质量问题。
铸坯凝固末端辊缝压下技术属于静态压下技术，不能在线调整压下的位置，压下位置只能是一个固定的区域，因此，压下位置需要兼顾各种工况下的铸坯凝固状态，使辊缝收缩在各种工况下都能有效地实施铸坯凝固末端压下技术。为了兼顾高拉速下连铸坯的凝固末端压下效果，建议延长实施铸坯凝固末端压下的区域，压下位置延长至Seg10#扇形段，适当增加压下量，Q235G钢和L245 MB钢增加到1.3 mm，P510L钢和Q450NQR1钢增加到1.1 mm。
2号板坯铸机为直弧形铸机，结晶器宽面是平行的，没有锥度，足辊段与结晶器相连，也没有辊缝收缩，容易造成二冷前期铸坯尤其是包晶钢铸坯，在出结晶器时的凝固壳比较薄，在拉坯方向上不均匀，鼓肚增加，造成铸坯裂纹等质量问题。在工程改造允许的情况下，建议板坯连铸机的结晶器设置锥度，不但有利于提高结晶器的传热效率，改善铸坯在拉坯方向上的凝固壳均匀性，而且足辊区域的辊缝能适应补偿连铸坯出结晶器后的尺寸收缩，改善铸坯出结晶器后的鼓肚情况，提高连铸坯质量尤其是包晶钢连铸坯的质量。
(1)连铸机辊缝收缩与钢种成分有较大关系，铸机辊缝收缩制度应有所不同，包晶钢的收缩要大于非包晶钢种。
(2)实际生产中对辊缝收缩来说，包晶钢主要应考虑两个方面，一是凝固初期结晶器的锥度和二冷初期的辊缝问题；
二是凝固末期由于“小钢锭”问题引起的中心过大收缩造成中心疏松和偏析问题。
(3)2号板坯连铸机现用凝固末端辊缝总压下量(0.8 mm)稍微偏小，需要在铸坯凝固末端实施一个更大的末端压下量，建议Q235G钢和L245MB钢增加到1.3 mm，P510L钢和Q450NQR1增加到1.1 mm。
(4)2号板坯连铸机现用铸机辊缝的末端压下位置为14.325～21.198 m，不能兼顾4个典型钢种高拉速生产时的凝固末端压下，达不到减轻铸坯中心偏析、缩松的效果，建议将压下位置延长至第10扇形段。
(5)连铸坯尤其是包晶钢铸坯，在出结晶器时的凝固壳比较薄，凝固壳厚度在拉坯方向上不均匀，容易导致二冷前期铸坯发生严重鼓肚变形。2号板坯连铸机的结晶器和足辊段都没有锥度，建议对结晶器设置锥度，对提高连铸坯质量尤其是包晶钢连铸坯的质量有重要影响。
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