（钢铁冶金专业论文）连铸过程铸坯动态轻压下压下模型的研究与应用.pdf

：，：( ： 、j ，v - 一。j 、上 。1li ，f l， ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fs o f tr e d u c t i o nm o d e l f o r d y n a m i cs o f tr e d u c t i o n i nc o n t i n u o u sc a s t i n g b yl i nq i y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 巴。，一节 ，。 声明尸只月 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 一 学位论文作者签名：韦 石勇 日 期：z 喈- 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 屯 、 p | 一 东北大学博士学位论文 摘要 量曼曼曼詈鼍皇鼍曼曼曼曼i i i i i i 皇 连铸过程铸坯动态轻压下压下模型的研究与应用 摘要 连铸坯动态轻压下技术已成为改善连铸坯中心偏析和疏松最有效手段之一，是现 代连铸机技术先进性的一个重要标志。本文以国家技术创新计划项目板坯连铸机动 态轻压下技术的研究、开发与应用和某厂大方坯连铸机动态轻压下工艺控制技术 研究为依托，进行了连铸板坯和方坯动态轻压下过程关键工艺控制模型压下模 型的研究开发，并在实际生产中进行应用研究。本文的主要研究内容和取得主要结果 如下： 1 连铸坯轻压下压下率理论模型的建立。通过对轻压下过程质量流量特征分析， 理论推导获得了板坯方坯压下率模型，该模型完整描述了任意矩形铸坯断面内凝固收 缩、热收缩、铸坯变形对压下率的影响，即： ，广广熟姗+ r 广万铷+ ( 警) 广( 矾) i 。砂 2 瓦f 不r , d x 一 j ：“乃i 产 式中：v r g 为压下率，圪z 为拉速，k 为铸坯宽度，为铸坯厚度，x 为沿宽度方向 的坐标，y 为沿厚度方向的坐标，z 为沿拉坯方向的坐标，凡、风分别为钢液相、固 相密度，万为等效密度，由凡五+ 风( 1 一无) 表示，无为液相率。 2 连铸坯压下率理论模型的求解方法研究。结合实际轻压下过程，提出了压下率 理论模型求解方法。即忽略变形对固液相断面形状的影响，单独求解由温度变化引起 的固液相密度变化对压下率的影响，简化的压下率模型即： p 砌如 = 等 上p i _ ) ，= k 疵 变形对压下率的影响通过压下效率模型来计算。 3 连铸坯轻压下压下效率模型的建立。在理论分析轻压下过程铸坯的变形基础之 上，经过理论推导，提出了压下效率模型的准确计算公式，该式可计算任意形状铸坯 轻压下过程的压下效率，即： 驴菌 舣 l u 式中：r 为压下效率，4 为液芯减少面积，鸲为铸坯表面压下面积。 4 连铸坯压下率的数值分析研究。结合板坯方坯的铸机条件，采用有限元数值 计算方法对铸坯传热过程进行求解，得到了不同拉速、钢种、断面尺寸下压下率的取 i i i 东北大学博士学位论丈摘要 值范围与变化规律。研究结果表明：板坯方坯的压下率和压下速率均沿拉坯方向近 似线性减少；板坯方坯的平均压下率与拉速呈线性减少关系；板坯方坯的压下速 率取值范围不随拉速的变化而变化；钢种对板坯方坯压下率和压下速率的影响小； 宽度对板坯方坯的压下率的影响均很小；厚度对压下率影响大，厚度越大，压下率在 板坯方坯轻压下入口、出口值就越小，在压下区间内减少越平缓；宽度越大，厚度 增加时方坯的平均压下率减少越快，而板坯的平均压下率减少程度不变。 5 连铸坯压下效率的数值分析研究。结合某厂板坯和方坯实际铸机条件，对铸坯 轻压下过程进行三维有限元数值计算，获得了不同压下量、液芯厚度、钢种、断面尺 寸下压下效率的取值范围与变化规律。结果表明：板坯的压下效率在压下量小于2 3 r a m 时，压下效率随压下量的增加而增加，压下量大于2 3 m m 后，压下效率不再随压下量 的增加而增加，保持某个定值；方坯的压下效率在压下量小于0 6 m m 时，压下效率随 压下量的增加而增加，在压下量为0 6 , - - , 4 7 m m ，压下效率随压下量的增加而减少，在 压下量大于4 7 m m 时，压下效率不再随压下量的增加而增加，保持某个定值；板坯压 下效率与液芯厚度的1 次方成线性正比，方坯压下效率与液芯厚度的平方成线性正比； 钢种对板坯方坯压下效率影响小；板坯压下效率随宽度变化小，与厚度呈近似线性增 加关系；方坯压下效率随宽度增加或厚度减少而线性增加。 6 模型应用。将本文研究开发的模型应用于板坯连铸轻压下，应用效果良好：各 钢种中心偏析c 级0 5 以内比率达到1 0 0 ；各钢种中心疏松o 5 级比率达到9 8 以上； 各钢种角部裂纹0 5 级比率达8 8 2 ；各钢种中间裂纹和三角区裂纹0 5 级比率均达 9 6 。 关键词：连铸；轻压下；压下率；压下速率；压下量 i v 中 r f ， _ - 东北大学博士学位论文 a b s tr a c t r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f s o f tr e d u c t i o nm o d e l f o r d y n a m i cs o f tr e d u c t i o n i nc o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t d y n a m i cs o f tr e d u c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h eb e s tm e t h o d st oi m p r o v e c e n t e rs e g r e g a t i o na n dp o r o s i t yo fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t s ，a n di sa ni m p o r t a n t i n d i c a t i o no fm o d e mc o n t i c a s t e r b a s e do nn a t i o n a lt e c h n o l o g yi n n o v a t i o np r o j e c t s ”r e s e a r c h , d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd y n a m i cs o f tr e d u c t i o nt e c h n o l o g yf o rs l a b c o n t i c a s t e r ”a n d ”p r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fd y n a m i cs o f tr e d u c t i o nf o rb l o o m c o n t i c a s t e r ”，r e s e a r c ho fak e yp r o c e s sc o n t r o lm o d e l s o f tr e d u c t i o nm o d e lw a sp r o c e s s e d t h e m a i nc o n t e n t sa n df i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e d u c t i o ng r a d i e n tm o d e lo fs o f tr e d u c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f q u a l i t yf l o wi ns o f tr e d u c t i o np r o c e s s ，at h e o r e t i c a lm o d e lo f r e d u c t i o ng r a d i e n t , s u i t a b l ef o ra n yr e c t a n g u l a rc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t s ，w a sd e r i v e d t h ei m p a c to fa r b i t r a r yr e c t a n g u l a rs e c t i o n , s o l i d i f i c a t i o nc o n t r a c t i o n , t h e r m a ls h r i n k i n g ， d e f o r m a t i o no nr e d u c t i o ng r a d i e n tc a nw e l lb ed e s c r i b e db yt h ef o r m u l aa sf o l l o w s ： v r g2 k z 广万h d x d i r e c t i o n ，na n dp s f o rs t e e ll i q u i da n ds o l i dp h a s ed e n s i t yr e s p e c t i v e l y t h ee q u i v a l e n t d e n s i t y 万，i sf r o m t h en 五+ p s ( 1 一无) ，无i sf o rl i q u i df r a c t i o n =铬,x。f m v 东北大学博士学位论文 a b s tr a c t e f f i c i e n c ym o d e l ( 3 ) m o d e lb u i l d i n go fr e d u c t i o ne f f i c i e n c ym o d e l b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，a l la c c u r a t ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao fr e d u c f i o ne f f i c i e n c ym o d e l w a sd e r i v e d 1 1 1 a tf o r m u l ac a nc a l c u l a t et h er e d u c t i o n e f f i c i e n c y 谢t ha r b i t r a r ys h a p e ，n a m e l y ： 。一4力= o 。地 w h e r e ：刁i sf o rt h er e d u c t i o ne f f i c i e n c y , 似f o rt h er e d u c e da r e ao fl i q u i dc o r e ，鸲 f o rt h er e d u c e ds u r f a c ea r e ao f c a s t i n gp r o d u c t s ( 4 ) n u m e r i c a la n a l y s i so f r e d u c t i o ng r a d i e n t af i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm e t h o do fs o l v i n gh e a tt r a n s f e rw a sa d a p t e dt oc a l c u l a t e r e d u c t i o ng r a d i e n t ，c o m b i n e dw i t hd i f f e r e n ts p e e d s ，s t e e lg r a d e sa n ds e c t i o ns i z e s t h e r e s u l t ss h o wt h a t ： r e d u c t i o nr a t ea n dr e d u c t i o ng r a d i e n td e c r e a s el i n e a r l ya l o n gt h ec a s t i n gs t r a n df o r c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a ba n db l o o m t h ea v e r a g er e d u c t i o ng r a d i e n td e c r e a s e sl i n e a r l ya s t h ec a s t i n gs p e e di n c r e a s e s l i n e a r l y t h er a n g eo fr e d u c t i o nr a t ed o e sn o tc h a n g ew i t ht h ec h a n g eo fs p e e d s t e e lg r a d eh a sl i t t l ee f f e c to nr e d u c t i o ng r a d i e n ta n dr e d u c t i o nr a t ef o rc o n t i n u o u s c a s t i n gs l a ba n db l o o m r e d u c t i o ng r a d i e n th a sl i t t l ec h a n g e 、i n ld i f f e r e n tg r a d e s r e d u c t i o ng r a d i e n ti si n f l u n c e dh e a v i l yb yt h i c k n e s s t h eg r e a t e rt h i c k n e s s ，t h el e s s r e d u c t i o ng r a d i e n ta tt h ei n l e ta n do u t l e to fs o f tr e d u c t i o nz o n e t h i c k n e s sh a sl i t t l ee f f e c to na v e r a g er e d u c t i o ng r a d i e n to fs l a b a n dt h ea v e r a g e r e d u c t i o ng r a d i e n td e c r e a s e sa st h i c k n e s si n c r e a s e s ( 5 ) n u m e r i c a la n a l y s i so fr e d u c t i o ne f f i c i e n c y w i t l la c t u a lc a s t i n gc o n d i t i o n so faf a c t o r y , t h ep r o c e s so fs o f tr e d u c t i o nw a ss i m u l a t e d b ya3 df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n a n dr e d u c t i o ne f f i c i e n c yw a sc a l c u l a t e dw i t h d i f f e r e n tr e d u c t i o na m o u n t , l i q u i dc o r et h i c k n e s s ，s t e e lg r a d ea n ds e c t i o ns i z e t h er e s u l t s s h o wt h a t ： a sr e d u c t i o na m o u n ti sl e s st h a n2 3m i l l ，r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs l a bi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fr e d u c t i o na m o u n t w h e nt h er e d u c t i o na m o u n ti sb i g g e rt h a n2 3 姗， r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs l a bk e e p sac e r t a i nv a l u e 、析t ht h ei n c r e a s eo fr e d u c t i o na m o u n t r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fb l o o m 、7 l ，i t l lr e d u c t i o na m o u n to fl e s st h a n0 6m m ，i n c r e a s e s 、i t hi n c r e a s eo fr e d u c t i o na m o u n t a sr e d u c t i o na m o u n ti sb e t w e e n0 6m ma n d4 7 m m , r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fb l o o md e c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo fr e d u c t i o na m o u n t w h e n v i 一 p ， f ， - ， 东北大学博士学位论文 a b s tr a c t _ _ _ l i , i-ii i i 。i 皇曼 r e d u c t i o na m o u n ti sb i g g e rt h a n4 7m i l l ，r e d u c t i o ne f f i c i e n c yi si n d e p e n d e n tw i t ht h e i n c r e a s eo fr e d u c t i o na m o u n t r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs l a bi n c r e a s e sl i n e a r l ya st h i c k n e s si n c r e a s e sl i n e a r l y , a n dt h e r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fb l o o mi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h el i n e a ri n c r e a s eo f2 “dp o w e ro f t h i c k n e s s s t e e lg r a d eh a sl i t t l ee f f e c to nr e d u c t i o ne f f i c i e n c y r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs l a bi sa f f e c t e dm a i n l yb yt h i c k n e s s ，c o m p a r e dt ow i d t h , a n d i n c r e a s e sl i n e a r l ya st h i c k n e s si n c r e a s e sl i n e a r l y r e d u c t i o ne f f i c i e n c yo fb l o o mi n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h el i n e a ri n c r e a s eo fw i d t ho r l i n e a rd e c r e a s eo ft h i c k n e s s ( 6 ) a p p l i c a t i o nm o d e lo f s o f tr e d u c t i o nm o d e l t h es o f tr e d u c t i o nm o d e lw a sa p p l i e do nas l a bc a s t e rw i t hg o o dr e s u l t s t h er a t i o so f c l a s sco f0 5f o rc e n t r es e g r e g a t i o n , c e n t r ep o r o s i t y , a n g l ec r a c ka r e10 0 ，9 8 ，8 8 2 r e s p e c t i v e l yf o ra l lt e s t i n gs t e e lg r a d e s a n dt h er a t i oo fc l a s sc o fo 5f o rm i d d l ec r a c ka n d t r i a n g l ec r a c k i su pt o9 6 k e yw o r d ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；s o f tr e d u c t i o n ；r e d u c t i o ng r a d i e n t ；r e d u c t i o nr a t e ；r e d u c t i o n a m o u n t v - p ：一 东北大学博士学位论文目录 目录 声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 连铸技术的现状1 1 2 中心偏析与中心疏松的形成原因与危害2 1 3 减少中心偏析与中心疏松的主要方法4 1 4 轻压下技术的发展与应用现状一6 1 4 1 轻压下技术的发展6 1 4 2 轻压下技术的应用现状一9 1 4 3 轻压下技术的关键技术1 0 1 4 3 1 远程辊缝可调扇形段1 0 1 4 3 2 凝固末端位置的预测1 0 1 4 3 3 轻压下压下模型。1 1 1 5 轻压下压下模型的研究现状1 2 。矿1 5 1 工业试验研究1 2 r ， 1 5 2 理论研究1 3 。 1 6 本文主要研究内容与创新点15 第二章连铸坯轻压下率模型的建立与分析1 7 2 1 压下率模型推导17 东北大学博士学位论文目录 2 2 板坯压下率的求解与分析2 1 2 2 1 模型建立与求解21 2 2 1 1 模型建立2 1 2 2 1 2 初始条件与边界条件2 2 2 2 1 3 热物性参数的选取2 4 2 2 1 4 计算方法2 6 2 2 2 拉速对板坯压下率的影响2 7 2 2 2 1 连铸板坯的温度分布2 7 2 2 2 2 拉速对板坯压下率的影响2 9 2 2 3 钢种对板坯压下率的影响3 3 2 2 4 断面形状对板坯压下率的影响3 8 2 2 4 1 板坯断面尺寸对中心固相率分布的影响3 8 2 2 4 2 厚度对板坯压下率的影响4 0 2 2 4 3 宽度对板坯压下率的影响4 2 2 3 方坯压下率的求解与分析4 5 2 3 1 模型建立与求解4 5 2 3 2 拉速对方坯压下率的影响4 6 2 3 2 1 连铸方坯的温度分布。4 6 2 3 2 2 拉速对方坯压下率的影响4 8 2 3 3 钢种对方坯压下率的影响5 3 2 3 4 断面形状对方坯压下率的影响5 7 2 3 4 1 方坯断面尺寸对中心固相率分布的影响5 7 2 3 4 2 厚度对板坯压下率的影响6 0 r p 、 东北大学博士学位论丈目录 2 3 4 3 宽度对板坯压下率的影响6 2 2 4 小结6 4 第三章连铸坯轻压下效率模型的建立与分析。6 7 3 1 压下效率模型推导6 7 3 2 板坯压下效率的求解与分析6 8 3 2 1 模型的建立与求解6 9 3 2 1 1 模型建立6 9 3 2 1 2 初始条件与边界条件6 9 3 2 1 3 物性参数的选取7 0 3 2 1 4 计算方法7 2 3 2 2 液芯厚度和压下量对板坯压下效率的影响7 5 3 2 3 钢种对板坯压下效率的影响8 l 3 2 4 断面形状对板坯压下效率的影响8 6 3 2 4 1 厚度对板坯压下效率的影响。8 6 3 2 4 2 厚度对板坯压下效率的影响8 8 3 3 方坯压下效率的求解与分析9 0 3 3 1 模型建立与求解9 0 3 3 2 液芯厚度和压下量对方坯压下效率的影响9 1 3 3 3 钢种对方坯压下效率的影响9 5 3 3 4 断面形状对方坯压下效率的影响1 0 1 3 3 4 1 宽度对方坯压下效率的影响1 0 1 3 3 4 2 厚度对方坯压下效率的影响1 0 4 3 4 ，j 、结1 0 6 东北大学博士学位论文目录 第四章连铸坯轻压下模型的工业应用1 0 9 4 1 板坯应用效果10 9 4 2 方坯应用效果115 4 3 ，j 、结115 第五章结论1 1 7 参考文献- 1 1 9 致谢1 2 9 作者简介：1 3 1 攻读学位期间获得成果1 3 3 论文包含图、表、公式及文献1 3 5 。- pv - 东北大学博士学位论丈第一章绪论 第一章绪论弟一早珀y 匕 1 1 连铸技术的现状 钢铁是现代人类重要的基础材料。钢铁产业发展至今，形成了以连铸技术为核心， 连铸技术的发展是钢铁技术发展的核心，以后相当长的时间中也不会改变【。多年的 实践已经证明连铸生产不断完善与优化已成为推进大型化、高速化、实现流程连续紧 凑、大幅度降低消耗与排放、优化钢铁产品质量的核心环节，也是流程向自动化、智 能化方向发展的主要推动环节1 2 j 。 中国近年来粗钢产量和连铸坯产量逐年递增( 如图l 所示) 。尤其是自2 0 0 0 年开始， 钢产量增长迅猛，2 0 0 6 年我国粗钢产量达到4 1 8 7 8 2 万吨，占全球总产量的3 4 3 4 ， 其中连铸比已经达到9 8 5 7 ，2 0 0 7 年我国粗钢产量近4 9 亿吨。由此可见，除了一些 特殊领域要求模铸外，其余钢材均以连铸的方式进行生产。 1 9 9 01 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 年份 图1 1中国连铸坯产量及粗钢产量 f i g 1 1o u t p u to fc cs t e e la n dc r u d es t e e li np r c h i n a 虽然我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但也清醒地认识到我国连铸存在的问题， 与发达国家相比主要表现在：高水平连铸机所占比例不大，高附加值品种不多，铸机 作业率不高，浇铸速度不高，自动化控制水平不高，高质量的连铸坯所占比例小等。 进入2 l 世纪以来，随着全球经济的持续快速增长，对钢材需求的拉动越来越大。随着 连铸产量与连铸比的逐年递增，以及钢铁产量的逐渐接近饱和，市场已经突破了钢材 东北大学博士学位论丈第一章绪论 数量方面的低层次需求，逐渐转变为对质量上的高层次需求，客观上要求钢铁工业必 须从传统的注重“产量型”向注重“品种型”、“质量型”转变。如低合金高强度钢、优质 合金钢、超级合金钢等一批具有高纯净度、高均匀性、超细晶等高端产品，已经日益 成为我国钢铁企业研发的重点。 推进先进连铸技术与装备的自主开发、设计、制造与引进、消化、吸收相结合， 以自主创新和自主集成战略为主导，实现我国真正迈入钢铁强国行列的目标。 1 2 中心偏析与中心疏松的形成原因与危害 中心偏析与中心疏松是连铸坯重要的中心质量缺陷，严重制约了高拉速、高品质 钢的生产，倍受冶金工作者的关注。中心偏析与疏松是公认的连铸生产三大质量问题 专一【3 4 】，乙o 中心偏析是指钢液在凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配导致了铸坯 中化学成分的不均匀性，中心部位的c 、s 、p 含量明显高于其他部位。常在铸坯厚度 中心区域最终凝固，形成“v ”字状周期性宏观偏析，所以又称为“v ”偏析1 5 】。中心疏松 是在铸坯中心凝固末端的枝晶问产生的微小空隙。中心偏析和疏松通常相伴而生，典 型的中心偏析与中心疏松如图1 2 所示【6 j 。 图1 2 板坯中心凝固组织 f i g 1 2 s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea r o u n dt h es l a bc e n t e r 虽然连铸的凝固速度较模铸凝固速度快，连铸坯具有较低的显微偏析，但存在难 以克服的问题 7 1 ： 液芯长，凝固终点离弯月面的距离远，凝固末端周围的钢液温度低、流动性 差； 由于单方向传热的特点，凝固末端液芯为狭窄型，不利于凝固过程中钢水的 2 ，一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 曼曼i i i i_ii i 毫 补缩； 由于单方向快速传热，柱状晶极易形成搭桥。 连铸坯中心偏析及其对应组织的特点如表1 1 所示： 表1 1连铸坯中心偏析的特点和对应的组织特点 t a b l e1 1t h et r a i t so fc e n t r es e g r e g a t i o na n di t sc o r r e s p o n d i n g s t r u c t u r ei nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t s 偏析类型组织类型 无v 型偏析，无中心偏析 有v 型偏析，无中心偏析 有v 型偏析( 宽) 和孤立孔偏析 有v 型偏析( 窄) 和连续轻微偏析 有v 型偏析( 窄) 和连续加重偏析 柱状晶十细小等轴晶 柱状晶+ 等轴晶 柱状晶+ 粗大等轴晶 柱状晶发达 形成搭桥或穿晶组织 目前国内外对中心偏析的形成有不同的理论解释，每一种理论都能解释某些特征， 但单独的任何一种理论均不能完全说明问题。归纳起来有如下三点【8 。1 6 1 ： ( 1 ) 溶质元素析出与富集理论 该理论认为，铸坯在表面到中心的结晶过程中，由于钢中一些溶质元素( 如c 、 m n 、p 、s ) 选份结晶，从固相析出的溶质元素排到尚未凝固的钢液中。随结晶的继续 进行，把富集溶质的钢液推向铸坯的中心，即产生铸坯的中心偏析。一般来说，最初 生成的树枝晶较纯，熔点较高，其中含碳和其它杂质少；最后生成的晶体由于含有某 些高浓度的溶质元素从而产生中心偏析。 ( 2 ) 凝固桥理论 该理论认为，当浇铸碳含量超过0 4 5 的钢时，即使是中等过热度的钢液也有强 烈增加柱状晶的趋势。在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，桥下面的钢液继 续凝固时，将得不到上游钢液的补充，相当于小钢锭凝固，于是形成缩孔、疏松和中 心偏析。 ( 3 ) 铸坯芯部空穴抽吸理论 铸坯芯部空穴抽吸理论认为，一是铸坯在结晶末期，液体向固体的转变过程伴随 体积收缩而产生一定的空穴；二是铸坯( 特别是板坯和大方坯) 的鼓肚使其芯部同样产 生空穴。这些在铸坯芯部的空穴具有负压，致使枝晶间富集溶质元素的钢液被吸入芯 部并凝固，于是形成中心偏析。 中心偏析和中心疏松将引起钢材的一系列质量问题【l 7 】： 对于高碳线材，中心疏松和偏析将导致拉拔性能降低，拉断率增大； 3 东北大学博士学位论文第一章绪论 对于天然气输送管线钢，由于在含硫化氢的潮湿环境中，氢扩散到偏析、疏 松处，易产生裂纹并扩展，最终导致管子破裂； 对于海洋钻探平台用钢，中心疏松与偏析降低其焊接性能，导致不易焊接， 甚至开裂等。 鉴于此，冶金工作者一直不断地在发明减少或消除中心偏析与中心疏松的方法。 1 3 减少中心偏析与中心疏松的主要方法 至今为止，减少或消除中心偏析和疏松的技术可分如下几类： ( 1 ) 减少易偏析元素含量【1 8 。3 5 】 主要采用的技术手段为铁水预处理、炉内炼钢过程中的脱硫脱磷、炉外精炼技术 等，如把钢中s 降到小于0 0 1 以下。但上述手段不能完全去除有害元素，且有些钢 种为了获得特殊性能，钢液中的某些元素需要保持一定的含量。 ( 2 ) 增加等轴晶比例【3 6 5 5 】 主要采用低过热度浇铸、结晶器电磁搅拌、等离子加热技术、添加微合金等，常 用技术的优缺点见表1 2 。 表1 2 增加等轴晶比例技术 t a b l e1 2 t e c h n o l o g i e so fi m p r o v i n gr a t i oo fe q u i a x e dc r y s t a l ( 3 ) 改善凝固末期钢水的补缩条件【5 6 - 7 0 主要采用凝固末端电磁搅拌技术( f - e m s ) ，在方坯中应用较多。电磁搅拌使凝固 4 东北大学博士学位论文 第一章绪论 末端铸坯内的钢液快速流动，抑制了柱状晶的形成，避免了大树枝状在最后凝固区域 形成的“搭桥”现象。电磁搅拌技术可以降低v 偏析，但由于浇铸速度的变化，搅拌位 置难以固定，当搅拌位置不合适时会引起白亮带负偏析。在固相率较高时，搅拌作用 不明显；此外电磁搅拌设备的灵活性、适应性较差，维护费用较高。 ( 4 ) 补偿凝固末期钢水的收缩，防止浓缩钢水的不正常流动【7 1 - 8 1 主要采用机械应力压下和热应力压下，通过在连铸坯凝固末端附近施加压力( 热 应力和机械应力) 以产生一定的压下量来阻碍富集偏析元素钢液的流动，从而消除中 心偏析，同时补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松，分类见表1 3 。轻压下技术能 够有效改善铸坯内部质量，是当前正在大力发展的连铸新技术之一【8 2 3 1 。 表1 3 轻压下技术方式分类 t a b l e1 3t h es o r t so fs o f tr e d u c t i o nt e c h n o l o g y 目前，电磁搅拌技术和轻压下技术应用较广，两种技术从不同的侧面去改善中心 偏析与中心疏松，很多铸机同时装配了这两种技术8 4 8 6 1 。 与f - e m s 技术相比，轻压下工艺具有如下优势【8 7 】： ( 1 ) 轻压下工艺可以补偿凝固收缩，而f - e m s 工艺做不到； ( 2 ) 轻压下工艺通过施加机械力，直接改变了铸坯的凝固进程； 5 东北大学博士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 在钢液凝固末端位置变化时，可以及时调整轻压下工艺，即使调整不及时， 该工艺也可以发挥很大的作用； ( 4 ) 在没有s - e m s 的情况下轻压下工艺同样可以发挥巨大作用，极大减低中心偏 析和疏松。这一点对保证连铸生产线的稳定生产有着巨大的意义。 由于辊式轻压下技术应用范围广，消除中心偏析与中心疏松效果好，适应性强等 特点，辊式轻压下成为一种常见和成功的技术，在国内外被广泛应用。尤其是动态轻 压下技术，已经成为现代连铸机的标志之一。 1 4 轻压下技术的发展与应用现状 1 4 1 轻压下技术的发展 轻压下技术始于2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，在7 0 年代收缩辊缝技术的基础 上发展而来，也是近年来推广较快的板坯连铸机技术之一。对传统板坯连铸机来讲， 轻压下技术是指凝固末端的轻压下，对中厚板和薄板坯连铸机来讲，有的几乎是凝固 过程中的全过程轻压下。9 0 年代初的概念认为，传统厚度板坯连铸机轻压下目的在于 消除板坯的中心偏析和中心疏松，而中厚板和薄板坯连铸机轻压下目的在于减薄板坯 厚度，提高连铸机的工艺操作性，并能与轧机更好的匹配而取得最佳经济效益。目前 认为，中厚板坯和薄板坯的轻压下不仅具有这种效果，它也是减小中心疏松和中心偏 析的手段之一【8 8 】。轻压下技术发展历程见表1 4 【8 9 - 9 2 。 表1 4 轻压下技术的发展 t a b l ei 4t h ed e v e l o p m e n to fs o f tr e d u c t i o n 七十年代日本n k k 钢管公司提出了在凝固末端两相区内用至少两对铸辊对方坯 6 ，i 东北大学博士学位论文第一章绪论 表面进行压下，这样可以增加铸坯中心致密度，减少中心偏析与疏松。但是该方法由 于拉速、过热度、钢种的变化导致凝固末端两相区位置不能稳定在开浇前预设的轻压 下铸辊范围内，铸坯中心质量不稳定。该方法为早期的静态轻压下方法，即调整浇铸 条件( 拉速、冷却等) ，让铸坯凝固末端两相区刚好位于固定的轻压下铸辊内，因此使 用受到了很大的限制。 东北大学博士学位论文 第一章绪论 传统的板坯凝固终端 i ! ：匹三三要王互互王型兰i ： 铸造方向 人为鼓肚的板坯凝固终端 匕芝互夏至互至王型：l。、：- ：- ：- ：- ：0 ，j d 觥椭 a b 图1 4 板坯凝固末端形状 f i g 1 4t h ef o r mo fs l a