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大连理工大学硕士学位论文 摘要 连铸，已经成为钢材生产的主要方法。连铸技术的应用，彻底的改变了钢冶炼车间 的生产流程和物流控制，为车间生产的连续化、信息化的应用，以及为大幅改善环境和 提高生产质量提供了条件。近年来，连铸技术在我国也得到了快速的发展。连铸过程工 工艺条件的合理控制，对改善铸坯的凝固质量有着重要的意义。但是，许多关键技术和 新技术，还需进一步的探索和研究。 针对东北特钢北满轴承钢连铸，本文基于传统凝固过程数学模型，结合生产现场实 测得到的铸坯表面温度结果，建立了适合实际工况条件的凝固过程数学模型。在此基础 上，通过有限元软件p r o c a s t 进行模拟计算，有针对性地模拟分析了北满轴承钢连铸凝 固过程，保证了计算的准确性。 对于东北特钢北满轴承钢连铸，中心偏析、缩松缩孔是其常见质量缺陷。通常情况 下，在凝固末端位置施加电磁搅拌、轻压下等可以有效的降低中心缺陷。本文根据计算 结果，通过进一步研究发现，在现有设备条件下，难以同时施加两种凝固末端外场控制 技术。所以，需要根据不同的情况，通过控制工艺条件来控制凝固末端位置，选择施加 电磁凝固末端电磁搅拌或轻压下。 本文针对凝固末端轻压下这一关键技术，基于传统的凝固过程热一力模型和凝固过 程缺陷判据，提出了“轻压下对连铸坯中心缺陷作用量化模型”。该量化模型充分考虑 了在凝固过程中，糊状区的压力状态、流动状态对中心缺陷的影响，克服了传统的基于 温度场得到的凝固判据无法描述糊状区压力和流动状态的不足，具有广泛的通用性和适 用性。通过该量化模型，可以定量地评价轻压下的作用，合理地确定轻压下的位置，科 学地指导和制定轻压下工艺。 关键词：连铸；凝固末端；中心缺陷；轻压下；量化模型 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 s t u d yo n t h eq u a n t i t a t i v em o d e lo fc e n t e r l i n ed e f e c t sb a s e do n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e r m a la n ds t r e s s a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s a n g at e c h n o l o g yt op r o d u c es t e e lh a sd e v e l o p e dr a p i d l yt h e s ey e a r sb o t h i nd o m e s t i ca n df o r e i g nf a c t o r y i t sa p p l i c a t i o nm a k e st h ep r o c e s so fs t e e lm a n u f a c t u r em o f c e f f i c i e n t , m o r ec o n u o l l a b l e m o r ee n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y b u tm a n yk e yt e c h n i q u e sa r en o t 牟鳓a n d n e e do p f m a i z 蛳o n a sw e l lk n o w n , t h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n gi ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h et r a d i t i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs o l i d i f i c a t i o nn e e d so p t i m i z a t i o n b a s e do nt h ed a t am e a s u r e df r o m t h el i n e ，an e ws u i t a b l em o d e lf o rt h e s p e c i f i cp r o c e s si sp r o v e d c o n s e q u e n t l y ，t h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft h eb i l l e ta f f e e l c i ：lb yt h ep r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h 勰c a s t i n gs p e e d , m o u l d i n gt e m p e r a t u r e c o o l i n gw a t e ra r ea n a l y z e d c e n t e r l i n es h r i n k a g ea n ds e g r e g a t i o na r et h em a i nd e f e c t so fc o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e m s ) a n ds o f tr e d u c t i o n ( s r ) a p p l i e do nt h ef i n a ls t a g eo f s o l i d i f i c a t i o nh a v eo b v i o u se f f e c t so ni m p r o v i n gt h ei n t e r i o rq u a l 毋h o w e v e r , a c c o r d i n gt o t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h e yc o u l dn o ta p p l ys i m u l t a n e o u s l yr e s u i c t e db yt h ee q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e r m a l s t r e s sm o d e l sa n ds h r i n k a g ec r i t e r i o nf u n c t i o n s an e r q u a n t i t a t i v em o d e li sp r o p o s e d c o m p a r e d 、硝也t h et r a d i t i o n a lc r i t e r i o nf u n c t i o n s s u c ha s n i y a m ac r i t e r i o nf u n c t i o n , i tt a k e si n t oa c c o u n tm u s h yz o n e sp r e s s u r ea n df l u i d , w h i c hc o u l d i m p r o v et h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o na n dc o n t r o lt h ee e n t e r l i n ed e f e c t s t h es i m u l a t i o nb a s e d o nt h eq u a n t i t a t i v em o d e lg a i n sd i r e c t i o n a lr e s u l t , i tr e v e a l st h a ti no r d e rt os e c b r ei n t e r n a l q u a l i t y t h es o f tr e d u c t i o ns h o u l db ea p p l i e do nt h ep o s i t i o nw h e r et h ei n t e r i o rm u s h yz o n e a l m o s tl o s ti t sf l u i d , a n dt h es o l i d i f i c a t i o ne n di st h ec r u c i a lp o s i t i o nw h e r et h es o f tr e d u c t i o n m u s tb ea p p l i e d k e yw o r d s ：c o n t l n u o u sc a s t i n g ；f i n a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o n ；c e n t r e f i n ed e f e e t s ；s o f t r e d u c t i o n ；q u a n t i t a t i v em o d e l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：幽 日期：1 2 ：! ： 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 杰婪型 f 新签名：潮纽 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 立题背景 近年来，连铸已经成为钢材生产的主要方法，美、日等国的连铸比达到9 8 ，我国 的连铸比也已超过了9 0 。连铸技术的应用，彻底的改变了炼钢车间的生产流程和物流 控制，为车间生产的连续化、信息化的应用，以及为大幅改善环境和提高生产质量提供 了条件“1 。并且，连铸坯的质量和生产成本极大的依赖于铸坯的生产技术和工艺阱。 与普通铸件不同，钢的连铸是指在一种连续状态下，钢液释放显热和潜热，并逐渐 凝固成一定形状的铸坯的过程。对连铸坯而言，铸坯内部糊状区形状尖长，如果柱状晶 发达，则容易造成枝晶“搭桥”，阻止钢液填充，从而周期性的形成“小钢锭”组织， 并在铸坯中心部位形成缩孔缩松、偏析等缺陷埘，对铸坯的质量会产生非常不利的影响。 为了解决这类问题，国内外开始采用在凝固末端位置施加电磁搅拌和轻压下等外场 控制技术，并且取得了一定的成果“1 。但是，许多关键技术还不成熟，需要进行进一步 的深入的研究。 大连理工大学与东北特钢集团公司合作研究项目“连铸方坯凝固过程计算机模拟及 连铸工艺参数控制和优化体系的研究”，针对北满轴承钢连铸过程中出现的铸坯中心凝 固质量问题，基于热一力模拟计算结果，建立了连铸坯凝固末端位置的控制模型和中心 缩松缩孔等缺陷的预测模型，并进一步探讨了连铸工艺的优化控制方案，有效的解决了 相关问题。 1 2 连铸基本原理及典型工艺 1 2 1 连铸基本原理 连铸的概念早在1 9 世纪已经提出，在2 0 世纪3 0 年代，连铸技术在德国已经被用于 铜、铝合金的生产过程，进入5 0 年代，钢的连铸进入工业实验阶段。目前，连铸钢材 占钢材总量的比重成为衡量一个国家钢铁工业水平的重要标志”1 。 在连铸过程中，熔化的钢液连续的浇入水冷的激冷铸型( 结晶器) 中，在结晶器的 激冷作用下，快速形成凝固壳层后从结晶器下方拉出。利用凝固壳层的强度维持钢锭的 外部形状，进而通过向钢锭表面喷水进行二次冷却，使钢锭在结晶器外完成凝固过程。 结晶器通常为水冷铜模，为了防止凝固层与结晶器粘连而使钢锭拉裂，结晶器具有一定 的锥度，并且需要旌加振动。为了控制铸坯内部的中心偏析、缩孔缩松等缺陷，通常会 施加凝固末端电磁搅拌、轻压下等外场控制措施。 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 连铸凝固过程通常要经历三个阶段：首先，在结晶器表面激冷作用下形成表面结晶 区；随后，各个晶粒竞争生长并在近似一维的温度场控制下发生定向凝固，形成柱状晶； 在凝固后期，由于钢液过热热的散失和在液相区非自发形核的形成而发生等轴晶的凝 固。在凝固进程中，铸坏表面温度、结晶器出口及各段坏壳厚度、液芯长度是连铸坏的 重要指标，主要由传热( 冷却) 条件决定。拉速、电磁搅拌位置、矫直位置与这些指标 也密切相关。可以说，在连铸进程中，对传热条件的控制是连铸工艺控制的基础。 1 2 2 连铸工艺 ( 1 ) 连铸技术类别 根据凝固区域的凝固特性，可将连铸分为垂直连铸、水平连铸和弧形连铸。 垂直连铸的特点是：结晶器垂直放置，合金液从上方浇入，而钢锭从结晶器下方垂 直拉出，钢锭完成凝固过程后从底部截断，维持钢锭生产过程的连续进行。垂直连铸法 有利于凝固过程中补缩和夹杂物上浮，同时由于钢锭无弯曲变形，因此可以防止钢锭表 面和内部裂纹，并且可以进行各种截面形状钢锭的连铸，但是铸机过高，建设费用昂贵。 水平连铸的特点是：所有设备排列在一个水平面上，在凝固过程中补缩压头小，补 缩条件差，夹杂物不能上浮，而倾向于在钢锭的上表面附近聚集。同时，如果钢锭厚度 较大，液相对流引起铸锭上下两侧导热条件不对称，从而导致凝固组织及成分分布的不 对称。因此，目前只适用于薄锭的连铸。 弧形连铸的特点是：结晶器本身不是直的，而是具有一定曲率半径的弧形，与二次 冷却设备、电磁搅拌设备、拉直矫正设备等布置在一个四分之一圆弧上。保留了有利于 补缩和夹杂上浮的优点。此外，补缩压头小，可以防止钢液的静压力引起的凝固层的变 形。弧形连铸机是目前世界各国采用最多的连铸机型。 ( 3 ) 弧形连铸主要设备 中间包 在钢的连铸生产流程中，中间包过程是重要的生产环节之一伽，是一个上承钢包下 接结晶器的中间存储和分流容器。钢水由熔炼炉运至连铸平台后，从钢包注入中间包， 再通过中间包水口分流到结晶器，在结晶器内开始凝固成坯。在中间包采用各类操作和 控制措施，可以在很大程度上改善铸前钢水质量，改善连铸坯和结晶器的工作条件。 结晶器 结晶器是连铸机核心设备之一，其基本作用是钢液蓄含显热和凝固潜热的传出和成 形。结晶器内的钢液的凝固伴随着传热、传质、流动等复杂过程现象，因此，必须在传 热、材质、结构等方面满足连铸工艺及其他使用性能要求。 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 从传热角度看，结晶器应具有良好的导热性能和导热均匀性，以保证结晶器出口处 的坯壳厚度和坯壳均匀性。防止在机械应力、热应力、钢液静压力综合作用下，坯壳产 生变形、裂纹及拉漏等事故。 从材料角度看，结晶器是钢液成形的关键设备之一，生产过程的连续性决定了结晶 器的材料应具有好的耐磨性，同时，巨大的热流密度决定了其应具有抗热应力作用的性 能。 从运动角度看，结晶器应在保证使用强度的前提下，尽可能的减轻其重量，以减小 震动过程的惯性力，减轻其他相关设备的损坏。 从生产角度看，结晶器本体应具有较好的结构刚性，便于使用过程中拆装和调整。 二次冷却系统 二次冷却对连铸机的产量及铸坯的质量极为重要m 。通过控制二冷各段水量，可以 有效的控制铸坯凝固末端的位置。在相同拉速，不同水量时，铸坯温度场和凝固液芯长 度差距较大，水量越大，铸坯表面的温降越大，铸坯液芯长度缩短，坯壳生长加快。但 是水量太大会引起表面温度下降加快，相应的热应力和组织应力加大，有时会产生表面 裂纹嘲。 二次冷却系统的关键设备为喷嘴。喷嘴又分水喷嘴和气一水喷嘴两类，其选型依据 为：冷却方式、铸坯断面以及工艺对铸坯冷却过程所要求控制的温度目标。目前，水喷 嘴类型包括：椭圆形喷嘴、圆锥喷嘴、方形喷嘴及宽喷射面矩形扁平喷嘴等4 大类。气 一水喷嘴按水与空气混合方式的不同分为内混式喷嘴和外混式喷嘴，其在使用过程中的 选型尚无统一规定。 电磁搅拌设备 电磁搅拌是利用交变磁场产生的电磁力在连续铸锭的液相区或固液两相区引起强 迫对流，达到控制凝固组织、改善铸坯凝固质量的目的睁“，近年来，在实际生产中得 到了广泛的应用。 电磁搅拌器的位置可以有三种选择；结晶器内搅拌( m 搅拌) 、二次冷却区搅拌( s 搅拌) 、凝固末端搅拌( f 搅拌) 1 。结晶器内搅拌是轻微搅拌，它的主要作用是使枝 晶破碎，游离，促进等轴晶的形成，同时促进气泡和夹杂的上浮。二次冷却区的搅拌的 作用主要是引起两相区内枝晶破碎，并进入液相区，促进等轴晶凝固组织的形成，细化 等轴晶晶粒。凝固末端搅拌的主要作用是促使枝晶骨架的位置调整和促进等轴晶的形 成，改善凝固末端位置糊状区的补缩条件，可以起到防止中心偏析、v 型偏析和缩松缩 孔的作用。 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 表1 1 几种不同类型搅拌器的基本特点 t a b 1 1t h ec h a r a e t e r i s t i co f d i f f e r e n te m s 类别m e m ss 删强卜e m s 结晶器下方铸坯 位置 结晶器处，最好在其上方铸坯糊状区 糊状区上方 旋转型，大方坯 搅拌类型旋转型，最好为三相旋转型，最好为三相 可能多为线性 低频高功率，内置 小方坯为工频，大方 设计类型工频低功率 或外置于结晶器坯为低频 表面、内部和皮下质量，铸机对高碳钢和高合金 冶金效果 内部质量 提高拉速时减少了拉漏事故 钢减少了中心偏析 投资费用高低高 s + s - e m sm + f e m s s + f e m sm + s + f e m e 肌 ， 凸皿凸 n 憋& 图1 1 几种e m s 安装方式 f i g 1 1t h ep o s i t i o no f e m s 轻压下设备 轻压下是指在连铸坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固 收缩量。轻压下一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元 素的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用可促进钢液中的溶 质元素进行重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少 中心缩松的作用“3 】。 轻压下自问世以来，主要出现了3 种压下方式，如表1 2 和图1 2 所示。 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 表1 2 轻压下方式分类 t a b 1 2s o f tr e d u c t i o n sc a t e g o r ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c 名称方式应用特点 辊式 板、方及圆坯 消除中心缺陷效果良好，投资 机械应力轻压下经济、有效。 轻压下 连续锻压式 大方坯 消除中心缺陷效果良好；设备 轻压下庞大，投资和维护成本高。 热应力 凝固末端 消除中心缺陷效果良好，投资 轻压下强冷技术 小方坯少，占地面积小；易出现裂纹， 应用范围狭窄，反应不及时。 台湾中钢、韩国浦项等钢厂在高碳钢方坯连铸中采用轻压下技术之后，铸坯中碳和 其他元素的中心偏析程度明显降低，缩孔缩松缺陷也大大减少。从这些厂家的应用效果 还可以看出，普通的轻压下技术，即机械轻压下技术用于小方坯连铸似乎存在着一定的 局限性，而热轻压下技术则为小方坯连铸提供了一种新的选择。 图1 2 轻压下技术分类示意图 f i g 1 2 m o d e s o f s o i tr e d u c t i o n t e c h n o l o g y a p p l i e d o n t h e f i n a ls t a g e o f s o l i d i f i c a t i o n ( 3 ) 连铸主要工艺参数 拉坯速度 一般来说，适当的降低拉速对铸坯质量有利，可以使得铸坯在离开结晶器时，其坯 壳有足够的厚度以承受内部钢液的静压力，否则，容易产生鼓肚“”。 对于断面和成分确定的铸坯来说，若增大拉坯速度，会使得产量增加，但同时也会 使液相穴延伸，从而增加了“搭桥”和形成“小钢锭”结构的机率，致使铸坯中心组织 变坏，并带有缩孔和轴向偏析；若降低拉速，会获得较浅的液相穴，使得钢液易于补缩， 使得铸坯凝固质量提高，但是，限制拉速，又会影响铸机的生产效率，产量降低。 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 对于实际生产，通过提高拉速来提高铸机的生产效率是一个必然的发展趋势。为了 保证铸坯的质量，浇注温度、冷却条件、凝固末端外场控制技术等需要综合考虑。 浇注温度( 过热度) 过热度是连铸过程一个非常重要的工艺参数，对铸坯的质量、生成效率、后续生产 工艺都有直接的影响。 过热度是决定等轴晶区一个重要因素。低过热度浇注有利于等轴晶的生成，降低中 心偏析和缩松缩孔的形成。当过热度过高时，柱状晶区便扩大，从而诱发中心缩松和缩 孔的形成，随之产生严重的中心偏析。同时，低过热度浇注，有利于拉速的提高，进而 促进生产效率的提高，也为后续的冷却过程减轻压力。 但是，当钢水过热度控制过低时，则会造成弯月面附近钢水结壳，保护渣熔化不良， 引起表面缺陷，甚至造成水口堵塞等事故。 冷却条件 连铸过程的冷却主要包括一次( 结晶器) 冷却、二次冷却( 分段) 和空冷等几部分。 连铸机的产量和铸坯的质量很大程度上取决于冷却制度。 连铸坯壳过薄或厚度不均容易导致裂纹，甚至诱发漏钢事故的发生。已有的研究表 明，很多缺陷都诱发于结晶器内。连铸坯在结晶器内开始冷却凝固，形成初生坯壳，结 晶器内的钢水凝固影响铸坯热力学行为，从而对铸坯最终质量起着至关重要的作用“”。 连铸坯的二次冷却技术，对连铸坯的产量和铸坯的质量极为重要“”。若冷却强度偏 低，会造成凝固坯壳太薄，铸坯表面温度过高。铸坯在高温下强度很低，在液芯钢水静 压力作用下，坯壳会发生蠕变从而产生鼓肚。然而，二冷强度又不易过大，否则，断面 上的温度梯度过大，促进柱状晶的生长，诱发中心偏析、缩松缩孔等中心缺陷的生成。 凝固末端位置 在凝固末端位置，随着液相向固相的转变，在界面前沿溶质不断的向液相中排放， 随着固相率的不断增大，两相区的流动性逐渐降低，溶质富集程度不断增加，最终在铸 坯轴线部位形成中心偏析“”。当固相率达到临界固相率时( 一般为6 7 ) ，残余浓缩钢 液被枝晶网封闭起来，凝固收缩时将得不到前沿钢液的补充，因而形成缩松。 为了减少甚至是消除这类缺陷，常用的办法是在凝固末端位置施加电磁场搅拌( f e m s ) 和轻压下技术( s o f tr e d u c t i o n ) “”等外场控制技术。确定凝固末端的起止位 置，以及末端位置的中心固相率分布状态，是实施外场控制的关键。 大连理工大学姚山、温斌等人研究发现啪，拉坯速度与过热度对铸坯坯凝固末端位 置的影响是递增关系，二冷比水量对铸坯凝固末端位置的影响是递减关系。若分别用 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 工( 、z ( 曲、兀( 功来表示拉速、过热度、比水量3 种工艺条件对铸坯凝固末端的影 响，并且假定影响是互不相关的，则可得到下式所示凝固末端模型。 k 一= 装拦等l 一姥蚩嬲”箍渊厶n - ， 式中：工一为目标凝固末端位置，m ；工为现有凝固末端位置，m ； ，。为最小拉 速，m m i n 一；v 。为最大拉速，m m i n 一；，7 。为最小比水量，l k g ；，7 一为最 大比水量，l k g 一；。为最小过热度，；口一为最大过热度，。 如果凝固末端位置对各个工艺因素的函数关系为线性，那么上式简化为： k - - l 一- - - - 芒鼍厶一等等”苦老厶 nz ， 由上式可见，当连铸过程的3 个主要参数中的一种或两种发生变化时，可以通过合 理的调整其他参数来控制凝固末端位置。 1 3 连铸坯常见缺陷及其控制方法 1 3 1 连铸坯常见的缺陷 连铸凝固的缺陷主要是中心偏析和缩松缩孔，对铸坯的质量影响很大，这是传热、 传质、对流综合作用的结果。中心偏析是指钢液在凝固过程中，溶质元素在液相中进行 再分配，表现为铸坯中元素分布不均匀，铸坯中心部位的c 、s 、p 等元素含量明显高于 其他部位。中心缩松是指在钢液的凝固末期，在铸坯中心的枝晶产生微小空隙。这两种 缺陷往往相伴而生。 除极少数合金外，收缩是凝固过程的必然伴随现象，而凝固收缩能否导致缩松的形 成则与凝固条件相关。凝固收缩若能得到液相及时的补充则可防止缩松的形成，凝固过 程补缩通道是否畅通是决定补缩的关键因素。定向凝固时凝固区较窄，有利于补缩；而 当以树枝晶或等轴晶方式凝固时，凝固区宽度较大，不利于补缩，则容易形成缩松缩孔 类缺陷。 中心偏析的形成是由凝固过程中的枝晶生长方式决定的，柱状晶的生长方式不仅导 致凝固组织粗大，也是产生中心偏析的根源，而对流又加剧了中心偏析的形成。当钢锭 凝固以等轴晶方式进行时，两相区扩大，定向凝固倾向不明显，在最后凝固区域发生同 时凝固，从而抑制中心偏析缺陷的形成。 连铸是一种一边浇注一边凝固一边拉坯的铸造过程。由于凝固速度快，具有以下一 些难以克服的问题。 7 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预攫4 模型研究 ( 1 )液芯很长，最终凝固点距离弯月面距离很远，液芯末端周围的钢水温度 低、流动性差； ( 2 ) 由于单方向传热的特点，液芯末端形状为狭窄型，不利于钢水的补缩； ( 3 ) 由于单方向传热且传热速度快，极易形成搭桥甚至穿晶组织。 a 铸坯中心的枝晶“搭桥”b “鼓肚”引起的中心偏析 与显微组织 图l t 3 连铸坯常见的中心缺陷 f i g 1 3t h e c e n t r e l i n ed e f e c t so f c o n t i n u o u sc a s t i n g b i l l e t 表1 3 偏析类型及形成条件 t a b ，1 3r e l a t i o nb e t w e e ns e g r e g a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o n 偏析类型形成条件 s 0 型：无v 型偏析，无坯心偏析柱状晶+ 细小等轴晶，补缩良好 s l 型：有v 型偏析，无坯心偏析柱状晶+ 等轴晶，补缩欠佳 s 2 型：有v 型偏析( 宽) 和孤立孔偏析柱状晶+ 粗大等轴晶，补缩不良 s 3 型：有v 型偏析( 窄) 和连续轻微偏析 柱状晶发达 s 4 型：有v 犁偏析( 窄) 和连续加重偏析 形成搭桥或穿晶组织 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 3 2 控制连铸坯中心缺陷常用方法 连铸坯中心缺陷控制措施很多，从连铸坯凝固特点的角度对其机理进行分析，基本 上可以归纳为以下2 种类型：增加等轴晶比例；改善凝固末期钢水补缩条件“”。 增加等轴晶比例 低过热度钢水浇注技术：过热度是决定铸坯等轴晶区大小的一个重要参数。过热度 越低，则断面上产生的等轴晶区就越大，从而中心缺陷所占的面积就越小。过热度低时， 能提供大量等轴晶核，生成等轴晶网络，阻止凝固前期柱状晶的形成，并生成细小的等 轴晶粒组成的大面积等轴晶区。若过热度高，柱状晶区便扩大，甚至产生柱状晶“搭桥” 现象，从而形成中心缩孔缩松，随之产生严重的中心偏析1 。 控制拉坯速度：拉坯速度也是影响柱状晶生长的重要因素。拉坯速度大，铸坯在结 晶器内停留时间短，铸坯液芯延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶 区，而且发生铸坯鼓肚的危险系数也增大。因此，在不影响产量的前提下，拉坯速度不 宜过大。在生产实践中，需根据不同钢种在不同操作模式下制定相应的控制标准。 优化二次冷却技术：二次冷却技术对铸坯表面质量和内部质量有重要影响，中心偏 析和缩松缩孔的形成与之有紧密联系。若二冷强度不够，铸坯表面温度就会偏高，铸坯 液芯加长，坯壳抵抗因钢水静压力而引起的鼓肚变形能力减弱，会促进中心偏析和缩松 缩孔的形成和发展。在实际生产中，要保证冷却强度足够，冷却水量分配合理。 电磁搅拌技术：通过搅动钢水，一方面柱状晶被打断，再与钢水混合在一起，作为 等轴晶的核心；另一方面增加钢液流动，提高了凝固相间的热传递，有利于降低过热度， 减小凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大，因而促进了等轴晶的形成。同时， 温度场的变化导致了凝固速率的改变，施加电磁场时，开始阶段凝固速率小，凝固末期 凝固速率大。但是，电磁搅拌的效果会因为采用不同的搅拌系统、搅拌方式而有一定 的差别。 改善凝固末端钢水补缩条件 中心偏析产生的根源是连铸坯在凝固末期，枝晶间富含溶质的钢液流动和溶质的积 累。轻压下技术正是从这一角度出发，通过钢水流动的影响来改善补缩条件，进而影响 中心偏析和缩孔缩松。因此，在轻压下的实施过程中，凡是会影响钢水流动的因素都会 对偏析和缩孔缩松结果产生影响1 。 理论上讲，轻压下的操作对钢水的流动有两方面的影响：补缩和反流，对中心缺陷 的影响表现为改善和加剧两方面作用。离凝固末端越近，改善的效果越占主导地位，轻 压下所产生的挤压作用，可以促进钢液中的溶质元素重新分配，从而使铸坯的凝固组织 9 基于熟力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少缩松缩孔的作用。但是，如果压下量过大，则 有可能形成内部裂纹。 凝固末端电磁搅拌技术，对改善凝固末端位置的钢水补缩也有一重要意义。 表1 4 部分厂家轻压下方坯连铸机的主要技术参数 t a b 1 4s o m ep a r a m e t e r so f s o f lr e d u c t i o nf r o md i f f e z e n tf a c t o r i e s 住友金属蒂森意人利 厂家名称台湾中钢韩国浦项 小仑厂 鲁尔奥特厂皮翁比诺厂 铸机类型弧形直弧形立弯式德马克弧形直弧形 铸机半径 1 1 18 09 o1 1 9 58 0 铸机流数 44366 铸坯断面m m2 2 0 2 6 02 5 0 x3 3 03 0 0 4 0 02 6 5 3 8 51 6 0 1 6 0 电磁搅拌方式 ( m + s ) e 船( s + f ) e l l s( m + s ) e m s( m + s ) 肼sm n i s 过热度 2 5 1 5 51 0 3 5 1 0 3 0 2 5 6 0 拉速m m i n l 1 - 1 5 1 2 5o 6 5 o 80 4 5 o 6 50 8 o 8 51 5 1 8 压下位置( f 十)o 5 5 o 7 5 0 3 0 7 轻压下装置 3 机架 5 机架 3 机架 5 机架 3 机架 从上述分析可知，低过热度浇注、电磁搅拌、轻压下等技术，在降低中心偏析、缩 松缩孔、改善连铸坯内部质量方面有着各自的特点，合理的配合使用这些技术才能取得 更好的效果。 1 4 连铸过程数值模拟的研究与发展 连铸的凝固过程是一个熔体充型和坯壳形成同时进行，包含流动、传热、传质的复 杂物理化学过程，它涉及到材料、物理、数学、流体力学和传热学等学科嘲。连铸的凝 固过程数值模拟主要是围绕着连铸过程的流场、温度场和溶质场进行的，涉及到中间包、 结晶器、二次冷却、空冷、电磁搅拌、轻压下等阶段的凝固过程。 1 9 6 3 年，h i l l s 首次将数学方法应用于连铸生产中，特别是m i z i k a r 将数值方法和计 算机运用于连铸研究中后，数学模型成为研究和解决连铸工艺中各种问题的工具，并取 得了很大的成绩。国内在这方面的研究起步较晚，始于7 0 年代末，但发展很快。 大连理工大学姚山、温斌等人针对影响铸坯内部质量的中心缩松缩孔现象，综合运 用数值模拟、实验研究、数理统计等方法，深入分析了连铸过程主要工艺参数对铸坯凝 固及凝固末端位置的影响，建立了描述各个工艺因素对凝固末端位置影响的数学模型， 1 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 提出了描述连铸坯中缩缺陷形成可能性大小的连铸坯中缩敏感系数睫”，为进一步实现连 铸工艺的计算机优化奠定了基础。 东北大学张红伟等人采用f e c 二元合金连续介质模型，对方坯连铸过程进行紊流 流动、凝固及传质三维耦合数值模拟。计算表明，注流在结晶器上部形成回流，大部分 返回注入流股，其余部分随着凝固坯壳向下流动。凝固坯壳在截面上由于注流冲刷造成 不均匀分布，随着凝固进行，液相中溶质不断富集，最终在铸坯中心形成宏观偏析。 清华大学马长文等人在有限元分析坯壳变形基础上，采用连续模型研究了轻压下过 程中板坯凝固末端两相区的流动与溶质分布。结果表明，轻压下后，铸坯中心区域由糊 状区内被压缩的固相及残留液相构成，中心区域偏析指数下降。凝固末端被挤压出的液 相重新参与溶质分配过程，铸坯部分区域的溶质浓度有所升高啪1 。 c a b r e r a l a r r e r o 等人将传热模型与枝晶间距回归式结合起来，对铸坯断面上枝晶 间距变化进行计算，其研究结果表明：钢中 c 、 s i 、 n i 等溶质元素使得枝晶间距 增大，而 m n 、 a i 、 o r 等溶质元素使之减小；浇注速度越大，铸坯断面在喷淋冷却 区停留时间就越短，故枝晶间距就越大；过热度增加使得枝晶间距增大”1 。 s m r h a 等人在t g 公司制造的结晶器内埋设了热电偶，通过实测温度，从而获得了 结晶器冷却水和结晶器钢壁上温度沿长度方向上的分布。进而求得结晶器冷却热流密度 公式，对该类型结晶器的传热性能有了定量的了解1 。从而为准确的设置边界条件和初 始条件提供基础，保证了计算的准确度。 在传统的连铸技术进一步发展的同时，各种新型连铸技术的开发也不断出现如近终 形连铸技术、电磁连铸技术等。与此同时，相应的数值模拟技术也成为研究的热点。 近终形连铸技术，包括薄板坯连铸技术、薄带坯连铸技术、喷雾沉淀技术等。这些 技术已经成功的应用于生产过程。目前对薄板坯连铸结晶器内的流场已经建立了流场物 理模型、卷渣物理模型。薄带坯连铸过程数值模拟有其独特的难点问题，核心计算区 域是两辊隙间的熔池，其边界几何形状不规则。 电磁连铸技术包括电磁搅拌和电磁制动技术。采用电磁搅拌技术能够加强液穴内熔 体的对流运动、均匀过热度、打碎枝晶、促进非金属夹杂物和气泡的上浮，对促进等轴 晶的形成、减少中心偏析、降低中心缩松缩孔、改善连铸坯质量有重要的作用。目前电 磁搅拌的研究主要是利用有限差分法和有限元法，在求解磁场分布和金属液所受的电磁 力时，一般将电磁力方程和流体力学方程耦合求解，将电磁力带入运动方程来求解速度。 电磁制动连铸技术的目的是为了改变金属凝固过程的流动、传热和溶质分布，降低结晶 器内金属液向下冲击的深度，促进凝固前沿非金属夹杂物的上浮，稳定弯月面的波动， 促进保护渣的均匀分布。 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 1 5 本文的主要研究内容 本文以北满轴承钢连铸为主要研究对象。通过实验与数值模拟相结合的方法，建立 了与实际工况相符的连铸过程数学模型，探讨了工艺条件对凝固末端位置的影响及在凝 固末端施加外场对控制中心缺陷的作用。主要内容如下： 在理论建模的基础上，针对北满连铸的具体情况，基于现场测得铸坯表面温度结果， 建立了符合实际情况的连铸过程数学模型，保证了计算的准确性。 通过数值模拟计算的方法，求解出连铸坯的凝固进程，为合理的施加凝固末端电磁 搅拌和轻压下等外场控制技术提供指导。 基于热力模拟，建立了连铸坯中心缺陷量化模型，可以定量地评价轻压下的作用， 合理地确定轻压下的位置，科学地指导和制定轻压下工艺。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 基于铸坯表面温度变化的连铸数学模型的建立 2 1 引言 实际生产中，连铸的工艺条件非常复杂，基础的凝固过程数学模型不可能精确的求 得某一特定工艺条件下的凝固进程。为了保证计算精度，使得计算结果与实际情况相符， 需要根据现场情况，有针对性的建立“一对一”的数学模型。 本章在理论建模的基础上，采用有限元软件p r o c a s t 对连铸坯的凝固进程进行初步的 计算，将计算所得结果与在连铸实际生产过程所测得的的铸坯表面温度等现场数据进行 对比，进而对数学模型进行验证和优化，最终得到经过优化的与实际情况相符的数学模 型。通过这种方法，可以快捷、准确的模拟计算出连铸坯的凝固进程，定量的评价工艺 因素( 拉坯速度、冷却强度、过热度等) 对凝固进程( 凝固末端位置、中心固相率等) 的影响，为进一步提高生产效率和产品质量打下基础。 2 图2 1 弧形连铸机冷却区示意图 1 一液相穴；2 - - 弯月面；3 - - 注流 4 一水冷结晶器；5 - - 喷水冷却； 6 - - 凝固壳；7 - - 辐射冷却 f 追2 1s c h e m a t i co i a g r a mo f a l cc o n d o m 娜t i n g 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 2 2 连铸凝固传热过程基础数学模型 钢水在连铸过程中的凝固是一个热量释放和传递的过程。坯壳边运行边放热边凝 固，形成了液相穴相当长的铸坯。如图2 1 所示，连铸过程可以分为三个传热冷却区。 ( 1 ) 一次( 结晶器) 冷却区：钢水在水冷结晶器中应形成厚度合适并均匀的坯壳， 以保证铸坯出结晶器时不被拉漏； ( 2 ) 二次冷却区：喷水以加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固； ( 3 ) 三次冷却( 空冷) 区：铸坯向空气中辐射传热，使得铸坯内外温度均匀化。 在连铸过程中，铸坯的传热凝固进程是问题核心所在。凝固进程既受铸坯材料本身 的热物性参数的影响，又受到上述三大冷却区冷却条件的影响，不同冷却区的界面换热 条件也是有所不同的。完整的传热过程数学模型是基于这些不同的传热特性建立的。 2 2 1 、铸坯凝固传热的基本模型 铸坯的凝固传热方程一般可表示为圆： ) 7 _) r c p 等= v ( k v t ) - c a r ( t ) 羊+ g ( 2 1 ) o z 铸坯 图2 2 连铸方坯示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no f c o n t i n u o u sc a s t i n gb i l l e t 考虑到连铸生产以稳定过程为主，即温度场为稳态的，对于方坯通常可以忽略拉速 方向( z 向) 传热，又有“f ) = _ d z ，并采用等效比热法处理凝固潜热，则方程( 2 1 ) 可 d f 以简化为： 大连理工大学硕士研究生学位论文 c p 鲁= 杀c 露芸，十未c 七警， c 2 式中，c 为铸坯的比热容，j ( k g ) ；c 为等效比热；p 为铸坯密度k g m 3 ；t 为钢 坯温度，；t y g 时间，s ；k 为铸坯导热系数，w ( m ) ；，为铸坯拉速，m s ；q 为凝 固潜热，j k g 。 2 2 2 、铸坯经过不同冷却段界面换热系数模型 对于结晶器、二冷、空冷等阶段，根据其不同的传热特点，将其对铸坯凝固的影响 转化为适当的边界换热模型，采用理论计算结合现场实验测温进行修正的方法，合理的 确定各模型的参数，最终保证模拟计算的精度。 ( 1 ) 结晶器换热模型( 结晶器段铸坯边界条件) q = 爿一晰 ( 2 3 ) 式中，g ：热流密度，j ( m 2 s ) ；a 、b ：常数。 对于方坯连铸，结晶器热流关系为： q = o f ( 2 6 8 0 3 3 5 , ；1 ( 2 4 ) h = 口k ( c l ) 】 ( 2 5 ) t ，铸坯在结晶器内停留时间，s ；，铸坯表面温度，；乃，结晶器内侧表面温度， ；a ，修正系数，根据实际情况进行修正。 ( 2 ) 二冷换热模型 二冷段的换热是个非常复杂的过程，传热形式主要为紊流体的对流换热，计算传热 系数的通用公式必然不能应付多变的实际情况，对于不同工况，般按照经验公式计 算后，再通过与实际测温的结果进行比较，修正已知的经验公式。使得在不同连铸工 艺条件下，得到一组有针对性的，也就是“一对一”的二冷换热模型。 q = ( z 一) ( 2 6 ) h = 2 2 5 x 1 0 4x r “邵( 1 7 5 x 1 0 4 l ) p( 2 7 ) 式中，g ：热流密度，j ( m 2 s ) ；h ：换热系数，w ( m 2 ) ；刁：喷水密度，l ( m 2 s ) ； l ：冷却水温度，；：修正系数，可由二冷段铸坯表面温度测试结果计算得到。 ( 3 ) 空冷段换热模型”o q = f 4 t , 4 一露) = h f t , 一疋) ( 2 8 ) h = f 4 r , 2 + 疋2 ) ( z + l ) ( 2 9 ) 基于热力模拟的连铸坯中心缺陷预测模型研究 上述公式并没有反映出足辊、电磁搅拌设备、压下设备对铸坯冷却过程的的影响，需要 根据实际测温情况进行修正： h = k r 4 r , + l ) ( t + t ) ( 2 1 0 ) 式中，r ：波尔兹曼常数；，黑度；z ，铸坯表面温度，k ；l ：环境温度，k ；k ， 修正系数，可由空冷段铸坯表面温度测试结果计算得到。 基于上述理论基础和传热模型，应可以对连铸坯凝固进程进行模拟计算。由于最初 的边界模型不是针对实际工况“一对一”建立的，模拟计算结果与实际情况会有所偏差， 必须要有针对性的建立与实际工况相符的边界模型，使得计算结果与实际情况相符。 最理想的方案是实测得到整个铸坯表面的温度和热流，然后再根据公式( 2 6 ) 或 ( 2 7 ) 确定铸坯与外界冷却介质之间的热流密度和换热系数。 在本文中，为了对计算模型进行修正，对连铸生产过程不同工艺条件下铸坯表面温 度进行测量，将所得计算所得铸坯表面中心点温度与实际测试结果进行比较，进而对各 段的换热系数进行修正，得到有针对性的界面换热系数模型。从而保证了计算的精度和 可靠性，为进一步分析铸坯的凝固进程和为有效的控制缺陷奠定基础。 2 3 铸坯表面测温结果 2 3 1 测温方案 测温对象：北满特钢连铸g c r l 5 轴承钢，连铸方坯大小为2