油井管37Mn2钢凝固组织数学模拟研究

油井管37 强 （攀枝花钢钒有限公司提钒炼钢厂） 摘 要：针对攀钢提钒炼钢厂生产油井管用钢连铸浇注周期与水温降大、铸机产能受限制等情况，以生产油井管钢37二冷水量及配比不变的条件下，通过商业软件 拟拉速、过热度对连铸坯凝固组织的影响，并根据数学模拟结果与大生产数据进行对比，验证数学模型的可靠性，对优化钢水过热度、拉速参数做出指导。.0 m/46%之间，提高拉速后能保证油井管钢质量同时也能降低生产成本。 关键词：圆坯；油井管钢；等轴晶；数学模拟 0 引言 攀钢提钒炼钢厂3#方圆连铸机自2009年投产以来，相继开发出井管钢 37机拉速在 .5 m/水过热度在2550 ，平均过热度为33 ，铸机平均浇注周期为65 0 产组织不协调，导致钢水温降增大限制了3#方圆连铸机的产能，为降低生产37采取提高连铸机拉速措施。以生产的油井管钢37二冷水量及配比不变的条件下，通过商业软件拟对连铸坯凝固组织的影响，并根据数学模拟结果与大生产数据进行对比，验证数学模型的可靠性，对优化钢水过热度、拉速参数做出指导。 1 攀钢油井管生产工艺路线及连铸 参数 攀钢生产油井管37水提钒脱硫转炉炼钢坯连铸。研究表明，连铸圆坯中心等轴晶率 是导致油井管在穿轧过程中产生内折等缺陷的主要原因之一1，为满足用户的需求，攀钢提钒炼钢厂生产油井管 37坯等轴晶率均能达到40%以上。模拟研究钢种成分见表1，连铸设备参数见表2。 表1 模拟钢种化学成分（质量分数） % C n P S V 2 连铸设备参数 铸机类型 流数 铸机半径/直方式 铸流中心距离/速范围/（m全弧形连铸机 6机6流 10 000 连续矫直 1 300 03 工作拉速/（m机械长度(液面至最终拉矫辊) / m 冶金长度(液面至火焰切割机原点前1m) / m 35 2 连铸圆坯凝固数学模型的建立 数学模型的假设 根据连铸工艺及铸坯传热特点，在数学模拟中作如下假设：沿铸坯横断面的传热速率远大于沿拉坯方向的传热速率，忽略拉坯方向的传热；考虑铸坯与结晶器间气缝的存在，结晶器传热采用平攀 钢 技 术 23 均热流密度；忽略结晶器振动对结晶器传热的影响；忽略钢液流动对钢液内部传热的影响；二冷区内各段传热均匀。 基于以上假设条件，可将薄片的传热看作而为非稳态传热，可建立模型的传热控制方程，如式（1）所示。 (1) 式中，为密度；为温度，为导热系数；为凝固率。 凝固模型和运行参数的选择 宏观范围内，基于热流计算，忽略熔体内的对流，采用有限元法及热焓法和隐式格式求解热流方程；在微观范围内，考虑枝晶尖端动力学和晶粒范围的溶质扩散，建立形核和生长模型。计算过程采用不同的时间步长计算热流和结晶与形核。具体耦合过程见文献2。 ）非均匀行核 用连续而非离散的分布函数dnd(T)来描述晶粒密度的变化，其中dnd(T)是由式（2）的高斯分布确定的。 )(212)d(（2）式中，为平均形核过冷度，K；T 为形核过冷度标准方差，K；正态分布从0到积分得到的最大形核密度。设定模拟钢种凝固高斯参数为 : 面形核参数。 ，sn ， ，n,0102）枝晶尖端动力学生长系数 连铸坯凝固模拟计算中，枝晶尖端生长模型采用计算： 3322)( (3)式中a2，为枝晶尖端总过冷度，K。将该钢种主要成分分解成 7个二元据伪二元相图计算液相线斜率 m，溶质平衡分配系数 k4，自扩散系数，物性参数如表3所示。 表3 模拟钢种组元物性参数 元素 含量/%m k D0/m211000000热物性参数的处理 在模拟过程中，考虑较多的因素，进一步完善热物性参数数据库，使模拟更接近实际凝固过程是仿真研究的关键6。 传热过程所需的各物性参数随温度均非简单的变化规律，见图1所示。由图1可知，在相变处24 2014年第37卷第5期 存在着突变，将此模型结果与凝固模型耦合，显然比传统凝固模型中将参数简易化或常数化处理，更具科学性。 1 37 几何造型与网格的划分 基于薄片移动法7模拟圆坯37用 维造型软件对所模拟的薄片进行几何造型并生成造型文件，之后通过先后生成面网格（四面体网格（本研究中将 200 格划分结果如图2所示。 2模拟计算区域网格划分 对流换热系数/(W)焓/(kJ T/ T/ 固相分数/%密度/(kg 攀 钢 技 术 25表4 边界条件的计算方法8阶段 边界条件 计算公式 结晶器 q 二冷区 )( h=22空冷区 )( =中；w为冷却水密度，g/冷却水比热，J为结晶器冷却水流量,s； T 为进出水温差，K；R 为比水量，L/m/为钢的密度，7800kg/m3，n为喷淋段的配水比，%；m；m;为黑体的辐射常数，0、。 3 数学模型的检验 在拉速1.4 m/热度为30 时铸坯表面温度模拟和工业试验结果的对比情况。选取火焰切割点前 20 次工业试验测量结果最高测量值为 980，最低测量值为 920 ，平均值为 950 ，该区域表面温度模拟结果平均值为965 ，平均相差近 15 。测量值比模拟值偏低，分析认为，粘附在铸坯表面的氧化铁皮或结晶器保护渣对红外测温枪是导致测定结果必然低于铸坯表面真实温度。可见，铸坯表面温度的模拟结果与生产实际是相吻合的。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18007008009001000110012001300140015001600t,铸坯表面温度试验与模拟结果比较 取铸坯低倍试样(稀盐酸浓度为15%溶液腐蚀)用于与模拟的凝固组织进行比较，结果见图4。 模拟结果 检测结果1 检测结果2 图4 铸坯凝固组织试验与模拟结果比较 两个试样的等轴晶率分别为42%和46%，该条件下模拟结果的等轴晶率为42%，考虑模拟与工业试验拉速的差别及实际生产中各冷却段实际冷却状态与模拟中所应26 2014年第37卷第5期 用的模拟条件的差异，模拟结果较为精确。 4 数学模型的应用 铸坯凝固坯壳 实际生产中除了保证连铸坯内部组织合格外，还要保证在浇注过程凝固坯壳能够承受住钢水静压力，尤其是在铸坯出结晶器过程中不被拉漏。随着拉速的提高必然导致铸坯坯壳变薄，容易造成铸坯拉漏，选取过热度 30 时不同拉速下铸坯在结晶器出口处坯壳厚度模拟。 .0 m/热度从2550 变化时，二冷制度不改变情况下模拟连铸坯在结晶器出口处凝固率的变化见图5。 （a：结晶器出口；b：0段末；c：1段末；d：2段末；e：三段末；f：矫直段中点） 图5 凝固过程铸坯凝固率变化 图6为结晶器出口坯壳厚度与过热度和拉速的关系。根据结晶器坯壳最小厚度 计算经验公式（4），以拉速为 .0 m/固系数 k 取 22 mm/，结晶器长度图6 结晶器出口坯壳厚度与过热度和拉速的关系 21100 （4） 从图 6 的模拟结果可以看出，当拉速在 2.0 m/热度大于34 后，结晶器出口坯壳厚度将小于最小坯壳厚度，生产过程中极易出现拉漏现。为保证坯壳厚度，当拉速高于1.9 m/严格控制过热度，以保证浇铸安全。 铸坯内部凝固组织模拟 20 25 30 35 40 45 技 术 27 过热度/ 坯壳厚度/2.0 m/坯内部凝固组织变化如图7所示。模拟计算结果显示铸坯凝固组织等轴晶比例从 41%46%，能够满足钢种性能要求。 1.5 m/ m/ m/.8 m/ m/ m/7 不同拉速条件下的凝固组织模拟结果对比（T=30） 5 结论 1）在相同工艺参数下，数学模拟结果与工业试验结果吻合度较好，所建立的模型可以用来模拟连铸圆坯的凝固过程与凝固组织。 2）连铸圆坯凝固过程模拟结果分析表明，当拉速为2.0 m/热度大于34 后，结晶器出口坯壳厚度将小于最小坯壳厚度。生产过程中极易出现拉漏现象，为保证最小坯壳厚度，当拉速高于1.9 m/严格控制过热度，以保证浇铸安全。 3）在过热度30 条件下，随着拉速的升高连铸坯凝固组织等轴晶比例从41%46%之间变化。 4）综合考虑实际生产效果，连铸浇注 37机拉速可以上调到2.0 m/水过热度必须控制在33 以下。 参考文献 1 张惠萍，陈洪琪，卢玲玲，006（6）：27. 2 A， 999,30(12):3153 3 ,. of J.