连铸厚板坯轻压下位置的研究.pdf

连铸厚板坯轻压下位置的研究刘中天(宝钢股份武钢有限炼钢厂湖北武汉:)摘要中心偏析是一种常见的板坯内部缺陷,利用机械轻压下技术可以明显地改善中心偏析.实际生产中,常由于轻压下区间预测不准,导致轻压下技术控制铸坯中心偏析的效果较差.根据国内某厂厚板坯连铸机实际生产工艺,基于凝固传热规律和能量守恒定律,建立了二维非稳态凝固传热模型,利用射钉实验结果对传热模型进行了修正,并将修正的传热模型与现场L 模型进行比较,修正L 轻压下参数,B钢种合适的轻压下区间为 ;A钢种合适的轻压下区间为 .关键词连铸;中心偏析;射钉实验;传热模型;轻压下中图分类号:T F ;T P 文献标识码:A 文章编号:()收稿日期:修回日期:作者简介:刘中天(),男,硕士,工程师 E m a i l:q q c o m中心偏析是一种常见的板坯内部缺陷,利用机械轻压下技术可以明显地改善中心偏析.某炼钢厂板坯连铸机动态轻压下设备从VA I引进,其核心控制系统属于封闭式的“黑匣子”,其核心工艺和控制技术均为保密,在常态下不可打开和修改.在使用过程中发现动态轻压下对中心偏析的改善效果有限,因此需要对板坯的凝固传热进行进行研究,优化L 模型的轻压下参数,减少铸坯中心偏析.连铸板坯凝固传热模型的研究连铸坯凝固传热数学模型研究的基本思路是基于凝固传热理论,根据能量守恒定律,建立二维非稳态传热模型.建立模型的内容包括:基本假设、凝固传热方程、边界条件以及初始条件的确定、连铸坯凝固传热数学模型的求解(边界条件、方程的离散化、物性参数的确定等),然后进行程序编制.某炼钢厂Q 系列钢种中心偏析较重,根据现场实际条件,建立了Q 系列钢中的A钢种、B钢种宽板坯凝固传热模型.设备和工艺条件 研究钢种成分本研究的钢种为A钢种及B钢种,其主要成分如表所示.表某厂A钢种、B钢种的主要成分,w t钢种CS iM nPSA钢种 B钢种 工艺及设备条件研究中,采用的某炼钢厂板坯连铸机浇注铸坯断面尺寸为 mm mm,结晶器有效冷却高度为 mm.连铸机二冷各分区长度如表所示.表连铸机二冷各区长度冷却回路起始点/m结束位/m冷却分区长度/m N I O I O I O I O I O C I OM I C O C I M OM I C O C I M OM I C O C I M OM I I 连铸坯凝固传热模型及计算条件 模型的基本假设由于一般采用有内热源的三维非稳态微分方程描述连铸坯凝固过程,三维非稳态微分方程求解起来十分复杂,因此,需要针对具体的连铸过程进行合理的假设,简化计算.本模型的基本假设条件为:()忽略结晶器振动对传热的影响;()不考虑铸坯凝固冷却时的尺寸改变;()忽略拉坯方向上的传热(约为总热量的),并且认为热量在铸坯宽度与厚度上是以铸坯的中心线轴对称释放的,将三维非稳态传热问题简化为二维非稳态传热问题;()相同二冷区冷却段内的冷却强度一样,不考虑夹辊对热量传递的影响;()凝固过程中,材料各向同性;密度、比热容及导热系数与浇铸钢种、温度等因素相关;()采用等效导热系数方式处理液固相区的对流传热过程,用等效比热法处理凝固潜热.()根据铸坯凝固过程中传热的对称性,取铸坯的四分之一作为研究对象.()铸坯凝固传热模型方程、边界条件、物理性能参数、导热系数、比热容等相关参数均参考文献中的经验公式或由经验公式计算得出.模型编制及说明本研究采用有限差分法进行求解.编制程序前,利用有限差分方法将传热数学模型的微分方程转化为差分方程:为保证模型计算结果的收敛性,本文计算过程中,空间步长x、y取为mm,时间步长t取为 s.利用V B 对传热模型进行编程计算,编程计算中采用模块化的处理方式.模型界面如图所示.图宽板坯连铸传热模型界面 连铸板坯凝固坯壳厚度测定试验研究传热模型计算结果的可靠性与铸坯所受到的实际冷却条件密切相关.在结晶器区域,铸坯受到的冷却与结晶器进出水量、温差、有效冷却面积相关.利用热平衡原理,可以确定铸坯在结晶器内所受到的冷却强度.实际对传热模型计算结果可靠性影响较大的是二冷区边界条件,为此本研究利用射钉试验与传热模型计算的结果进行比对,并对传热模型进行修正.射钉试验方案根据现场调研及中控室热追踪模型预测的铸坯凝固终点位置及现场实际条件,本研究中分别进行了两组射钉实验.第一次实验钢种为B钢种,第二次实验钢种为A钢种.射钉实验在拉坯方向的位置分别在二冷第与 扇形段中间、二冷 段与 段之间,二冷第 段与 扇形段中间、二冷第 段与 扇形段中间四个位置,具体射钉位置如图所示.图射钉位置示意图第一组射钉实验是在二冷第 段与 扇形段中间、二冷第 段与 扇形段中间的/、/宽度处进行的.具体射钉位置距结晶器内钢液面的距离分别为:m、m.第二组实验是在二冷第段与 扇形段中间的/宽度处、二冷第 段与 扇形段中间的/、/宽度处进行.具体 射 钉 位 置 距 结 晶 器 内 钢 液 面 的 距 离 分 别 为:m、m.两组射钉实验对应的钢种、浇注温度、拉坯速度、二冷配水等工艺参数如表所示,浇注断面为 mm mm.射钉实验结果分析根据实验,得到不同工艺条件下铸坯的凝固坯壳武汉工程职业技术学院学报 表不同实验条件下拉速及浇注温度钢种A钢种B钢种浇注温度/拉坯速度/m/m i n 表不同钢种结晶器配水参数位置A钢种冷却水量l/m i n进出水温差/B钢种冷却水量l/m i n进出水温差/宽面l o o s e侧 宽面f i x e d侧 窄面右侧 窄面左侧 表连铸机二冷各区长度及冷却制度冷却回路A钢种配水(l/m i n)B钢种配水(l/m i n)N I O I O I O I O I O C I OM I C O C I M OM I C O C I M OM I C O C I M OM I I 厚度数据如表所示.对应该条件下,现场L 模型预测的铸坯/宽度处凝固坯壳厚度如表所示.表不同工况下射钉实验测定的凝固坯壳厚度(单位:mm)实验方案距弯月面距离/mA钢种/宽度处/宽度处B钢种/宽度处/宽度处A (十区入口)B (十一区入口)C (十二区入口)D (十三区入口)表不同工况下L 模型预测的铸坯/宽度处凝固坯壳厚度(单位:mm)距弯月面距离/mA钢种/宽度处(冷态热态)B钢种/宽度处(冷态热态)(十区入口)(十一区入口)(十二区入口)由B钢种射钉实验结果可知,距结晶器内钢液面距离为 m处,凝固坯壳厚度为 mm(/宽度/宽度).这表明,铸坯/宽度处中心凝固终了时间要晚于/处.L 模型预测结果表明,在距结晶器钢液面距离为 m处,其凝固坯壳厚度要比 m处凝固坯壳厚度薄,这表明L 模型预测的凝固厚度比实际铸坯凝固厚度要薄一点,也意味着L 预测模型的凝固终点比实际凝固终点要靠后.同样,对于A钢种铸坯而言,距结晶器内钢液面距离为 m处射钉实验结果表明,凝固坯壳厚度为 mm(/宽度),而L 模型预测结果表明,离结晶器钢液面距离要稍远点的 m处的凝固坯壳厚度为 mm,同样小于射钉实验结果.因此,此钢厂现有L 模型在计算Q 系列钢种时,预测的厚度比实际要小,对应的其预测的凝固末端位置比实际要后移.根据L 动态模型的凝固末端显示可知,B钢种的凝固末端为 m;A钢种的凝固末端为 m.传热模型验证及轻压下区间位置的研究通过V B 编制传热模型计算程序,利用射钉实验结果对传热模型进行修正,分析连铸机原有配水制度的缺陷性,提出优化思路,分析二冷各区不同配水对铸坯凝固进程的影响,获得较为理想的配水制度,可为提高铸坯质量提供理论计算依据.传热模型修正系数的确定通过对B钢种的传热模型进行分析,首先将修正系数分别调整为 、,确定最佳修正系数在 到 之间,然后微调修正系数.获得的不同修正系数条件下,铸坯在 m处铸坯宽度中心处的凝固厚度值如表所示.表B钢种不同修正系数时距弯月面 m处模型预测的坯壳厚度修正系数 凝固坯壳厚度/mm 由前可知,在距结晶器内钢液面 m处,射钉实验测定的铸坯宽度中心处凝固坯壳厚度为 mm,故修正系数为 的模型预测结果与实验结果最为接近.刘中天:连铸厚板坯轻压下位置的研究同时,模型计算结果表明,铸坯表面温度比用红外测温仪测定的温度要高得多,这是由于生产现场水气的干扰,使得测量误差较大.因此,在确定修正系数时,不考虑铸坯表面测定的温差与实际铸坯表面温差的关系.对于A钢种进行分析时,同样不考虑铸坯表面测定的温度与实际铸坯表面温差的关系.对A钢种钢进行传热模型分析,本文首先计算修正系数 、,结果表明与实测值有差值,随后将修正系数改为 、进行计算,得到不同修正系数条件下,铸坯在距结晶器钢液面距离为 m和 m处铸坯宽度/宽度中心处的凝固坯壳厚度值如表所示.表A钢种不同修正系数时距弯月面不同位置处模型预测的坯壳厚度修正系数 距离钢液面的距离/m 凝固坯壳厚度/mm 综合比较 m和 m处模型预测的凝固坯壳厚度,对比A钢种射钉实验结果可知,修正系数为 时,模型预测凝固坯壳厚度与实际射钉实验结果最为接近,因此,对A钢种而言,最优修正系数为 .B钢种铸坯温度及凝固坯壳厚度分布 B钢种铸坯温度分布规律修正系数为 时,通过模型确定的B钢种的铸坯表面温度、中心温度(/宽度处)及铸坯/宽度处中心处的温度如图所示./宽度与/宽度中心处温度局部放大曲线如图所示.图铸坯表面温度及中心温度与距弯月面距离的关系图B钢种铸坯/和/宽度中心线温度由图、图可知,铸坯中心(宽度/处对应的铸坯中心)和铸坯宽度/处铸坯中心的温度变化趋势相近,但铸坯/宽度中心处的凝固末端距结晶器内钢液面(弯月面)的距离为 m,铸坯/宽度中心处的凝固末端距结晶器内弯月面的距离为 m,这表明:铸坯/宽度中心的完全凝固时间小于铸坯/宽度处中心的完全凝固时间.这与铸坯宽面喷嘴冷却水流密度分布有关.B钢种铸坯凝固厚度曲线修正系数为 时,B钢种的凝固坯壳厚度曲线如图所示.图B钢种钢的凝固坯壳厚度曲线以/宽度中心处凝固终点为计算标准,本研究中传热模型预测的铸坯/宽度处的凝固终点为 m,VA I模型预测的凝固终点为 m,两者相差 m.L 模型产生的偏差可能与L 模型中将Q 系列钢归结为低合金中碳钢范畴,其所给定的物性参数在这一大类钢中相同,但具体到某一钢种则有偏差造成的,同时该厂实际的二冷条件与VA I模型中给定的二冷边界条件有差异.根据模型计算得到的B钢种的铸机综合凝固系数则为:mm/m i n/.A钢种铸坯温度及凝固坯壳厚度分布与B钢种的计算类似,根据模型计算得到的A钢种的铸机综合凝固系数为:mm/m i n/.武汉工程职业技术学院学报 不同钢种的铸坯中心固相分率对应的位置以铸坯宽度/中心(即铸坯的几何中心)为计算依据,依据B钢种计算的温度分布,确定的不同中心线固相分率条件下距弯月面的位置如表 所示.对A钢种,利用相同的方法确定的不同中心线固相分率条件下距弯月面的位置如表 所示.表 B钢种不同固相分率对应于距弯月面的距离固相分率 铸坯中心线/m 铸坯/宽度处中心线/m 表 A钢种不同固相分率对应于距弯月面的距离固相分率 铸坯中心线/m 铸坯/宽度处中心线/m 现场合理轻压下区间的建议在生产现场,该厚板坯连铸机在浇注中碳系列钢时,在L 模型中设定的轻压下区间为 ,典型铸坯的低倍组织结构如图所示.由图可知,在铸坯宽度方向上,偏析带呈断续状分布,为典型的B类中心偏析.低倍检测结果表明,图中铸坯中心偏析级别为B类 级,中心疏松为 级,铸坯质量比较低.产生这一现象的原因是:对于中碳钢而言,L 模型预测的终点或铸坯凝固进程比实际的要靠后,这意味着实际采用轻压下区间靠近铸坯终点,没有很好地起到轻压下作用,需要对轻压下区间进行调整.图压下区间为 时B钢种连铸坯低倍形貌根据轻压下冶金原理,一般轻压下区间对应的中心线固相分率为 ,L 模型为.但是该铸机的L 的热追踪模型对中碳钢种的凝固进程预测存在偏差,B钢种偏差幅度约 m,A钢种偏差 m.依据表,在固相分率 的范围内,每隔,B钢种对应的距弯月面距离差为 m,因此,对B钢种而言,在实际铸机上设定的合理压下区参数应为 .依据表,在固相分率 的范围内,每隔,A钢种对应的距弯月面距离差为 m,因此,对A钢种而言,在实际铸机上设定的合理压下区参数应为 .结论本文根据国内某厂厚板坯连铸机的实际生产情况,结合连铸坯凝固传热特点和轻压下技术改善中心偏析的原理,基于凝固传热理论,根据能量守恒定律,建立二维非稳态传热模型.通过V B 编制传热模型计算程序,利用射钉实验结果对传热模型进行修正,分析连铸机原有配水制度的缺陷性,提出优化思路,得出以下主要结论;()本研究中Q 系列铸坯外弧和内弧凝固坯壳厚度基本相等.()对于Q 系列钢而言,L 模型预测的凝固厚度比实际铸坯凝固厚度要薄一点,也意味着VA I预测模型的凝固终点比实际凝固终点要靠后.()利用射钉实验确定的铸机综合凝固系数只能供参考,其可靠性与射钉位置密切相关,射钉位置越接近凝固末端,所获得的综合凝固系数越可靠,反之相反.()根据修正后的传热模型计算结果可知,本研究条件下,B钢种的凝固终点为 m,比L 模型预测的凝固终点前移 m;A钢种的凝固终点为 m,比L 模型预测的凝固终点前移 m.()本研究条件下,B钢种浇注时,铸机综合凝固系数为 mm/m i n/;A钢种浇注时,铸机综合凝固系数为 mm/m i n/.()根据传热模型预测及射钉实验结果可知,B钢种合适的轻压下区间为 ;A钢种合适的轻压下区间为 .参考文献胡小红,于铭杰,陈永生,等动态轻压下技术在连铸中的应用刘中天:连铸厚板坯轻压下位置的研究J连铸,():郝小红,温治连铸坯凝固传热数学模型的研究J铸造技术,():沈巧珍,杜建明冶金传输原理M北京:冶金工业出版社,:H o n g m i n g W a n g,G u i r o n gL I,Y u c h e n gL e i M a t h e m a t i c a lh e a t t r a n s f e rm o d e l r e s e a r c hf o rt h eI m p r o v e m e n to fc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a bt e m p e r a t u r eJ I S I JI n t e r n a t i o n a l ,():S a r a f fL T w o d i m e n s i o n a l h e a t t r a n s f e r s i m u l a t i o no f c a s t i n g i t su s e s i nd e s i g na n do p e r a t i o nJ I r o n m a k i n ga n dS t e e l m a k i n g,():C h o u d h a r yS K,M a z u m d a rDa n dG h o s hAM a t h e m a t i c a lm o d e l l i n go fh e a t t r a n s f e rp h e n o m e n a i nc o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e lJ I S I J I n t e r n a t i o n a l,():李东辉,刘相华,邱以清方坯连铸机结晶器凝固传热的数学模型J东北大学学报(自然科学版),():陈雷主编连续铸钢M北京:冶金工业出版社,S t u d yo nS o f tR e d u c t i o nP o s i t i o n i nC o n t i n u o u sT h i c kS l a bC a s t i n gL i uZ h o n g t i a n(W u h a nS t e e l m a k i n gP l a n tC o,L t d o fB a o w u,W u h a n ,H u b e i)A b s t r a c t:C e n t e rs e g r e g a t i o n i s a c o mm o n i n t e r n a l d e f e c t o f s l a b sw h i c hc a nb e i m p r o v e db ym e c h a n i c a ls o f t r e d u c t i o nt e c h n o l o g y T h e i n a c c u r a t ep r e d i c t i o nf o rs o f t r e d u c t i o nr e g i o no f t e n l e a d s t ot h eb a dr e s u l to f s o f t r e d u c t i o n t e c h n o l o g yo nc e n t e r l i n e s e g r e g a t i o n i nc a s t i n gp r a c t i c e I n t h i sp a p e r,a t w o d i m e n s i o n a lu n s t e a d ys o l i d i f i c a t i o nh e a t t r a n s f e rm o d e l i s e s t a b l i s h e db a s e do ns o l i d i f i c a t i o nh e a t t r a n s f e r l a wa n de n e r g yc o n s e r v a t i o nl a wo n t h eb a s i s o f t h e a c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s s o f t h i c ks l a bc o n t i n u o u s c a s t i n gm a c h i n ei no n e f a c t o r y i nC h i n a T h eh e a t t r a n s f e rm o d e l i sm o d i f i e db yu s i n gt h e r e s u l t so f s h o o t i n ge x p e r i m e n t s,a n dt h em o d i f i e dh e a t t r a n s f e rm o d e l i sc o m p a r e dw i t ht h e f i e l dL m o d e l T h eL s o f t r e d u c t i o np a r a m e t e r sa r em o d i f i e d,t h es u i t a b l es o f t r e d u c t i o n i n t e r v a l f o rs t e e lBi s w h i l et h es u i t a b l es o f t r e d u c t i o n i n t e r v a l f o rAs t e e l i s K e yw o r d s:c o n t i n u o u sc a s t i n g;c e n t e r l i n es e g r e g a t i o n;n a i l i n gt e s t;h e a tt r a n s f e rm o d e l;s o f tr e d u c t i o n(责任编辑:李文英)武汉工程职业技术学院学报