CN103447493B - 一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法，按以下步骤进行：(1)确定非均匀凝固末端形貌；(2)确定连铸坯不同宽向位置处的轻压下压下起点与终点位置：(3)轻压下压下率调整：在区域内轻压下压下率设置为0.8～2.2mm/m；在区域内压下率设置为0.4～1.6mm/m。采用本发明的控制方法设置轻压下压下率，针对宽厚板连铸坯凝固坯壳非均匀生长条件下的轻压下压下区间的确定方法，确保了轻压下工艺的实施效果，能显著降低宽厚板连铸坯横截面中心线的偏析与疏松缺陷，具有良好的应用前景。

Description

一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法

技术领域

本发明涉及连铸技术的轻压下控制方法，特别涉及一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法。

背景技术

铸坯轻压下技术指，通过在连铸坯凝固末期附近施加压力(热应力和机械应力)以产生一定的压下量阻碍含富集偏析元素的钢液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。

轻压下压下区间是决定轻压下实施位置的关键工艺参数，多表述为连铸坯中心线固相率范围；由于铸坯断面、钢种的不同，轻压下压下率参数也不尽相同；代表性的已公开研究结果如下：美国专利4687047所述，铸坯实行轻压下的适宜部位，相当于从铸坯中心固相率为0.1～0.3之间到铸坯中心固相率达到流动极限固相率f_sc(f_sc是指钢液达到流动极限时的固相率，一股的经验，普通碳素钢的f_sc=0.6，低合金钢的f_sc=0.65～0.75)之间的一段铸坯；当f_s＞f_sc时，钢液黏性很大，基本不会流动，若此时进行压下，很可能对内部质量产生有害影响。一股来说，中碳钢为f_s=0.3～0.7，高碳钢为f_s=0.4～0.7。

2002年《连铸》第6期“轻压下技术在济钢新板坯连铸机上的应用”报道了济钢的中厚板坯压下区间为f_s=0.5～0.95。2000年Steelmaking Conference Proceedings的“The latest resultof dynamic soft reduction in slab CC machine”报道芬兰的Rautaruukki钢铁210mm×1250～1475mm板坯连铸机生产微合金钢的最佳压下区间为fs=0.3～0.9，而210mm×1825mm板坯连铸的最佳压下区间为fs=0.15～0.8。崔立新博士论文(板坯连铸动态轻压下工艺的三维热-力学模型研究，北京科技大学，2006.)认为控制板坯窄面展宽和鼓肚趋势，轻压下起始固相率f_s应大于等于0.6，同时为防止对凝固固相线附近的脆性区压下产生中间裂纹，轻压下结束位置应选取f_s小于等于0.85。郭亮亮博士论文(板坯连铸动态二冷与轻压下建模及控制的研究，大连理工大学，2009.)中指出170mm×950～1950mm板坯连铸机生产超高强度钢(UHSS)的最佳压下区间为f_s=0.3～0.9。龙木军硕士论文(龙木军.板坯连铸二冷动态轻压下辊缝收缩模型研究及软件开发，重庆大学，2007)中指出柳钢4＃板坯连铸机生产AH36和Q345钢最佳压下区间为f_s=0.55～0.95。申请号为200910309239.6的专利申请提出了一种采用根据铸坯中心线溶质偏析元素析出确定大方坯连铸坯轻压下压下区间的方法，

上述研究均采用连铸坯中心线固相率表征轻压下压下区间；然而，在板坯连铸生产过程中，由于二冷水横向分布的不均匀，凝固末端坯壳往往出现不均匀生长现象；特别对于宽厚板连铸坯，由于断面尺寸的增加，板坯宽向1/4至1/8范围内的液芯延展现象十分明显，如仅根据连铸坯中心线固相率确定轻压下位置和长度，并不能起到改善整个断面，特别是1/4至1/8区域的宏观偏析缺陷。

2011年Metalurgia International第16卷第10期“A Mathematical Model for MitigatingCenterline Macro Segregation In Continuous Casting Slab”提出了一种通过改善二冷水在铸坯横断面上均匀分布，使得液芯均匀生长，即横断面中心线上固相率基本相同，从而起到改善轻压下实施效果的目的；然而，这种方法势必造成铸坯角部过冷，对于微合金钢、包晶钢等裂纹敏感钢种而言，当铸坯通过矫直区或在某处受力集中时，若其角部温度恰好落入第三脆性温度区，则不可避免的造成角部横裂纹；角部横裂纹在后继加热轧制过程中会不可避免的延展成为严重的边角横裂纹缺陷，从而导致整张轧板的降级甚至报废；因此，角部冷却强度的减小，势必导致凝固末端液芯的不均匀生长。

发明内容

针对现有宽厚板连铸坯轻压下技术存在的上述问题，本发明提供一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法，通过计算宽厚板连铸坯凝固末端，根据宽厚板连铸坯宽向1/2、1/4、1/8位置处液芯延展规律求得各位置间的轻压下压下长度和位置关系；为避免中心裂纹，根据压下区间修正压下率参数，避免出现连铸坯中心裂纹缺陷。

本发明的宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法按以下步骤进行：

1、确定非均匀凝固末端形貌：

建立二维凝固传热计算模型，用以计算宽厚板连铸坯凝固末端形貌，传热方程为：

$\mathrm{\ρ}\left(T\right)c\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\right)---\left(1\right)$

其中，T为温度，℃；t为计算时间，单位为秒；ρ(T)、c(T)和λ(T)分别为密度(kg/m³)、比热(J·kg^-1·℃^-1)和传热系数(w·m^-1·℃^-1)。

二冷区的铸坯传热主要由辐射、辊接触传热和二冷对流传热组成，其计算方法为：

$-\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂n}=q_{\sec }=(h_{\mathrm{rad}}+h_{\mathrm{ec}}^i+h_w^i)\·(T_{\mathrm{surf}}-T_{\mathrm{amb}})---\left(2\right)$

其中，T_surf、T_amb分别是铸坯表面温度和铸坯环境温度，单位为℃；h_rad、和分别是辐射、辊接触和二冷水的对流换热系数，单位为w·m^-2·℃^-1。

辐射对流换热系数h_rad的计算方法可表示为：

$h_{\mathrm{rad}}=\mathrm{\σ}\·\mathrm{\ϵ}\·((T_{\mathrm{surf}}+273)+(T_{\mathrm{amb}}+273))\·((T_{\mathrm{surf}}+273{)}^2+(T_{\mathrm{amb}}+273{)}^2)---\left(3\right)$

其中，σ为波尔兹曼常数，5.67×10^-8J/(m²·k⁴)；ε为铸坯表面黑度；

辊接触对流换热系数的计算方法可表示为：

$h_{\mathrm{ec}}^i=\frac{h_c^i\·N_R^i\·R_L^i}{Z_L^i}---\left(4\right)$

其中，是辊与坯的接触热流，取值在0.4～1.4kw·m^-2·℃^-1；是第i区的辊子数；是第i区内辊与坯的接触长度，取值为0.02m；是第i个二冷区的长度；

二冷水对流换热系数(连铸二次冷却过程中第i区二冷水的对流传热系数)的计算方法可表示为：

$h_w^i={\mathrm{\α}}_i\·W_i{\left(x\right)}^{0.55}\·(1-{0.0075T}_w)---\left(5\right)$

α_i是第i区的修正系数，取决于具体连铸机设备参数，一股取10～40；T_w是二冷水温度，℃；W_i(x)是水流密度在宽度方向的分布，单位为1/(m²·min))；x是距铸坯中心的位置，单位为m；

2、确定连铸坯不同宽向位置处的轻压下压下起点与终点位置：

根据两相区内钢液流动特性，采用fs=0.6为压下区间起点参数，fs=0.9为压下区间终点参数，求得不同位置处的压下起点和终点位置：代表沿拉坯方向的压下位置，上标1/2，1/4和1/8分别代表铸坯宽向1/2，1/4和1/8位置，下标start和end分别代表轻压下起点和终点；因此，轻压下起点和终点位置可确定为：

$P_{\mathrm{start}}=\min \{P_{\mathrm{start}}^{1/2},P_{\mathrm{start}}^{1/4},P_{\mathrm{start}}^{1/8}\}---\left(6\right)$

$P_{\mathrm{end}}=\max \{P_{\mathrm{end}}^{1/2},P_{\mathrm{end}}^{1/4},P_{\mathrm{end}}^{1/8}\}---\left(7\right)$

3、轻压下压下率调整：

在区域内轻压下压下率设置为0.8～2.2mm/m；在区域内压下率设置为0.4～1.6mm/m。

上述方法适用于生产宽度为1600～2300mm，厚度为180～300mm的宽厚板连铸坯。

本发明的研究结果表明：二冷水横向分布不均是导致凝固末端非均匀凝固的主要原因，为准确描述非均匀凝固末端，根据实测喷嘴特性确定水流密度沿铸坯宽面的分布，进而得出对流传热系数；连铸坯凝固末端存在一个裂纹敏感区，一股介于零强度温度(ZST)和零塑性温度(ZDT)之间；如果作用在该区域的轻压下压下率较大，将导致连铸坯中心裂纹；为消除连铸坯宽向1/4至1/8区间因液芯延长引起的中心偏析与疏松，轻压下压下区间延长，易导致宽向1/2位置处产生中心裂纹，需对轻压下压下率进行调整。采用本发明的控制方法设置轻压下压下率，针对宽厚板连铸坯凝固坯壳非均匀生长条件下的轻压下压下区间的确定方法，确保了轻压下工艺的实施效果，能显著降低宽厚板连铸坯横截面中心线的偏析与疏松缺陷，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中具体宽厚板连铸机结构及冷却区划分示意图；

图2为本发明实施例中射钉实验选择射钉位置示意图；

图3为本发明实施例中连铸机110°气雾冷却喷嘴的水流密度分布曲线图；

图4为本发明实施例中连铸机90°气雾冷却喷嘴的水流密度分布曲线图；

图5为本发明实施例中连铸机的二冷区气雾冷却喷嘴位置布置方式示意图；

图6为本发明实施例中连铸机的不同气雾冷却喷嘴布置时的水流密度沿铸坯宽面的分布曲线图；

图7为本发明实施例中不同拉速下压下区间沿铸坯宽向的分布曲线图；

图8为本发明实施前生产的铸坯横截面宏观照片图；

图9为本发明实施后生产的铸坯横截面宏观照片图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的连铸机为弧形连铸机，生产铸坯宽度为1600～2300mm，铸坯厚度为180～300mm；连铸机结构及各冷却段划分如图1所示。

本发明实施例中采用射钉法验证凝固末端形貌；射钉法是通过向铸坯内部射入表面带有硫的钢钉，根据硫元素在铸坯内的扩散情况判定坯壳厚度。

实施例1

选用的铸坯断面尺寸分别为2100mm×250mm、1600mm×300mm和2300mm×180mm的包晶钢，目标成分按重量百分比含C0.17％，Si0.15％，Mn0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，余量为Fe；浇铸温度1545℃，拉速0.9～1.1m/min；

建立二维凝固传热计算模型，二冷区的铸坯传热主要由辐射、辊接触传热和二冷对流传热组成，其中二冷水对流换热系数的计算方法可表示为：

$h_w^i={\mathrm{\α}}_i\·W_i{\left(x\right)}^{0.55}\·(1-{0.0075T}_w)$

采用射钉法验证凝固末端形貌；射钉位置选择如图2所示；在拉坯方向选取两个宽向中心位置，在宽度方向选取铸坯1/2宽、1/4宽和1/8宽三个位置，进行射钉实验，测定坯壳厚度；

如图2所示：铸坯宽向1/2位置是指铸坯中心线，铸坯宽向1/4位置为与铸坯边界距离为铸坯宽度的1/4处的直线，铸坯宽向1/8位置为与铸坯边界距离为铸坯宽度的1/8处的直线；

进一步根据坯壳厚度校验模型计算准确性：由于铸坯坯壳的自然冷却收缩，常温下测量的坯壳厚度需折算到浇铸过程中(高温状态下)的坯壳厚度，进行坯壳厚度的折算采用的公式为：

$l_i=l_i^0\·({\mathrm{Gap}}_i/H_i)$

式中，l_i浇铸状态下的第i个射钉点的坯壳厚度，mm；是常温下测得的第i个射钉点的坯壳厚度，mm；Gapi是第i个射钉点的扇形段辊缝值，即浇铸过程中的铸坯厚度实际值，mm；H_i是第i个射钉样常温下测得的铸坯厚度，mm；

连铸机8区采用的110°气雾冷却喷嘴的水流密度分布曲线如图3所示，新选用的90°气雾冷却喷嘴的水流密度分布曲线如图4所示；连铸机第5～8二冷区气雾冷却喷嘴位置如图5所示；在不同气雾冷却喷嘴组合方式下，气压和水压都等于0.1MPa时，连铸机8区水流密度沿铸坯宽面的分布曲线如图6所示；

根据二冷水对流换热系数的计算方法，计算对流传热系数沿铸坯宽面的分布，其中W_i(x)为铸坯宽面水流密度分布，如图6所示；不同位置坯壳厚度测得结果与计算值对比如表1所示：

表1

从表1可以看出，计算结果与实测值偏差绝对值不超过2.21mm，相对误差控制在2.12％以内；

根据凝固传热计算结果，采用三个110°喷嘴条件下，在铸坯宽向1/2位置、铸坯宽向1/4位置和铸坯宽向1/8位置处，轻压下压下区间沿铸坯厚度中心位置横截面的分布如图7所示，可以看出铸坯宽向1/8位置处轻压下压下区间位置明显滞后于铸坯宽向1/2位置和铸坯宽向1/4位置处；

根据公式(6)、(7)，计算得到各典型拉速下压下起点和终点距结晶器液面位置(距离)如表2所示：

表2

拉速	压下起点	压下终点	压下扇形段
				0.9m/min	18.96	22.52	8、9
1.0m/min	21.05	25.14	9、10
				1.1m/min	23.28	27.90	10、11

由表3可以看出，不同拉速下的轻压下均由两个扇形段完成，其中第一个扇形段负责改善连铸坯1/2～1/4区域偏析与疏松，第二个扇形段负责改善连铸坯1/4～1/8区域偏析与疏松；第一个扇形段压下率设置为0.8～2.2mm/m，第二个扇形段压下率设置为0.4～1.6mm/m；

所述的连铸坯1/2～1/4区域是指铸坯宽向1/2位置和铸坯宽向1/4位置之间的区域，所述的连铸坯1/4～1/8区域是指铸坯宽向1/4位置和铸坯宽向1/8位置之间的区域；

上述方法实施后生产连铸坯横截面低倍照片如图9所示，未采用上述方法前生产连铸坯横截面低倍照片如图8所示；可以看出，在浇铸条件与钢种相同的条件下，上述方法实施后铸坯的中心偏析得到明显改善；上述方法实施前后三个月的低倍检查统计结果对比如表3所示：

表3

由表3可见经过上述方法实施后，铸坯的中心偏析和疏松缺陷均得到明显改善。

Claims (2)

1.一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法，其特征在于按以下步骤进行：

(1)确定非均匀凝固末端形貌：

建立二维凝固传热计算模型，用以计算宽厚板连铸坯凝固末端形貌，传热方程为：

$\mathrm{\ρ}\left(T\right)c\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\right)---\left(1\right)$

其中，T为温度，单位为℃；t为计算时间，单位为秒；ρ(T)、c(T)和λ(T)分别为密度(kg/m³)、比热(J·kg^-1·℃^-1)和传热系数(w·m^-1·℃^-1)；

二冷区的铸坯传热主要由辐射、辊接触传热和二冷对流传热组成，其计算方法为：

$-\mathrm{\λ}\left(T\right)=\frac{\∂T}{\∂n}=q_{\sec }=(h_{\mathrm{rad}}+h_{\mathrm{ec}}^i+h_w^i)\·(T_{\mathrm{surf}}-T_{\mathrm{amb}})---\left(2\right)$

其中，T_surf、T_amb分别是铸坯表面温度和铸坯环境温度，单位为℃；h_rad、hⁱ _ec和hⁱ _w分别是辐射、辊接触和二冷水的对流换热系数，单位为w·m^-2·℃^-1；

辐射对流换热系数h_rad的计算方法可表示为：

h_rad＝σ·ε·((T_surf+273)+(T_amb+273))·((T_surf+273)²+(T_amb+273)²)   (3)

其中，σ为波尔兹曼常数，5.67×10^-8J/(m²·k⁴)；ε为铸坯表面黑度；

辊接触对流换热系数hⁱ _ec的计算方法可表示为：

$h_{\mathrm{ec}}^i=\frac{h_c^i\·N_R^i\·R_L^i}{Z_L^i}---\left(4\right)$

其中，h_c ⁱ是辊与坯的接触热流，取值在0.4～1.4kw·m^-2·℃^-1；N_R ⁱ是第i区的辊子数；Rⁱ _L是第i区内辊与坯的接触长度，取值为0.02m；Zⁱ _L是第i个二冷区的长度；

其中二冷水对流换热系数hⁱ _w的计算方法可表示为；

$h_w^i={\mathrm{\α}}_i\·W_i{\left(x\right)}^{0.55}\·(1-{0.0075T}_w)---\left(5\right)$

α_i是第i区的修正系数，取决于具体连铸机设备参数；T_w是二冷水温度，单位为℃；W_i(x)是水流密度在宽度方向的分布，单位为l/(m²·min))；x是距铸坯中心的位置，单位为m；

(2)确定连铸坯不同宽向位置处的轻压下压下起点与终点位置：

根据两相区内钢液流动特性，采用fs＝0.6为压下区间起点参数，fs＝0.9为压下区间终点参数，求得不同位置处的压下起点和终点位置：代表沿拉坯方向的压下位置，上标1/2，1/4和1/8分别代表铸坯宽向1/2，1/4和1/8位置，下标start和end分别代表轻压下起点和终点；因此，轻压下起点和终点位置可确定为

$P_{\mathrm{start}}=\min \{P_{\mathrm{start}}^{1/2},P_{\mathrm{start}}^{1/4},P_{\mathrm{start}}^{1/8}\}---\left(6\right)$

$P_{\mathrm{end}}=\max \{P_{\mathrm{end}}^{1/2},P_{\mathrm{end}}^{1/4},P_{\mathrm{end}}^{1/8}\};---\left(7\right)$

(3)轻压下压下率调整：

在区域内轻压下压下率设置为0.8～2.2mm/m；在区域内压下率设置为0.4～1.6mm/m。

2.根据权利要求1所述的一种宽厚板连铸坯轻压下压下区间的控制方法，其特征在于该方法适用于浇铸铸坯宽度为1600～2300mm，厚度为180～300mm的宽厚板连铸坯生产过程。