CN107876721B - 一种异型坯腹板中心裂纹控制方法 - Google Patents
一种异型坯腹板中心裂纹控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种异型坯腹板中心裂纹控制方法,属于炼钢近终形连铸技术领域。包括获得异型坯连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离为4~6m;经过前处理、建立模型、计算过程以及后处理分析铸坯在连铸机内不同位置时实时热状态信息;控制腹板中心液芯长度Lfb,m处于如下范围内:Dsg‑1.0≤Lfb≤Dsg;优化调整钢种成分,根据翼缘、腹板处铸坯厚度收缩量,设置铸坯支撑***中各扇形段的辊缝收缩锥度。优点在于,方法简单、经济高效,有效降低或消除腹板中心裂纹缺陷的发生率,增强产品的竞争力。
Description
技术领域
本发明属于炼钢近终形连铸技术领域,特别涉及一种异型坯腹板中心裂纹控制方法。
背景技术
采用异型坯代替方坯生产型钢,可显著减小开坯机的轧制工作量,节省轧制、加热能耗以及人工成本。异型坯连铸在国内外较为迅速,断面覆盖范围较广295~1118mm×150~500mm×50~140mm。
由于异型坯浇铸断面复杂,结晶器形状和二冷区铸坯支撑***形式特殊,异型坯易产生腹板、翼缘纵裂、腹板中心裂纹等缺陷。
腹板中心裂纹是异型坯连铸生产中的主要缺陷之一。裂纹缺陷的产生一方面取决于钢种的高温热塑性,另一方面取决于铸坯在连铸机内承受的应力状态。汤寅波在“连铸工字形异型坯腹板中心裂纹研究,钢铁,第38卷10期”等人指出了从控制钢中Mn/S,P,拉速等方面控制腹板中心裂纹的方法。其中,关于连铸工艺指出了随着拉速的升高腹板中心裂纹发生率逐渐上升。但是该研究仅适用于相应钢铁公司的特定异型坯断面,无法对异型坯连铸所有断面产生普适性的指导作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异型坯腹板中心裂纹控制方法,解决了异型坯由于浇铸断面复杂、结晶器形状和二冷区铸坯支撑***形式特殊导致的腹板中心裂纹问题。有效的避免了缺陷铸坯并降低了中心裂纹的发生率,显著改善铸坯内部质量。
一种异型坯腹板中心裂纹控制方法,具体步骤及参数如下:
1、获得异型坯连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离:异型坯连铸机断面尺寸为295mm×205mm×85mm~430mm×300mm×85mm;铸机基础圆弧半径为9~12m;二冷区包含足辊段、二冷区一段及二冷区二段3个冷却区,其中二冷区一段与二冷区二段冷却区分别由内弧、外弧及铸坯侧面3个冷却回路构成,共计7个冷却回路,铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离为4~6m。
2、采用有限元商业软件MSC.Marc,Ansys等建立异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,包括前处理、建立模型、计算过程以及后处理,用于分析铸坯在连铸机内不同位置时实时热状态信息:
1)前处理:根据异型坯断面尺寸,考虑几何与传热对称性,选择1/4截面作为计算域,网格划分尺寸为0.1~10mm,非均匀网格;
2)建立模型:根据连铸机结晶器长度、二冷区长度、空冷区长度,铸坯2D切片处于连铸机纵向不同位置时,铸坯表面分别设置第二类边界条件-热通量、第三类边界条件-对流换热以及辐射换热边界条件;铸坯对称中心设置绝热边界条件。
其中,设置第二类边界条件时,瞬时结晶器热流密度沿结晶器拉坯方向的分布采用下式计算:
式中,qs为瞬时热流密度,w/m2;L为与弯月面间距离,m;v为拉坯速度,m/min;常数b根据下式计算:
其中:Lm为结晶器有效长度,m;为结晶器平均热流密度w/m2,通过结晶器冷却水流量、水温差以及结晶器壁的有效冷却面积计算得到,如下:
式中,Cw—冷却水比热,J/kg·℃;
m—结晶器冷却水流量,kg/s;
ΔT—结晶器进出水温差,℃;
Seff—结晶器壁的有效冷却面积,m2。
设置第三类边界条件时,二冷区内综合换热系数采用如下公式计算:
h=116+10.44w0.815
其中,h为二冷区内综合换热系数,W/m2℃;w为给定二冷区铸坯表面水流密度,L/(m2·min)。
设置辐射边界条件时,空冷区热流密度根据下式计算:
qm=εσ[(Tb+273)4-(T0+273)4]
式中,qm为空冷区辐射热流密度,w/m2;Tb为铸坯表面温度,℃;T0为环境温度,℃;ε为铸坯表面黑度,0~1;σ为波尔兹曼常数,w/m2.K4;
模型中,研究钢种的热物性参数,如密度、导热系数、比热等参数均为温度的非线性函数。
3)计算过程:基于已建立的异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,计算连铸过热度15~40℃、结晶器冷却水流量50~80m3/h、结晶器进出水温差2~7℃、拉速0.6~1.8m/min、二冷强度0.5~1.5L/kg、内/外弧二冷水百分比6~17%工艺下铸坯热状态历史,运行模型并保存计算结果文件,获得铸坯的热状态历史。
4)在计算结果文件中提取腹板中心节点温度与距离的关系,根据钢种固相线温度判断腹板中心完全凝固时,即凝固终点与弯月面间的距离。
3、计算不同过热度、结晶器冷却水流量、结晶器进出水温差、拉速、二冷强度、内/外弧二冷水百分比对腹板中心完全凝固时与弯月面间的距离,即腹板中心液芯长度的影响。以连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离(Dsg,m)作为判据,控制腹板中心液芯长度(Lfb,m)处于如下范围内:
Dsg-1.0≤Lfb≤Dsg。
4、调整钢种成分,二冷区内各回路二冷水分配比,保证铸坯腹板处冷却强度;控制25﹤Mn/S锰硫比﹤200、拉速范围0.7~1.6m/min、二冷强度0.6~1.5L/kg、二冷区内各回路二冷水分配比为20~30:12~17:12~17:10~20:6~11:6~11:9~12。
5、根据翼缘、腹板处铸坯厚度收缩量,设置铸坯支撑***中各扇形段的辊缝收缩锥度;控制翼缘处辊缝收缩锥度为0.2~0.3mm/m,腹板辊缝收缩锥度0.1~0.2mm/m。
本发明的优点在于:方法简单合理,经济高效,合理的制定异型坯连铸相关连铸工艺,有效降低或消除腹板中心裂纹缺陷的发生率,显著提高异型坯的内部质量及轧制成材率,增强产品的竞争力。
具体实施方式
实施例1
利用本发明所涉及到的方法制定的异型坯结晶器翼梢锥度的确定方法在现场得到了应用,
一种异型坯腹板中心裂纹控制方法,具体步骤及参数如下:
1、获得异型坯连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离:
异型坯连铸机断面尺寸为295mm×205mm×85mm;铸机基础圆弧半径为10m;二冷区包含足辊段、二冷区一段及二冷区二段3个冷却区,其中二冷区一段与二冷区二段冷却区分别由内弧、外弧及铸坯侧面3个冷却回路构成,共计7个冷却回路。铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离为4.9m,包含足辊区长度0.77m、二冷区一段长度1.57m、二冷区二段长度1.95m。
2、采用有限元商业软件MSC.Marc建立异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,包括前处理、建立模型、计算过程以及后处理,用于分析铸坯在连铸机内不同位置时实时热状态信息:
1)前处理:根据异型坯断面尺寸,考虑几何与传热对称性,选择1/4截面作为计算域,网格划分尺寸为0.5~4.3mm,非均匀网格;
2)建立模型:根据连铸机结晶器长度、二冷区长度、空冷区长度,铸坯2D切片处于连铸机纵向不同位置时,铸坯表面分别设置第二类边界条件-热通量、第三类边界条件-对流换热以及辐射换热边界条件;铸坯对称中心设置绝热边界条件。
其中,设置第二类边界条件时,瞬时结晶器热流密度沿结晶器拉坯方向的分布采用下式计算:
式中,qs为瞬时热流密度,w/m2;L为与弯月面间距离,0.6m;v为拉坯速度,1.30m/min;常数b根据下式计算:
其中:Lm为结晶器有效长度,0.6m;为结晶器平均热流密度,w/m2,通过结晶器冷却水流量、水温差以及结晶器壁的有效冷却面积计算得到,如下:
式中,Cw—冷却水比热,J/kg·℃;
m—结晶器冷却水流量,16.7kg/s;
ΔT—结晶器进出水温差,3.5℃;
Seff—结晶器壁的有效冷却面积,m2。
设置第三类边界条件时,二冷区内综合换热系数采用如下公式计算
h=116+10.44w0.815
其中,h为二冷区内综合换热系数,W/m2℃;w为给定二冷区铸坯表面水流密度,L/(m2·min)。在拉速为1.30m/min、二冷强度为0.80L/kg时,二冷区内各回路水流密度如表1所示:
设置辐射边界条件时,空冷区热流密度根据下式计算:
qm=εσ[(Tb+273)4-(T0+273)4]
式中,qm为空冷区辐射热流密度,w/m2;Tb为铸坯表面温度,℃;T0为环境温度,℃;ε为铸坯表面黑度,0.44;σ为波尔兹曼常数,w/m2.K4;
模型中,研究钢种的热物性参数,密度、导热系数、比热参数均为温度的非线性函数。
3)计算过程:基于已建立的异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,计算连铸过热度30℃、结晶器冷却水流量内/外弧60m3/h,结晶器冷却水流量两侧50m3/h、结晶器进出水温差4℃、拉速1.3m/min、二冷强度0.8L/kg、内/外弧二冷水百分比:二冷一段14%、二冷二段9%工艺下铸坯热状态历史,运行模型并保存计算结果文件,获得铸坯的热状态历史。
4)在计算结果文件中提取腹板中心节点温度与距离的关系,根据钢种固相线温度判断腹板中心完全凝固时,即凝固终点与弯月面间的距离。
3、以连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离作为判据,计算过热度、结晶器冷却水流量、结晶器进出水温差、拉速、二冷强度、内/外弧二冷水百分比对腹板中心完全凝固时与弯月面间的距离,即腹板中心液芯长度的影响。以连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离Dsg=4.7m作为判据,腹板中心液芯长度Lfb=4.3m处于如下范围内:
Dsg-1.0≤Lfb≤Dsg。
4、调整钢种成分,二冷区内各回路二冷水分配比,保证铸坯腹板处冷却强度;控制Mn/S锰硫比为46.7、拉速范围1.30m/min、二冷强度0.80L/kg、二冷区内各回路二冷水分配比为25:14:14:17:9:9:12。
5、根据翼缘、腹板处铸坯厚度收缩量,设置铸坯支撑***中各扇形段的辊缝收缩锥度;控制翼缘处辊缝收缩锥度为0.22mm/m,腹板辊缝收缩锥度0.12mm/m。
具体铸机参数与浇铸工艺如下:
表1 铸机基本工艺参数及连铸工艺
表2 异型坯连铸机二冷区回路
表3 钢种成分
该断面异型坯连铸机在原工艺下腹板中心裂纹发生率约为7%,应用本专利所述方法后对连铸拉速、冷却工艺以及扇形段辊缝锥度进行优化后,腹板中心裂纹基本消除。
表4 连铸工艺路线
Claims (2)
1.一种异型坯腹板中心裂纹控制方法,其特征在于,具体步骤及参数如下:
1)获得异型坯连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离:异型坯连铸机断面尺寸为295mm×205mm×85mm~430mm×300mm×85mm;铸机基础圆弧半径为9~12m;二冷区包含足辊段、二冷区一段及二冷区二段3个冷却区,铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离为4~6m;
2)采用有限元商业软件建立异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,包括前处理、建立模型、计算过程以及后处理,用于分析铸坯在连铸机内不同位置时实时热状态信息:
①前处理:根据异型坯断面尺寸,选择1/4截面作为计算域,网格划分尺寸为0.1~10mm,非均匀网格;
②建立模型:根据连铸机结晶器长度、二冷区长度、空冷区长度,铸坯2D切片处于连铸机纵向不同位置时,铸坯表面分别设置第二类边界条件-热通量、第三类边界条件-对流换热以及辐射换热边界条件;铸坯对称中心设置绝热边界条件:
其中,设置第二类边界条件时,瞬时结晶器热流密度沿结晶器拉坯方向的分布采用下式计算:
式中,qs为瞬时热流密度,w/m2;L为与弯月面间距离,m;v为拉坯速度,m/min;常数b根据下式计算:
其中:Lm为结晶器有效长度,m;为结晶器平均热流密度w/m2,通过结晶器冷却水流量、水温差以及结晶器壁的有效冷却面积计算得到,如下:
式中,Cw—冷却水比热,J/kg·℃;
m—结晶器冷却水流量,kg/s;
ΔT—结晶器进出水温差,℃;
Seff—结晶器壁的有效冷却面积,m2;
设置第三类边界条件时,二冷区内综合换热系数采用如下公式计算:
h=116+10.44w0.815
其中,h为二冷区内综合换热系数,W/m2℃;w为给定二冷区铸坯表面水流密度,L/(m2·min);
设置辐射边界条件时,空冷区热流密度根据下式计算:
qm=εσ[(Tb+273)4-(T0+273)4]
式中,qm为空冷区辐射热流密度,w/m2;Tb为铸坯表面温度,℃;T0为环境温度,℃;ε为铸坯表面黑度,0~1;σ为波尔兹曼常数,w/m2.K4;
模型中,研究钢种的热物性参数,密度、导热系数、比热参数均为温度的非线性函数;
③计算过程:基于已建立的异型坯连铸的2D凝固分析数学模型,计算连铸过热度15~40℃、结晶器冷却水流量50~80m3/h、结晶器进出水温差2~7℃、拉速0.6~1.8m/min、二冷强度0.5~1.5L/kg、内/外弧二冷水百分比6~17%工艺下铸坯热状态历史,运行模型并保存计算结果文件,获得铸坯的热状态历史;
④在计算结果文件中提取腹板中心节点温度与距离的关系,根据钢种固相线温度判断腹板中心完全凝固时,即凝固终点与弯月面间的距离;
3)计算不同过热度、结晶器冷却水流量、结晶器进出水温差、拉速、二冷强度、内/外弧二冷水百分比对腹板中心完全凝固时与弯月面间的距离,即腹板中心液芯长度的影响;以连铸机铸坯支撑***出口与结晶器弯月面间距离Dsg,m作为判据,控制腹板中心液芯长度Lfb,m处于如下范围内:
Dsg-1.0≤Lfb≤Dsg
4)调整钢种成分,25﹤Mn/S锰硫比﹤200、拉速范围0.7~1.6m/min、二冷强度0.6~1.5L/kg;二冷区内各回路二冷水分配比为20~30:12~17:12~17:10~20:6~11:6~11:9~12;
5)根据翼缘、腹板处铸坯厚度收缩量,设置铸坯支撑***中各扇形段的辊缝收缩锥度;控制翼缘处辊缝收缩锥度为0.2~0.3mm/m,腹板辊缝收缩锥度0.1~0.2mm/m。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,步骤1)中所述的二冷区包含足辊段、二冷区一段及二冷区二段3个冷却区,其中二冷区一段与二冷区二段冷却区分别由内弧、外弧及铸坯侧面3个冷却回路构成,共计7个冷却回路。
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