CN115401178B - 一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，包括：1)收集现场技术参数、钢种参数，建立铸坯凝固传热模型；2)对现场温度进行测温，并对铸坯凝固传热模型进行验证，使现场温度与铸坯凝固传热模型之间的温差不超过设定值；3)计算凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为，通过溶质传输行为的变化得到压下量和压下区间，所得压下区间与铸坯凝固传热模型计算结果进行相比，确定最终压下区间；4)计算该钢种的表面压下量；5)判断表面压下量是否满足条件，满足则进入步骤6)，不满足则返回步骤4)。本发明设计合适的压下量，改善铸坯内部质量。

Description

一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法

技术领域

本发明涉及钢铁连铸技术，更具体地说，涉及一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法。

背景技术

金属材料在凝固过程中由于选分结晶、枝晶搭桥、凝固收缩等会造成宏微观偏析，中心缩孔于疏松严重影响铸坯及后续轧材内部质量的问题。宏观偏析将造成断层、材料不合格、大量碳化物聚集而形成裂纹。微观偏析将会在后续的轧制过程中造成带状组织，使材料各向力学性能不同，即沿带状组织方向的性能明显优于其垂直方向，降低钢的塑性、韧性、断面收缩率。中心缩孔与疏松将会在后续的轧制过程中形成裂纹，严重危害产品质量。因此改善铸坯内部质量具有重要意义。

改善铸坯内部质量的方法已有较多研究，其中在连铸过程中实施压下就是一种改善铸坯内部质量的有效方法，即在连铸过程中对铸坯每个拉矫机处实施一定的压下量，产生一定的压力对铸坯内部凝固收缩进行补偿，以达到改善铸坯内部质量的目的。然而只有合理的压下区间与压下量才能对改善铸坯内部质量具有改善作用，不合理的压下参数只能使铸坯质量更加严重。

在现有的专利申请中，如中国专利CN101658911B公开了一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法，利用液芯压下量与压下效率对铸坯压下量进行计算，并对辊缝进行调节。然而该专利未有热力学耦合模拟计算，压下量有误差。

如中国专利CN105108096B公开了一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法，通过确定现场工艺参数、物性参数、材料热力学性能对压下量进行确定。但方法仅适用于重轨钢，且在工艺参数中未对铸坯表面温度进行测定并修正现场工艺参数。

如中国专利CN109396368B公开了一种改善高碳钢大方坯连铸坯内部质量的方法，首先对总压下量进行了约束在10mm～25mm，并采用分配系数的方式进行各辊压下量分配。但该专利未考虑压下量对铸坯内部的传递效率。

如中国专利CN110523942A公开了一种改善高碳铬轴承钢大方坯内部缺陷的控制方法，对不同固相率下的压下量直接分配，可缺乏合理性。

如中国专利CN110802207A公开了一种连铸坯组合压下方法，建立连铸坯凝固模型确定凝固终点及中心固相率，通过多相凝固耦合模型确定宏观偏析形成的临界固相率，以及通过凝固收缩分析模型，预测中心疏松开始形成位置的临界固相率，从而确定压下区间，进而确定最佳压下量。但该专利未考虑压下量过大时可能产生的裂纹对铸坯质量的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，设计合适的压下量，改善铸坯内部质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，包括以下步骤：

1)收集现场技术参数、钢种参数，建立铸坯凝固传热模型；

2)对现场温度进行测温，并对所述铸坯凝固传热模型进行验证，使现场温度与所述铸坯凝固传热模型之间的温差不超过设定值；

3)计算凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为，通过所述溶质传输行为的变化得到压下量和压下区间，所得所述压下区间与所述铸坯凝固传热模型计算结果进行相比，确定最终压下区间；

4)计算该钢种的表面压下量；

5)判断所述表面压下量是否满足条件，若满足则进入步骤6)，若不满足则返回步骤4)；

6)压下量确定完成。

较佳的，所述现场技术参数、钢种参数包括现场常用拉速范围、过热度范围、连铸机参数、电磁搅拌参数、设备压下能力、结晶器长度、二冷水量、钢种成分。

较佳的，所述铸坯凝固传热模型计算所得铸坯的凝固终点位置、中心固相率、表面温度。

较佳的，所述步骤2)中的所述设定值为50℃。

较佳的，所述现场温度的测温位置为：

出二冷区以及各个拉矫机之间一半以上的位置，并根据现场测温条件检测铸坯的宽面与窄面的温度。

较佳的，所述步骤3)进一步包括：

利用热/力耦合模型计算所述凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，使用该铸坯坯壳形貌建立铸坯几何模型，并导入进多相凝固耦合计算模型，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，进而在相耦合方法下求解质量、动量、能量、溶质传输方程得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为；

对比不同凝固末端机械的压下工艺，通过所述溶质传输行为的变化得到压下量与压下区间，通过所述铸坯凝固传热模型所得的所述固相率确定所述最终压下区间。

较佳的，所述压下区间的选区起始点固相率f_s≥0.3，所述压下区间的选区结束位置处于凝固终点前f_s＝0.95。

较佳的，所述步骤4)进一步包括：

由所述热/力耦合模型计算铸坯表面与液芯在压下过程中的变形情况，获得压下效率η，在所述压下区间内计算该钢种所需液芯压下量以及表面压下量；

当超过所述压下区间达到凝固区域内时，不再计算所述压下效率η，压下量由现场压下设备能力所限制。

较佳的，所述步骤5)中，判断条件如下：

a)符合现场生产要求、设备要求，不得超过设备能力；

b)利用多相凝固耦合模型计算预测偏析改善时所需的最小压下量，并与所述表面压下量比较，若所述表面压下量在所述最小压下量以内，则所述表面压下量符合，继续进行下一步判断，不符合则返回步骤4)重新设计所述表面压下量；

c)将所述表面压下量中各辊计算所需最大压坯力与现场设备压坯力进行比较，若符合则继续进行下一步判断，若不符合则返回步骤4)重新设计所述表面压下量；

d)将所述表面压下量中与所造成裂纹风险性进行比较，若无风险则符合，若有风险则对步骤c)中所述表面压下量重新设计或顺后延申；

e)步骤a)至步骤d)应同时满足，且保证不同拉速下所述表面压下量一致。

较佳的，所述步骤b)中，偏析改善以碳元素为研究元素，改善的标准为宏观偏析小于等于1.08；和/或

所述步骤c)中，设计最大压坯力由热/力耦合模型计算，选择压下量最大时的压坯力作为对比；和/或

所述步骤d)中，顺后延申的条件为凝固终点距延后辊的距离不超过一个拉矫机位置。

本发明所提供的一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，采用本工艺生产后，齿轮钢铸坯偏析得到有效控制，偏析评级全部达到1级，优于对比样(2级与1级各占50％)，达到了生产要求，提高了铸坯正品率，对于后道轧材的带状组织也有明显改进，保证了工艺顺行。本发明提供的齿轮钢压下工艺的确定方法，具有压下量准确，有利于实现动态压下位置控制，效果明显；并且考虑，压下量过大时可能产生的裂纹对铸坯质量的影响，具有实施风险小的特点，是解决铸坯内部裂纹、中心偏析和中心疏松的有效手段。

附图说明

图1是本发明压下工艺确定方法的流程示意图；

图2是本发明压下工艺确定方法实施例中凝固传热模拟温度与实际测试温度对比的示意图；

图3是本发明压下工艺确定方法实施例中压下区间选取的示意图；

图4是本发明压下工艺确定方法实施例中压下量对宏观偏析改善效果的示意图；

图5是本发明压下工艺确定方法实施例中各辊产生裂纹风险的最小压下量的示意图；

图6是本发明压下工艺确定方法实施例中铸坯质量改善效果图(横断面)的示意图；

图7是本发明压下工艺确定方法实施例中铸坯质量改善效果图(纵断面)的示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1所示，本发明所提供的一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，包括以下步骤：

1)收集现场技术参数、钢种参数，建立铸坯凝固传热模型，获得铸坯的凝固终点位置、中心固相率、表面温度；

现场技术参数、钢种参数包括现场常用拉速范围、过热度范围、连铸机参数、电磁搅拌参数、设备压下能力、结晶器长度、二冷水量、钢种成分等。

2)采用红外测温仪对现场温度进行测温，并对步骤1)中的铸坯凝固传热模型进行验证，使现场温度与铸坯凝固传热模型之间的温差不超过50℃；

现场温度的测温位置为：

出二冷区以及各个拉矫机之间一半以上的位置，并根据现场测温条件检测铸坯的宽面与窄面的温度。

3)利用热/力耦合模型计算凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，使用该铸坯坯壳形貌建立铸坯几何模型，并导入进多相凝固耦合计算模型，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，进而在相耦合方法下求解质量、动量、能量、溶质传输方程得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为；

对比不同凝固末端机械的压下工艺，通过溶质传输行为变化便能得到压下量与压下区间，所得压下区间与铸坯凝固传热模型所得的固相率进行相比较进而确定最终(最佳)压下区间；

压下区间的选区起始点固相率f_s≥0.3，压下区间的选区结束位置处于凝固终点前f_s＝0.95，同时压下区间应覆盖液相速度较快的地方。

4)由热/力耦合模型计算铸坯表面与液芯在压下过程中的变形情况，获得压下效率η，在压下区间内计算该钢种所需液芯压下量以及表面压下量；

当超过压下区间达到凝固区域内时，不再计算压下效率η，压下量由现场压下设备能力所限制，将表面压下量记为方案A。

5)方案A应同时满足以下条件：

a)符合现场生产要求、设备要求，不得超过设备能力，可预留设计余量；

b)利用多相凝固耦合模型计算预测偏析改善时所需的最小压下量(记为方案B)，并与方案A比较，若方案A在方案B以内，则方案A符合，继续进行下一步判断，不符合则返回步骤4)重新设计表面压下量；

c)将方案A中各辊计算所需最大压坯力与现场设备压坯力进行比较，若符合则继续进行下一步判断，若不符合则返回步骤4)重新设计表面压下量；

d)将方案A中与所造成裂纹风险性进行比较，若无风险则符合，若有风险则对步骤c)中表面压下量重新设计或顺后延申；

e)步骤a)至步骤d)应同时满足，且保证不同拉速下表面压下量一致。

步骤b)中，偏析改善以碳元素为研究元素，改善的标准为宏观偏析小于等于1.08；和/或

步骤c)中，设计最大压坯力由热/力耦合模型计算，选择压下量最大时的压坯力作为对比；和/或

步骤d)中，顺后延申的条件为凝固终点距延后辊的距离不超过一个拉矫机位置。

6)压下量确定完成。

实施例

以某型号齿轮钢大方坯为例，该钢种各成分含量为C：0.18～0.22wt％，Si：0.2～0.3wt％，Mn：1.25～1.35wt％，P：0～0.15wt％，S：0.01～0.02wt％。浇铸过热度为30℃，拉速0.65～0.70m/min，断面尺寸为320×425mm，二冷水量采用其常用水量。其余工艺不变，确定能够改善该钢种内部质量的压下量，步骤如下：

1)以现场工艺为基础建立该钢种凝固传热模型，获得该钢种凝固终点位置、中心固相率、表面温度等参数；

2)结合图2所示为铸坯凝固传热模型计算温度与现场温度测试结果图，计算结果与现场实测温度相差在范围内，表明计算结果的准确性；

3)以步骤2)中凝固传热模型为基础获得凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，使用该形貌建立铸坯几何模型并导入进多相凝固耦合计算模型，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，进而在相耦合方法下求解质量、动量、能量、溶质传输方程得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为。求得偏析改善的最小压下量以及最佳压下区间，结合图3所示选取压下区间，压下区间的选择如灰色框表示；

4)计算液芯压下量(见下表1)，利用压下模型计算压下效率，压下效率(见下表2)，表面压下量(见下表3)；

表1不同拉速下液芯压下量分配

表2压下效率分布

表3表面压下量分配(方案A)

5)方案A应同时满足以下条件：

a)符合现场生产要求、设备要求。由现场试验条件限制，不能对压下量进一步精确控制需将压下量控制为整数，并且限定压下量小于等于5mm；

对比方案A，可发现方案A中有大于5mm的地方且不为整数，重新返回步骤4)，得到新的方案A，将其超过部分全部重新设计为5mm，则新的方案A如下表4所示；

表4表面压下量分配(方案A)

b)利用多相凝固耦合模型计算预测偏析改善(碳偏析度≤1.08)所需压下量的最低值；

结合图4所示，当总压下量为10mm时，多相凝固耦合模型中计算宏观偏析有所改善，即应将新设计的方案A的总压下量控制在10mm以内，为防止压下量过大达不到现场工艺生产要求，新设计的压下量方案须有余量，新设计的方案A如下表5所示；

表5表面压下量分配(方案A)

通过宏观偏析改善计算所需的10mm压下量，最终才将总压下量设计为10mm。同时，若没有该计算，是不能知道总压下量的值，将会导致不同拉速下压下量不一致的问题，如表4中总压下量。这对于控制连铸过程中压下量是不利的，同时会造成压下后铸坯断面不一致的问题，因此需要通过宏观偏析溶质传输计算模型计算出一个总压下量。压下过程中宏观偏析改善对设计压下量具有重要作用；

c)将方案A中各辊计算所需压坯力最大压坯力与现场设备压坯力进行比较；

拉速0.65m/min凝固末端压下5mm，需压坯力140.3ton，小于现场设备最大压坯力200ton，即在凝固末端前压下量小于等于5mm时设备均满足要求。

d)将方案A中各辊最大压下量裂纹风险性；

由图4可知，在压下量在3#辊进行压下1mm时有产生裂纹的风险，因此3#辊压下量应小于1mm，但设备压下量只能为整数，因此3#辊不进行压下，所设计压下区间顺后延申，同时保证不同拉速下压下量一致，最终压下量设计方案如下表6所示；

表6表面压下量分配(方案A)

6)压下量方案设计完成；

结合图6和图7所示，经过压下后的铸坯内部质量较好，中心疏松与偏析有了较为明显的改善，纵断面铸坯无明显的V型偏析，表明设计压下量效果良好，压下区间设计准确，通过本发明压下工艺确定方法控制连铸大方坯齿轮钢中心偏析的有效途径，解决铸坯内部裂纹、中心偏析和中心疏松的可靠手段。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）收集现场技术参数、钢种参数，建立铸坯凝固传热模型，所述现场技术参数、钢种参数包括现场常用拉速范围、过热度范围、连铸机参数、电磁搅拌参数、设备压下能力、结晶器长度、二冷水量、钢种成分；所述铸坯凝固传热模型计算铸坯的凝固终点位置、中心固相率、表面温度；

2）对现场温度进行测温，并对所述铸坯凝固传热模型进行验证，使现场温度与所述铸坯凝固传热模型之间的温差不超过设定值；

3）计算凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为，通过所述溶质传输行为的变化得到压下量和压下区间，所得所述压下区间与所述铸坯凝固传热模型计算结果进行相比，确定最终压下区间；

4）计算该钢种的表面压下量；

5）判断所述表面压下量是否满足条件，若满足则进入步骤6），若不满足则返回步骤4）；

6）压下量确定完成，

所述步骤3）进一步包括：

利用热/力耦合模型计算所述凝固末端机械压下后的铸坯坯壳形貌，使用该铸坯坯壳形貌建立铸坯几何模型，并导入进多相凝固耦合计算模型，对铸坯断面施加凝固末端机械压下后的速度分布，进而在相耦合方法下求解质量、动量、能量、溶质传输方程得到铸坯凝固末端位置处的溶质传输行为；

对比不同凝固末端机械压下工艺，通过所述溶质传输行为的变化得到压下量与压下区间，通过所述铸坯凝固传热模型所得的所述固相率确定所述最终压下区间；

所述步骤4）进一步包括：

由所述热/力耦合模型计算铸坯表面与液芯在压下过程中的变形情况，获得压下效率，在所述压下区间内计算该钢种所需液芯压下量以及表面压下量；

当超过所述压下区间达到凝固区域内时，不再计算所述压下效率，压下量由现场压下设备能力所限制，

所述步骤5）中，判断条件如下：

a）符合现场生产要求、设备要求，不得超过设备能力；

b）利用多相凝固耦合模型计算预测偏析改善时所需的最小压下量，并与所述表面压下量比较，若所述表面压下量在所述最小压下量以内，则所述表面压下量符合，继续进行下一步判断，不符合则返回步骤4）重新设计所述表面压下量；

c）将所述表面压下量中各辊计算所需最大压坯力与现场设备压坯力进行比较，若符合则继续进行下一步判断，若不符合则返回步骤4）重新设计所述表面压下量；

d）将所述表面压下量中与所造成裂纹风险性进行比较，若无风险则符合，若有风险则对步骤c）中所述表面压下量重新设计或顺后延申；

e）步骤a）至步骤d）应同时满足，且保证不同拉速下所述表面压下量一致，

所述步骤b）中，偏析改善以碳元素为研究元素，改善的标准为宏观偏析小于等于1.08；和/或

所述步骤c）中，设计最大压坯力由热/力耦合模型计算，选择压下量最大时的压坯力作为对比；和/或

所述步骤d）中，顺后延申的条件为凝固终点距延后辊的距离不超过一个拉矫机位置。

2.根据权利要求1所述的改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，其特征在于：步骤2)中的所述设定值为50℃。

3.根据权利要求2所述的改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，其特征在于，所述现场温度的测温位置为：

出二冷区以及各个拉矫机之间一半以上的位置，并根据现场测温条件检测铸坯的宽面与窄面的温度。

4.根据权利要求1所述的改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法，其特征在于：所述压下区间的选区起始点固相率f _s≥0.3，所述压下区间的选区结束位置处于凝固终点前f _s=0.95。

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