7-7连铸板坯凝固过程的研究

连铸板坯凝固过程的研究TheResearchontheSolidificationProcessingofContinuousCastingBlank田陆詹志伟江兵杨建桃王战峰刘青松Tianluzhanzhiweijiangbinyangjiantaowangzhanfengliuqingsong（镭目公司北京研究所,北京，100080）(Beijingresearchinstituteoframon，beijing，100080)摘要：本文总结了近年来对连铸凝固过程的研究，分析了在连铸凝固过程形成的中心宏观偏析、疏松缩孔和裂纹的状况，依据连铸坯的凝固过程，建立了连铸板坯凝固过程传热模型。本研究为连铸工艺的改进提供了一定的理论参考。Abstract：ItsummarizedtheresearchoftheSolidificationProcessingofContinuousCastingBlank,andanalyzedthecentralmacro-segregation,porosityandcrackincontinuouscastingblank.BasedontheSolidificationProcessingofContinuousCastingBlank，amathematicalmodelofthermaltransmissionmodelforContinuousCastingSolidificationhasbeenestablished．ThisworkcangivetheoreticalreferenceforthedesignoftechnologicofContinuousCasting.关键词：连铸凝固模型数值模拟传热Keywords:ContinuouscastingSolidificationmodelMathematicalSimulationHeattransfer一前言钢铁连铸是衔接炼钢与轧钢之间的重要工序。连铸比体现了一个国家的工业化水平，连铸的发展关系到整个国家的发展。而连铸设备和工艺技术的进步与连铸坯凝固过程的控制是紧密相关的，所以对连铸坯凝固过程的研究与控制是很有意义而且极其重要的。与模铸相比，连铸过程有以下特点(1)：(1)连铸坯凝固实质上是动态传热过程，分为结晶器冷却区、二次冷却区和空冷区；(2)连铸坯凝固实质上是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程。连铸坯运行过程中坯壳所承的外力作用(如热应力、钢水静压力、弯曲矫直力等)，对铸坯裂纹的形成有决定性影响；(3)连铸坯是在分阶段凝固过程中形成的，即结晶器形成初生坯壳，二冷区接受喷水冷却坯壳稳定生长，液相穴末端凝固结束。因此，为分区域采用不同的技术控制铸坯质量提供了条件；(4)已凝固坯壳在连铸机运行过程中接受喷水冷却，同时液芯热量又传给坯壳，因此可把凝固坯壳看成经历“形变热处理”的过程，因此相变和质点在晶界的析出对铸坯裂纹有重要影响。二连铸坯凝固过程分析1，连铸凝固过程介绍连铸过程是包含流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过程，流动、传质、传热过程相互作用，相互影响。连铸过程是一个钢水连续填充、连续凝固的过程。在这个过程中，钢从液态转变为固态，并伴随着热量的传输。连铸过程中，在铸机中运行的铸坯要经历三个冷却区：(1)结晶器：钢水在结晶器中冷却时，钢水传给结晶器铜板的热量被高速流动的冷却水带走，并形成足够厚度的坯壳。坯壳厚度以不发生漏钢，且出结晶器后足以抵抗钢水静压力的作用为原则。(2)二次冷却区：从结晶器拉出来的铸坯只是一个薄的外壳，其中心仍为高温液体，在二冷区对铸坯表面施加喷水或气雾冷却，使铸坯继续散热、凝固。(3)空冷区：出二冷区以后，铸坯在空气中冷却，热量主要以辐射方式散失，铸坯内外温度很快趋于均匀，随后逐渐降低。在这三个区间，钢坯所放出的热量包括三部分：(1)过热：钢水从浇注温度冷却到液相线温度所放出的热量。(2)潜热：钢从液相转变为固相这一相变过程中放出的热量。(3)显热：钢凝固后在进一步的冷却过程中所放出的热量。在传热学中，把热量的传输方式分成三种，即传导、对流和辐射。在铸坯的凝固和冷却过程中，这三种热量传输方式都存在：(1)传导：由温度梯度引起，热量由温度高的地方传递到温度低的地方。连铸过程坯壳中的热量传递、坯壳表面与导辊之间的热量传递，以及液芯中由于温度分布不均匀而引起的热量传输都属于热传导。(2)对流：由流体流动引起的热量传输。连铸过程中，结晶器中钢液流动引起的热量传输、二冷水与铸坯表面的换热等都属于对流传热。(3)辐射：一种非接触式的传热方式，能量以电磁波的形式传递。连铸过程中铸坯表面一直存在着向周围环境的辐射传热。2，连铸坯的质量分析连铸坯最终质量在很大程度上取决于连铸坯的凝固过程控制和铸机的冷却系统。在连铸机中，铸坯的凝固过程就是通过水冷结晶器、二次冷却区和空冷区，把钢液的过热、显热和潜热经坯壳传给外界，使钢液在连续运动中凝固为固态铸坯的过程。在连铸坯的凝固过程中，中心偏析和疏松通常相伴而生，同时也会有裂纹产生。(1)中心偏析的形成中心偏析的形成，是由其凝固特点所决定的，即钢液是一个多组分体系，钢液是存在一个凝固温度区间，即高熔点组部分先凝固，低熔点组部分后凝固。根据凝固理论，先凝固部分杂质较少，后凝固钢液则含有较多的杂质元素，这就是所谓的选择凝固。另外，还有冶金因素和机械因素两方面原因。所谓冶金因素是指在连铸坯的凝固条件下，由于铸坯发达的柱状晶所引起的，可用“小钢锭凝固模式”来说明。连铸坯中心偏析的形成，大体可分为四个阶段：首先是柱状晶的生长；其次是由于工艺因素的影响，柱状晶的生长变得很不稳定，有的生长得快，有的生长得慢；然后在这种情况下，优先生长的柱状晶在铸坯中心相遇，形成了所谓的“晶桥”；最后，“晶桥”形成后上部钢水受阻不能对下部钢水的凝固收缩进行及时的补充，因而在“晶桥”下边钢水按一般钢锭凝固的模式凝固。其结果形成了上部有缩孔疏松和正偏析带，而下部有V形偏析或负偏析带，这就是连铸坯的中心偏析。由于“晶桥”的形成是在连铸坯凝固过程中断续出现的，所以“小钢锭”的凝固也是断续出现的。所谓机械因素是指在板坯（或大方坯）连铸时，有时柱状晶并未发展到铸坯的中心，即并无“晶桥”的形成，但仍然发生了中心偏析。这是由于铸坯凝固末端中心收缩或“鼓肚”的机械因素造成的，铸坯中心产生了相当于负压的抽力作用，使糊状区枝晶间富集溶质元素的剩余液相流到铸坯的中心区域而形成中心偏析。（2）中心疏松的形成中心疏松是在铸坯厚度中心凝固末端的枝晶间产生的微小空隙。中心偏析和疏松通常相伴而生。钢的化学成分对其高温机械性能、导热系数和铸坯组织结构均有影响。在连铸坯纵向中心线上，经常会有一些小孔隙，称为中心疏松。中心部位的疏松进一步发展就成为中心缩孔。中心疏松也是“小钢锭凝固模式”的产物，因而它和中心偏析的形成机理大致相同。中心偏析伴随着中心疏松。根据摩利(Mori)等人对方坯的研究(2)，发现铸坯柱状晶长度、中心疏松的形状以及中心偏析的程度，三者之间有严格的对应关系。当铸坯柱状晶不明显时，其中心部位的疏松较分散，中心偏析较轻微；当铸坯中有一定数量的柱状晶时，其中心部位出现微小的缩孔，中心偏析也加剧；当铸坯中柱状晶非常发达时，其中心部位的疏松可发展成为中心缩孔，而且中心偏析十分严重。通过锻压或轧制，轻微的疏松和缩孔可以焊合。然而严重的疏松和缩孔即使是大的压缩比也难以焊合。优质钢或合金钢之所以在成材时需要大的压缩比主要原因是上述缺陷的存在。（3）裂纹的形成连铸坯的内部裂纹是指铸坯表面以下直至铸坯中心的各种裂纹。包括中间裂纹、对角线裂纹、矫直弯曲裂纹、中心裂纹以及角部裂纹。通常认为内裂纹是在凝固前沿发生的，其前端和凝固界面相连，所以内裂纹也可称为凝固界面裂纹。不论内裂纹的类型如何，其形成过程大都经过三个阶段：(a)拉伸力作用到凝固界面；(b)造成柱状晶的晶间开裂；(c)偏析元素富集的钢液填充到开裂的空隙中。因此内部裂纹大多伴有偏析的存在，因而也有人把内部裂纹称为偏析裂纹。内裂纹发生的一般原因，是在冷却、弯曲和矫直过程中，铸坯的内部变形率超过该钢种允许的变形率。铸坯的内部变形率包括以下一些内容：1)铸坯在夹辊之间鼓肚所产生的内部变形率；2)带液芯铸坯在矫直时产生的变形率；3)辊子对弧不准所造成铸坯内部的附加变形率；4)拉坯力及热应力造成的附加变形率；5)辊子弯曲造成的铸坯附加变形率。内裂纹主要有以下几种形式(3)：1)中间裂纹中间裂纹多发生在方坯厚度的四分之一处，并垂直于铸坯表面。这种裂纹发生的原因，主要是由于在二冷下段，铸坯表面温度回升所形成的。当铸坯经过喷水段的强烈冷却进入辐射冷却区时，铸坯中心热量向外传递，使铸坯表面温度回升，坯壳受热膨胀，凝固前沿引起张力应变。当某一局部位置的张力应变超过该处的极限变形值时，就产生中间裂纹。因此应控制二冷区的冷却制度，使铸坯表面温度的回升不超过100℃/m。2)中心线裂纹这种裂纹出现在铸坯横断面的中心区，并靠近凝固末端，也有人称这种裂纹为断面裂纹。关于中心裂纹形成的原因，一般认为是由于凝固末期铸坯心部的收缩造成的。当铸坯即将完全凝固时，钢液中最后的那一部分潜热自中心散出，致使中心部位温度突然下降，此时中心线温降比铸坯表面温降快，因此出现中心线收缩，在中心线处有较高的张应力发生。当此张应力施加于铸坯的心部时，就产生了中心线裂纹。二冷条件的不当和铸坯的鼓肚都会加剧中心线的裂纹。3)对角线裂纹和角部裂纹对角线裂纹和角部裂纹一般都出现在方坯中，这种裂纹的形成与方坯的脱方有关。当铸坯四个面冷却不均时，冷面附近钢的收缩引起这两面间对角线上的张力应变。当应变值很大时便引起方坯的歪扭变形，在冷却较快的两个面形成锐角，而在两个钝角之间靠近凝固前沿的地方形成裂纹。这种裂纹叫做对角线裂纹。4)矫直与弯曲裂纹当连铸坯带有液芯进行弯曲或矫直时，或者铸坯已全部凝固，内部温度仍在固相线温度附近进行弯曲矫直时，由于此时铸坯液固界面（或铸坯心部）仍处于脆性温度范围内，即使受很小的拉应力，也会导致晶界的开裂。裂纹大多垂直于铸坯中心线。为了减少这种裂纹的发生，应使凝固前沿的张力应变小于铸坯内部的极限变形值。三连铸板坯凝固模型的建立模拟连铸坯温度场，是建立铸凝固传热模型的前提(5)。1，建模前的几点假设(6)-(8)(1)仅考虑板坯厚度方向的传热，忽略宽度和拉坯方向的传热；(2)液相的对流现象归为导热问题；(3)假设刚进入结晶器的钢液温度与浇注温度相同；(4)密度为常数，不随温度而变化；(5)比热和导热系数分别采取有效比热系数和有效导热系数；(6)由于铸坯的形状特点，仅分析二分之一厚度的温度分布；(7)连铸机内同一冷却区里水量分布均匀；(8)忽略辊子的接触传热和板坯的辐射热。2，控制方程的确定连铸坯凝固过程是一个不稳定导热过程，温度、时间和空间的关系可用傅立叶（Fourier）导热偏微分方程描述：qTDtDTCV（1）式中：——铸坯密度；VC——铸坯等容热容；DtDT——铸坯温度对传热时间的实体导数；——哈密顿算子；——铸坯导热系数；q——铸坯内热源强项；——钢液粘性耗散项。为了便于求解，将铸坯传热简化为固体的传热(9)，此时，粘性耗散项0；铸坯等压热容VPCC，式（1-1）可以简化为：qTDtDTCV（2）3，边界条件的确定(10)-(12)铸坯表面：qxTk(6)式中q为表面热流。铸坯中心：2/dxXT(7)式中z=d／2，是铸坯厚度的一半。4，初始条件的确定t=0时，T(z，0)=Tc式中Tc为浇注温度。5，计算实例以Q345B为例，在以下工艺参数下进行浇注：钢种成分C00893%,Mn1.3%,Si0.26%,S0.0097%,P0.0163%,Ni0.0117%,Cr0.022%,Ti0.0029%,V0.0147%,Al0.0046%,As0.0113%浇注温度1540℃铸坯断面尺寸250mm*2000mm拉速1．05m/min根