圓坯連鑄二冷制度研究

張書巖，劉曉勇

(中鋼設備有限公司，北京 100080)

摘要：根據(jù)R10.5 m弧形圓坯連鑄機的現(xiàn)場實際情況，建立了圓坯凝固數(shù)學模型。用現(xiàn)場鑄坯表面溫度的測量數(shù)據(jù)，修正了模型中的傳熱系數(shù)，使模型計算更加準確。在此基礎上，成功地開發(fā)了Φ400 mm圓坯連鑄的二冷工藝制度并應用于實際生產(chǎn)。生產(chǎn)的鋼種有20#、34Mn5V、26CrMo4等，其鑄坯內(nèi)部質(zhì)量全部合格。

關鍵詞：圓坯；凝固模型；二冷制度

中圖分類號：TH164; TQ920.5文獻標識碼：A

收稿日期：2015-06-17；修訂日期：2015-08-02

作者簡介：張書巖(1981 - )，男，碩士，中鋼設備有限公司工程師。

Study on secondary cooling system for round bloom CC

ZHANG Shu-yan，LIU Xiao-yong

(Sinosteel Equipment & Engineering Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Abstract：In this paper, according to actual situation of round billet caster (R10.5), the solidification mathematical model is built. By measuring surface temperature of strand on the site, the heat transfer coefficient of model is modified, which makes the model calculating result more accurate. On this basis, the secondary cooling system of 400mm round billet caster is successfully developed and applied to actual production. The production of steel 20#, 34Mn5V, 26CrMo4 etc.， the internal quality of round billet is qualified.

Keywords：round billet; solidification model; secondary cooling system

0前言

圓坯連鑄機的弧形半徑為R10.5 m，冶金長度為31.5 m。澆鑄圓坯的最大直徑為350 mm[1]。為了適應市場的需求，擬在鑄機上生產(chǎn)Φ400 mm的圓坯。原有的二冷配水制度沒有Φ400 mm的冷卻水表。為此，本文將建立圓坯連鑄機的凝固模型，然后制定鑄坯表面的目標溫度并通過現(xiàn)場測定的溫度數(shù)據(jù)對模型進行修正，最后利用開發(fā)的凝固模型制定Φ400 mm圓坯連鑄的二冷配水制度。

1圓坯連鑄凝固模型

根據(jù)圓坯連鑄機特點，對圓坯面中心縱向截面(如圖1所示)進行一些簡化處理[2-5]，建立描述圓坯凝固傳熱的數(shù)學模型，然后進行溫度場計算和凝固分析。

圖1　計算區(qū)域 Fig.1　Computational region

描述圓坯凝固傳熱的微分方程

(1)

式中，T為溫度，℃；ρ為密度，kg/m3；cp為熱容，kJ/(kg·℃)；keff為有效導熱系數(shù)，W/m；s0為源項。

對時間項采用隱式積分，則可得如下離散方程[6]

(Ap-SU)Tp=AWTW+AETE+SC

(2)

對于離散方程式中的源項

SC=DPTPOLD，SU=-DP,DP=ρCpVP/δt

(1) 初始條件。t=0時，結(jié)晶器中鋼水溫度等于澆鑄溫度，即

T(x, 0)=TC

(3)

(2) 邊界條件[7]。

圓坯結(jié)晶器：

(4)

圓坯二冷區(qū)：

σε[(T+298)4-(Text+298)4]

(5)

鑄坯中心：

(6)

2圓坯二次冷卻水量的制定

二次冷卻水量是根據(jù)鑄坯目標表面溫度來設定的，而目標表面溫度則由澆鑄工藝、鋼種特性等參數(shù)確定。其最終目的是獲得表面質(zhì)量好、無缺陷的鑄坯。

2.1圓坯目標表面溫度

鑄坯目標表面溫度的確定應綜合考慮多方面因素[8-10]：(1)符合鑄坯凝固傳熱規(guī)律，不能出現(xiàn)過大的溫降或回溫；(2)避開鋼的低溫脆性區(qū)。

根據(jù)典型鋼種(20#、26CrMo4、34Mn5V)的高溫熱塑性能，將其分成三類，然后確定澆鑄Φ400mm圓坯的目標表面溫度見表1。

表1　鑄坯目標表面溫度分布

2.2凝固模型的驗證

在計算鑄坯沿鑄機長度方向溫度分布及坯殼厚度時，二冷段各冷卻區(qū)的平均換熱系數(shù)選取按如下關系式[11]：

Ⅰ區(qū)內(nèi)弧：h=0.3496×W0.2898

(7)

Ⅱ區(qū)內(nèi)?。篽=0.2951×W0.3912

(8)

Ⅲ區(qū)內(nèi)弧：h=0.2301×W0.4675

(9)

Ⅳ區(qū)內(nèi)?。篽=0.1817×W0.4675

(10)

式中，h為各冷卻區(qū)的平均換熱系數(shù)，kW/m2·℃；W為各冷卻區(qū)單位面積的噴水量，L/m2·s。

圖2和圖3分別為Φ310 mm和Φ400 mm圓坯溫度分布曲線，實際生產(chǎn)中鑄坯表面溫度的實測值也在圖中標出。結(jié)果表明，本文所建立的模型是合理的，可以準確地計算出鑄坯的溫度分布。

圖2　圓坯直徑Φ310 mm、鋼種20#的 模型計算值與測量值比較 Fig.2　Comparison between calculation and measurement value (Round billet diameter 310mm, steel 20#)

圖3　圓坯直徑Φ400mm、鋼種34Mn5V的 模型計算值與測量值比較 Fig.3　Comparison between calculation and measurement value (Round billet diameter 400mm, steel 34Mn5V)

2.3二次冷卻水量的制定

依據(jù)鑄坯的目標表面溫度、噴嘴的實際噴水能力以及鑄機工藝參數(shù)，來確定二次冷卻水量。利用二分法思想[12, 13]，在計算程序中專門編制了目標水量反算子程序。目標水量反算子程序計算的結(jié)果如圖4～7所示，圖中澆鑄條件為20#鋼、過熱度為30 ℃。由于是在原有的冷卻條件下增加澆鑄斷面，當拉速低于安全水量(噴嘴的最小水流量)所設定的最小拉速時，各區(qū)水量為安全水量、不隨拉速變化。當高于最小拉速時，各區(qū)的水量與拉速呈線性或二次曲線關系，并隨拉速增大而增加。圖6和圖7的曲線一致的原因是，III區(qū)、IV區(qū)使用的噴嘴是同一型號的噴嘴。

圖4　鑄坯二冷I區(qū)水量與拉速的關系 Fig.4　Relationship between water quantity and speed on secondary cooling I zone

圖5　鑄坯二冷II區(qū)水量與拉速的關系 Fig.5　Relationship between water quantity and speed on secondary cooling II zone

圖6　鑄坯二冷III區(qū)水量與拉速的關系 Fig.6　Relationship between water quantity and speed on secondary cooling III zone

圖7　鑄坯二冷IV區(qū)水量與拉速的關系 Fig.7　Relationship between water quantity and speed on secondary cooling IV zone

2.4計算實例

圖8～11為20#鋼鑄坯溫度和凝固坯殼厚度分布圖：圖8和圖9的澆鑄條件為拉速在0.4 m/min、澆鑄溫度在1 540 ℃，圖10和圖11為拉速在0.5 m/min、澆鑄溫度在1 540 ℃。結(jié)果表明計算的表面溫度曲線基本與目標溫度吻合。而圖8中III區(qū)、IV區(qū)末端溫度偏低的原因是由于水量大造成的，但這不影響現(xiàn)場生產(chǎn)。

圖8　鑄坯表面和中心溫度分布曲線圖 (V c=0.4 m/min) Fig.8　Temperature distribution chart of billet surface and center

圖9　鑄坯液相線和坯殼厚度曲線圖 (V c=0.4 m/min) Fig.9　Billet liquidus and the billet shell thickness curve

圖10　鑄坯表面和中心溫度分布曲線圖 (V c=0.5 m/min) Fig.10　Temperature distribution chart of billet surface and center

圖11　鑄坯液相線和坯殼厚度曲線圖 (Vc=0.5m/min) Fig.11　The billet shell thickness and liquidus curve

3應用效果

20#圓坯4支Φ400 mm鑄坯分別進行酸浸低倍分析，評級結(jié)果見表2。結(jié)果表明，芯部裂紋最高為1.5級、中部最高為0.5級、其余均為0級，符合標準要求。由于本次澆注Φ400 mm鑄坯結(jié)晶器冷卻強度偏大以及沒有使用結(jié)晶器電磁攪拌，因此內(nèi)弧柱狀晶已達中心。鑄坯酸浸低倍組織，柱狀晶評為5級(一般為3級)；等軸晶率：本次試驗(未使用結(jié)晶器電磁攪拌)為21.3%，而正常情況(使用結(jié)晶器電磁攪拌)為45%～50%。

表2　 Φ400 mm圓坯低倍酸浸檢驗結(jié)果

4結(jié)論

(1)根據(jù)圓坯鑄機建立凝固模型，通過二冷區(qū)鑄坯表面溫度測定的數(shù)據(jù)修正后，可為圓坯連鑄二次冷卻水量的制定提供可靠依據(jù)。

(2)用上述凝固模型制定的Φ400 mm圓坯二次冷卻水量表，成功澆鑄出20#、34Mn5V、26CrMo4等鋼種且內(nèi)部質(zhì)量合格的鑄坯。

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