史庭堅(jiān)，吳 婕

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

高壓氣瓶作為一種氣體儲(chǔ)存容器，廣泛用于工業(yè)、礦業(yè)、建筑、交通、海洋、航空、醫(yī)療、軍事等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)[1]。37Mn作為高壓氣瓶鋼中使用最為廣泛的鋼種，由于其易于生產(chǎn)和加工，深受氣瓶生產(chǎn)廠家的歡迎。天鋼氣瓶鋼37Mn生產(chǎn)直徑主要為Φ200 mm和Φ210 mm兩種規(guī)格，其工藝路線為：高爐→轉(zhuǎn)爐→ LF→VD→連鑄→冷床→堆冷→檢驗(yàn)。37 Mn氣瓶鋼在連鑄坯切割后，多放置于空氣中自然冷卻。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)定，其冷卻速度約為20℃/h，下線溫度約為680℃，在這種較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度下冷卻至室溫，很容易導(dǎo)致鑄坯氫得不到充分釋放，發(fā)生鑄坯彎曲和端頭開(kāi)裂等影響質(zhì)量的情況。為保證生產(chǎn)的37 Mn氣瓶鋼表面和內(nèi)部質(zhì)量良好，天鋼進(jìn)行了鑄坯堆冷工藝模型研究。通過(guò)建立堆冷模型，探究降低鑄坯冷卻速度、促進(jìn)鋼中氫的釋放，使鋼中組織能夠充分進(jìn)行相變轉(zhuǎn)換，避免內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致鑄坯彎曲、開(kāi)裂的有效工藝參數(shù)。

1 鑄坯堆冷模型的建立

由于圓坯容易滾動(dòng)的特性，堆冷時(shí)必須放在限位架內(nèi)，由于限位架橫向尺寸的限制，對(duì)于直徑210 mm的圓坯來(lái)說(shuō)，一層最多可放置9根；向上一層需要保證圓坯之間的空隙盡可能的小，而且不會(huì)滾動(dòng)，則需放置8根；再向上一層又可以放置9根；依次的每層9根和8根交錯(cuò)堆放，如圖1所示。

圖1 堆冷示意圖

每層的高度約為：

因此，考慮限位架高度的限制，最高堆垛層數(shù)約為10層。

1.1 基本假設(shè)

模型計(jì)算中，以一個(gè)堆垛圓坯長(zhǎng)度方向的1/2處所有鑄坯斷面作為計(jì)算區(qū)域建立基本模型[2]。為了簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）忽略長(zhǎng)度方向的傳熱，簡(jiǎn)化為二維傳熱問(wèn)題。

（2）忽略圓坯之間、圓坯與地面的空隙傳熱熱阻。

（3）不考慮圓坯密度隨溫度的變化，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)是溫度的函數(shù)。

（4）從上到下，每層依次用大寫(xiě)數(shù)字編號(hào)1，2，3，……。

1.2 控制方程

列出控制方程：

鑄坯：

地面：

式中，T 為溫度，K；t為時(shí)間，s；ρ為密度，g·cm-3；Cp為比熱容，J·（g·K）-1；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，J·（cm·s·K）-1。

1.3 邊界條件

邊界條件方程為：

堆垛上表面[3]：

側(cè)面：

堆垛下表面：

式中，σ 為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，W·(m2·K4）-1；ε 為表面黑度系數(shù)；h 為對(duì)流換熱系數(shù)，W·(m2·K）-1；T∞為地面初始溫度，K。

2 模型參數(shù)的確定

2.1 堆冷層數(shù)的確定

為了評(píng)估堆冷效果并確定適合堆冷的最低、最高層數(shù)，需分別計(jì)算各層中間部分的圓坯溫度，假設(shè)所有圓坯堆冷開(kāi)始時(shí)溫度均為680℃（953 K），室內(nèi)空氣和地面溫度25℃（298 K），為了減少計(jì)算量，只計(jì)算第12 h和24 h結(jié)束時(shí)的溫度，并計(jì)算出24 h內(nèi)的平均冷卻速度。

由于現(xiàn)場(chǎng)堆冷中，最上層為雙數(shù)層圓坯，會(huì)導(dǎo)致最左、右側(cè)的圓坯不與兩側(cè)限位架接觸，有滾動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，且由于限位架高度的限制，最高堆垛層數(shù)不能大于10層，所以最大測(cè)定層數(shù)只能為9層，即選定的堆冷層數(shù)可為1、3、5、7、9層。不同堆垛層數(shù)下各層溫度變化與冷卻速度計(jì)算值如表1所示。

由表1可以看出：

（1）由于鑄坯頂部的堆垛層與空氣對(duì)流相對(duì)較強(qiáng)，因此上層冷卻速率較高。

式中，Tc為半無(wú)限厚地層的解，可用下式計(jì)算：

表1 不同堆垛層數(shù)時(shí)各層堆冷溫度和24h內(nèi)冷卻速度

（2）隨著堆垛層數(shù)的增加，冷卻速度逐漸降低，且各層溫度梯度趨于平緩，鑄坯整體緩冷效果明顯。

（3）堆冷24 h，堆垛9層時(shí)，鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08~12.71℃/h。

（4）堆垛3層時(shí)，第1層與第2層的溫度相差了111℃，冷卻速度較第2層大約40%；堆垛5層時(shí)，第1層與第2層的溫度相差67℃，冷卻速度較第2層高約23%，與堆垛3層相比，各參數(shù)都大幅度下降。

綜上，在考慮限位架的高度限制前提下，最大堆垛層數(shù)選擇9層，此時(shí)鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08~12.71℃/h，鑄坯整體緩冷效果良好。由于過(guò)大的溫度梯度易使氫得不到充分釋放，因此堆垛層數(shù)不應(yīng)小于5層。

2.2 堆冷時(shí)間的確定

選定堆垛層數(shù)為9層后，運(yùn)用模型計(jì)算其堆垛溫度和時(shí)間的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選取第1、2、5、8、9層，計(jì)算24 h內(nèi)每小時(shí)結(jié)束時(shí)的溫度，繪成溫度-時(shí)間曲線圖，如圖2所示。

圖2 理論計(jì)算堆冷24 h內(nèi)溫度-時(shí)間曲線圖

堆垛開(kāi)始時(shí)，每層每根圓坯的溫度分布可認(rèn)為是相同的。一段時(shí)間后，堆垛頂部和側(cè)面溫度開(kāi)始下降，但是中部和底層的溫度并沒(méi)有顯著變化，而是在熱傳導(dǎo)作用下溫度趨同。根據(jù)模型計(jì)算可知，隨著時(shí)間推移，最頂層的冷卻速度最快，中部和底部冷卻速度較慢且速率較為接近，整個(gè)高溫區(qū)域逐漸向下移動(dòng)。由圖2大體可看出，第1、2層由于上方直接向空氣散熱，其散熱速度最快，但由于第1層的保溫作用，第2層散熱速度慢于第1層；而中間的第5層與底部的第8、9層，散熱速度相對(duì)較慢，而且5、8、9這3層的散熱速度相差不大。但由于第9層貼近地面，其散熱速度在第10h后逐漸快于第5、8層。

為了對(duì)比模型計(jì)算和實(shí)際的差別，測(cè)量了一個(gè)堆垛中圓坯的溫度分布。測(cè)量時(shí)間分別選取堆冷開(kāi)始、堆冷24 h兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，測(cè)量位置為各層圓坯最中間一根、長(zhǎng)度方向1/2處的上表面溫度，如中間為2根圓坯空隙，則分別測(cè)量其左右兩根的溫度并取平均值，對(duì)比堆冷24 h后的模型溫度計(jì)算值與溫度實(shí)測(cè)值，其結(jié)果如表2所示。

表2 堆冷24 h后模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

由2表可以看出，堆冷24 h實(shí)際的冷卻速度與模型計(jì)算值變化趨勢(shì)一致，但略快于模型計(jì)算的速度，相差最大值16℃，最小值4℃，相對(duì)誤差僅為4%,完全在范圍之內(nèi)，且24 h之后，除了第1層之外，各層溫度相差均不大，冷卻速度也大大降低?？梢?jiàn)，要保證鑄坯緩冷，堆冷時(shí)間應(yīng)不小于24 h。

研究表明，堆冷時(shí)間在一定范圍內(nèi)時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，鑄坯中的氫含量就越低，但當(dāng)達(dá)到一定的上限時(shí)，變化不會(huì)太大，且此時(shí)的圓坯質(zhì)量也并未明顯改善，此時(shí)，需要綜合考慮管理成本和生產(chǎn)效率因素[4]。

分別挑選5根堆冷24 h、堆冷48 h的圓坯進(jìn)行觀察并測(cè)定氫的含量，以觀察堆冷效果。作為對(duì)比，選取了5根沒(méi)有堆冷的圓坯進(jìn)行對(duì)比，質(zhì)量情況結(jié)果如表3所示，氫含量如表4所示。

表3 圓坯彎曲和裂紋情況

表4 圓坯氫含量 wt/×10-6

由表3、表4可知，未堆冷的圓坯均有彎曲和端頭裂紋情況發(fā)生，而經(jīng)過(guò)堆冷的圓坯則無(wú)此現(xiàn)象。對(duì)比氫含量，未堆冷的氫含量比堆冷過(guò)的高，但堆冷24 h和48 h的氫含量差別不大。

綜合以上分析，可確定最佳堆冷時(shí)間為24 h。

3 結(jié)論

天鋼開(kāi)發(fā)并成功運(yùn)用了適合37Mn氣瓶鋼生產(chǎn)實(shí)際的圓坯堆冷工藝模型，實(shí)踐表明，堆垛層數(shù)適宜范圍為5~9層，且為單數(shù)，最佳堆垛層數(shù)為9層。堆冷24h鑄坯各層溫度相差不大，鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08～12.71℃/h，緩冷效果良好，能夠有效減少圓坯彎曲和斷頭裂紋的發(fā)生，且有利于降低鑄坯氫含量，減少氫致缺陷的產(chǎn)生。