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基于Procast的大断面轴承钢圆坯连铸工艺优化研究韩庆礼1周守航1耿明山1张西鹏1刘艳1曹福顺2李澍2张玉亭2王正波2(1.中冶京诚工程技术有限公司，北京100176；2.中冶京诚(营口)装备技术有限公司，营口115004)1摘要近年来大量文献针对板坯和方坯连铸进行了各类模拟计算和分析，但是针对圆坯连铸凝固模拟的研究相对较少，对φ500mm以上超大断面圆坯特别是高碳轴承钢类鲜有技术性报道。本文基于Procast软件，通过中冶京诚(营口)装备技术有限公司和京诚技术研究院共同努力，利用数值模拟方法，对铸坯内疏松分布进行预测，实现了全弧形R14m圆坯连铸机生产工艺优化；实现了超大断面轴承钢质量上的重大突破，为超大断面高碳高合金钢高质量铸坯生产研发创出了一条新路。关键词大断面圆坯Procast软件GCr15SiMn轴承钢疏松缩孔StudyofProcessingParametersOptimizingforBearingSteellargeSectionRoundBilletContinuousCastingBaseonProcastHanQingli1ZhouShouhang1GengMingshan1ZhangXipeng1LiuYan1CaoFushun2LiShu2ZhangYuting2WangZhengbo2(1.CapitalEngineering&ResearchIncorporationLimited,Beijing,100176;2.CERIYingkouEquipmentDevelopmentandManufacturingCo.,Ltd.,Yingkou,115004)AbstractAseriesofnumericallysimulationforcontinuouscastslabandbilletwerecompletedinrecentyears,buttherewasveryfewsolidificationsimulationaboutRoundBillet,therewerealmostnothingtechnicalreportespeciallyforBearingSteellargeSection(aboveφ500mm)RoundBilletContinuousCasting.BytacklingkeyProblemjointlywithCERIYingkouEquipmentDevelopmentandManufacturingCo.,Ltd.andTechnicalResearchInstituteofCapitalEngineering&ResearchIncorporationLimited(CERI),theporosityandshrinkagecavitywasforecastedbasedonprocastsoftware.ThentheprocessingParametersforR14mRoundBilletContinuousCastingwasoptimizing,RoundBilletqualitygetasignificantbreakthroughon,whichprovidedanewresearchroadforhighqualityproductionofhigh-carbonandhigh-alloysteellargeSectionRoundBilletContinuousCasting.Keywordslargesectionroundbillet,procastsoftware,GCr15SiMnbearingsteel,porosityandshrinkagecavity1课题背景目前，国内外几大主要轴承钢厂，大多采用模铸工艺来生产大断面圆坯轴承用钢。由于市场竞争激烈，模铸工艺生产成本高的矛盾日益突出，用连铸工艺代替模铸工艺，在保证质量的前提下可大幅降低成本，是北京市科委重大科技计划项目（D09030303780000）。韩庆礼，男，博士，高级工程师，从事冶金工艺和技术研究，hanqingli@ceri.com.cn基于Procast的大断面轴承钢圆坯连铸工艺优化研究8-35今后生产大断面轴承钢圆坯的方向。但由于轴承钢固有的凝固特性，含碳量较高、其液固两相区较宽，采用连铸工艺，对于φ500mm以上的轴承钢铸坯很难避免中心疏松、缩孔等缺陷的产生，难以满足用户的需求。而随着CAE技术发展，利用数值模拟的方法优化生产工艺参数，对生产过程起到很重要作用。本文基于Procast软件，通过中冶京诚(营口)装备技术有限公司和京诚技术研究院共同努力，利用数值模拟方法，对铸坯内疏松分布进行预测，实现了全弧形R14m圆坯连铸机生产工艺优化；实现了超大断面轴承钢质量上的重大突破。2模拟铸机的基本参数中冶京诚（营口）装备技术有限公司的大圆坯铸机为京诚自主研发的国内第一台φ600mm大断面圆坯连铸机，4机4流，冶金长度38.79m，主要设计参数见表1。表1模拟铸机的基本参数项目技术参数连铸机机型全弧形连续矫直连铸机台数×流数1×4连铸机半径14m结晶器长度800mm流间距2000mm断面φ600、φ500、φ450、φ400、φ350mm定尺长度4000;5000～10000mm铸坯昀大重量21.5t冶金长度38.79m铸机速度范围0.1～1.0（拉坯）；Max.4（穿引锭）m/min切割方式在线火焰切割二冷布置6段水冷3物性参数及边界条件本次模拟三维模型根据铸机实际尺寸建立，利用AltairHyperWorks软件进行网格划分，芯部和表层进行了网格细分，网格数量为125×104。模拟钢种为GCr15SiMn轴承钢，化学成分取国标中限，材料的物性参数通过Procast软件自带的热力学数据库计算得到。国内外学者对结晶器和二冷区的凝固行为进行了大量的数值模拟[1～5]，但其选择的边界条件大多针对方坯、板坯和小断面圆坯，对于500圆的大断面圆坯的仿真情况还鲜有报道。为此，在借鉴以前学者仿真工作基础上，本次模拟过程边界条件根据能量平衡原理，由京诚公司自主开发软件计算所得，结晶器热流分布和二冷区对流换热系数计算软件界面图见图1和图2。图1大圆坯结晶器热流分布计算软件图2二冷水对流换热系数计算软件第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-364计算试验方案为了比较不同工艺参数对铸坯质量的影响，选择连铸过程拉速、浇温和冷却强度3个工艺参数进行模拟，并根据正交试验的原理安排模拟试验。表2为正交试验设计方案。整个模拟过程不考虑末端电磁搅拌对铸坯质量的影响。表2三因素四水平正交试验表因素水平拉速(m/min)过热度/℃冷却强度因子10.1515120.35251.230.45351.440.55451.8注：冷却强度因子：1表示超弱冷，1.2表示弱冷，1.4表示强冷，1.8表示超强冷。5仿真分析Procast软件自带的CALCOSOFT模块是专门用于连铸过程的仿真分析，可以计算出铸坯凝固末端液芯形态、分布，并可模拟铸坯内部疏松、缩孔分布形态。大多数模拟软件严格限定缩孔预测是由于金属液卷气或冒口昀终收缩引起的宏观缩孔，这种简化方法没有考虑气体与枝晶间收缩导致的微观缩孔。ProCAST软件的CALCOSOFT模块提供了基于物理现象的独特方法，处理微观缩孔模型，根据铸坯的传热结果，采用软件自带的APM算法直接计算出铸坯整个断面上的疏松、缩孔分布形态。图3和图4是在0.35m/min拉速、45℃过热度以及1.4冷却强度因子下模拟得到的铸坯温度分布和内部疏松缩孔分布情况。在研究过程中，我们通过对实际生产参数与仿真边界条件的反复校验修正，使铸坯模拟表面温度与实际生产测温结果得到良好拟合，图5是铸坯表面温度分布和实测值的对比图。图3连铸过程断面温度分布图图4连铸过程铸坯疏松分布图基于Procast的大断面轴承钢圆坯连铸工艺优化研究8-37图5铸坯表面温度的模拟值与测量值对比图表3是根据正交试验的排布方案，计算得到的不同试验参数下铸坯疏松分布情况，Procast软件计算的疏松分布是根据不同区域收缩的百分比来显示。表3中昀大疏松百分数表示整个铸坯断面上疏松分布昀严重地方的收缩值。表3不同试验方案下铸坯缺陷分布所在列123实验结果因素拉速m/min过热度/℃冷却强度因子昀大疏松/％实验10.15151.02.59实验20.15251.22.27实验30.15351.42.25实验40.15451.82.21实验50.35151.23.06实验60.35251.03.05实验70.35351.82.96实验80.35451.43.01实验90.45151.44.49实验100.45251.84.2实验110.45351.04.35实验120.45451.24.28实验130.55151.85.1实验140.55251.44.95实验150.55351.25.01实验160.55451.04.97计算得出各因素的方差比见表4。表4各因素方差分析结果因素偏差平方和自由度方差拉速2267.33632.943浇温22.54530.029冷却水21.58230.028第八届（2011）中国钢铁年会论文集8-38据表4结果得出，拉速、过热度、二冷水强度三个因素都对铸坯疏松产生影响，其中拉速对铸坯疏松影响昀大，过热度及冷却强度对铸坯疏松影响相当，且影响较小。图6是将表3中所有结果按照拉速大小做图，得到拉速对铸坯疏松的影响图。图6拉速对铸坯疏松的影响根据“小钢锭”凝固理论，在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，当桥下面的钢液继续凝固时，得不到上部钢液的补充，下部区域就形成缩孔、疏松，因此凝固过程柱状晶生产的过度发达，这是造成铸坯中心疏松、缩孔的主要原因。由图6可以看出，随着拉速的升高，铸坯的中心疏松量逐步变大。这是由于，随着拉速的升高，铸坯在结晶器内停留时间变短，铸坯液芯延长，推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，因此导致铸坯内部疏松区域变大。以上分析是在不考虑末端电磁搅拌对铸坯缺陷作用的前提下得到的，实际生产过程，末端电磁搅拌对铸坯内部缺陷影响非常显著。图7～图10是在25℃过热度下，低、中、高不同拉速下液芯长度的变化图，图中蓝色方框代表末端电磁搅拌位置。当生产过程拉速过低时，铸坯液芯变得过短，由图7可以看出，末端电磁搅拌位置铸坯已经完全凝固；而图8拉速下铸坯的两相区刚刚进入末端电磁搅拌位置，使得末端电磁搅拌作用不明显，削弱了末端搅拌效果，这两种情况均导致铸坯断面上柱状晶区的扩大。图11是实际生产过程，采用拉速小于0.15m/min工艺得到的铸坯低倍组织，由图11可以看出低拉速时，铸坯的液芯长度较短，当铸坯通过末端电磁搅拌时候，铸坯断面上已完全凝固或大部分凝固，末端电磁搅拌已经基本不起作用，导致铸坯低倍结果不理想。因此，实际生产过程中应将拉速控制在一个合理范围内，让通过末端电磁搅拌区域的铸坯两相区凝固分数控制在30%～70%之间。图70.1m/min拉速下液芯长度图80.35m/min拉速下液芯长度图90.45m/min拉速下液芯长度图100.55m/min拉速下液芯长度基于Procast的大断面轴承钢圆坯连铸工艺优化研究8-39过热度和二冷冷却强度尽管对铸坯中心疏松影响不如拉速明显，但是浇铸温度高时，结晶器激冷条件下形成的晶粒碰到过热钢水时会熔化，导致等轴晶的晶粒变少，柱状晶向中心部位过度发展，形成粗大的柱状晶，伴随中心部位较严重的疏松、缩孔产生。因此，为增加等轴晶的比例，实际生产过程应降低钢水的浇铸温度；另外，轴承钢属于裂纹敏感钢，为避免铸坯表面出现裂纹，实际生产时，应采用弱的冷却强度。通过中冶京诚(营口)装备技术有限公司和京诚技术研究院2年多的共同努力，已经找到解决大断面轴承钢圆坯中心缺陷的关键，通过现场多轮生产实践，总结出一套生产高碳合金钢铸坯经验，实践生产中应从以下几个关键技术入手：（1）低氧、低硫磷、低夹杂物、低有害元素的纯净钢冶炼；（2）中间包冶金技术应用；（3）低过热度控制技术；（4）