特钢连铸二冷技术研究

特钢连铸二冷技术研究钢的连铸与有色金属的一个重要差别是连铸钢坯内有较长的液芯。这就需要对温度高、刚度低的坯壳进行冷却和支撑，这也是二冷段的基本作用。浇铸速度越高，坯壳越薄液芯也越长，这些作用越重要。在特殊钢连铸中，为了提高铸坯内部质量，可以采用末端电磁搅拌（F-EMS）或轻压下等技术措施。这些措施的效果和使用方式也依赖于二次冷却技术。1．二冷区传热基本原理在连铸机中钢液冷却到最后完全凝固时，其热量分别在水冷结晶器(一次冷却区)、喷雾水区（二次冷却区）和铸还的自然冷却区(三次冷却区)散失。二冷水分布主要根据冶金技术要求、钢种在高温状态下的力学性能和铸坯的断面尺寸确定。二冷区的各段的喷水量有所区别，出结晶器时铸坯表面温度高，坯壳薄，喷水量要大，以迅速增加坯壳厚度；随着铸坯的移动，铸坯表面温度降低，坯壳厚度逐渐增加，喷水量减小。对二冷传热的影响因素有以下几个方面：(1)铸坯表面温度冷却水喷在连铸坯表面的冷却效果用综合换热系数或热流来衡量。换热系数或热流基本取决于铸坯表面温度和喷水密度，见图1。由图1可知，热流与表面温度不是直线关系：1)Ts＜300℃，热流随Ts而增加，此时为对流传热；2)300℃＜Ts＜800℃，随温度提高热流下降，在高温表面有蒸汽膜，有核态沸腾状态；3)Ts＞800℃，热流几乎与表面温度无关，甚至于呈下降趋势，表面形成稳定蒸汽膜阻止喷射水滴与铸坯接触；由图可知，热流与表面温度不是线性关系，但在一定温度范围内，随喷水强度增加热流增大。图1表面温度与热流的关系(2)水流密度水流密度是指铸坯在单位时间单位面积上所接受的冷却水量。水流密度增加，传热系数增大，它们之间关系以经验公式表示：换热系数h=h0Wn（1）这里，h0为常数，W为喷水密度，n=0.45—0.75这个关系式可以在实验室研究测定。但对于连铸坯而言，这仅仅是喷水的一个局部某一时刻的换热系数，不是一个段的或整个铸机上的换热系数。一个段的换热系数还应包括辊子的接触冷却、空冷、积水的冷却效果。(3)水滴速度水滴速度决定于喷水压力和喷嘴孔径，水滴速度增加穿透蒸汽膜而到达铸坯水滴数增加，故提高了传热能力，见图2。(4)水滴直径水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴尺寸越小，单位体积内水滴个数就越多，雾化就越好，有利于铸坯均匀冷却和提高传热效率。图2水滴速度与传热系数的关系(5)铸坯表面状态对碳钢表面生成FeO试验表明：Ar保护加热碳钢，FeO生成且0.08kg／m2；而在空气中加热FeO生成量1.12kg／m2，碳钢表面有氧化层的传热系数比无氧化层约低13%。(6)喷嘴使用状态喷嘴堵塞、喷嘴安装位置和新旧喷嘴等对传热也有重要影响，因此要注意对二冷水质的处理和喷嘴的定期检修。2．二次冷却与铸坯质量为避免和减轻铸还中的裂纹、缩孔、偏析等缺陷，普通钢、低合金钢的冷却强度应为1～1.2L／kg钢，中、高碳钢，合金钢为0.6～0.8L／kg钢，某些热敏感性的钢种可采用0.4～0.6L／kg钢，高速钢为0.1～0.3L／kg钢。由于热送和直接扎制技术的出现，普遍采用弱冷以提高热送温度。铸坯在二冷区内通过辐射和对流向空中散热，也通过传导向辊子传热。二冷区喷水可以保证连铸坯的质量、提高生产率、保护设备。铸坯喷水冷却所带走的热量只占铸坯三发热量的较少部分。由钢水到铸坯(室温下)放出的热量约为1380KJ／kg钢，各区的散热占总热量的40%左右，其余60%的热量在完全凝固后散出。影响各区导热效果的因素很多，主要决定于钢的冷却制度。二次冷却制度基本上可分为两种，强冷却和弱冷却制度。每种钢都有一条相应的脆性曲线，在900～700C范围，钢中残存元素及钢的基本成分对其温度范围(低延性区)都有影响。在固一液交界面附近存在一个凝固脆化区，如图3所示，TRN为强度σ=0的温度叫零强度温度；TDN为断面收缩率ψ=0的温度叫零塑性温度。一般来说，在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区，固液交界面的糊状区晶体强度和塑性都非常小。有人认为临界强度为1-3N／mm2，由应变至断裂的临界应变为0.2-0.4%。当作用于凝固坯壳的外部应力(如热应力、鼓肚力、矫直力)使其变形超过上述临界值时，铸坯就在固-液交界面产生裂纹，形成偏析线裂纹。一般钢种将发生γ-α的相变和AlN等在晶界沉淀。在矫直区铸坯表面产生拉力，会生成裂纹。为避免产生此类缺陷，选择弱冷却制度，即“热行”，也叫软冷却。保证矫直点温度在900C以上，喷水冷却强度一般在0.5-1.0L／kg钢。还可选甩强冷却制度，即“冷行”，也叫硬冷却，在二冷区铸坯表面维持较低的温度，保证在矫直点的温度在700一650C，钢坯进行了γ-α的相变，也避开了脆性区，冷却水量一般为2—2.5L／kg钢。还有一种“混行”冷却制度，实为冷行、热行时铸坯的表面温度变化之间。已凝固还壳在连铸机里运行过程中，从力的方面看，它承受热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生δ→γ→α的相变，特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和回升使铸坯组织发生变化，相当于“热处理”过程；同时由于溶质元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温脆性，对铸坯质量有重要影响。要控制铸坯在不同冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷适应于钢高温性能的变化。因此，可以说控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键。图3钢的高温性能示意图二次冷却对铸坯质量的影响历来很受重视，在理论和实践上都进行了许多工作：A．铸坯角部的过度冷却使得局部温度低，促成AlN、TiN、NbC等在晶间析出降低塑性，铸坯矫直时在振痕等缺陷处产生裂纹。B．二冷严重不足使坯温过高刚性低，铸坯支撑不良时产生鼓肚，造成中间裂纹、中心线偏析等缺陷。C．铸坯冷却强度突然变小时，表面温度回升，表层受压凝固前沿受拉，促成中间裂纹生成。很多时候人们对二冷的期望过大。希望它保护设备，希望它提高铸坯质量，希望它减少漏钢。实际上二冷只起一定的辅助作用：首先，因为喷水冷却只占铸坯在机内散热的一小部分，调节二冷对总冷却效果的作用很有限。其次，式（1）中的n值较小，提高冷却强度所需的喷水量变化很大，喷嘴和供水都有问题。第三，从图1看出，铸坯表面温度与其冷却强度有强烈的交互作用，在一定温度范围内表面换热系数随表面温度的下降而急剧增加。如果由于某种原因铸坯表面个别地方温度偏低，此处的冷却换热系数就会很大散热量也很大，周围传来的热量补充不足时，该处的温度继续下降。这种交互作用会使坯子局部温度降至~250C远低于正常值。第四，钢是一类导热较差的金属，连铸坯内部凝固组织很难靠二冷强度来改变，片面强调二冷控制凝固组织会引起其它缺陷。与凝固组织相关的方圆坯中心偏析疏松等缺陷需其它途径解决。现在生产实际中出现的与二冷有关的生产质量问题，一般不是二冷工艺设计和冷却制度本身有问题。往往是由于管路、水质引起的漏堵，设备检修、工艺操作、备件质量等未按章达标所致。这方面的问题有时很突出，应引起足够重视。3．特殊钢连铸数学模型的建立由于连铸坯温度场及凝固状态的控制是控制连铸工艺的关键，而这两个方面在实际生产中又很难直观地进行观察和观测，为此常用传热凝固数学模型进行模拟计算，再结合一些测量手段(坯壳厚度和铸坯表面温度的测定)进行验证后，将模拟计算的结果用于连铸过程制订工艺参数。本研究在前人进行轴承钢小方坯连铸凝固模型计算的基础上，将有关参数带入模型进行一些模拟计算和讨论。由于喷水冷却的效果是由沸腾换热的性质决定的，一定喷水强度下的换热系数与铸坯表面温度有关，温度越低时换热系数越大，由于合金钢连铸时一般喷水较弱，铸坯温度较高，换热系数随表面温度变化不大。铸坯在通过支撑辊、喷水区、未喷水区及积水区时，其冷却条件变化很大，在考虑铸坯在这一区域的温度变化时，对其理论计算和边界条件应分别处理，但当主要考虑液芯分布、铸坯温度变化时，则可以将这一区段中支撑辊、喷水区、未喷水区及积水区等综合给出一个平均换热系数：h=awb+c(2)h：换热系数，w：平均喷水密度，a、b、c：常数由于碳在固体钢中扩散较快(液体中扩散更快)，碳含量较高的钢种在凝固过程中碳分布接近于平衡，可用相图及杠杆定律表示碳的分布、温度及凝固率的关系，经推导为：(3)***1)1538)(1(kktkCkfOtL其中：k*：溶质分布系数CO：原始溶质浓度kt：溶质的熔点(液相线)降低率t：温度(℃)fL：液相率1538℃：纯铁的熔点如果合金元素在固相中扩散很慢，而在液相中又混合较好时，则可用Scheil方程表示溶质分布，相应的凝固率与温度的关系为：(4)凝固传热方程的描述铸坯从结晶器内钢液面以一定的速度向切割位置移动，热量从铸坯的中心向坯壳传递，然后通过强制对流、自然对流或辐射向周围空间散失，所传递热量的多少取决于浇铸温度、金属的热物理性能、和冷却条件。为了导出连铸坯凝固传热方程，作如下简化：⑴沿拉坯方向由温度梯度引起的传热很小，可忽略不计；⑵认为连铸坯沿直线运动；⑶将板坯的传热简化为二维传热问题：即计算铸坯断面在拉坯轨迹上不同时刻的温度分布；⑷考虑到铸坯断面的对称性，在计算中仅考虑断面的1/4；⑸忽略液相穴的对流传热；⑹凝固坯壳主要考虑传导传热；⑺钢的热物理性能不发生变化；⑻在某一拉速下达到稳定状态后，传热条件不随时间变化；⑼铸坯内弧和外弧传热条件对称，忽略铸坯的弯曲效应；对于连铸坯二维传热，求解在x和y二维空间内的导热问题。在稳态情况下，温度T满足椭圆形偏微分方程：)1(*1538kLtOfkCt0)(2222HyTxTk(5)其中k—导热系数；H—单位体积内热量产生的速率。二维稳态传热方程的物理意义是：净吸热的速率+内部热量产生的速率=0对于椭圆方程，为了在它所包围的区域内定义一个适当的问题，必须在封闭曲线的所有点上，给定某种类型的边界条件，从这些边界条件开始向内逐步用数值迭代法进行求解。在不稳定态的情况下，产生的热量与消散的热量之差不为零，且导致在任意点上的温度均随时间而改变。与其相关的抛物型方程为：HyTxTktTCp)(2222(6)其中—材料密度；pC—材料的恒压比热。网格的划分：将导热偏微分方程化为差分方程时，必须首先建立差分网格，假想在结晶器弯月面以下，铸坯二分之一厚度的区域取一薄片，将它分成许多相等的格子，如图4、图5所示，每个格子中心代表一个结点，并具有一定的温度，两个结点之间的距离为x。设铸坯的厚度为e，宽度为l，则结点个数为：12/xeNe12/xlNl其中eN—板坯厚度方向上的结点个数；lN—板坯宽度方向上的结点个数。图4铸坯凝固示意图图5网格示意图同时，薄片从结晶器随铸坯向下运动，到切割处所经历的总时间分割为相等的时间增量t，设拉速为v，则每个格子的高度为：tvz这样就构成了矩形网格，以便计算不同时刻各个结点的温度。x和t分别为空间步长和时间步长，每个小格子的中心温度代表整个格子的温度，对中心和边界格子的分法应使格子中心温度恰好位于铸坯中心和表面。方程的离散：在直角坐标系下，在求解域上布置均匀网格的系统如图6，并具有均匀导热系数k的二维导热区域，首先只考虑内部结点。对于稳态方程：02222kHyTxT(7)将其离散，得到近似式：02222kHTTTTTTSBNWBE此式可化简为：042kHTTTTTBSNWE图6直角坐标系中内部结点对于不稳定态问题，为了简便起见，假定没有内热源，则基本偏微分方程为：tTyTxT12222(8)其中—热扩散系数。pCk(9)将方程离散，得其近似式：)'(12222tTTTTTTTTBBSBNWBE其中)('ttTTBB；)(tTTBB所有不带(’)的值都在时间t取值。此式可化简为：)'(140BBBSNWETTFTTTTT或BBSNWETFTFTTTT'1)14(00其中0F—傅立叶数。220pCt