油井管37 強 （攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠） 摘 要：針對攀鋼提釩煉鋼廠生產(chǎn)油井管用鋼連鑄澆注周期與水溫降大、鑄機產(chǎn)能受限制等情況，以生產(chǎn)油井管鋼37二冷水量及配比不變的條件下，通過商業(yè)軟件 擬拉速、過熱度對連鑄坯凝固組織的影響，并根據(jù)數(shù)學(xué)模擬結(jié)果與大生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比，驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性，對優(yōu)化鋼水過熱度、拉速參數(shù)做出指導(dǎo)。.0 m/46%之間，提高拉速后能保證油井管鋼質(zhì)量同時也能降低生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞：圓坯；油井管鋼；等軸晶；數(shù)學(xué)模擬 0 引言 攀鋼提釩煉鋼廠3#方圓連鑄機自2009年投產(chǎn)以來，相繼開發(fā)出井管鋼 37機拉速在 .5 m/水過熱度在2550 ，平均過熱度為33 ，鑄機平均澆注周期為65 0 產(chǎn)組織不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致鋼水溫降增大限制了3#方圓連鑄機的產(chǎn)能，為降低生產(chǎn)37采取提高連鑄機拉速措施。以生產(chǎn)的油井管鋼37二冷水量及配比不變的條件下，通過商業(yè)軟件擬對連鑄坯凝固組織的影響，并根據(jù)數(shù)學(xué)模擬結(jié)果與大生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比，驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性，對優(yōu)化鋼水過熱度、拉速參數(shù)做出指導(dǎo)。 1 攀鋼油井管生產(chǎn)工藝路線及連鑄 參數(shù) 攀鋼生產(chǎn)油井管37水提釩脫硫轉(zhuǎn)爐煉鋼坯連鑄。研究表明，連鑄圓坯中心等軸晶率 是導(dǎo)致油井管在穿軋過程中產(chǎn)生內(nèi)折等缺陷的主要原因之一1，為滿足用戶的需求，攀鋼提釩煉鋼廠生產(chǎn)油井管 37坯等軸晶率均能達到40%以上。模擬研究鋼種成分見表1，連鑄設(shè)備參數(shù)見表2。 表1 模擬鋼種化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） % C n P S V 2 連鑄設(shè)備參數(shù) 鑄機類型 流數(shù) 鑄機半徑/直方式 鑄流中心距離/速范圍/（m全弧形連鑄機 6機6流 10 000 連續(xù)矯直 1 300 03 工作拉速/（m機械長度(液面至最終拉矯輥) / m 冶金長度(液面至火焰切割機原點前1m) / m 35 2 連鑄圓坯凝固數(shù)學(xué)模型的建立 數(shù)學(xué)模型的假設(shè) 根據(jù)連鑄工藝及鑄坯傳熱特點，在數(shù)學(xué)模擬中作如下假設(shè)：沿鑄坯橫斷面的傳熱速率遠大于沿拉坯方向的傳熱速率，忽略拉坯方向的傳熱；考慮鑄坯與結(jié)晶器間氣縫的存在，結(jié)晶器傳熱采用平攀 鋼 技 術(shù) 23 均熱流密度；忽略結(jié)晶器振動對結(jié)晶器傳熱的影響；忽略鋼液流動對鋼液內(nèi)部傳熱的影響；二冷區(qū)內(nèi)各段傳熱均勻。 基于以上假設(shè)條件，可將薄片的傳熱看作而為非穩(wěn)態(tài)傳熱，可建立模型的傳熱控制方程，如式（1）所示。 (1) 式中，為密度；為溫度，為導(dǎo)熱系數(shù)；為凝固率。 凝固模型和運行參數(shù)的選擇 宏觀范圍內(nèi)，基于熱流計算，忽略熔體內(nèi)的對流，采用有限元法及熱焓法和隱式格式求解熱流方程；在微觀范圍內(nèi)，考慮枝晶尖端動力學(xué)和晶粒范圍的溶質(zhì)擴散，建立形核和生長模型。計算過程采用不同的時間步長計算熱流和結(jié)晶與形核。具體耦合過程見文獻2。 ）非均勻行核 用連續(xù)而非離散的分布函數(shù)dnd(T)來描述晶粒密度的變化，其中dnd(T)是由式（2）的高斯分布確定的。 )(212)d(（2）式中，為平均形核過冷度，K；T 為形核過冷度標準方差，K；正態(tài)分布從0到積分得到的最大形核密度。設(shè)定模擬鋼種凝固高斯參數(shù)為 : 面形核參數(shù)。 ，sn ， ，n,0102）枝晶尖端動力學(xué)生長系數(shù) 連鑄坯凝固模擬計算中，枝晶尖端生長模型采用計算： 3322)( (3)式中a2，為枝晶尖端總過冷度，K。將該鋼種主要成分分解成 7個二元據(jù)偽二元相圖計算液相線斜率 m，溶質(zhì)平衡分配系數(shù) k4，自擴散系數(shù)，物性參數(shù)如表3所示。 表3 模擬鋼種組元物性參數(shù) 元素 含量/%m k D0/m211000000熱物性參數(shù)的處理 在模擬過程中，考慮較多的因素，進一步完善熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使模擬更接近實際凝固過程是仿真研究的關(guān)鍵6。 傳熱過程所需的各物性參數(shù)隨溫度均非簡單的變化規(guī)律，見圖1所示。由圖1可知，在相變處24 2014年第37卷第5期 存在著突變，將此模型結(jié)果與凝固模型耦合，顯然比傳統(tǒng)凝固模型中將參數(shù)簡易化或常數(shù)化處理，更具科學(xué)性。 1 37 幾何造型與網(wǎng)格的劃分 基于薄片移動法7模擬圓坯37用 維造型軟件對所模擬的薄片進行幾何造型并生成造型文件，之后通過先后生成面網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格（本研究中將 200 格劃分結(jié)果如圖2所示。 2模擬計算區(qū)域網(wǎng)格劃分 對流換熱系數(shù)/(W)焓/(kJ T/ T/ 固相分數(shù)/%密度/(kg 攀 鋼 技 術(shù) 25表4 邊界條件的計算方法8階段 邊界條件 計算公式 結(jié)晶器 q 二冷區(qū) )( h=22空冷區(qū) )( =中；w為冷卻水密度，g/冷卻水比熱，J為結(jié)晶器冷卻水流量,s； T 為進出水溫差，K；R 為比水量，L/m/為鋼的密度，7800kg/m3，n為噴淋段的配水比，%；m；m;為黑體的輻射常數(shù)，0、。 3 數(shù)學(xué)模型的檢驗 在拉速1.4 m/熱度為30 時鑄坯表面溫度模擬和工業(yè)試驗結(jié)果的對比情況。選取火焰切割點前 20 次工業(yè)試驗測量結(jié)果最高測量值為 980，最低測量值為 920 ，平均值為 950 ，該區(qū)域表面溫度模擬結(jié)果平均值為965 ，平均相差近 15 。測量值比模擬值偏低，分析認為，粘附在鑄坯表面的氧化鐵皮或結(jié)晶器保護渣對紅外測溫槍是導(dǎo)致測定結(jié)果必然低于鑄坯表面真實溫度?？梢?，鑄坯表面溫度的模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際是相吻合的。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18007008009001000110012001300140015001600t,鑄坯表面溫度試驗與模擬結(jié)果比較 取鑄坯低倍試樣(稀鹽酸濃度為15%溶液腐蝕)用于與模擬的凝固組織進行比較，結(jié)果見圖4。 模擬結(jié)果 檢測結(jié)果1 檢測結(jié)果2 圖4 鑄坯凝固組織試驗與模擬結(jié)果比較 兩個試樣的等軸晶率分別為42%和46%，該條件下模擬結(jié)果的等軸晶率為42%，考慮模擬與工業(yè)試驗拉速的差別及實際生產(chǎn)中各冷卻段實際冷卻狀態(tài)與模擬中所應(yīng)26 2014年第37卷第5期 用的模擬條件的差異，模擬結(jié)果較為精確。 4 數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用 鑄坯凝固坯殼 實際生產(chǎn)中除了保證連鑄坯內(nèi)部組織合格外，還要保證在澆注過程凝固坯殼能夠承受住鋼水靜壓力，尤其是在鑄坯出結(jié)晶器過程中不被拉漏。隨著拉速的提高必然導(dǎo)致鑄坯坯殼變薄，容易造成鑄坯拉漏，選取過熱度 30 時不同拉速下鑄坯在結(jié)晶器出口處坯殼厚度模擬。 .0 m/熱度從2550 變化時，二冷制度不改變情況下模擬連鑄坯在結(jié)晶器出口處凝固率的變化見圖5。 （a：結(jié)晶器出口；b：0段末；c：1段末；d：2段末；e：三段末；f：矯直段中點） 圖5 凝固過程鑄坯凝固率變化 圖6為結(jié)晶器出口坯殼厚度與過熱度和拉速的關(guān)系。根據(jù)結(jié)晶器坯殼最小厚度 計算經(jīng)驗公式（4），以拉速為 .0 m/固系數(shù) k 取 22 mm/，結(jié)晶器長度圖6 結(jié)晶器出口坯殼厚度與過熱度和拉速的關(guān)系 21100 （4） 從圖 6 的模擬結(jié)果可以看出，當拉速在 2.0 m/熱度大于34 后，結(jié)晶器出口坯殼厚度將小于最小坯殼厚度，生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)。為保證坯殼厚度，當拉速高于1.9 m/嚴格控制過熱度，以保證澆鑄安全。 鑄坯內(nèi)部凝固組織模擬 20 25 30 35 40 45 技 術(shù) 27 過熱度/ 坯殼厚度/2.0 m/坯內(nèi)部凝固組織變化如圖7所示。模擬計算結(jié)果顯示鑄坯凝固組織等軸晶比例從 41%46%，能夠滿足鋼種性能要求。 1.5 m/ m/ m/.8 m/ m/ m/7 不同拉速條件下的凝固組織模擬結(jié)果對比（T=30） 5 結(jié)論 1）在相同工藝參數(shù)下，數(shù)學(xué)模擬結(jié)果與工業(yè)試驗結(jié)果吻合度較好，所建立的模型可以用來模擬連鑄圓坯的凝固過程與凝固組織。 2）連鑄圓坯凝固過程模擬結(jié)果分析表明，當拉速為2.0 m/熱度大于34 后，結(jié)晶器出口坯殼厚度將小于最小坯殼厚度。生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)象，為保證最小坯殼厚度，當拉速高于1.9 m/嚴格控制過熱度，以保證澆鑄安全。 3）在過熱度30 條件下，隨著拉速的升高連鑄坯凝固組織等軸晶比例從41%46%之間變化。 4）綜合考慮實際生產(chǎn)效果，連鑄澆注 37機拉速可以上調(diào)到2.0 m/水過熱度必須控制在33 以下。 參考文獻 1 張惠萍，陳洪琪，盧玲玲，006（6）：27. 2 A， 999,30(12):3153 3 ,. of J.