1、合金鋼方坯連鑄機(jī)二次冷卻制度的研究毛敬華，韓志偉，馮科（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 煉鋼事業(yè)部，重慶，400013）摘 要：根據(jù)對(duì)40Cr的高溫物理特性和高溫機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果, 分析了合金鋼連鑄與普碳鋼連鑄的不同點(diǎn)，并制定了40Cr合理的目標(biāo)表面溫度曲線。應(yīng)用方坯連鑄二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通用軟件對(duì)某廠方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)合金鋼40Cr進(jìn)行了模擬，分析了表面溫度和坯殼厚度的變化規(guī)律，得到了生產(chǎn)40Cr時(shí)各冷卻區(qū)水量與拉速的關(guān)系式。計(jì)算結(jié)果對(duì)連鑄生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：合金鋼；方坯連鑄；二次冷卻The Study of Secondary Cooling for Alloy Steel

2、 Billet Continuous CastingHAN Zhiwei FENG Ke MAO Jinhua(Department of Steelmaking, CISDI ENGINEERING CO., LTD, Chongqing 400013 )ABSTRACT：Based on the physical characteristics and mechanical property of alloy steel 40Cr, the differentia of alloy steel and straight carbon steel is analyzed. And the c

3、urve of aimed surface temperature is established. The continuous casting processes are simulated through the Computer simulation software of secondary cooling in billet continuous casting. The varying trends of surface temperature and shell thickness are analyzed, and the relational expressions flow

4、 capacity and cast speed about 40Cr are obtained. They are very important to guide produce and design about billet caster.KEY WORDS: Alloy Steel; Billet Continuous Casting; Secondary Cooling前言采用連鑄工藝生產(chǎn)合金鋼，在鑄坯質(zhì)量和金屬收得率方面要求較高。由于合金元素的含量高，合金鋼的凝固特性與普碳鋼有較大差別，鑄坯在冷卻過(guò)程中主要容易出現(xiàn)兩種質(zhì)量問(wèn)題：一是鑄坯的裂紋(內(nèi)部裂紋和表面裂紋)；二是鑄坯容易出現(xiàn)偏

5、析。因而對(duì)這些鋼種的連鑄，一是要對(duì)鋼液的過(guò)熱度進(jìn)行控制，不能太大，在保證正常澆鑄的情況下，采用較低的過(guò)熱度為好；二是連鑄的拉速比較低，不能像碳素鋼那樣可以有較大的拉速。當(dāng)然，這些鋼種的熱物性參數(shù)與普碳鋼比較也有較大的差異，這也對(duì)鑄坯的質(zhì)量和鑄機(jī)的工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生影響。比如，對(duì)合金含量比較高的鋼種，與普碳鋼比較，其液相線有較大幅度的降低，造成澆鑄溫度也有較大幅度的降低，這樣，對(duì)出結(jié)晶器時(shí)的鑄坯表面溫度和二冷區(qū)的鑄坯表面溫度均有很大的影響。因而，對(duì)合金鋼和中、高碳鋼的連鑄，其連鑄工藝和設(shè)備參數(shù)應(yīng)該有他們的特點(diǎn)1。本文在對(duì)合金鋼典型鋼種40Cr高溫物理性能和機(jī)械性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的

6、通用化方坯連鑄二次冷卻仿真軟件對(duì)合金鋼40Cr的二次冷卻制度進(jìn)行了研究，提出澆鑄合金鋼合適的二冷水表及合適的工藝參數(shù)，研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)廠具有很好的指導(dǎo)意義，同時(shí)也可作為工程設(shè)計(jì)提供二冷水表。1 合金鋼的高溫物理性能應(yīng)用綜合熱分析STA449C測(cè)試了40Cr鑄坯的Cp曲線，如圖1所示。用于測(cè)試的40Cr是取自現(xiàn)場(chǎng)的連鑄坯。圖1 降溫過(guò)程中40Cr連鑄坯的曲線從DSC曲線看出，在中溫區(qū)，降溫過(guò)程在876出現(xiàn)明顯的峰值，而升溫過(guò)程則在783出現(xiàn)明顯的峰值。降溫過(guò)程出現(xiàn)峰值的溫度明顯高于升溫過(guò)程的數(shù)值。出現(xiàn)峰值的溫度應(yīng)是在所給定的升溫或降溫速度下連鑄坯試樣的相變(晶型轉(zhuǎn)變)速度達(dá)到最大時(shí)的溫度點(diǎn)，在這一

7、晶型轉(zhuǎn)變中，有急劇的熱量變化，其熱容也有較大的變化(在連鑄二冷過(guò)程中屬于降溫行為，在這一晶型轉(zhuǎn)變區(qū)域?qū)⒎懦鱿喈?dāng)多的熱量)，DSC和CP均有較大的峰值出現(xiàn)。這說(shuō)明，對(duì)40Cr鋼連鑄坯，要特別注意控制二冷區(qū)表面或表層溫度較高，即處于876上下幾十度(40左右)的范圍內(nèi)(連鑄的降溫速度可能大于20/min，從而使晶型的轉(zhuǎn)變溫度還要提高；對(duì)二次冷卻，一般采用熱行方案，即鑄坯表面溫度在二次低延性區(qū)以上的高溫區(qū)域)，最好在915以上，以避免大的晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生裂紋。2 合金鋼的高溫機(jī)械性能為考察鑄坯在高溫下的機(jī)械性能，利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)40Cr鋼進(jìn)行了高溫性能測(cè)試，具體方法是：在Gleeble熱

8、模擬機(jī)上以700-1300之間每隔2550進(jìn)行1-2次熱拉伸實(shí)驗(yàn)，根據(jù)結(jié)晶器和二次冷卻過(guò)程綜合考慮，按每分鐘降低100或每秒降低1.65至所測(cè)溫度值，在所測(cè)試的溫度下保溫5分鐘，待試樣內(nèi)外溫度均勻后，進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)，取e=2×102/s速率對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，得到不同溫度下的數(shù)據(jù)。圖2為40Cr的斷面收縮率隨溫度的變化。8001200左右的范圍內(nèi)，40Cr鋼鑄坯的斷面收縮率值較高，一般在80%95%左右，在這一范圍40Cr鋼具有良好的塑性。當(dāng)溫度在1250熔點(diǎn)范圍內(nèi)時(shí)，40Cr鋼連鑄坯的塑性又迅速下降(第脆性區(qū))。與其它鋼種比較，40Cr鋼在高溫下的第一延性區(qū)(第脆性區(qū))的溫度范圍也往低

9、溫段移動(dòng)。對(duì)40Cr鋼的連鑄過(guò)程，第二延性區(qū)大致在650775左右。在連鑄二冷仿真和連鑄生產(chǎn)對(duì)二次冷卻的表面溫度的控制中，鑄坯的目標(biāo)表面溫度特別是矯直區(qū)域的表面溫度應(yīng)該高于800以上，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，其表面溫度最好在850以上。圖2 40Cr的斷面收縮率3 方坯連鑄二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通用軟件的使用根據(jù)方坯連鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于沿拉坯方向上移動(dòng)的有限薄片層思想，建立了方坯連鑄凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Visual Basic 6.0 成功開(kāi)發(fā)了方坯連鑄二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通用軟件。該軟件采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Visual Basic 6.0編制，集連鑄過(guò)程仿真計(jì)算、迭代反算二冷水量、水量公式回歸、數(shù)據(jù)輸入

10、輸出處理和圖形處理于一體，具有較好通用性和實(shí)用性。2在高溫物理性能和高溫機(jī)械性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，制定了連鑄坯的目標(biāo)表面溫度曲線。目標(biāo)表面溫度曲線的確定與鋼種的高溫特性、拉速、澆鑄溫度、連鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)如矯直區(qū)域的位置、輕壓下位置等有關(guān)。在其它條件確定以后，鑄坯的表面溫度隨拉速的變化應(yīng)該有比較明顯的變化。因此，目標(biāo)表面溫度曲線的制定，應(yīng)該對(duì)于所澆鑄的鋼種(主要考慮二次低延性區(qū)域的溫度范圍等凝固特性)、選擇在目標(biāo)澆鑄溫度時(shí)、在最常用的工作拉速對(duì)應(yīng)的表面溫度變化規(guī)律。圖3為40Cr鋼的目標(biāo)表面溫度曲線。圖3 40Cr的目標(biāo)表面中心溫度曲線4 仿真結(jié)果及討論4.1 連鑄過(guò)程的溫度場(chǎng)和凝固狀態(tài)仿真應(yīng)用方坯連鑄

11、二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通用軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了所研究的方坯鑄機(jī)、40Cr鋼150×150mm2斷面的鑄坯，在不同拉速下表面溫度在拉坯方向上的變化規(guī)律，圖4為拉速為2.2m/min和2.4m/min時(shí)表面溫度的變化曲線。從圖4可以看出，在結(jié)晶器內(nèi)，由于受強(qiáng)烈冷卻，鑄坯的表面溫度下降較快。相比之下，與碳素鋼等比較，由于合金鋼所要求的冷卻強(qiáng)度較小，二冷區(qū)鑄坯的表面溫度相比較高；在正常拉速范圍內(nèi)(1.6m/min2.4m/min-)，在噴淋區(qū)的最低鑄坯表溫一般均在800以上，鑄坯的斷面溫差小，不容易產(chǎn)生內(nèi)裂，這對(duì)保證鑄坯的質(zhì)量非常有好處。在二冷噴淋段中，鑄坯表面化溫度總的變化趨勢(shì)是：隨著拉坯

12、距離逐漸增加，表面溫度是逐漸升高的；每一段中的鑄坯表面溫度有一定的波動(dòng)，但這種波動(dòng)并不大；在足輥區(qū)，由于出結(jié)晶器時(shí)鑄坯的表面溫度較低而引起此段鑄坯的表面溫度有明顯上升；在二冷二段、二冷三、四段中，由于冷卻強(qiáng)度與鑄坯表面的放熱強(qiáng)度彼此之間差別不大，所以鑄坯的表面溫度波動(dòng)很小或回升很小。鑄坯表面溫度回溫小，對(duì)保證鑄坯的質(zhì)量特別是防止凝固前沿中間環(huán)節(jié)裂紋的產(chǎn)生非常有好處。 (a) v=2.4m/min (b) v=2.2m/min圖4 鑄坯內(nèi)弧表面中心溫度在拉坯方向上的變化規(guī)律 (a) v=2.4m/min (b) v=2.2m/min圖5 鑄坯內(nèi)弧凝固殼厚度在拉坯方向上的變化規(guī)律圖5為鑄坯凝固殼厚

13、度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，凝固殼的厚度在拉坯方向上的變化規(guī)律是在凝固前期，由于冷卻強(qiáng)，坯殼的厚度增長(zhǎng)較快，而在凝固中期，坯殼的厚度增長(zhǎng)稍緩一些；在凝固末期，由于凝固潛熱的量較少，此時(shí)凝固殼厚度在拉坯方向上又有較快的增加。由于對(duì)合金鋼連鑄其工作拉速和最大拉速較低，又由于結(jié)晶器的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此出結(jié)晶器時(shí)鑄坯的凝固殼厚度遠(yuǎn)大于10.0mm，這完全能夠保證生產(chǎn)合金鋼和中、高碳鋼時(shí)，不至于產(chǎn)生漏鋼等質(zhì)量問(wèn)題。4.2 迭代反算二冷水量根據(jù)制定的目標(biāo)表面溫度，應(yīng)用方坯連鑄二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通用軟件還可以獲得各拉速下不同冷卻段的冷卻水量。然后再應(yīng)用該軟件的水量回歸功能對(duì)計(jì)算水量進(jìn)行回歸，即可得到各冷卻區(qū)水

14、量與拉速的關(guān)系式：（a、b、c為系數(shù)，Q為水量，v為拉速），該關(guān)系式可作為連鑄機(jī)水表控制。表1為針對(duì)某鋼廠方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)40Cr時(shí)迭代獲得的二冷水關(guān)系式系數(shù)值。表1 40Cr鋼二冷水公式中的系數(shù)值(150×150mm2，水量單位：L/min)40Cr鋼（）系數(shù)足輥區(qū)區(qū)a區(qū)b區(qū)9.36647.657514.016031.95746.22630.9277.16043.14656.77980.54411.404備注(1)適用拉速：0.82.6m/min；(2) <0.8 m/min時(shí)，保持0.8m/min時(shí)的水量不變。(1)適用拉速：0.82.6m/min；(2)<0.8 m/min時(shí)關(guān)閉此段。(1)適用拉速：1.02.6m/min；(2)<1.0 m/min時(shí)關(guān)閉此段。(1)適用拉速：1.62.6m/min；(2) <1.6 m/min時(shí)關(guān)閉此段。5 結(jié) 語(yǔ)（1）根據(jù)對(duì)40Cr的高溫物理特性和高溫機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果，分析了合金鋼連鑄與普碳鋼連鑄的不同點(diǎn)，并制定了40Cr合理的目標(biāo)表面溫度曲線。（2）應(yīng)用方坯連鑄二次冷卻計(jì)算機(jī)仿真通