CN101480709B - 基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法，通过连铸坯凝固二维传热仿真模型，对钢铁连铸实际生产过程中连铸坯凝固壳的生长形貌进行模拟分析，研究连铸坯的偏析形成区域及其偏析程度，并从连铸坯二次冷却工艺结构及铸坯宽度方向的冷却分布均匀性着手，通过对连铸机的二次冷却工艺结构和二冷喷嘴布置系统特别是铸坯宽度方向的冷却喷嘴布置结构进行优化调整，以达到控制改善连铸坯中心偏析质量问题的目的；使偏析溶质均匀分配到铸坯宽度方向中心的各个部分，避免了溶质元素的局部偏析聚集导致某一位置的过度偏析，从而有效减轻连铸坯特别是板坯的中心偏析问题。

Description

基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法

技术领域

本发明涉及应用于冶金过程钢铁材料及其他金属材料的连铸成型领域，具体涉及一种基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法。适用于各种类型的金属材料连铸凝固过程，特别是板坯连铸凝固过程。

背景技术

随着世界钢铁行业的不断发展，很多国家钢铁连铸比达到饱和，尤其是我国的钢铁连铸比已经达到了99％，钢铁制品产量连续居世界首位。但我国的钢铁产品大部分都处于粗钢级别，产品质量不高。随着社会对钢的最终产品的性价比要求日益提高，对连续铸钢的品种和质量提出了更高的要求，我国的钢铁生产也从高产量向高质量转化，扩展钢铁产品品种和提高钢铁质量成为钢铁企业提高竞争力的主要途径。

连续铸钢是高温钢液连续浇铸凝固成型的过程，是产品质量控制的关键环节。在连铸中，由于钢铁品种浇铸难度大或者工艺操作不当，连铸坯易产生各种各样的质量缺陷，如偏析、中心疏松、裂纹等，尤其是铸坯的中心偏析。连铸坯偏析，是指连铸坯在凝固过程中成分分布不均匀的现象，主要是由于钢液中的部分溶质在铸坯的凝固过程中因为溶解度不同而产生偏析富集而造成。由于钢铁产品的凝固特性以及产品品种的限制，在冶金工艺生产中，很难从根本上消除连铸坯的中心偏析，只能尽量控制改善铸坯的中心偏析，将其控制在钢坯质量要求允许范围内。人们都在努力设法减少连铸生产中的偏析现象。但想要将连铸坯偏析控制到最低限度仍然十分困难。

连铸坯中心偏析，由于容易发生裂纹的某些溶质元素(如P、S及一些微合金化成分如V、Ti、Nb等，这些元素又可以称为微量元素或部分称为残余元素)的大量聚集，将伴随中心裂纹、中心缩孔的产生，给钢材内部质量带来严重影响。特别是对板坯，由于横向宽度宽，如果在横向上冷却不均匀，铸坯横向上内部中心的凝固不是同一时间完成的，严重的在拉坯方向上铸坯中心的完全凝固，最先凝固的位置和最后凝固的位置可能相差3m以上。这可能导致最后凝固的区域偏析太大，经常产生中心裂纹(如三角区裂纹)和中心缩孔，使铸坯轧制后的板材质量不合格。目前国内许多钢铁连铸生产厂家比较普遍地存在这一问题。中心偏析是恶化连铸坯使用性能，降低连铸坯质量的主要因素之一。它与钢材在轧制或使用过程中的一些质量问题有着直接的关系，是衡量连铸坯质量的一个重要指标。连铸坯中心偏析是连铸生产中常见的质量缺陷，也是连铸界目前致力研究的铸坯质量难题。研究开拓控制改善连铸坯中心偏析的新方法，对改善连铸坯质量和提高连铸生产率具有重大的意义。

对于连铸过程中铸坯偏析的质量问题，国内外学者都做了不少的研究。改善钢液的成分和纯净度可以有效减少偏析，但由于钢铁品种性能要求或操作难度大，通过改善钢液的成分和纯净度来改善连铸坯偏析不太现实。如碳是钢中的易偏析元素，但由于钢种和性能的要求，这是无法调整的。经过长期的研究实践，目前工艺生产中控制改善连铸坯中心偏析的方法主要有以下几种：①连铸坯偏析缺陷实测分析控制，如杨志军，王海舟.用原位分析方法研究连铸板坯的偏析和夹杂.钢铁.2003，38(3)：61-63；陈吉文，李美玲，吴超等.不同拉速工艺下连铸板坯横截面中心偏析和夹杂物的原位统计分布分析.冶金分析.2006，26(3)：1-6；以及金茹，杨铁城，Martin Strandwood.连铸板坯宏观偏析的图像分析方法研究.宽厚板.2008，14(2)：7-11。②电磁搅拌工艺，如刘洋，王新华.二冷区电磁搅拌对连铸板坯中心偏析的影响.北京科技大学学报.2007，29(6)：582-585；Pochmarski L，Abendstein K，Polanschutz W.Electromagneticstrand stirring of CC billets.Steel Times.1985，213(11)：504；李国忠，陈峰，陈伟庆等.M-EMS对中碳钢连铸方坯碳偏析的影响.炼钢.2008，24(1)：40-43.[25-27]；③连铸轻压下技术，如李晓伟，张维维，魏元等.连铸轻压下技术的发展和应用.鞍钢技术.2008，(1)：10-14；龙木军.板坯连铸二冷动态轻压下辊缝收缩模型研究及软件开发(D).重庆大学.硕士学位论文，2007；及以Byrne，Tercelli.Mechanicalsoft reduction in billet casting.Steel Times Inernational.2002，10：33~35.等等。

但是，连铸坯偏析缺陷实测分析控制只能对部分连铸坯抽样检测分析，并不能分析连铸过程中的全部现象，具有一定的片面性，收到的成效也很有限。电磁搅拌工艺和连铸轻压下技术在减少连铸坯中心偏析上也有一定的成效，但大大增加了生产成本，而且对操作控制的合理性有很大的依赖性，对操作工艺参数把握不准确，则偏析改善效果不明显；应用效果不稳定。

连铸坯偏析缺陷的产生与连铸生产工艺操作有着密切的关系。钢种、拉速、冷却工艺等都影响着连铸坯偏析缺陷的产生程度及产生区域。连铸坯偏析实测分析控制只能对部分连铸坯抽样检测分析，并不能分析连铸过程中的全部偏析现象，具有一定的片面性。根据缺陷实测分析来控制改善连铸坯偏析问题具有一定的局限性，收到的成效有限。

电磁搅拌(Electromagnetic stirring：EMS)工艺的实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动。根据电磁搅拌器在铸机冶金长度上的不同安装位置大致分为结晶器电磁搅拌(MEMS)、二冷区电磁搅拌(SEMS)、凝固末端电磁搅拌(FEMS)三种模式。结晶器电磁搅拌对连铸坯中心偏析的改善只有轻微的作用，二冷区电磁搅拌相对较好些，凝固末端电磁搅拌是三种电磁搅拌方式中效果最好的一种。通过凝固末端电磁搅拌，可以加强连铸坯液相穴的钢液流动，促使富集的偏析溶质回流再分配，可以一定程度上改善连铸坯的中心偏析。但电磁搅拌是否能准确作用在连铸坯凝固末端成为了实际操作中的技术局限和难点。连铸工艺操作通常存在一定的波动性，连铸坯凝固末端的位置也会随工艺操作和冷却工艺的波动而波动，并不是一个固定位置，而电磁搅拌器是固定安装在二冷区铸坯外面一个位置上，往往不能准确地在连铸坯凝固末端实施电磁搅拌，从而导致电磁搅拌不起作用或中心偏析改善效果不稳定。而且电磁搅拌技术的实施大大增加了连铸生产成本。

连铸轻压下技术包括静态轻压下技术和动态轻压下技术。连铸动态轻压下技术(Dynamic soft reduction)是指在连铸过程中，动态跟踪连铸坯的热状态，并在连铸坯凝固末端实时调整辊缝，实施连铸坯的凝固末端轻压下，减少连铸坯中心疏松、中心缩孔，并促使铸坯液相穴的钢液回流再分配，从而减少连铸坯中心偏析。连铸动态轻压下技术是目前工艺生产中被认为对改善连铸坯中心偏析成效最好的一种技术手段。连铸二冷动态轻压下技术虽然对连铸坯中心偏析的改善上有一定的成效，但在实际生产控制中，仍存在着以下局限性和技术限制：

1)动态轻压下技术需要实时跟踪连铸过程中连铸坯的凝固末端位置，动态轻压下的效果依赖于它的动态传热模型的准确性和可靠性。但由于在线控制时间上的要求和数学模型建立求解的局限性，通常动态传热模型都会做了很多简化假设，传热模型的边界条件很难完全符合连铸机生产的实际边界条件。

2)连铸生产过程中，可能会因为连铸机二冷喷嘴结构或布置不合理，冷却分布不均，导致连铸坯各部位凝固速度不一致，凝固末端的液芯分叉成若干个狭长区域，凝固末端区域较长。作了简化的连铸动态传热模型是无法真实反映此现象，无法为动态轻压下提供准确的压下位置，从而导致动态轻压下效果不明显，甚至恶化铸坯质量。

3)连铸动态轻压下装备成本及运行成本较高，大大增加了连铸生产成本。

连铸二冷动态轻压下的上述三个限制性技术问题，正是目前很多钢铁企业连铸机的动态轻压下系统应用效果不佳的重要原因。

目前无论是凝固末端轻压下技术还是电磁搅拌技术，都依赖于连铸过程中铸坯凝固末端位置的准确把握程度。凝固末端位置把握不准确，连铸坯中心偏析的改善效果不明显，甚至会恶化连铸坯质量。

现有技术中，对于连铸过程中连铸坯偏析的控制改善，基本上都是采用凝固末端轻压下、电磁搅拌等方法手段达到改善连铸坯偏析的目的。从已有专利的分析可知，还没有采用铸坯凝固壳形貌分析方法来改善连铸过程中铸坯偏析质量的技术。

发明内容

针对现有技术存在的连铸坯中心偏析控制困难、成本高等问题，本发明的目的是提供一种低成本、易实现的能有效改善连铸坯特别是板坯中心偏析的新方法——基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法。

本发明的目的是这样实现的：基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法，其特征在于，通过模拟连铸坯凝固壳生长形貌以及温度分布状态并进行分析，以均匀冷却、铸坯内部中心同时凝固为目标，对连铸机的二次冷却工艺结构进行优化，改善连铸坯二次冷却的均匀性及合理性，从而改善连铸板坯中心偏析。

本发明的具体步骤包括：

①采用计算机系统，通过连铸坯凝固二维传热仿真模型对连铸过程中铸坯的冷却凝固行为进行模拟仿真计算，得到整个连铸过程中的铸坯凝固壳生长形貌以及温度分布状态数值；

②分析研究铸坯凝固壳生长形貌和连铸坯的偏析形成区域及其偏析程度，检查连铸坯的液芯形状是否规则平整；若是，则符合要求；若否，则检查调整优化连铸机二冷区的冷却工艺结构和二冷喷嘴布置系统，特别是铸坯宽度方向的冷却喷嘴布置结构；

③优化调整所述二次冷却工艺结构，使铸坯在宽度方向上的冷却强度基本上均匀分布，在铸坯宽度向上内部中心基本上达到同时凝固，或尽量缩短铸坯宽度方向上内部中心最后凝固的先后时间差，将偏析溶质均匀分配到铸坯宽度方向中心的各个部分，避免某一位置的过度偏析；从而改善连铸坯的中心偏析。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过连铸坯凝固二维传热仿真模型，对钢铁连铸实际生产过程中连铸坯凝固壳的生长形貌进行模拟分析，研究连铸坯的偏析形成区域及其偏析程度，并从连铸坯二次冷却工艺结构及铸坯宽度方向的冷却分布均匀性着手，通过对连铸机的二次冷却工艺结构和二冷喷嘴布置系统特别是铸坯宽度方向的冷却喷嘴布置结构进行优化调整，以达到控制改善连铸坯中心偏析质量问题的目的。

2、本发明使连铸坯宽度方向上内部中心基本上达到同时凝固，或尽量缩短铸坯宽度方向上内部中心最后凝固的先后时间差；这不但利于凝固末端的铸坯偏析溶质回流再分配，而且线型凝固末端可以扩大偏析溶质的分配面积，有利于将偏析溶质均匀分配到铸坯横向中心的各个部分，避免溶质元素的局部偏析聚集导致某一位置的过度偏析，从而有效减轻连铸坯特别是板坯的中心偏析问题。

3、同时，具有规则平整的液芯形状的凝固末端，不但利于连铸坯凝固末端轻压下时的钢液溶质回流再分配，而且容易被一维传热动态控制模型准确地在线跟踪，为连铸过程中的连铸动态轻压下、凝固末端电磁搅拌、二冷动态控制等技术的有效实施提供了有利条件，提高动态轻压下等的实施效率。

附图说明

图1中的(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1)分别为连铸坯在冷却强度分布不均匀时距弯月面不同距离处的断面凝固壳形貌及坯宽方向表面温度分布图；

图2中的(a2)、(b2)、(c2)、(d2)分别为连铸坯在冷却强度分布均匀时距弯月面不同距离处的断面凝固壳形貌及坯宽方向表面温度分布图。

具体实施方式

本发明在国内连铸机的实际生产上应用试验成功。例如某种连铸机的二冷喷嘴布置结构不够合理，在铸坯宽度方向上的冷却强度分布不均匀。

采用本发明方法，即：①采用计算机系统，通过连铸坯凝固二维传热仿真模型对某连铸过程中铸坯的冷却凝固行为进行模拟仿真计算，得到整个连铸过程中的铸坯凝固壳生长形貌以及温度分布状态数值，二次冷却强度分布不均匀时，连铸板坯断面凝固壳形貌及内弧面铸坯宽度方向表面温度分布如图1(a1)、(b1)、(c1)、(d1)、(e1)所示，图中的只为板坯宽度方向的一半，左边为坯宽方向的中心对称线。从图中明显可见，铸坯各部位的凝固壳生长速度不一致，坯壳厚度不均匀，内部中心的部分位置先凝固，最终凝固处的液芯形状将会程多点型或多条短线型，易导致连铸板坯内部中心局部偏析严重；坯宽方向表面温度分布也不均匀。

②然后，分析研究铸坯凝固壳生长形貌和连铸坯的偏析形成区域及其偏析程度，检查连铸坯的液芯形状凝固是否规则；检查发现生产170×1400mm断面的板坯时，在距铸坯表面中心200-400mm处的冷却强度大，首先凝固；而最终凝固的地方在距铸坯窄面100-200mm处。这致使在距铸坯窄面100-200mm处和铸坯中心的偏析比较严重，实际生产中的连铸板坯低倍质量分析也证实了这点。

③最后，检查调整优化连铸机二冷区的冷却工艺结构和二冷喷嘴布置系统，特别是铸坯宽度方向的冷却喷嘴布置结构，使铸坯在宽度方向上的冷却强度基本上均匀分布。采用本发明方法优化改善二次冷却工艺结构后，二次冷却强度分布比较均匀，连铸板坯断面凝固壳形貌及内弧面坯宽方向表面温度分布如图2的(a2)、(b2)、(c2)、(d2)所示，由图可见，连铸板坯的凝固壳均匀规则地生长，连铸坯内部中心基本上同时凝固，最先凝固和同时凝固差距很小，连铸坯液芯在最终凝固处基本上程线型。使铸坯在宽度向上内部中心基本上达到同时凝固(或尽量缩短铸坯宽度方向上内部中心最后凝固的先后时间差)，将偏析溶质均匀分配到铸坯宽度方向中心的各个部分，避免某一位置的过度偏析，从而改善连铸坯的中心偏析。从工艺改进后实际生产的连铸板坯低倍质量分析可证实，连铸板坯中心偏析明显减少和改善。

本发明改善连铸坯在连铸过程中的冷却均匀性后，铸坯的坯宽方向温度分布也较均匀，横断面上的温度梯度比较小，避免了铸坯局部产生较大的热应力，可有效减小连铸坯产生裂纹的可能性。同时，改善连铸坯在连铸过程中的冷却均匀性后，连铸坯凝固末端的凝固壳相貌和液芯比较平整规则，不但提供了一个改善中心偏析的环境，而且为连铸动态轻压下、凝固末端电磁搅拌、二冷动态控制等技术的有效实施提供了有利条件：凝固末端铸坯中心部位基本同时凝固，最终凝固处的液芯基本程线型，凝固末端位置明确，易准确把握，且轻压下或电磁搅拌实施时，偏析溶质容易回流再分配。

本发明方法可直接在各种类型的冶金连铸机特别是板坯连铸机上使用。通过大量试验，并在板坯连铸机的实际生产上得到了应用验证，应用效果明显。可以进一步推广，在各种类型的金属材料连铸成型领域上应用。

本发明的原理是，从连铸过程中连铸坯产生中心偏析的环境着手，采用连铸坯凝固过程模拟分析的方法，研究连铸坯的凝固壳生长形貌和凝固末端液芯形状，对连铸坯产生中心偏析的可能性和偏析程度进行评估，并分析改善连铸坯在连铸过程中纵向和横向上的冷却均匀性，控制连铸坯的凝固壳生长形貌及凝固末端液芯形状，使铸坯横向上内部中心基本上达到同时凝固，或尽量缩短铸坯横向上内部中心最后凝固的先后时间差，即尽量使最终凝固处的连铸坯液芯程线型。这不但利于凝固末端的铸坯偏析溶质回流再分配，而且线型凝固末端可以扩大偏析溶质的分配面积，有利于偏析均匀分配到铸坯横向中心的各个部分，避免溶质元素的局部偏析聚集导致某一位置的过度偏析，从而有效减轻连铸坯特别是板坯中心偏析问题。同时，具有规则平整的液芯形状的凝固末端不但利于连铸坯凝固末端轻压下时的钢液溶质回流再分配，而且容易被一维传热动态控制模型准确地在线跟踪，为连铸过程中的连铸动态轻压下、凝固末端电磁搅拌、二冷动态控制等技术的有效实施提供了有利条件，提高动态轻压下等的实施效率。

凝固壳生长不均匀，会导致连铸坯特别是板坯凝固末端液芯形状不规则，拉长凝固末端的液相穴长度，加剧连铸坯的局部中心偏析。同时，也是凝固末端位置无法准确把握，轻压下技术和电磁搅拌技术无法有效实施的重要原因之一。采用连铸坯凝固壳生长形貌分析方法，改良连铸坯的凝固末端液芯形状，可有效改善冶金连铸过程特别是板坯连铸过程中铸坯中心偏析质量问题；同时可为凝固末端轻压下、电磁搅拌和二冷动态控制等技术的有效实施提供良好前提条件，对提高连铸坯质量和连铸机生产率有很大的必要性。连铸过程中的连铸坯凝固属于非平衡凝固。冷却的工艺和技术对连铸坯的凝固行为均有较大的影响。连铸坯中心偏析形成于连铸坯的凝固末端，主要影响作用在连铸二次冷却区域。二次冷却的分布均匀性及相关工艺与连铸坯的中心偏析有密切的关系。

连铸机二次冷却的分布均匀性及相关工艺，尤其是连铸坯宽度方向冷却分布均匀性，直接影响到凝固末端的连铸坯液芯形状，也就是铸坯的凝固壳形貌。连铸坯严重偏析通常发生在凝固末端的液芯位置，液芯形状决定了连铸坯中心偏析形成的区域分布和偏析程度。如果连铸坯冷却不均匀，冷却工艺不合理，连铸坯各中心部位凝固壳的生长速度不一致，在凝固末端连铸坯不能同时完全凝固。冷却强度大的部位首先凝固，连铸坯液芯分叉成若干个狭长区域，最终凝固处液芯程多点型或多条短线型。这不利于偏析溶质的回流和再分配，而且溶质元素容易在局部位置偏析聚集，导致连铸坯中心线上不连续的孤立的部位偏析严重，恶化连铸坯的使用性能甚至无法使用。这是一种不可忽视的恶化连铸坯尤其是板坯中心偏析的重要原因。而且连铸坯液芯分叉成若干个狭长区域，导致凝固末端拉长，不利于准确把握连铸坯凝固末端位置，有效实施连铸动态轻压下。

中心偏析是连铸生产中经常出现的质量缺陷之一，中心偏析严重影响到了连铸坯的使用性能。针对连铸坯产生中心偏析的原理，以及现有控制方法的不足，本申请人在国家自然科学基金(项目号：50774105)和国内钢铁企业的资助下，对连铸坯中心偏析的控制改善方法进行了深入的探索研究，并即将应用到了板坯连铸工业生产中。

Claims (1)

1.基于凝固壳生长形貌分析的连铸板坯中心偏析的改善方法，其特征在于，通过模拟连铸坯凝固壳生长形貌以及温度分布状态并进行分析，以均匀冷却、铸坯内部中心同时凝固为目标，对连铸机的二次冷却工艺结构进行优化，改善连铸坯二次冷却的均匀性及合理性，从而改善连铸板坯中心偏析；具体步骤包括：

①采用计算机系统，通过连铸坯凝固二维传热仿真模型对连铸过程中铸坯的冷却凝固行为进行模拟仿真计算，得到整个连铸过程中的铸坯凝固壳生长形貌以及温度分布状态数值；

②分析研究铸坯凝固壳生长形貌和连铸坯的偏析形成区域及其偏析程度，检查连铸坯的液芯形状是否规则平整；若是，则符合要求；若否，则检查调整优化连铸机二冷区的冷却工艺结构和二冷喷嘴布置系统，特别是铸坯宽度方向的冷却喷嘴布置结构；

③优化调整所述二次冷却工艺结构，使铸坯在宽度方向上的冷却强度基本上均匀分布，在铸坯宽度方向上内部中心基本上达到同时凝固，或尽量缩短铸坯宽度方向上内部中心最后凝固的先后时间差，将偏析溶质均匀分配到铸坯宽度方向中心的各个部分，避免某一位置的过度偏析；从而改善连铸坯的中心偏析。 

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