CN105108096B - 一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法 - Google Patents
一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法，属于炼钢连铸技术领域。包括获取铸机设备参数、工艺参数以及钢种物性参数、第一计算模块、第二计算模块及判断调整模块；连铸机设备参数及工艺参数根据相关铸机操作规程及操作要点即可得到；第一计算模块，包括前处理、计算过程以及后处理；第二计算模块采用热‑力耦合的数学模型方法；判断模块用于判断铸坯中心体积收缩量Vs与轻压下对铸坯中心糊状区挤压变形量Vr相对大小。优点在于，方法简单、经济，快速高效的提高产品质量。
Description
技术领域
本发明属于炼钢连铸技术领域，特别涉及一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法。
背景技术
常规连铸条件下，由于钢水选分结晶和枝晶凝固特性，铸坯在最后凝固的中心线区域将因溶质积聚和钢水流动补缩困难不可避免地产生中心偏析和中心疏松缺陷。
连铸轻压下系指在铸坯凝固末端一个合适的两相区内利用当地的夹辊或其它专门设备，对铸坯在线实施一个合适的压下量，用以抵消铸坯凝固末端的体积收缩，避免中心缩孔(疏松)形成；抑制凝固收缩而引起的浓化钢水流动与积聚，减轻中心宏观偏析程度的铸坯凝固过程压力加工技术，如图1所示。动态轻压下技术凭借其在提升铸坯内部质量、提高连铸效率等方面独特的优越性，已成为大方坯、常规板坯、厚板坯、薄板坯的标配技术。
显然，只有合适的压下工艺(包括压下量，压下区间，压下分配等)才能起到改善铸坯内部质量的作用。热跟踪准确性直接决定了轻压下技术的成功与否，压下量的合理制定也决定了内部质量改善的效果。压下量过大，不仅可能导致铸坯产生内部裂纹，而且有可能导致铸坯坯形控制困难(出现严重窄面鼓肚或宽展等形状缺陷)，甚至实施压下机构(扇形段或压下辊)产生变形，对压下工艺的准确控制极为不利；压下量过小，则会导致提高铸坯中心致密性和减轻中心宏观偏析的效果不明显。
因此，合适的轻压下工艺制定需要从两个方面考虑，一方面，为了避免在压下过程中在铸坯敏感区域产生较大应力/应变，应控制压下量的上限，这就需要深入系统地认识和掌握铸坯在轻压下过程中的凝固与变形规律；另一方面，为了保证铸坯在轻压下过程中产生足够的糊状区缩减量，补充铸坯中心的体收缩，应控制压下量的下限，这需要对铸坯在轻压下过程铸坯糊状区的变形以及高温条件下铸坯体收缩量进行定量化研究，这就与不同钢种的高温热物性相关。如图1所示为轻压下工艺补偿中心体积收缩示意图。
然而，如何获得在特定铸机及工艺条件下合适的压下工艺，仍然是困扰大方坯连铸生产的难题之一。本专利提供一种重轨钢大方坯连铸过程中合理压下量的确定方法，简单合理，经济高效，可避免大压下量带来的裂纹风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法。解决了生产过程中轻压下量制定原理不清晰，仅依靠试错法试验的问题。实现了有效降低试验成本，明显改善铸坯内部质量。
一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法，包括获取铸机设备参数、工艺参数以及钢种物性参数、第一计算模块、第二计算模块及判断调整模块，具体步骤及参数如下：
1、获取铸机的设备参数、工艺参数、钢种热物性参数以及热力学特性。
所述连铸机的设备参数包括连铸机基弧半径、连铸坯断面尺寸宽度及厚度、结晶器长度、冷却区布置特点及喷嘴类型等；工艺参数包括：结晶器水量、水温差、各冷却区水量等。所述连铸机设备参数及工艺参数根据相关铸机操作规程及操作要点即可得到。
所述钢种热物性参数包括密度、导热系数、比热，且均为温度的函数，具体计算方法如下：
ρ(δ+γ)＝ρδfδ+ργfγ
keff＝m·k(T)，TL<T
keff＝k(T)·[1+(m-1)(1-fS)2]，TS<T<TL
其中，fα，fδ，fγ，fS，fL，分别为给定钢种凝固过程中α铁素体相，δ铁素体相、奥氏体相、固相、液相、渗碳体相的组成百分比；
ρ(δ+γ)，ρδ，ργ分别为给定钢种凝固过程中固相平均密度，δ铁素体相、奥氏体相的密度；
k，kL，kδ，kγ，分别为给定钢种凝固过程中平均导热系数，液相、δ铁素体相、奥氏体相、珠光体相的导热系数；
C，CS，CL，Cδ，Cγ，分别为给定钢种凝固过程中平均比热、固相、液相、δ铁素体相、奥氏体相、珠光体相的比热；
Lf为凝固潜热，T为凝固过程中温度，TS为钢种固相线温度，TL为钢种液相线温度；
keff，Ceff分别为等效导热系数，等效比热；
m为放大倍数；
热力学特性包括泊松比、弹性模量以及变形本构方程，均为温度的函数。
2、所述第一计算模块通过传热数学模型计算分析给定钢种在凝固过程中铸坯的凝固进程，获得铸坯中心温度达到不同固相率时，凝固体积收缩的变化规律以获得在不同位置进行轻压下时需要补偿的体积收缩量，并得到第二计算模块的初始温度场。所述第一计算模块，包括前处理、计算过程以及后处理。前处理通过连铸机参数、给定钢种工艺参数计算结晶器及二冷却内换热系数，作为第一计算模块边界条件，其中结晶器内换热系数通过结晶器水流量及水温差得到平均热流密度，然后处理为从结晶器弯月面至出口处逐渐递减的平方根关系；二次冷却区内换热系数则根据各冷却区内水流密度通过经验公式计算出各区内二冷换热系数。计算过程需通过商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f获得铸坯中心糊状区的体积收缩量，具体计算方法为：
具体计算方法为：
其中,Vs糊状区枝晶间浓化钢水凝固过程的体积收缩量；
Ai糊状区离散单元i的面积；
Am糊状区所有离散单元的面积之和；
Δρi糊状区浓化钢水凝固前后的密度变化；
ρi离散单元i钢液凝固后密度；
fsi离散单元i所处位置固相率；
n为铸坯糊状区内单元个数；
后处理则根据商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f计算得到体积收缩量随铸坯中心固相率的变化规律，并通过商业软件MSC.Marc通用子程序impd.f输出铸坯初始温度场。
3所述第二计算模块采用热-力耦合的数学模型方法，分析轻压下工艺对铸坯的挤压变形作用以及对糊状区变形的影响；第二计算模块需调用第一计算模块初始温度场作为计算条件，并通过位移边界模拟轻压下压下辊的作用，在模块中耦合商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f获得轻压下工艺对铸坯中心糊状区挤压变形的影响规律，该挤压变形量即为对铸坯中心体积收缩的补偿量；轻压下工艺对铸坯中心枝晶间浓化钢水体积收缩补偿量的计算方法为：
其中，Vr为轻压下工艺实施前后铸坯糊状区体积变化量；
ΔAi为铸坯糊状区内部单元i工艺实施前后面积变化；
n为铸坯糊状区内单元个数；
L为压下扇形段范围内铸坯长度。
4、所述判断调整模块用于判断铸坯中心体积收缩量Vs与轻压下对铸坯中心糊状区挤压变形量Vr相对大小；若则认为此时压下量为当前工艺条件下的合理压下量；若Vr>Vs，则减小压下量，重复上述步骤，直至满足若Vr<Vs，则增大压下量，重复上述步骤，直至
本发明的优点在于：方法简单，经济高效，利用本发明可以在几乎不进行工业性试错实验的条件下解决连铸过程中不同钢种或工艺条件下的轻压下量工艺制定的难题，快速高效的提高产品质量。
附图说明
图1为轻压下工艺补偿中心体积收缩示意图。其中，活动侧压下辊1，固定侧支撑辊2，压下前铸坯及糊状区范围3，压下后铸坯及糊状区范围4。
具体实施方式
实施例1
利用本发明所涉及到的方法制定的重轨钢轻压下工艺在现场得到了应用，具体如下：
1、采用本发明所述方法，获取铸机主要基本参数及压下工艺控制如表1、表2所示。
表1 铸机基本工艺参数及压下工艺
表2 铸机冷却区划分及其长度
表3 钢种成分
根据钢种成分及凝固过程中相变，及公式1中密度计算方法即可得到，该钢种温度达到液相线时密度约7070kg/m3，温度达到固相线时密度为7350kg/m3，当温度介于液相线温度与固相线温度之间时，密度逐渐增大。可见，由凝固末期加速凝固过程中次固液相减密度差异引起的体积收缩时枝晶间浓化钢水流动的主要驱动力之一；根据公式1处理得到导热系数随温度变化规律如下：固相导热系数为30W/(m2·℃)，液相导热系数为79W/(m2·℃)，两相区时导热系数为40W/(m2·℃)，且计算时液相导热系数放大2倍以等效对流传热作用；根据公式1处理得到比热随温度变化规律如下：固相比热为664J/(kg·℃)，液相比热为753J/(kg·℃)，两相区时比热为700J/(kg·℃)，并根据两相区固相率变化处理将凝固潜热270KJ处理为等效比热；根据实际连铸工艺控制，压下位置范围内铸坯中心固相率为0.6时总压下量需达到9.0mm，固相率为0.85时总压下量需达到6.0mm。该钢种弹性模量为温度的函数，温度范围是900℃～液相线温度时，采用公式：
E＝968－2.33·T+1.9×10-3·T2-5.18×10-7·T3
式中E为弹性模量(GPa)，T为温度(℃)，所适用的温度范围是900℃～液相线温度。
当温度处于500～900℃范围时，弹性模量与温度之间几乎呈线性关系，因此采用下面的线性回归公式：
E＝347.6525-0.350305·T
当温度高于固相线温度TS时，随着固相分率的下降，弹性模量由固相线处的的值逐步降低到零强度温度处一个非常接近于零的一个小值，并在零强度温度以上恒定保持为这个小值。因此，两相区的弹性模量可按照下式来确定：
处于固相区时，泊松比ν受温度影响，采用公式：
ν＝0.278+8.23×10-5·T
当温度高于固相线温度TS时，随着固相率的降低，泊松比由固相线TS处的值逐步增加到零强度温度ZST处一个非常接近于0.5的值，并且在ZST以上恒定保持为该值，本专利取0.499。以保证液态下抵抗体积变形能力与固态下一致。
描述钢在不同温度下应力应变特点的本构方程采用如下公式描述：
C＝0.3091+0.2090pctC+0.1773(pctC)2
Q＝17160
n＝6.365-4.521×10-3T+1.439×10-6T2
m＝-1.362+5.761×10-4T+1.982×10-8
2、应用第一计算模块，得到铸坯中心体积收缩量随着中心固相率的增大而逐渐减小，由固相率为0.3时的3.6×10-5m3逐渐减小至0。
3、应用第二计算模块，铸坯中心糊状区变形量随着轻压下量的增加而增加；随着中心固相率增加，坯壳厚度增加，抵抗变形能力增强，铸坯中心糊状区变形量随压下量增加的速度逐渐减小。以中心固相率达到0.6时，压下量应控制在9mm以弥补3.6×10-5m3的体积收缩，中心固相率达到0.8时，总压下量应控制在6mm以弥补4.0×10-6m3的体积收缩。
在实际生产中对不同压下工艺及未轻压下工艺条件下铸坯进行了酸浸低倍检验。采用轻压下工艺可以明显改善铸坯的中心偏析或中心疏松缺陷。同时，采用7mm压下量比采用4mm压下量能够更好的解决铸坯中心偏析或中心疏松问题。中心偏析评C0.5级比率由43.21％提高到82.8％。可见，本专利所述的大方坯连铸轻压下量的确定方法能够很好的指导实际生产，对铸坯质量的持续改善以及降低试验成本具有重要意义。
Claims (1)
1.一种重轨钢大方坯连铸动态轻压下量的确定方法，包括获取铸机设备参数、工艺参数以及钢种物性参数、第一计算模块、第二计算模块及判断调整模块，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)获取铸机的设备参数、工艺参数、钢种热物性参数以及热力学特性；
所述连铸机的设备参数包括连铸机基弧半径、连铸坯断面尺寸宽度及厚度、结晶器长度、冷却区布置特点及喷嘴类型；工艺参数包括：结晶器水量、水温差、各冷却区水量；所述连铸机设备参数及工艺参数根据相关铸机操作规程及操作要点得到；
所述钢种热物性参数包括密度、导热系数、比热，且均为温度的函数，具体计算方法如下：
ρ(δ+γ)＝ρδfδ+ργfγ
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其中，fα，fδ，fγ，fS，fL，分别为给定钢种凝固过程中α铁素体相，δ铁素体相、奥氏体相、固相、液相、渗碳体相的组成百分比；
ρ(δ+γ)，ρδ，ργ分别为给定钢种凝固过程中固相平均密度，δ铁素体相、奥氏体相的密度；
k，kL，kδ，kγ，分别为给定钢种凝固过程中平均导热系数，液相、δ铁素体相、奥氏体相、珠光体相的导热系数；
C，CS，CL，Cδ，Cγ，分别为给定钢种凝固过程中平均比热、固相、液相、δ铁素体相、奥氏体相、珠光体相的比热；
Lf为凝固潜热，T为凝固过程中温度，TS为钢种固相线温度，TL为钢种液相线温度；
keff，Ceff分别为等效导热系数，等效比热；
m为放大倍数；
热力学特性包括泊松比、弹性模量以及变形本构方程，均为温度的函数；
2)所述第一计算模块通过传热数学模型计算分析给定钢种在凝固过程中铸坯的凝固进程，获得铸坯中心温度达到不同固相率时，凝固体积收缩的变化规律以获得在不同位置进行轻压下时需要补偿的体积收缩量，并得到第二计算模块的初始温度场；所述第一计算模块，包括前处理、计算过程以及后处理；前处理通过连铸机参数、给定钢种工艺参数计算结晶器内热流密度及二次冷却区内换热系数，作为第一计算模块边界条件；其中，结晶器内换热密度通过结晶器水流量及水温差得到平均热流密度，然后处理为从结晶器弯月面至出口处逐渐递减的平方根关系；二次冷却区内换热系数则根据各冷却区内水流密度通过经验公式计算；计算过程需通过商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f获得铸坯中心糊状区的体积收缩量，具体计算方法为：
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其中,Vs糊状区枝晶间浓化钢水凝固过程的体积收缩量；
Ai糊状区离散单元i的面积；
Am糊状区所有离散单元的面积之和；
Δρi糊状区浓化钢水凝固前后的密度变化；
ρi离散单元i钢液凝固后密度；
fsi离散单元i所处位置固相率；
n为铸坯糊状区内单元个数；
后处理则根据商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f计算得到体积收缩量随铸坯中心固相率的变化规律，并通过商业软件MSC.Marc通用子程序impd.f输出铸坯初始温度场；
3)所述第二计算模块采用热-力耦合的数学模型方法，分析轻压下工艺对铸坯的挤压变形作用以及对糊状区变形的影响；第二计算模块需调用第一计算模块初始温度场作为计算条件，并通过位移边界模拟轻压下压下辊的作用，在模块中耦合商业软件MSC.Marc通用子程序plotv.f获得轻压下工艺对铸坯中心糊状区挤压变形的影响规律，该挤压变形量即为对铸坯中心体积收缩的补偿量；轻压下工艺对铸坯中心枝晶间浓化钢水体积收缩补偿量的计算方法为：
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ΔAi为铸坯糊状区内部单元i工艺实施前后面积变化；
n为铸坯糊状区内单元个数；
L为压下扇形段范围内铸坯长度；
4)所述判断调整模块用于判断铸坯中心体积收缩量Vs与轻压下对铸坯中心糊状区挤压变形量Vr相对大小；若则认为此时压下量为当前工艺条件下的合理压下量；若Vr>Vs，则减小压下量，重复上述步骤，直至满足若Vr<Vs，则增大压下量，重复上述步骤，直至
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