CN110802207A - 一种连铸坯组合压下方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种连铸坯组合压下方法，通过对连铸坯实施压下前建立凝固模型，确定铸坯凝固终点位置及中心固相率，预测出铸坯中心宏观偏析最终形成位置的临界固相率和中心疏松开始形成位置的临界固相率，在铸坯凝固末端，中心固相率小于宏观偏析最终形成位置的临界固相率的区域进行动态轻压下，在中心固相率大于中心疏松开始形成位置的临界固相率的区域进行重压下。并且采用压下模型预测不同压下量对中心偏析和疏松的改善效果，以确定最佳压下位置和压下量。本发明能够有效改善铸坯中心偏析及疏松，同时可以预先确定最佳压下参数，实现最佳压下效果，降低实验成本。

Description

一种连铸坯组合压下方法

技术领域

本发明涉及连铸生产技术领域，具体涉及一种连铸坯组合压下方法。

背景技术

宏观偏析和中心疏松是连铸坯的主要内部内部缺陷，控制不当将严重影响钢材产品质量。机械压下是改善铸坯内部质量主要技术手段，尤其针对宏观偏析，随着技术的进步，目前采用动态轻压下技术可以将中心偏析控制在一定范围，但轻压下技术对中心疏松的改善收效甚微。这主要是由宏观偏析和中心疏松的形成特征决定的，申请人研究表明，宏观偏析最终成形位置在凝固终点之前，而中心疏松开始形成位置则在凝固末端固相率较高区域，因此，现有轻压下技术执行的压下区间，对于改善中心疏松并不合适。

为改善铸坯中心疏松，近年来国内外相继开发了凝固末端重压下技术，但由于控制方法限制，现有相关技术仍局限于某一类型连铸坯，如中国专利CN104874758A提供了一种小方坯连铸重压下装置及控制方法；中国专利CN106001476A给出了一种可用于大方坯及宽厚板坯的两阶段压下方法。另外，对于压下工艺，压下位置和压下量设定极为关键，压下位置不当难以取得预期效果，压下量过大不仅增大设备负荷、提高生产成本，更会加重内部缺陷。韩国浦项的PosHarp技术压下区间位于fs＝0.05～0.6；CN106001476A提出大方坯和宽厚板坯压下起点位置均为中心固相率fs＝0.6处，宽厚板坯，第二阶段压下起点为凝固终点。虽然少数研究给出了确切的压下位置，以及压下量区间，但其并无相关依据，因此，显然不能稳定、可靠地发挥工艺效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，为了克服现有技术的不足之处，本发明提供了一种组合压下方法，旨在同时改善铸坯宏观偏析和中心疏松，并且提升工艺效果的稳定性及可靠性。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种连铸坯组合压下方法，包括如下步骤：

S1，建立连铸坯凝固模型，确定铸坯凝固终点位置及中心固相率fs；

S2，通过宏观偏析模型，预测宏观偏析最终形成位置的临界固相率m；通过凝固收缩分析模型，预测中心疏松开始形成位置的临界固相率n；其中，0＜m＜1，0＜n＜1；

S3，在铸坯凝固末端，中心固相率fs小于宏观偏析最终形成位置的临界固相率m的区域进行动态轻压下，在中心固相率fs大于中心疏松开始形成位置的临界固相率n的区域进行重压下。

优选地，所述S3中，在中心固相率fs<m的区域，采用数个扇形段或拉矫辊进行动态轻压下。

优选地，所述扇形段为1-3个，所述拉矫辊为3-6个。

优选地，所述S3中，在中心固相率fs>n的区域采用单辊进行重压下。

优选地，所述重压下工作辊后采用数个压下辊继续施加一定的压下量以防止重压下的回弹。

优选地，所述S1中，建立连铸凝固模型后，对连铸坯温度场进行预测，并采用射钉实验或沉铅法对于凝固模型计算结果进行验证、调试。

优选地，所述S3中，采用动态轻压下和重压下的压下量根据压下偏析模型和压下疏松模型进行预测。

优选地，所述连铸坯包括小方坯、大方坯和厚板坯。

与现有技术相比，本发明给出的组合压下方法，可兼顾宏观偏析和中心疏松的改善，即前段轻压下改善宏观偏析，后续重压下愈合中心疏松；并且，本发明以数值模拟为控制依据，确定压下位置及压下量，可以保证压下效果更显著、准确。

本发明可以同时有效地改善连铸坯宏观偏析和中心疏松缺陷，尤其针对特厚板坯，提升铸坯内部质量，实现低压缩比轧制工艺生产厚板、特厚板。

附图说明

图1为本发明提出的组合压下工艺图；

图2为本发明提出的组合压下控制流程图；

图3为本发明连铸过程压下模型示意图；

图4为实施例1中通过偏析模型计算得出的m值；

图5为实施例1中通过疏松模型计算得出的n值；

图6为基于本发明提出的组合压下方法实施低倍结果。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所公开的连铸坯组合压下方法，是通过对连铸坯实施压下前建立凝固模型，预测出铸坯中心宏观偏析和中心疏松的形成位置的临界固相率，并采用压下模型预测不同压下量对中心偏析和疏松的改善效果，确定最佳的压下位置和压下量。

具体来说，如图1所示，为对板坯进行组合压下的工艺图，其采用多个压下辊，在中心固相率fs相对较小的区域，也是就中心固相率fs小于根据凝固模型预测的宏观偏析最终形成位置的临界固相率m，即fs<m的区域，执行动态轻压下，通过在两相区引起强制对流，使内部溶质元素分布均匀化。此后在中心固相率fs大于根据凝固模型预测的中心疏松开始形成位置的临界固相率n，即fs>n的区域，采用单个压下辊执行凝固末端单辊重压下，通过强制铸坯产生大变形，尤其中心未全凝区域，愈合中心疏松。

如图2所示，本发明提出的组合压下方法包括：

S1，建立连铸坯凝固模型，实时跟踪计算不同位置铸坯的温度场分布，基于温度场结果，计算得出铸坯不同位置处坯壳厚度及不同浇注参数下压下辊对应的中心固相率，确定铸坯凝固终点位置，其控制过程的方程为：

连续性方程

动量守恒方程

其中，动量源项

可以表述为：

式中

—重力加速度，仅作用在z向动量方程，m/s²；

β_T—热膨胀系数，1/K；

β_C,i—元素i的溶质膨胀系数；

ξ—为确保分母不为0引入的一值很小的正数。

能量守恒方程

式中，焓H可表述为温度的函数：

液相分数f_l可以由下式计算得到：

式中，T_l和T_s分别为液相线温度和固相线温度。

S2，通过宏观偏析模型，实时预测连铸过程铸坯内部溶质元素分布规律，得出凝固末端宏观偏析与中心固相率关系图，确定宏观偏析的最终成形位置对应的临界固相率m，其控制方程为：

溶质守恒方程：

凝固前沿溶质再分配：

式中，X为凝固末端微观偏析区间长度，通常假设为二次枝晶间距的二分之一。

式中，α^C为傅里叶数的附加项。

基于凝固模型，建立凝固收缩分析模型，预测连铸过程铸坯内部凝固收缩变化，以及由于凝固收缩产生的中心疏松演变情况，得出中心疏松尺寸与中心固相率关系，确定中心疏松的开始形成形位置对应的临界固相率n，具体计算细节如下：

计算过程中定义了三个变量来描述不同位置处的收缩量，分别为铸坯总凝固体积收缩量ΔV_total、铸坯表面凝固体积收缩量ΔV_surf和铸坯内部体积收缩量ΔV_cent，三个不同位置处的体积收缩量关系为：

ΔV_cent＝ΔV_total-ΔV_surf (11)

式(11)中，ΔV_cent表示铸坯内部体积收缩量，单位为m³；

ΔV_total表示铸坯总凝固体积收缩量，单位为m³；

ΔV_surf表示铸坯表面凝固体积收缩量，单位为m³。

忽略拉速方向传热，取厚度为ΔL的切片作为计算区域，因此铸坯收缩量的横截面面积可表示为：

ΔA＝ΔV/ΔL (12)

ΔA_cent＝ΔA_total-ΔA_surf (13)

温度梯度差异会导致凝固末端收缩孔洞的形成。求解中，我们通过跟踪铸坯凝固前沿的凝固信息来对铸坯总凝固收缩量进行求解。因此，假设凝固过程温度梯度为线性的，铸坯总凝固收缩量可表示为：

式(14)中，x₀表示铸坯断面尺寸，单位为m；

t_end表示铸坯完全凝固时间，单位为s；

t_begin表示铸坯中心进入糊状区时间，单位为s；

β_T表示金属热膨胀系数，取4.0×10^-4 1/K。

铸坯表面凝固收缩量可表示为：

综合方程(13)、(14)和(15)可得出铸坯中心凝固收缩量的求解方程：

将方程(16)对长度x进行积分：

式(17)中，dT(t)/dt表示铸坯凝固前沿冷却速率，单位为K/s；

dT(t)_s/dt表示铸坯表面冷却速率，单位为K/s。

S3，在铸坯凝固末端，在中心固相率较低的区域，即0.1<fs<m的区域，采用1-3个扇形段(板坯或大方坯)或3-6个拉矫辊(方坯)进行动态轻压下，在中心固相率较高的区域，即fs>n的区域，采用单辊进行重压下，同时，为抑制重压下后的回弹现象，重压下工作辊后采用2～3个压下辊继续施加2mm左右的压下量。

S4，采用商业软件Thercast建立连铸过程压下模型(如图3所示)，即压下偏析模型和压下疏松模型，预测前段轻压下对宏观偏析改善效果以及后段重压下对中心疏松的愈合作用，确定最佳压下量，即轻压下X mm，重压下Y mm。

本发明还包括通过射钉实验或沉铅法及测温实验，对凝固模型计算结果进行验证、调试的步骤。

本发明工艺适用于钢的连铸过程，包括小方坯、大方坯、厚板坯，低碳钢到高碳钢、不锈钢的连铸过程均适用。针对连铸坯坯形、连铸参数多样化这一特点，提供一种组合压下方法，给出了一种可通用的组合压下工艺，并给出了具体压下工艺实施参数的确定方法，包括压下位置、压下量的选择。针对连铸坯宏观偏析、中心疏松形成位置的差异性，本发明给出的组合压下方法，可兼顾宏观偏析和中心疏松的改善——前段轻压下改善宏观偏析，后续重压下愈合中心疏松；并且，本发明以数值模拟为控制依据，确定压下位置及压下量，可以保证压下效果更显著、准确。

实施例1

连铸坯规格：165*165mm方坯；实施钢种为82B高碳钢；实施拉速：1.65m/min；

通过建立的宏观偏析模型及疏松模型预测结果，可以得出中心偏析最终形成位置和疏松形成的合理位置。图4给出的是模型计算所得中心偏析的演变规律，可以看出，当接近凝固终点时，中心偏析基本无变化，即中心偏析在接近凝固终点就会最终形成，此实施例下为固相率0.71处。图5给出的是疏松模型计算得出的凝固过程疏松理论值演变情况。结果显示，3临界补缩固相率为0.7时，疏松直径为2mm，与实际铸锭缩孔尺寸相吻合。基于以上结果，本实施例压下工艺设定：模型计算显示，本实施例浇注参数下，m<＝0.71，而n>＝0.7较为合理。因此，本发明在实际应用中，设定前段轻压下施加于中心固相率fs<0.7区域——三个压下辊施加6mm压下量，而后段单辊于中心固相率fs＝0.9位置施加重压下——单压下辊施加12mm压下量。如图6所示，低倍结果表明，本发明提出的连铸坯组合压下方法具有较高的准确性，压下工艺实施一次成功，压下后中心偏析和中心疏松均得到了明显改善。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种连铸坯组合压下方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，建立连铸坯凝固模型，确定铸坯凝固终点位置及中心固相率fs；

S2，通过宏观偏析模型，预测宏观偏析最终形成位置的临界固相率m；通过凝固收缩分析模型，预测中心疏松开始形成位置的临界固相率n；其中，0＜m＜1，0＜n＜1；

S3，在铸坯凝固末端，中心固相率fs小于宏观偏析最终形成位置的临界固相率m的区域进行动态轻压下，在中心固相率fs大于中心疏松开始形成位置的临界固相率n的区域进行重压下。

2.根据权利要求1所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述S3中，在中心固相率fs<m的区域，采用数个扇形段或拉矫辊进行动态轻压下。

3.根据权利要求2所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述扇形段为1-3个，所述拉矫辊为3-6个。

4.根据权利要求1所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述S3中，在中心固相率fs>n的区域采用单辊进行重压下。

5.根据权利要求4所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述重压下工作辊后采用数个压下辊继续施加一定的压下量以防止重压下的回弹。

6.根据权利要求1所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述S1中，建立连铸凝固模型后，对连铸坯温度场进行预测，并采用射钉实验或沉铅法对于凝固模型计算结果进行验证、调试。

7.根据权利要求1所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述S3中，采用动态轻压下和重压下的压下量根据压下偏析模型和压下疏松模型进行预测。

8.根据权利要求1-7任意一项所述连铸坯组合压下方法，其特征在于：所述连铸坯包括小方坯、大方坯和厚板坯。

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