CN112475251B - 一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，主要解决现有板坯连铸动态轻压下工艺压下区间的确定精度低的技术问题。本发明提供的一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，包括：S1采集现场生产参数，包括浇铸钢种的断面尺寸、钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水量及回水温差、铸机二冷分区和二冷喷嘴工作参数；S2建立凝固传热二维有限元模型，求解得出铸坯连铸过程中的二维温度场；S3根据步骤2所确定的铸坯两相区形貌及其温度场，确定两相区并计算两相区等效固相率；S4确定实时压下区间；本发明方法铸坯中心偏析≤1.0比例为96％，中心疏松≤1.0比例为100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种板坯连铸工艺，特别涉及一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，属于钢的连续浇铸技术领域。
背景技术
连铸坯在凝固过程中，随着枝晶生长，溶质元素向液相中排出，富集在凝固末端两相区内。由于凝固末端凝固收缩、铸坯鼓肚、热应力和鼓肚造成凝固末端钢液的流动，促使溶质元素随钢液在较大范围内流动，最终造成中心部位溶质元素含量明显高于其他部位，形成中心偏析。中心疏松通常伴随着中心偏析产生，造成铸坯中心质量缺陷。连铸坯中心偏析和中心疏松严重制约了高品质钢的生产，备受冶金工作者的关注。
动态轻压下作为改善铸坯中心疏松和中心偏析的有效手段，近年来得到了高度的关注和发展。动态轻压下是根据铸流实际凝固情况，确定合理的压下位置(压下区间)和压下量。压下区间作为动态轻压下的一个关键工艺参数，直接影响铸坯质量的改善效果。若压下区间位置靠前，则容易产生内裂纹等缺陷；若压下区间靠后，则对中心偏析、中心疏松的改善效果减弱。进而，动态轻压下工艺压下区间的确定，成为了影响铸坯中心偏析和中心疏松改善效果的关键因素。如何准确、快速的确定压下区间，将直接影响铸坯质量的改善情况。
申请公布号为CN101648263A的中国专利申请文件公开了一种优质帘线钢大方坯连铸动态轻压下工艺，通过铸坯中心线的固相率确定压下区间及压下量，在铸坯中心线固相率为35％～100％对应的位置实施压下工艺。
申请公布号为CN101695747A的中国专利申请文件公开了公开了一种大方坯连铸动态轻压下压下区间控制方法，该方法虽然考虑了铸坯断面两相区内溶质元素的平均偏析指数，但本质上压下区仍是根据中心固相率确定。
韩志伟等(Development and Application of Dynamic Soft-reductionControl Model to Slab Continuous Casting Process，ISIJ，2010，50(11)：1637-1643)根据模拟计算铸坯中心温度及固相率确定动态轻压下区间。
上述方法对动态轻压下区间的确定，均考虑了铸坯中心的凝固情况，而未充分考虑两相区的整体凝固情况。然而，在实际连铸过程中，铸坯断面尺寸、拉速、二冷水喷嘴等发生变化时，根据铸坯中心固相率确定的压下区间适用性变差。
例如，当浇注不同断面尺寸的铸坯时，即使铸坯中心固相率相同，两相区形状及凝固情况也可能存在较大差异，此时采用铸坯中心固相率确定压下区间准确性变差。而且，铸坯中心偏析和中心疏松的形成，是凝固末端溶质元素的再分配导致的。仅考虑铸坯中心的固相率，并不能很好地反应铸坯的凝固情况，进而不能更好地进行动态轻压下以改善铸坯中心偏析和中心疏松。
综上所述，现有轻压下及动态轻压下工艺压下区间的确定主要根据铸坯中心固相率进行确定，而铸坯中心的固相率并不能反映整个两相区的凝固情况，这将导致传统动态轻压下工艺不能最大限度改善铸坯中心偏析及中心疏松。
发明内容
本发明的目的是提供一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，主要解决现有板坯连铸动态轻压下工艺压下区间的确定精度低的技术问题；本发明方法充分考虑根据两相区的凝固情况，能最大限度改善铸坯中心偏析及中心疏松。
本发明的技术思路是建立铸坯凝固传热模型，实时计算铸流各位置处的凝固传热行为，通过一种两相区等效固相率的方法来准确确定动态轻压下区间；具体而言，先根据实际参数建立准确的二维连铸凝固传热模型，进而计算铸流不同位置的传热规律，通过两相区内各节点的加权固相率计算得到两相区的等效固相率，最终通过两相区的等效固相率实时确定动态轻压下的压下区间。
本发明采用的技术方案是，一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，包括以下步骤：
S1采集现场生产参数，包括浇铸钢种的断面尺寸、钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水量及回水温差、铸机二冷分区和二冷喷嘴工作参数；
S2建立凝固传热二维有限元模型，求解得出铸坯连铸过程中的二维温度场；
S3根据铸坯两相区形貌及其温度场，确定两相区并计算两相区等效固相率fs,Ek；所述等效固相率fs,Ek计算公式为：
式(1)中，fs,Ek为k位置处的等效固相率，N为k位置二维凝固传热模型两相区内的节点个数，fs,j为两相区内节点j的固相率；
S4根据k位置两相区等效固相率fs,Ek及该钢种轻压下区间对应的起始固相率fs,start和终止固相率fs,end确定k位置是否处于压下区间，确定实时压下区间。
进一步，所述步骤S2包括以下步骤：
S21根据连铸过程中铸坯截面尺寸，以铸坯横断面1/4为对象建立二维有限元凝固传热模型；二维凝固传热有限元模型的凝固传热控制方程如式(1)所示：
式(1)中，T为温度，℃；ρ为钢的密度，kg/m3；H为热焓，J/kg；k为导热系数，W/(m·℃)；x及y为铸坯的坐标；t为浇铸时间，s；凝固传热二维有限元模型初始温度为现场浇铸温度；
S22根据采集到的现场生产过程参数，处理并计算得到凝固传热模型的定解边界条件；二维凝固传热有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：
(一)以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，采用Savage、Pritchard的方法测得的铸坯在结晶器中的热流密度作为边界条件，如式(2)所示：
式(2)中，q(z)为二维凝固传热有限元模型距弯月面距离为z位置处的结晶器热流密度，MW/m2；l为二维凝固传热有限元模型每个单元距弯月面距离，m，v为工作拉速，m/s，A取经验值2.64，B为根据现场浇铸时结晶器水流量及回水温差求得，如式(3)和式(4)所示：
式(3)和式(4)中，
为结晶器内平均热流密度，MW/m2，ρw为冷却水密度，kg/m3，Vw为冷却水流量，m3/s；Cw为冷却水热容，4200J/(kg·℃)，Δt为结晶器内的回水温差，As为结晶器传热面的面积，m2，tmold为结晶器内的冷却时间，可根据结晶器的有效高度h及工作拉速v计算得到，tmold＝h/v，q(t)为铸坯进入结晶器内不同时刻的热流密度，MW/m2；通过联立上述两式，最终求得B的表达式如式(5)所示：
结合结晶器相关工况参数及式(5)最终制定的A、B；
(二)以实测二冷区水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件；采用菲格洛及岛田测定的二冷区等效换热系数作为二冷区内的边界条件，如式(6)所示：
hi＝αiwi (x) 0.55(1-0.0075Tw) (6)
式(6)中，hi为第i个二冷区的等效换热系数，W/(m2·℃)；wi (x)为实测第i个二冷区宽面位置X处的水流密度，L/(m2·s)，该水流密度根据相应二冷区内的喷嘴及水流量经过实际测量得出；αi-第i个二冷区内的修正系数；
(三)以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件，空冷区内的辐射散热如式(7)所示：
qB＝σε((Tsurf+273)4-(Tamb+273)4) (7)
式(7)中，qB为空冷区铸坯表面的辐热散热热流密度，W/m2；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε＝0.8为辐射系数；Tsurf为铸坯表面温度，℃；Tamb为环境温度，℃；
S23运行有限元模型，求解得到浇铸条件下的铸坯二维温度场。
进一步，所述步骤S2凝固传热模型求解过程中，以铸坯宽面及窄面单元外表面上的每个积分点为单位，实时计算每个积分点到弯月面的距离，根据该距离及连铸机二冷区划分参数，对每个积分点施加相应铸流位置处的冷却边界条件。
本发明适用于具有凝固末端机械压下功能的板坯连铸机，所生产板坯宽度1600mm～2500mm、厚度200mm～300mm。
本发明结合连铸机的实际浇铸工况参数，以大型商用有限元软件MSC.Marc为计算工具，通过建立连铸过程中铸坯的凝固传热二维有限元模型，最终获取了相应工况条件下铸坯二维凝固传热规律，基于上述规律制定了相应工况条件下的动态轻压下压下区间。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、以实际生产参数为依据建立凝固传热二维有限元模型，保证了凝固传热规律计算的准确性。2、凝固传热二维有限元模型计算速度快，保证了系统实时性。3、通过两相区等效固相率的计算，准确反映铸坯末端的凝固情况，然后通过两相区等效固相率确定能更好改善铸坯中心偏析和中心疏松的动态轻压下区间。4、本发明方法使铸坯中心偏析≤1.0比例为96％，中心疏松≤1.0比例为100％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1，浇铸钢种为Q345钢，钢种主要成分百分含量为：C:0.17,Mn:0.3,Si:0.2,Cu:0.15,S:0.002,P:0.02；浇铸钢种板坯的横截面尺寸为1800mm×280mm；板坯拉速0.83m/min；二冷区比水量0.86L/Kg。
浇铸温度为1540.0℃，结晶器高度900mm，有效高度800mm，结晶器宽面水流量为5632L/min，回水温差为6.7℃，结晶器窄面水流量为598L/min，回水温差为7.2℃，铸机包含8个二冷区和2个空冷区，其中二冷区长度20.57m，总冷却长度34.725m。
二冷区划分参数及各二冷区内的水量见表1；二冷区的等效换热系数见表2。
一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，包括以下步骤：
S1采集现场生产参数，包括浇铸钢种的断面尺寸、钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水量及回水温差、铸机二冷分区和二冷喷嘴工作参数；二冷区内铸坯宽向的冷却水流密度分布规律通过喷嘴冷态实验方法测定；
S2建立凝固传热二维有限元模型，求解得出铸坯连铸过程中的二维温度场；
S21根据连铸过程中铸坯截面尺寸，以铸坯横断面1/4为对象建立二维有限元凝固传热模型；二维凝固传热有限元模型的凝固传热控制方程如式(1)所示：
式(1)中，T为温度，℃；ρ为钢的密度，kg/m3；H为热焓，J/kg；k为导热系数，W/(m·℃)；x及y为铸坯的坐标；t为浇铸时间，s；凝固传热二维有限元模型初始温度为现场浇铸温度T0＝1540.0℃；
S22根据采集到的现场生产过程参数，处理并计算得到凝固传热模型的定解边界条件；二维凝固传热有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：
(一)以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，采用Savage、Pritchard的方法测得的铸坯在结晶器中的热流密度作为边界条件，如式(2)所示：
式(2)中，q(z)为二维凝固传热有限元模型距弯月面距离为z位置处的结晶器热流密度，MW/m2；l为二维凝固传热有限元模型每个单元距弯月面距离，m，v为工作拉速，m/s，A取经验值2.64，B为根据现场浇铸时结晶器水流量及回水温差求得，如式(3)和式(4)所示：
式(3)和式(4)中，
为结晶器内平均热流密度，MW/m2，ρw为冷却水密度，kg/m3，Vw为冷却水流量，m3/s；Cw为冷却水热容，4200J/(kg·℃)，Δt为结晶器内的回水温差，As为结晶器传热面的面积，m2，tmold为结晶器内的冷却时间，可根据结晶器的有效高度h及工作拉速v计算得到，tmold＝h/v，q(t)为铸坯进入结晶器内不同时刻的热流密度，MW/m2；通过联立上述两式，最终求得B的表达式如式(5)所示：
结合结晶器相关工况参数及式(5)最终制定的A、B为：结晶器宽面：A＝2.688；B＝0.2346；结晶器窄面：A＝2.688；B＝0.2402；
(二)以实测二冷区水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件；采用菲格洛及岛田测定的二冷区等效换热系数作为二冷区内的边界条件，如式(6)所示：
hi＝αiwi (x) 0.55(1-0.0075Tw) (6)
式(6)中，hi为第i个二冷区的等效换热系数，W/(m2·℃)；wi (x)为实测第i个二冷区宽面位置X处的水流密度，L/(m2·s)，该水流密度根据相应二冷区内的喷嘴及水流量经过实际测量得出；αi-第i个二冷区内的修正系数；
(三)以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件，空冷区内的辐射散热如式(7)所示：
qB＝σε((Tsurf+273)4-(Tamb+273)4) (7)
式(7)中，qB为空冷区铸坯表面的辐热散热热流密度，W/m2；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε＝0.8为辐射系数；Tsurf为铸坯表面温度，℃；Tamb为环境温度，℃；
凝固传热模型求解过程中，通过MSC.Marc中的二次开发子程序Uflux及Ufilm对二维凝固传热模型施加相应冷却边界条件，具体方法：以铸坯宽面及窄面单元外表面上的每个积分点为单位，实时计算每个积分点到弯月面的距离，根据该距离及连铸机二冷区划分参数，对每个积分点施加相应铸流位置处的冷却边界条件；
S23运行有限元模型，求解得到现场对应浇铸条件下的铸坯二维温度场；
S3根据铸坯两相区形貌及其温度场，采用公式(8)确定两相区等效固相率fs,Ek：
式(8)中，fs,Ek为k位置处的等效固相率，N为k位置二维凝固传热模型两相区内的节点个数，fs,j为两相区内节点j的固相率。
S4根据两相区等效固相率fs,Ek及该钢种轻压下区间对应的起始固相率fs,start和终止固相率fs,end确定i位置是否处于压下区间，最终确定实时压下区间。
在浇铸温度T0＝1540.0℃，拉速0.83m/min，二冷区比水量0.86L/Kg的条件下浇注断面尺寸为1800mm×280mm的Q235连铸板坯，本实施方式确定的压下区间为0.35≤fs,Ek≤0.82。
表1本发明实施例1二冷区划分参数及各二冷区内的水量参数
| 二冷区分区 | 起点,m | 终点,m | 二冷区长度,m | 水量,L/min |
| 1区 | 0.80 | 1.04 | 0.24 | 211 |
| 2区 | 1.04 | 1.60 | 0.56 | 311 |
| 3区 | 1.60 | 2.71 | 1.11 | 344 |
| 4区 | 2.71 | 4.27 | 1.56 | 280 |
| 5区 | 4.27 | 6.19 | 1.92 | 363 |
| 6区 | 6.19 | 10.03 | 3.84 | 278 |
| 7区 | 10.03 | 13.87 | 3.84 | 253 |
| 8区 | 13.87 | 20.57 | 6.70 | 269 |
| 9区 | 20.57 | 27.71 | 7.14 | 0 |
| 10区 | 27.71 | 34.85 | 7.14 | 0 |
表2本发明实施例1二冷区的等效换热系数
本发明对现场铸坯质量改善作用明显，现有工艺条件下，实施例1所涉及的铸坯中心偏析≤1.0比例为78.1％，中心疏松≤1.0比例为89％；采用本发明方法，经过连续6个月的生产统计，实施例1所涉及的铸坯中心偏析≤1.0比例为96％，中心疏松≤1.0比例为100％。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，其特征是，包括以下步骤：
S1采集现场生产参数，包括浇铸钢种的断面尺寸、钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水量及回水温差、铸机二冷分区和二冷喷嘴工作参数；
S2建立凝固传热二维有限元模型，求解得出铸坯连铸过程中的二维温度场；
S3根据铸坯两相区形貌及其温度场，确定两相区并计算两相区等效固相率fs,Ek；所述等效固相率fs,Ek计算公式为：
式(1)中，fs,Ek为k位置处的等效固相率，N为k位置二维凝固传热模型两相区内的节点个数，fs,j为两相区内节点j的固相率；
S4根据k位置两相区等效固相率fs,Ek及该钢种轻压下区间对应的起始固相率fs,start和终止固相率fs,end确定k位置是否处于压下区间，确定实时压下区间。
2.如权利要求1所述的板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，其特征是，所述步骤S2包括以下步骤：
S21根据连铸过程中铸坯截面尺寸，以铸坯横断面1/4为对象建立二维有限元凝固传热模型；二维凝固传热有限元模型的凝固传热控制方程如式(1)所示：
式(1)中，T为温度，℃；ρ为钢的密度，kg/m3；H为热焓，J/kg；k为导热系数，W/(m·℃)；x及y为铸坯的坐标；t为浇铸时间，s；凝固传热二维有限元模型初始温度为现场浇铸温度；
S22根据采集到的现场生产过程参数，处理并计算得到凝固传热模型的定解边界条件；
二维凝固传热有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：
(一)以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，如式(2)所示：
式(2)中，q(z)为二维凝固传热有限元模型距弯月面距离为z位置处的结晶器热流密度，MW/m2；l为二维凝固传热有限元模型每个单元距弯月面距离，m，v为工作拉速，m/s，A取经验值2.64，B为根据现场浇铸时结晶器水流量及回水温差求得，如式(3)和式(4)所示：
式(3)和式(4)中，
为结晶器内平均热流密度，MW/m2，ρw为冷却水密度，kg/m3，Vw为冷却水流量，m3/s；Cw为冷却水热容，4200J/(kg·℃)，Δt为结晶器内的回水温差，As为结晶器传热面的面积，m2，tmold为结晶器内的冷却时间，根据结晶器的有效高度h及工作拉速v计算得到，tmold＝h/v，q(t)为铸坯进入结晶器内不同时刻的热流密度，MW/m2；通过联立上述两式，最终求得B的表达式如式(5)所示：
结合结晶器相关工况参数及式(5)最终制定的A、B；
(二)以实测二冷区水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件；二冷区的等效换热系数如式(6)所示：
hi＝αiwi (x) 0.55(1-0.0075Tw) (6)
式(6)中，hi为第i个二冷区的等效换热系数，W/(m2·℃)；wi (x)为实测第i个二冷区宽面位置X处的水流密度，L/(m2·s)，该水流密度根据相应二冷区内的喷嘴及水流量经过实际测量得出；αi-第i个二冷区内的修正系数；
(三)以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件，空冷区铸坯表面的辐热散热热流密度如式(7)所示：
qB＝σε((Tsurf+273)4-(Tamb+273)4) (7)
式(7)中，qB为空冷区铸坯表面的辐热散热热流密度，W/m2；σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε＝0.8为辐射系数；Tsurf为铸坯表面温度，℃；Tamb为环境温度，℃；
S23运行有限元模型，求解得到浇铸条件下的铸坯二维温度场。
3.如权利要求1所述的板坯连铸动态轻压下压下区间的确定方法，其特征是，所述步骤S2凝固传热模型求解过程中，以铸坯宽面及窄面单元外表面上的每个积分点为单位，实时计算每个积分点到弯月面的距离，根据该距离及现场铸机二冷区划分参数，对每个积分点施加相应铸流位置处的冷却边界条件。
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