CN116738518B

CN116738518B - 一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法及内部质量控制方法

Info

Publication number: CN116738518B
Application number: CN202311002797.4A
Authority: CN
Inventors: 王璞; 张家泉; 陈亮; 唐海燕; 夏帅康; 蔡森
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2023-08-10
Filing date: 2023-08-10
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2043-08-10
Also published as: CN116738518A

Abstract

本发明提供一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法及内部质量控制方法，属于连续铸造技术领域，包括：构建连铸轻压下的凝固传热模型；以所述凝固传热模型的初始条件对实际生产过程进行指导，记录实际生产过程中存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件；对所述方坯的裂纹靠近中心侧进行连线，测量预设位置处的连线到表面的第一距离；将存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件输入至所述凝固传热模型中，通过所述凝固传热模型计算与所述预设位置相对应处粘滞性温度(LIT)到表面的第二距离；通过所述第一距离与所述第二距离之差对凝固传热模型进行校验。一方面解决了模型验证的问题，使得模型更加准确，另一方面考虑了裂纹能被轧合的情况，扩大了工艺窗口。

Description

一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法及内部质量控制方法

技术领域

本发明属于连续铸造技术领域，特别涉及一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法及内部质量控制方法。

背景技术

数值模拟技术以极低的成本和较大的容错性，深受广大冶金工作者的喜爱，是连铸过程工艺参数优化的重要手段。模型预测的结果通常需要与实际结果进行比较，以验证模型的准确性，现有技术主要通过人为地制造压下裂纹，通过压下裂纹的位置来判断此处铸坯坯壳的厚度，与模型计算坯壳厚度相比较。但是压下裂纹通常具有一定的长度，某些严重的压下裂纹甚至会达到2~3cm，这会严重影响模型预测的准确性。因此，需要对模型准确度的验证进行改进，提高此方法的实用性和准确性。

中心偏析和中心缩孔是影响连铸坯中心质量的两大主要缺陷，并且在后续的加热和轧制过程中，中心偏析很难被有效消除是制约高品质特钢产品质量的瓶颈问题。为此，在连铸过程中，引入了凝固末端轻压下技术。该技术的引入虽然可以有效的控制中心缩孔与中心偏析，但也会诱导中间裂纹的产生。值得注意的是，一定程度的压下裂纹是可以在后续轧制过程中被轧合的。目前主流的研究更侧重于在避免压下裂纹产生的同时，解决中心缩孔和消除中心偏析，但是众所周知，轻压下控制中心缩孔和中心偏析等缺陷和控制压下裂纹的产生往往是相互矛盾的，狭窄的“工艺窗口”并不适配大规模的工业生产，因此急需提供一种新的控制方法，来更好地适配不同的铸机以及存在一定波动的连铸生产过程。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法及内部质量控制方法，一方面解决了模型验证的问题，使得模型更加准确，另一方面考虑了裂纹能被轧合的情况，扩大了工艺窗口。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法，包括：构建连铸轻压下的凝固传热模型；以所述凝固传热模型的初始条件对实际生产过程进行指导，记录实际生产过程中存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件；对所述方坯的裂纹靠近中心侧进行连线，测量预设位置处的连线到表面的第一距离；将以存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件输入至所述凝固传热模型中，通过所述凝固传热模型计算与所述预设位置相对应处LIT到表面的第二距离；通过所述第一距离与所述第二距离之差对凝固传热模型进行校验。

进一步的，所述初始条件包括：压下区间，压下位置和压下量。

进一步的，测量所述连线与中心线交点到表面的第一距离H₁，通过所述凝固传热模型计算出中心线上LIT到表面的距离H₂，相对误差不大于5%，认为凝固传热模型有效。

进一步的，测量所述连线与中心线预设间距处到表面的距离H₁，通过所述凝固传热模型计算出与中心线预设间距相对应处LIT到表面的距离H₂，相对误差不大于5%，认为凝固传热模型有效。

本发明的另一方面还提供一种连铸轻压下内部质量的控制方法，包括：根据钢种和轧制工艺确定能够轧合的裂纹初始尺寸计算修正参数；基于上述的验证方法验证所述凝固传热模型的有效性；若所述凝固传热模型有效，通过凝固传热模型计算在预设条件下，调整中间包内钢液过热度和拉速，使得凝固方坯不产生压下裂纹、解决中心缩孔和中心偏析问题时，计算压下区间所对应的中心固相率区间；通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正；通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程。

进一步的，所述修正参数的计算方式如下：

当，裂纹可以被轧合；

当，裂纹不能被轧合；

；

其中c为综合影响因子，d为临界值，k为整体压缩比，l初始裂纹最大长度，m初始裂纹最大宽度，a和b为权重系数。

进一步的，所述预设条件包括压下区间，压下位置和压下量，且所述压下区间，压下位置和压下量与实际工况一致。

进一步的，通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正包括：

所述中心固相率区间包括上区间和下区间/>，修正后的中心固相率区间包括上区间/>和下区间/>，修正后的中心固相率区间通过下式计算：

；

上式中，为整体修正系数，/>为标准修正系数，/>单位为；

当大于1时，则以1进行计算。

进一步的，通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程，包括：通过调整过热度和拉速，使得修正后的中心固相率区间处于压下区间内。

进一步的，实际生产过程中，中心固相率区间的上区间和下区间在修正后的中心固相率区间基础上，上下浮动不超过0.1。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明提出了采用“对所述方坯的裂纹靠近中心侧进行连线，测量与所述预设位置连线到所述表面的第一距离；以存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件为输入，通过所述凝固传热模型计算与所述预设位置相对应处LIT到表面的第二距离”对模型校核，与以往模型相比，该参数可以更加准确地对模型进行校验；且通过模型计算出来的控制参数对实际生产进行指导，一方面扩大了实际生产过程中的“工艺窗口”，另一方面也验证了模型的准确性。其次，该方法摆脱了传统控制观念，即在避免产生压下裂纹的前提下，消除或减轻中心缩孔和中心偏析，这扩大了工业上可操作的“工艺窗口”，更好地适配不同的铸机条件以及存在一定波动的连铸生产过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的实际生产方坯截面示意图；

图2为本发明实施例提供的通过凝固传热模型计算的方坯截面示意图；

图3为本发明实施例1提供的45钢凝固传热模型计算与实际铸坯截面对比图，其中左侧为45钢实际铸坯截面，右侧为45钢凝固传热模型计算的铸坯截面液相比云图；

图4为本发明实施例提供的工况下的铸坯截面图：a为A工况下，b为B工况下，c为C工况下，d为D工况下；

图5为本发明实施例B工况下，轧材截面图；

图6为本发明实施例C工况下，轧材截面图；

图7为本发明实施例D工况下，轧材截面图。

附图标记：1、实际方坯；2、连线；3、裂纹；10、方坯模型；20、LIT环线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法，包括：

S1.构建连铸轻压下的凝固传热模型。

具体地，所述凝固传热模型包括连续性方程：

(1)

其中，为密度，/>为速度。

动量方程：

；

其中，为压强，/>为有效粘度，/>为层流粘度，/>为湍流粘度，/>为重力加速度，/>为液相分率，/>取值为0.001，/>为糊状区常数，取值为1×108，/>为拉坯速度，T为当地温度，/>为液相线温度，/>为固相线温度。

低雷诺数方程：

；

其中，k为湍动能，为湍流耗散率，/>为常量。

能量方程：

；

其中，H为系统总焓，为参考温度，/>为有效导热系数，/>为参考温度下的热焓，为比热容，L为凝固潜热。

边界条件为：

1）将弯月面设置成绝热边界条件（wall），并将此处其他变量的法向梯度设置成0；

2）模型入口条件设置为速度入口。入口速度v可通过质量守恒进行计算得到，使用以下半经验公式计算入口湍流动能k和湍流耗散率：

；

其中，D为水口直径。

3）铸坯表面均采用无滑移壁面，并施加不同的冷却条件。各区域表面冷却条件如下：

结晶器区域：

；

二冷区：

全水冷却：

；

气雾冷却：

；

空冷区：

；

其中，为热流密度，W∙m^-2；为距弯月面的距离，m；/>为拉速，m∙s^-1；/>为结晶器有效长度，m；/>为平均热流密度，W∙m^-2；/>为冷却水比热容J∙kg^-1∙K^-1；m为结晶器冷却水流量，kg∙s^-1；/>为冷却水温差，K；/>为有效冷却面积，m²；/>和/>是冷却水密度，单位分别是L∙m^-2∙s^-1和L∙m^-2∙min^-1；/>为铸坯表面温度，K；/>为环境温度，K；/>为铸坯表面黑度；/>为波尔茨曼常数。

S2.以所述凝固传热模型的初始条件对实际生产过程进行指导，记录实际生产过程中存在裂纹的方坯所对应的初始条件。

具体地，初始条件包括：压下区间，压下位置和压下量。压下区间为压下辊设置的空间距离，在压下区间内可以设置多个压下辊；压下位置为压下辊布置的空间位置，从铸坯进入方向开始，第一压下辊对应于第一压下位置，第二压下辊对应第二压下位置，依此类推；压下量为每个压下辊下压的距离。可以理解的是上述三个初始条件作为轻压下的调控区间，属于重点初始条件，其他初始条件还包括中间包钢液过热度，拉速，冷却条件等。通过上述不同的初始条件通过凝固传热模型进行计算，其次采用上述初始条件对实际生产过程进行指导。

S3. 对所述方坯的裂纹靠近中心侧进行连线，测量预设位置处的连线到表面的第一距离。

如图1所示，实际方坯1的横截面上具有多条裂纹3，将裂纹靠近中心侧进行连线，得到连线2，图1中的预设位置为连线2与纵向中心线X之间的交点，测量预设位置连线与上表面的第一距离H₁。

需要指出的是，虽然图1中的表面为方坯上表面，但该表面也可以为下表面、左表面或右表面。所述预设位置可以为连线上的任一位置。

S4. 将存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件输入至所述凝固传热模型中，通过所述凝固传热模型计算与所述预设位置相对应处LIT到表面的第二距离。

如图2所示，通过所述凝固传热模型计算方坯模型10的LIT环线20，所述LIT环线20与中心线X’之间的交点与上表面的第二距离H₂，与S3中的H₁类似，预设位置可以为LIT环线20中的任一位置，表面可以为上表面、下表面、左表面或右表面。

但S3和S4中的预设位置必须对应，即两者横截面重叠在一起时预设位置相重合。

需要指出的是，LIT为粘滞性温度，本发明中粘滞性温度对应固相率为0.85-0.9，可以根据各个钢种的不同计算出相应的粘滞性温度，LIT环线为方坯横截面上黏滞性温度相同的点所连成的线。其次，可以选择压下区间内任一位置的横截面计算LIT并与存在裂纹方坯的连线进行比对，优选采用第一压下位置的横截面LIT环线2’，由于此处固相率低，在压下过程中极易产生裂纹。

优选地，也可以测量所述连线与中心线预设间距处到表面的距离H₁，通过所述凝固传热模型计算出与中心线预设间距处LIT到表面的距离H₂，

S5.通过所述第一距离与所述第二距离之差对凝固传热模型进行校验。

当H₁和H₂之间的相对误差不大于5%时，即或/>，认为凝固传热模型有效。

本发明还提供了一种连铸轻压下内部质量的控制方法，包括：

S10.根据钢种和轧制工艺确定能够轧合的裂纹初始尺寸计算修正参数。

所述修正参数的计算方式如下：

当，裂纹可以被轧合； (19)

当，裂纹不能被轧合； (20)

， (21)

上述公式考虑了钢种、裂纹形状以及轧制过程中断面内外压缩比的不一致影响等因素。其次，上述公式基于不同钢种进行试验可以得到上述参数具体取值。

S11.基于前述模型验证方法验证所述凝固传热模型的有效性。

S12.若所述凝固传热模型有效，通过凝固传热模型计算在预设条件下，调整中间包内钢液过热度和拉速，使得凝固方坯不产生压下裂纹的同时、解决中心缩孔和中心偏析问题时，计算压下区间所对应的中心固相率区间。

需要指出的是，本发明中的预设条件包括压下区间、压下位置和压下量，且所述压下区间，压下位置和压下量与实际工况一致，所述实际工况为实际生产过程中所采用的条件及参数。

S13.通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正。

;

上式中，为整体修正系数，/>为标准修正系数，单位为/>；/> 和/>的取值也是基于钢种的不同而确定。当/>大于1时，则以1进行计算。

S14.通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程。

具体的，该步骤包括：通过调整过热度和拉速，使得修正后的中心固相率区间处于压下区间内。为了进一步提高实际生产过程与计算结果的一致性，在实际生产过程中，通过调整过热度和拉速，使得在实际生产过程中的中心固相率区间的上区间和下区间在修正后的中心固相率区间基础上，上下浮动不超过0.1，例如修正后的中心固相率区间为0.5-0.8，则实际生产过程中的中心固相率区间为（0.5±0.1）-（0.8±0.1）。

实施例1

本实施例采用45钢进行说明，如图3所示，左半部分为某一工况下得到铸坯横截面低倍，右半部分为模型预测液相比云图（压裂辊处横截面，本实施例中采用压下区间的第一压下辊处横截面），本实施例中LIT，即黏滞性温度对应固相率0.85，测量出压下裂纹靠中心侧端点的连线距离对称轴一定距离W下，到表面的距离H₁为67.6 mm，而模型预测该工况下相应位置的LIT距铸坯表面距离H₂为65.2 mm，两者结果相差2.4 mm，。可知实验结果与模拟预测结果良好吻合，说明模型的准确性，可适用于后续分析。

实施例2

本实施例采用45钢，压下裂纹最大长度l为7.4mm，最大宽度m为0.203mm，k为14.5，可以被轧合，

所述修正参数为3.0818，其中，a取值0.4，b取值0.6：

S11.基于前述模型验证方法验证所述凝固传热模型的有效性。

本实施例采用实施例1建立的模型。

S12.若所述凝固传热模型有效，通过凝固传热模型计算在预设条件下，调整中间包内钢液过热度和拉速，使得凝固方坯不产生压下裂纹、解决中心缩孔和中心偏析问题时，计算压下区间所对应的中心固相率区间。

通过模型计算，A状况下，在压下区间内，当中心固相率区间为0.57-1.00时可以满足不产生压下裂纹，一定程度上解决了中心缩孔和中心偏析。

S13.通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正。

；

上式中，为整体修正系数，取值为1.2，/>为标准修正系数，单位为/>，取值为4.2； />和/>的取值也是基于钢种的不同而确定。当/>大于1时，则以1进行计算。

通过上式计算，得出为1，/>为0.33.

S14.通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程。

具体的，该步骤包括：通过调整过热度和拉速，使得修正后的中心固相率区间处于压下区间内。为了进一步提高实际生产过程与计算结果的一致性，在实际生产过程中，通过调整过热度和拉速，使得在实际生产过程中的中心固相率区间的上区间和下区间在修正后的中心固相率区间基础上，上下浮动不超过0.1。

在本实施例中，本发明通过调节过热度和拉速，当过热度为20℃，拉速为1.1m/min，四个压下位置的下压量分别为1mm、2mm、2mm和2mm时，第一位置和第四位置的中心固相率区间为0.33-0.99，满足要求，记为工况B。

对比例1

在过热度为20℃，拉速为1.2，，四个压下位置的下压量分别为1mm、2mm、2mm和2mm，记为工况C。

对比例2

在过热度为20℃，拉速为1.4，，四个压下位置的下压量分别为1mm、2mm、2mm和2mm，记为工况D。

各工况下各压下辊处中心固相率与压下量分布如表1所示。

采用上述工况对实际生产进行指导，得到的铸坯如图4所示，间距较小、所围成面积较大的虚线为中间柱状晶区与中心等轴晶区的分界线，间距较大、所围成面积较小的虚线内为中间裂纹区域。可以看出A、B、C和D工况下中间裂纹的评级结果分别为0级、0.5级、2.0级和2.5级，其中心缩孔的评级结果分别为1.0级、0级、1.5级、1.5级。可见，随着拉速提高至1.1 m/min时，中心固相率区间在0.33-0.99之间时，铸坯在轻压下的作用下，虽然产生了少量、细小的中间裂纹，但此时铸坯的中心缩孔得到了较好的改善。而随着拉速继续提高，铸坯的中间裂纹和中心缩孔都加剧。

针对B、C和D工况的铸坯进行后续加工，如图5所示，B工况下，k为14.5时，铸坯轧制完成后，裂纹已被轧合；如图6所示，在C工况下，k为14.5时，对应的轧材裂纹长0.44mm，宽0.39mm；如图7所示，在D工况下，k为14.5时，对应的轧材上裂纹长0.94mm，宽0.47mm。

通过上述实施例，可以看出本发明所提供的技术方案不仅可以在允许一定裂纹存在的条件下，降低了中心缩孔和中心偏析，且在后续轧制过程中裂纹被轧合，提高了铸坯质量的同时，扩大了连铸过程的工艺窗口。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种连铸轻压下的内部质量控制方法，其特征在于，包括：

根据钢种和轧制工艺确定能够轧合的裂纹初始尺寸计算修正参数；

基于连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法验证凝固传热模型的有效性；

若所述凝固传热模型有效，通过凝固传热模型计算在预设条件下，调整中间包内钢液过热度和拉速，使得凝固方坯不产生压下裂纹、解决中心缩孔和中心偏析问题时，计算压下区间所对应的中心固相率区间；

通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正；

通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程；

所述修正参数λ的计算方式如下：

当裂纹可以被轧合；

当裂纹不能被轧合；

λ＝al+bm，a+b＝1

其中c为综合影响因子，d为临界值，k为整体压缩比，l初始裂纹最大长度，m初始裂纹最大宽度，a和b为权重系数；

所述连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法，包括：

构建连铸轻压下的凝固传热模型；

以所述凝固传热模型的初始条件对实际生产过程进行指导，记录实际生产过程中存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件；所述初始条件包括：压下区间，压下位置和压下量；

对所述方坯的裂纹靠近中心侧进行连线，测量预设位置处的连线到表面的第一距离；

将存在裂纹的方坯所对应的第一初始条件输入至所述凝固传热模型中，通过所述凝固传热模型计算与所述预设位置相对应处LIT到表面的第二距离；

通过所述第一距离与所述第二距离之差对凝固传热模型进行校验；

测量所述连线与中心线交点到表面的第一距离H₁，通过所述凝固传热模型计算出中心线上LIT到表面的距离H₂，相对误差不大于5％，认为凝固传热模型有效。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预设条件包括压下区间，压下位置和压下量，且所述压下区间，压下位置和压下量与实际工况一致。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正包括：

所述中心固相率区间包括上区间S_u和下区间S_d，修正后的中心固相率区间包括上区间S_u'和下区间S_d'，修正后的中心固相率区间通过下式计算：

S′_u＝S_u+0.1

上式中，λ₁为整体修正系数，λ₀为标准修正系数，单位为m²；

当S′_u大于1时，则以1进行计算。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程，包括：通过调整过热度和拉速，使得修正后的中心固相率区间处于压下区间内。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，实际生产过程中，中心固相率区间的上区间和下区间在修正后的中心固相率区间基础上，上下浮动不超过0.1。

6.一种连铸轻压下的内部质量控制方法，其特征在于，包括：

通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正；

通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程；

所述修正参数λ的计算方式如下：

当裂纹可以被轧合；

当裂纹不能被轧合；

λ＝al+bm，a+b＝1

所述连铸轻压下裂纹位置的数值模拟验证方法，包括：

构建连铸轻压下的凝固传热模型；

测量所述连线与中心线预设间距处到表面的距离H₁，通过所述凝固传热模型计算出与中心线预设间距相对应处LIT到表面的距离H₂，相对误差不大于5％，认为凝固传热模型有效。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述预设条件包括压下区间，压下位置和压下量，且所述压下区间，压下位置和压下量与实际工况一致。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，通过所述修正参数对所述中心固相率区间进行修正包括：

S′_u＝S_u+0.1

当S′_u大于1时，则以1进行计算。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，通过修正后的中心固相率区间指导实际生产过程，包括：通过调整过热度和拉速，使得修正后的中心固相率区间处于压下区间内。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，实际生产过程中，中心固相率区间的上区间和下区间在修正后的中心固相率区间基础上，上下浮动不超过0.1。