CN1911561A - 一种板坯连铸轻压下位置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板坯连铸轻压工艺，特别涉及一种板坯连铸轻压下位置的控制方法。需要解决的技术问题是：确定带液芯轻压下的最佳位置，减少板坯成份偏析质量缺陷，使板坯连铸机的生产质量得到改善，为完整实施带液芯轻压下技术奠定基础。本发明的技术方案为：一种板坯连铸轻压下位置的控制方法，在连铸坯凝固末端，固相分率在0.3－0.8时实施轻压下。采用本发明可以减小铸坯中心的成份偏析，从而降低由于P、S在铸坯中心的富集而使中心裂纹趋势增大的趋势。在不同的固相分率时，对铸坯施加轻压下，其改善铸坯成份偏析的效果有所不同，以fS＝0.3～0.8时效果最佳。

Description

一种板坯连铸轻压下位置的控制方法

技术领域：本发明涉及一种板坯连铸轻压工艺，特别涉及一种板坯连铸轻压下位置的控制方法。

背景技术：连铸过程实施力学加工，如轻压下或铸轧，是提高铸坯质量、发展近终型连铸、实现节能和高效化钢材成形加工的必然趋势。凝固末端轻压下技术是目前国内外冶金研究者普遍关心的一项新技术，能改善铸坯内部成份偏析、中心疏松和中心裂纹等缺陷。轻压下技术关键性的工艺参数主要包括：压下位置、压下率/压下速率、总压下量。由于轻压下工艺不容易掌握和控制，若压下区域和压下量设定得不合理，则反而会加重铸坯的裂纹趋势。为达到轻压下的使用效果确保生产出优质的连铸坯，必须根据钢种、浇注温度、拉坯速度、铸坯尺寸和铸机尺寸等参数来制定对应的轻压下工艺制度。

轻压下技术关键性的工艺参数中，压下位置是轻压下技术重要的参数之一，但目前各文献资料介绍情况存在差异。大多数文献认为：恰当的轻压下位置是在铸坯凝固末端附近，fs＞0.8；少数认为：轻压下区域位于凝固终点之前，也就是说轻压下发生在某一固相率之间。

通过长期经验积累和理论研究，国际上已有少数钢铁生产和设备供应商掌握了板坯连铸动态液芯压下技术，但对技术实施垄断。目前国内尽管引进了相关设备，但对其关键核心技术不得要领，为了尽快拥有这项高新技术及相关方面的知识产权，亟待研究开发。由于凝固过程及其热/力耦合问题的固有复杂性，成功地使用这一技术仍然是世界性的难题。寻求理论支持，促进这一复杂技术的工业实用化和稳定可操作性一直是近年来和今后若干年的重要研究内容。由于缺少凝固温度附近尤其是液—固交界糊状区钢的物性参数，对糊状区钢的变形力学行为也不甚清楚，已有的数学模拟研究结果由于过多地简化，对实际过程的指导意义十分有限。

发明内容：本发明的目的是提供一种板坯连铸轻压下位置的控制方法。需要解决的技术问题是：确定带液芯轻压下的最佳位置，减少板坯成份偏析质量缺陷，使板坯连铸机的生产质量得到改善，为完整实施带液芯轻压下技术奠定基础。

在连铸坯凝固末端，凝固末期溶质富集的浓化钢水，在凝固体积收缩和辊间鼓肚形成的内部负压作用下，向最后凝固的中心区域流动、集中，从而加剧C、Mn、S、P等元素在铸坯中不均匀分布，形成中心偏析。若枝晶粗大、柱状晶发达或凝固通道狭窄，则容易造成凝固前沿搭桥，结果产生的中心偏析有点状不均匀分布的特征；若凝固前沿平坦或凝固通道补缩角大，则形成连续的中心线偏析。因此，钢水过热度、钢种成分(溶质元素含量及其凝固分配系数)、凝固特性、铸坯断面和冷却条件的差异，产生中心偏析的程度和特征都将有所不同。钢材使用条件和性能要求的差异，中心偏析的危害程度也将不同。

本发明的思路是根据连铸板坯凝固过程中形成的组织结构的特点，建立板坯凝固过程的温度场和板坯“选分结晶”的耦合模型，当板坯凝固达到不同的固相分率时，对板坯施加轻压下力，模拟计算钢水中的不同成份在板坯中的偏析趋势，确定带液芯轻压下的最佳位置，减少板坯成份偏析质量缺陷，使板坯连铸机的生产质量得到改善，为完整实施带液芯轻压下技术奠定基础。

本发明的技术方案为：一种板坯连铸轻压下位置的控制方法，在连铸坯凝固末端，固相分率在0.3-0.8时实施轻压下。

本发明的有益效果是：带液芯轻压下技术，可以减小铸坯中心的成份偏析，从而降低由于P、S在铸坯中心的富集而使中心裂纹趋势增大的趋势。在不同的固相分率时，对铸坯施加轻压下，其改善铸坯成份偏析的效果有所不同，以固相分率fS＝0.3～0.8时效果最佳。

附图说明：

图1为本发明确定轻压下位置的逻辑控制框图

图2为本发明两相区钢的高温力学性能示意图

具体实施方式：一种板坯连铸轻压下位置的控制方法，在连铸坯凝固末端，固相分率在0.3-0.8时实施轻压下。为确认其可靠性，理论推理和验证参照图1，

首先对板坯凝固组织结构、两相区力学行为分析理论分析，进行合理简化后，然后结合被研究钢种在冷却过程中的高温弹塑性参数、真实膨胀系数、临界应变值等参数，用通用的大型计算模拟软件MARC建立温度场与选份结晶耦合模型、凝固过程收缩行为模型及计算，最后将温度场与力学耦合进行数值模拟计算，得出结论，并用现场检测分析验证、反馈，实施过程逻辑框图见图1。根据本文的描述，各种模型的建立和计算都是很容易进行的。

板坯凝固组织结构分析：钢一般均含有多种元素，凝固结晶时，不仅会形成收缩空隙，而且还会产生各种元素的分布不均匀性，称为偏析。钢的成份偏析将导致组织和性能不均匀，是影响质量特别重要的因素。

通常凝固过程产生的成份偏析与结晶过程中所形成的铸态结构紧密相关，首先明确被研究对象——模型中“运动的二维切片”，在从结晶器弯月面到冷却结束后，经历的过程完全相同，即板坯凝固过程中，坯壳表面不断受到强制冷却，只考虑宽、厚度方向的二维传热，忽略拉坯方向传热。板坯凝固过程中，其铸态结构特点既不能完全借鉴传统的模铸，也不能等同于钢液在水冷结晶器中的凝固。它在强制冷却的拉坯过程中，虽然从结晶器上部不断浇铸钢液，得到热能的补充，但二维切片在从上到下的运动过程中，不可能像电渣重熔的水冷结晶器中凝固特点，一直是“大梯度、慢结晶”的条件，如果操作工艺不当，还会产生中心疏松和中心裂纹等缺陷。因此，板坯连铸所形成的铸态结构是：坯壳激冷层为细小的等轴晶，但其厚度比模铸薄得多；由于宽面方向一直保持强制冷却，柱状晶垂直于宽面向液芯快速成长，晶枝又多又密，侧向晶枝较难发展，故形成明显的细长柱状晶，晶枝间距较小，柱状晶区较宽，组织均匀致密；中心区冷却强度较小，能定向成长的晶枝较少较稀，侧向晶枝得到较多的发展机会，甚至可能形成明显的树枝状格架，以致虽然仍是主轴占优势的定向晶，可往往被看作是粗大等轴晶，疏松偏析比较严重。

温度场与选份结晶的耦合模型：模型计算过程中，铸坯断面温度T随时间推移而下降，温度变化相应地引起相界面发生推移。对于任意时刻，相界面当前位置按以下原则确定：通过推移相界面，使得由凝固前沿液相内溶质元素当前浓度得到的局部液相线温度T_L，以及由δ/γ界面溶质元素当前浓度得到局部Ar4转变温度T_Ar4，始终等于枝晶断面的当前实际温度T。

模型的基本控制方程为质量守恒定律和菲克第一扩散定律。根据质量守恒原理，对于每个节点，单位时间内该节点内部溶质增加量，等于单位时间内相邻节点对该节点的溶质净输入量。关于轻压下过程对铸坯内部溶质元素的扩散再分配的影响是通过增大溶质元素在液相中的扩散系数来实现的。

铸坯凝固过程“选份结晶”模拟计算：根据连铸板坯的铸态结构分析，本发明的温度场和选份结晶的耦合模型主要考虑密而细长的一次枝晶在其凝固前沿往液芯推移的过程，计算在非平衡结晶状态下结晶凝固时，钢液中的不同元素在板坯厚度方向上所产生的成份偏析分布。

本发明利用选份结晶模型，在不同的固相分率情况下实施轻压下，计算得到的钢中五大元素：碳、硅、锰、磷、硫在铸坯宽度方向上的中心线，从铸坯表面到厚度方向上中心处的浓度分布情况。计算结果表明：当连铸机上没有实施轻压下时，五大元素在铸坯中心的偏析最大；当固相分率在0.8～1.0时实施轻压下，五大元素在铸坯中心的偏析次之；当固相分率在0.2～0.6或固相分率在0.3-0.8时实施轻压下，五大元素在铸坯中心的偏析均比前面两种情况有较大的改善。可见：带液芯轻压下时，可以增加凝固前沿富集了溶质元素的钢液与铸坯中心部分新补充的钢液的溶质交换趋势，使凝固前沿钢液溶质元素的浓度与铸坯中心钢液的溶质元素的浓度梯度有所降低，从而可以达到缓解钢在凝固过程中的成份偏析目的；同时发现，当固相分率为0.3-0.8时，对铸坯实施轻压下，其改善铸坯成份偏析效果更为有效。

钢凝固过程中两相区力学行为：带液芯轻压下技术应用的目的是为了有效地减少钢水中的有害元素在铸坯中产生的中心偏析，从而降低铸坯产生中心裂纹的趋势。因此，在铸坯凝固的不同固相分率时实施，对改善铸坯成份偏析的影响规律的同时，注意钢在凝固前沿的力学行为，以免产生非填充区裂纹则同样重要。

图2为两相区钢的高温力学性能示意图，图中T_sol为由平衡相图得到的固相线温度。当温度下降到液相线温度T_liq时，液态钢水开始结晶，继续下降到固相线温度T_sol以上某一温度时，凝固出的晶体开始能传递微小拉伸力的作用，表现有微弱的强度。定义晶体开始承受拉伸力作用的温度叫做“零强度温度”，以ZST表示。

当继续冷却，晶体承受拉伸力的能力缓慢上升，但是其延展变形能力仍然为零，钢处于脆性区。只有当温度下降到固相线温度T_sol以下某一温度时，钢的延展性才开始上升。定义延展性开始上升的温度叫“零韧性温度”，以ZDT表示。

零强度温度ZST和零韧性温度ZDT是衡量钢高温力学行为的重要参数，它们之间温度区间的大小(ΔT＝ZST-ZDT)是衡量凝固前沿内裂倾向的一个尺度。ΔT越大，在这段温度范围内形成裂纹的几率就越大。虽然在此温度范围内，钢具有一定的强度，但无延展变形能力。

两相区内的低延展性是由树枝晶间溶质微观偏析造成的。P和S等溶质元素在树枝晶间富集，使该处局部固相线温度下降，相应地使铸坯零韧性温度ZDT明显低于由平衡相图得到的固相线温度T_sol。此时，即使微小拉伸应变(1～2％)作用在两相区，也能够撕裂柱状晶粒，若液态钢水不能够及时填充缝隙，裂隙就会从凝固前沿向铸坯表面扩展，形成所谓“热撕裂”内裂纹。因此，两相区溶质偏析使裂纹敏感温度区间显著变宽，从而使裂纹萌生几率大大增加。

Clyne为了研究连铸坯裂纹趋势，把两相区划分为液相填充区和裂纹区，划分界限是临界固相分率^cf_s，所对应的液相渗透临界温度称作“粘滞性温度”，以LIT(Liquid Impenetrable Temperature)表示。在填充区(f_s＜^cf_s)，裂纹会被渗入的液相填充而消失，而在裂纹区(f_s＞^Tf_s)，紧密的树枝晶阻碍了液相填充，使裂纹无法弥合而保留下来。

当温度高于LIT时，液相填充抑制了裂纹生成，而当温度低于ZDT时，钢开始具备一定韧性，裂纹也难以生成。因此，钢在凝固条件下裂纹敏感区间为ZDT＜T_B＜LIT。本研究中，LIT对应固相分率采用0.85，ZDT对应固相分率采用1.0，裂纹敏感区间可以表示为：0.85＜f_s＜1.0。

由以上钢凝固过程中两相区力学行为分析表明：带液芯轻压下位置设置在0.85＜f_s＜1.0之间不十分合理。它虽然对改善铸坯中心偏析有一定效果，但也使铸坯产生中心裂纹的可能性加大，不利于铸坯质量的提高。

板坯凝固过程中收缩行为：铸坯在连铸过程中，存在液态收缩ΔV_液，凝固收缩ΔV_凝和固态收缩ΔV_固，但由于连铸过程中，液态收缩将被不断补充的钢水所弥补，液态冷却收缩量几乎可以忽略不计；而在接近铸坯的凝固末端处，钢水补缩作用大大减弱，或由于冷却不当，形成的“搭桥”现象，铸坯的凝固收缩易造成中心疏松和中心裂纹的缺陷；同时，如果在铸坯凝固点之后，辊缝设计没有充分考虑铸坯的固态收缩，则可使铸坯在凝固过程中形成的中心裂纹进一步扩展，形成不可焊合的中心裂纹等缺陷。

铸坯中心收缩的模拟计算：由“钢凝固过程中两相区力学行为”所述，研究选择在^Tf_s≥0.85时，则紧密的树枝晶阻碍了液相填充，使裂纹或疏松无法弥合而保留下来。根据这种假设，铸坯应力应变模拟计算过程中，当f_s≥0.85时，铸坯中心的凝固模拟将由连续介质考虑为非连续介质，以此得到铸坯由于凝固收缩和固态收缩而产生的中心裂纹的计算结果。

为了进一步研究板坯中的中心裂纹与连铸操作参数的关系，针对一特定板坯连铸机，利用应力应变模型，对一确定钢种确定断面的铸坯，在不同工况下进行模拟计算，得到铸坯厚度方向上的中心部位的钢水在凝固过程中的凝固和固态冷却收缩量。计算结果表明：铸坯在相同拉速的情况下，随着钢水过热度的提高，其中心裂纹趋势增大。铸坯在相同过热度的情况下，铸坯中心裂纹趋势随着拉速的提高而有所增大。因此，在铸坯凝固之后的附近某一段内，考虑给铸坯施加适当的轻压下力，完全可以将中心裂纹重新焊合。

现场检测分析验证、反馈：在具备动态轻压下的板坯连铸机上，对于轻压下的现场实际压下区间是否在fS＝0.3～0.8范围，通过在线高温测试仪间接验证，利用中国科学院研制的红外测温探头波长范围定为(1～1.1微米)以及数据采集计算机进行测定。对于改善偏析的效果则可以由实际连铸生产的低倍硫印检验判定，采用标准为《连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图YB/T4003-1997》。经试验验证，在固相分率在0.3-0.8时，即fS＝0.3～0.8范围实施轻压下，元素的成分偏析最小。

Claims (1)

1.一种板坯连铸轻压下位置的控制方法，其特征是：在连铸坯凝固末端，固相分率在0.3-0.8时实施轻压下。

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