包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究

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1、冶金之家网站包晶钢矩形坯二冷配水制度优化研究朱立光，张彩军，韩毅华，孙立根，陈伟(河北联合大学)摘要：结合包晶钢的凝固特点，针对其生产中出现的铸坯质量问题，进行了二冷配水制度的优化。结果表明，在二冷比水量为1．1L/kg～1．4L/kg，且使用适宜的二冷喷嘴和合理分配各段水量的前提下，可以避免铸坯出现质量问题，铸坯的表面质量和内部质量均良好。关键词：包晶钢；矩形坯；喷嘴；比水量；二冷配水0引言以Q215、Q235为代表的包晶钢是典型的裂纹敏感性钢种。由于该钢种在1495℃时，在凝固过程中会出现包晶反应:δFe(铁素体)+L(液体)→γFe(奥氏体)，产生强烈的线收缩和体积收缩，其裂纹

2、敏感性较大［1］。只有保证初生坯壳传热均匀，才能防止包晶相变诱发的各种裂纹，因此，一般多采用提高保护渣结晶化率和降低结晶器冷却水量来实现所谓的弱冷工艺［2］。但是，对于断面相对较大的矩形坯而言，角部二维传热和铸坯宽面中心典型一维传热所造成的温差极易诱发铸坯偏离角区域的纵裂纹。从传统工艺及理论角度出发，为防止纵裂纹的进一步扩展，连铸二冷区相应地也应该采用弱冷工艺［3－4］。但在实际生产中，铸机装备水平是影响铸坯质量的决定性因素。对于传统的矩形坯连铸机，铸坯的鼓肚倾向严重，而鼓肚是导致大多数铸坯质量问题的根源［5－6］。如果对于包晶钢矩形坯采用二冷弱冷工艺，会加剧鼓肚的产生，诱发铸坯偏离

3、角纵裂、中间裂纹和三角区裂纹等，导致铸坯质量的大幅恶化。因此，笔者详细分析了国内某厂生产包晶钢矩形坯时存在的铸坯质量问题，在优化结晶器锥度和保护渣的基础上获得了结晶器出口处较均匀的坯壳，进而构建连铸二冷区铸坯凝固传热数学模型，对其连铸二冷配水制度进行优化，最终获得了质量较好的铸坯。1凝固及二冷配水特点一般把含碳量在0．08%～0．15%钢种称为包晶钢。由相图可见，其凝固正好处于包晶区，凝固时会产生包晶反应，而凝固后继续进行固相转变δ→γ，导致在固相线温度以下20℃～50℃钢的线收缩最大。此时，结晶器弯月面刚凝固的坯壳随着温度的下降发生转变，伴随着0．38%的体积收缩，坯壳与铜板脱离，

4、形成不均匀气隙，导致初生坯壳不均匀生长，热流最小，在坯壳较薄处形成凹陷，从而应力集中而出现裂纹［7］。因此，包晶钢铸坯表面裂纹是钢水在结晶器中凝固时形成的。首先在初生坯壳薄弱处产生微裂纹，然后出结晶器后在二冷区进一步扩展，如二冷冷却强度过大，会造成铸坯表面温降较快，断面内温度梯度增大，热应力增大，若超过临界应力即发生裂纹，或在原有微裂纹处扩展成明显裂纹。2连铸生产工艺参数及铸坯质量问题国内某厂生产Q235包晶钢150mm×350mm矩形坯时，铸坯出现鼓肚、中心裂纹和三角区裂纹等严重质量问题，具体如图1所示。冶金之家网站经排除试误分析，这与其连铸二冷配水制度有很大的关系，为了改善铸坯质

5、量，须对其进行优化。表1和表2分别为该钢种连铸机设备及工艺参数和二冷喷嘴布置方式。3二冷配水制度优化3．1二冷喷嘴测试分析采用PZ－W＆P－Ⅲ型连铸二冷喷嘴测试系统，对连铸机二冷用喷嘴进行性能测试。主要测试性能包括:不同供水压力下的水流密度、冲击压力分布、水流总量。测试条件:供水压力范围0．2MPa～0．6MPa，喷嘴断面距铸坯距离115mm。表3是各型号喷嘴在0．3MPa下的喷射角度和流量测试结果。由表3可以看出，8080喷嘴喷射角度略有偏小，11780喷嘴流量严重偏大。其它各喷嘴性能良好，符合国家标准。经过对各喷嘴进行水流密度和冲击压力分布进行测试，结果发现，8080喷嘴是椭圆型

6、喷嘴，其中心部位水流密度较小，左右两端较大，而且其喷射角度偏小;11780喷嘴在压力较低时中心水流密度很小，而铸机二冷水压力非常低，这将导致水流覆盖中间区域冷却不良，影响铸坯质量，而且该喷嘴在0．3MPa下流量14．4L/min，比设计流量偏大23%，将导致该喷嘴喷射面过冷和其它部位喷水不足，这将导致铸坯冷却不良，有可能引起脱方和裂纹等质量缺陷。15680喷嘴是椭圆型喷嘴，其加工工艺较好，满足设计要求。3．2铸坯传热数学模型及冶金准则结合二冷喷嘴测试结果，构建铸坯传热数学模型，根据铸坯的对称性，为简化计算只选取1/4铸坯断面进行分析。3．2．1主控方程连铸热过程的主控方程为下述的非稳

7、态热传输方程:冶金之家网站这里用热焓(H)方法来简化上述两个公式。与等效热容法相比，热焓法避免了等效热熔法对时间步长和空间步长的严格限制，可提高计算精度。在热焓法中，诸如比热、潜热、密度等非线性参数可用如下一个参数代替:3．2．2基本假设上述连铸过程热传输数学模型基于下列假设:忽略结晶器内的钢液流动行为，铸坯两相区和液芯的对流传热靠增大钢液导热系数值3～6倍进行考虑;k(T)，H(T)，ρ(T)仅随温度变化;忽略结晶器振动、结晶器锥度和凝固偏析的影响;忽略