25MnSiV矩形连铸坯疏松缩孔模拟研究_葛春钰.pdf

25MnSiV 矩形连铸坯疏松缩孔模拟研究葛春钰1，朱晓雷2,3，裴兰科1，廖相巍2,3，艾新港4（1.鞍钢铸钢有限公司，辽宁 鞍山114021；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009；4.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山114051）摘要：建立了25MnSiV矩形连铸坯凝固组织数学模型，研究了拉速、过热度、二冷区给水量对连铸坯疏松缩孔的影响规律。结果表明，提高拉速和过热度均会增加铸坯疏松缩孔比例，而增加二冷区给水量能降低铸坯疏松缩孔比例，最佳工艺参数分别为拉速1.0 m/min、过热度20、二冷区给水量为最大给水量的60%。关键词：矩形连铸坯；疏松缩孔；拉速；过热度；二冷区给水量中图分类号：TF777文献标识码：A文章编号：1006-4613（2023）01-0017-06DOI：10.3969/j.issn.1006-4613.2023.01.004Simulation Study on Porosity and Shrinkage Cavity in25MnSiV Rectangular Continuous Casting BlankGE Chunyu1，ZHU Xiaolei2,3，PEI Lanke1，LIAO Xiangwei2,3，AI Xingang4（1.Ansteel Foundry Co.，Ltd.，Anshan 114021，Liaoning，China；2.State Key Laboratory of MetalMaterial for Marine Equipment and Application,Anshan 114009，Liaoning，China；3.AnsteelIron&Steel Research Institutes，Anshan 114009，Liaoning，China；4.Material and MetallurgicalSchool，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，Liaoning，China）Abstract：The mathematical model for solidification microstructures of the 25MnSiV rectan-gular continuous casting blank was established.And based on the model the influence rules interms of such factors as casting speed,degree of superheat and water supply in secondary coolingzone on the porosity and shrinkage cavity in a continuous casting blank were studied.The studyresults showed that increasing the casting speed and degree of superheat could raise the ratio ofporosity and shrinkage cavity,while increasing the quantity of water supply in secondary coolingzone could reduce the ratio of porosity and shrinkage cavity.So the best parameters were obtainedthat the casting speed was 1.0 m/min,degree of superheat was 20 and the quantity of watersupply in secondary cooling zone was 60%of maximum quantity of water supply.Key words：rectangular continuous casting blank;porosity and shrinkage cavity;castingspeed;degree of superheat;quantity of water supply in secondary cooling zone学者们普遍认为，疏松缩孔是铸坯在凝固过程中，枝晶之间产生“搭桥”现象，阻止钢液对其凝固体积收缩产生的空隙进行补偿而造成1-2。冶金工作者对此做了大量深入细致的研究，并从不同角度阐明了疏松和缩孔的形成机理。贾浩敏等结合板锤铸件现场铸造工艺情况，利用Pro Cast软件对其凝固过程进行数值模拟，预测其存在的疏松缩孔缺陷，并根据模拟结果采用增大补缩通道及控制压力冒口的方法对原铸造工艺进行了优化，为该铸件的实际生产提供一定的参考依据3。丰小冬等针对Q345B圆形连铸坯出现的中心疏葛春钰，硕士，工程师，2007年毕业于合肥工业大学金属材料工程专业。E-mail:鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期17-松现象，对铸坯的凝固过程进行了研究分析，发现二次冷却强度偏低会导致晶粒的充分长大，晶粒堆砌在液相穴末端，从而形成相应的小缩孔4。左强等以ZL114A铸造铝合金为研究对象，借助Niyama判据预测不同凝固路径及热物性参数下疏松缩孔缺陷的形成，最终结合实验结果，得出溶质偏析对凝固过程中疏松缩孔缺陷形成的影响5。但这些研究均未找出连铸过程各工艺参数对铸坯中心疏松缩孔的影响规律，以及如何调整各参数来确定最佳的连铸工艺。本文根据鞍钢铸钢有限公司现有160 mm220 mm 25MnSiV矩形坯连铸工艺条件，建立连铸数学模型，研究拉速、过热度、二冷区给水量对连铸坯中心疏松缩孔的影响规律，并优化连铸生产工艺参数，以指导现场生产实践。1数学模型的建立1.1几何模型建立与网格划分采 用 切 片 法 对 连 铸 过 程 进 行 模 拟，通 过SolidWorks软件建立三维几何模型。为了得到准确的计算结果并保证计算速度，网格元素尺寸设置为5 mm，总网格数超过442 714个，能够满足计算要求。数值模拟几何模型三视图与网格结构三视图见图1。（a）几何模型三视图；（b）网格结构三视图图1数值模拟几何模型三视图与网格结构三视图Fig.1 Orthographic Views for NumericalSimulation Model and Lattice Construction1.2凝固传热数学模型的建立把钢水进入结晶器的时刻作为初始时刻，温度的初始条件为浇注温度。数学模型建立的前提条件：（1）用切片法进行模拟，假定铸坯任一横截面的上下部分绝热，即忽略拉坯方向的传热，模型简化为二维非稳态传热；（2）钢液考虑为牛顿粘性不可压缩流体，凝固过程体积不变；（3）钢种液相线和固相线不变；（4）铸坯的物性参数视为各向同性。当钢水在结晶器中凝固成具有一定厚度的坯壳后，由于拉辊机的作用，坯壳以一定的速度从结晶器弯月面向矫直切割机方向移动，同时，铸坯中心的热量会向其表面传导，钢的热物性能及铸坯的边界条件决定了二冷过程中传导热量的多少。假设铸坯厚度方向为x，凝固壳温度分布为T（x,y,t），则铸坯凝固传热数学方程可用微分形式表示，由此，建立二维非稳态传热模型如下：cp坠T坠t=（坠2T坠x2+坠2T坠y2）+L坠fs坠t（1）式中，为密度，kg/m3；cp为比热，J/（kgK-1）；为导热系数，W/（mK-1）；fs为固相率；L为熔化潜热，J/kg。结晶器内的传热可以用第二类边界条件来描述，结晶器内瞬时热流密度为6：q=2.680-Nt姨（2）式中，q为结晶器内某一位置处钢液的瞬时热流密度，MW/m2；t为钢水在结晶器内的停留时间，s；N为常数，由实际测定的结晶器热平衡与结晶器平均热流密度计算得出。结晶器瞬时热流密度与结晶器内平均热流密度的关系可用如下公式表达：q=tc0乙qdttc（3）式中，q为结晶器的平均热流密度，W/m2。钢液在结晶器内平均热流密度（小方坯截面结晶器）还可以表示为：q=wcwW（T1-T2）S（4）式中，w为冷却水密度，kg/m3；cw为冷却水比热容，J/（kgK-1）；W为冷却水量，m3/s；T1为结晶器出水温度，K；T2为结晶器进水温度，K；S为结晶器与钢液的有效接触面积，m2。二冷区传热通常采用第三类边界条件描述，足辊区换热系数可以表示为7：h=1 570Qw0.551-0.007 5（Tw-273.15乙乙）/4（5）式中，h表示足辊区换热系数，W/（m2K-1）；Qw表示鞍钢技术 2023 年第 1 期葛春钰等:25MnSiV 矩形连铸坯疏松缩孔模拟研究总第 439 期18-二冷区冷却水流量，kg/s；Tw表示二冷区冷却水温度，K。其他二冷区换热系数可用下式表示8：h=116+10.44Qw0.851（6）空冷区部分边界条件用辐射换热和对流换热描述，其热流密度可以表示为：q=（Ts4-Te4）+ha（Ts-Te）（7）式中，为玻尔兹曼常数，通常取5.66910-8W/（m2K4）；为铸坯表面平均黑度，通常取0.8；Ts表示坯壳表层温度，；Te表示环境温度，；ha表示空气自然对流换热系数，通常为525W/（m2K）。1.3材料的物性参数材料的热物理特性随着时间的改变而改变，因此在数值模拟过程中需要掌握材料在具体时刻的具体物性来定义边界条件。表1为25MnSiV钢化学成分。表1 25MnSiV钢化学成分（质量分数）Tab1e 1 Chemical Compositions in25MnSiV Steel（Mass Fraction）%根据液相线和固相线温度计算公式9-10得到25MnSiV的液相线温度为1 515，固相线温度为1 457，计算如下：T液=1 539-（70C+8Si+5Mn+30P+25S+1Cu+4Ni+1.5Cr）（8）T固=1 536-（267.76C+14.929Si+9.048Mn+581.437P+1 014.005S）（9）1.4疏松缩孔判据的选择本文采用Niyama判据对疏松缩孔进行预测。Niyama判据是日本Niyama等人通过分析比较3种尺寸、5种成分的圆柱形铸钢件疏松缩孔分布状况找出的一种用于预报铸件缩孔，尤其是疏松的判据11。Niyama的研究表明，铸件凝固终了时的温度梯度与冷却速度的二次方根的比值是最能反映铸件内部疏松缩孔分布的函数值。当该值小于某一临界值时，例如对于铸钢件，就会在该区域内产生疏松缩孔缺陷，且在所研究的范围内该临界值与合金成分、铸件的形状和尺寸无关12-13。目前，MAGMA、FTSolver及Pro CAST等铸造模拟软件都采用Niyama判据法来预测铸件的疏松缩孔，取得了一定的效果14-161。1.5数学模型的验证根据现场测温及不同二冷水量下实际铸坯低倍组织规律来验证本文模型的准确性。现场连铸工艺参数为：拉速1.11 m/min、浇注温度1 530、结晶器水流量159.7 m3/h、结晶器水温差7.5、二冷足辊水流量3.4 m3/h、二冷一段水流量2.6 m3/h、二冷二段水流量1.9 m3/h、二冷三段水流量0.5 m3/h、二冷水总管温度27.3，测温位置分别在矫正轨之前和火焰切割前铸坯侧表面。每个点测温两次取平均值，测温点1测得温度分别为925 和927，取平均值926，模拟结果测温点1温度范围在933.3966.7，取中间值950，相对误差为2.48%；测温点2测得温度分别为782 和780，取平均值为781，模拟结果测温点2的温度范围766.7800.0，取中间值约783，相对误差为0.44%。实际测温与模拟温度对比见图2。两个点实际值与模拟值相对误差均小于5