Φ800_mm圆坯Q355...凝固传热数值模拟和工艺实践_周伟基.pdf

书书书作者简介:周伟基(1974 )，男，高级工程师，硕士;E-mail:zhouweiji dtsteel com;收稿日期:2022-09-16通讯作者:刘佳伟(1990 )，男，博士生;E-mail:liujiawei19900617163 comDOI:10 20057/j 1003-8620 2022-00132800 mm 圆坯 Q355NE 凝固传热数值模拟和工艺实践周伟基1，姚玉东1，刘佳伟2，岳峰2，张磊2(1 东北特钢集团股份有限公司总工办，大连 116105;2 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083)摘要:以钢厂断面尺寸为 800 mm 圆坯 Q355NE 为研究对象，建立大圆坯传热模型，在不采用结晶器电磁搅拌的条件下，研究拉速和过热度对凝固过程的影响规律。结果表明:拉速对坯壳厚度、凝固终点位置和中心固相率的影响高于过热度，拉速每增加 0 02 mmin1，凝固终点后移 2 6 m 左右;过热度升高 10，凝固终点后移 0 21 m左右。实际生产中，二冷比水量 0 18 Lkg1、过热度25、拉速 0 14 mmin1时，出结晶器坯壳厚度超过43 mm，末端电磁搅拌充分发挥作用，铸坯中心疏松和中心缩孔较结晶器电磁搅拌(300 A/1 5 Hz)、二冷比水量0 18 Lkg1、过热度25、拉速 0 16 mmin1工艺有所改善。关键词:Q355NE;大圆坯;数值模拟;拉速;过热度Numerical Simulation and Process Practice for Solidificationand Heat Transfer of 800 mm ound Billet Q355NEZhou Weiji1，Yao Yudong1，Liu Jiawei2，Yue Feng2，Zhang Lei2(1 Chief Engineering Office，Dongbei Special Steel Group Co，Ltd，Dalian 116105;2 Schoolof Materials Science and Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083)Abstract:Taking the section size of a steel plant as the 800 mm round billet Q355NE as the research object，the heattransfer model was established to study the influence of casting speed and superheat on the solidification process without e-lectromagnetic stirring of the crystalliser The results showed that the effect of casting speed on thickness of blank shell，theposition of solidification end and centre solid phase rate washigher than that of superheat，and the solidification end point-moved back about 2 6 m for each 0 02 mmin1increased in the casting speed;the solidification end pointmoved back-about 0 21 m for each 10 increased in superheat In actual production，the thickness of the crystallizer billet shell ex-ceeded 43 mm，when the specific water flow of secondary cooling tensity was 0 18 Lkg1，the superheat degree was25，and the casting speed was 0 14 mmin1，while the electromagnetic stirringat the ends can be allowed to play itsfull role，the processhas been improvedKey Words:Q355NE;Large ound Billet;Numerical Simulation;Casting Speed;Superheat随着社会需求的提升和工业的快速发展，大断面圆形连铸坯成为制造特殊钢圆棒材、大型环件等关键工业材料的基础材料。随着圆坯断面尺寸的增大，偏析、疏松、缩孔和表面裂纹等缺陷更加难以控制。铸坯质量和凝固过程中的传热息息相关，因此制定合理的连铸工艺参数尤为重要。许建飞等人1 采用数值模拟的方法对 GCr15SiMn 钢超大圆坯凝固过程传热研究发现连铸工艺参数对尺寸较大的断面影响更为显著。郭春等人2 以北满特钢大断面圆形铸坯为研究对象，发现拉速对表面温度、坯壳厚度和液芯长度影响很大。王璞等人3 通过对结晶器电磁搅拌的研究发现结晶器电磁搅拌器安装位置对大圆坯连铸质量控制意义重大。Q355NE 钢属于低碳低合金高强钢，碳元素质量分数低于 0 2%，中心偏析程度较低。张立峰等人4-6 研究发现低碳钢种采用“结晶器弱电磁搅拌或无电磁搅拌+凝固末端强电磁搅拌”技术，可以达到改善连铸坯皮下负偏析、枝晶转变处正偏析和连铸坯中心正偏析，降低钢渣界面卷渣、中心疏松和中心缩孔的效果。Q355NE 钢连铸过程中不采用结晶器电磁搅拌导致凝固终点后移7，由于末端电磁搅拌器位置不易改变，需要通过调节拉速、比水量和过热度等工艺条件调整凝固终点，让末端电磁搅拌充分发挥作用8。7第 44 卷第 2 期特殊钢Vol 44 No 22023 年 4 月SPECIAL STEELApril2023本文以钢厂断面尺寸为 800 mm 圆坯研究Q355NE 钢连铸过程的凝固和传热，取其 1/4 断面为研究对象，采用 ProCAST 软件针对大圆坯连铸非稳态凝固传热数学模型进行计算，研究拉速和过热度对凝固传热的影响规律。1圆坯凝固传热数学模型1 1模型的假设和凝固传热控制方程连铸为一个伴随液相流动的复杂凝固传热过程，考虑到实际圆坯的连铸工艺及凝固传热特点，对模型做以下假设9-10:(1)铸坯在拉坯方向上的导热量占总导热量的3%6%，因此忽略拉坯方向传热;(2)铸坯圆周上温度分布均匀，仅考虑圆坯径向传热，连铸过程中各段冷却均匀;(3)不考虑弯月面处的复杂传热，结晶器液面保持不变且液面钢水温度与浇注温度相同;(4)采用分段函数处理钢在液态、固液两相区和固态中的热物性参数，采用等效比热容处理凝固潜热;(5)忽略凝固过程中铸坯尺寸的变化。基于以上的假设，在柱坐标下采用傅里叶传热方程来计算凝固过程，控制方程见式(1)。固相率是决定末端电磁搅拌器安装位置的重要参数，其计算公式见式(2)11。Ht=1rr(rTr)+Hffst(1)fs=0TTlTl TTl TsTs T Tl1TTs(2)式中:为钢液的密度，kgm3;H 为焓，Jkg1;t 为时间，s;r 为半径方向，m;为导热系数，Wm11;Hf为凝固潜热，kJkg1;fs为固相率;Tl和 Ts为钢的液相线和固相线温度，。1 2初始条件和边界条件在铸坯传热模型中，将浇注温度视为结晶器弯月面处温度。在结晶器、二冷区和空冷区内，铸坯在导热、对流和辐射的共同作用下凝固，三个冷却区铸坯表面的传热机理不同12-14。结晶器平均热流密度和瞬时热流密度计算以及空冷区热流量和换热系数计算公式与文献 11中一致。二冷区热流量和换热系数计算公式与文献 15 中一致。2数值模拟所需工艺参数钢厂采用全弧形连续矫直铸机，末端电磁搅拌器位置距结晶器弯月面 15 5 m，拉矫机入口距弯月面 19 m，出口距弯月面 38 3 m。Q355NE 钢主要化学成分见表 1，结晶器和二冷区工况条件分别见表 2和表 3。通过模拟软件中的 Lever 定律模型计算可得到Q355NE 钢的固相线温度为 1 452 8、液相线温度为 1 510 5。热导率、密度和焓与温度的关系如图 1 所示。表 1Q355NE 钢的化学成分Table 1Chemical composition of Q355NE steel/%CSiMnPSCrAlNNb01550251350015 0005 0015 00350010 035表 2结晶器工况条件Table 2Operation conditions of crystallizer项目工艺参数结晶器长度，有效高度/mm600，560冷却水流量/(Lmin1)2 300冷却水温差/3 5表 3二冷区工况条件Table 3Operation conditions of secondary cooling zone段数长度/mm冷却方式水量/(Lmin1)足辊段320全水32二冷一段870气雾40二冷二段2 730气雾22二冷三段2 800气雾19图 1Q355NE 钢热物性参数Fig 1Thermal property parameters of Q355NE steel3模型验证和结果分析3 1模型验证为了使模型能够准确反映工业生产实际情况，采用红外测温枪测量铸坯某些位置的表面温度，并与模拟温度进行对比。图2为拉速0 16mmin18特殊钢第 44 卷图 2模拟温度与实测值比对Fig 2Comparison of the simulated temperature and the meas-ured values时，Q355NE 钢连铸过程中实测温度与模拟温度对比，模拟温度相对误差小于2%，模拟结果准确可信。3 2拉速对铸坯凝固传热的影响拉速过大导致出结晶器的坯壳厚度过薄，极易引发漏钢事故。结晶器坯壳安全凝固厚度公式a=0 1543D2，其中 D 为断面尺寸，本次研究中结晶器坯壳安全凝固厚度(a)为 20 mm 时可以有效避免漏钢事故发生，拉速过小不利于连铸高效生产，造成能源的浪费，因此合理的拉速有利于连铸安全高效生产16-17。二冷比水量0 18 Lkg1、过热度 25 条件下，拉速(0 12、0 14、0 16、0 18 mmin1)对铸坯凝固的影响如图 3 所示。图 3(a)可知，在铸坯相同位置处坯壳厚度随拉速增加而减薄，拉速在 0 12 0 18 mmin1，出 结 晶 器 的 坯 壳 厚 度 均 超 过43 mm，因此拉速低于 0 18 mmin1时可以有效防止漏钢。图 3(b)可知，二冷各段的回温随着拉速增加而增加，计算拉速范围内回温在 63 82;随着拉速增加，计算拉速范围内进拉矫机铸坯表面温度平均增加 21 32，增加幅度降低。图 3(c)可知，拉速对凝固终点位置和两相区长度影响显著。拉速每增加 0 02 mmin1，凝固终点后移 2 6 m 左右，过热耗散位置后移 1 9 m 左右，两相区长度增加0 8 m左右。拉速小于 0 16 mmin1时，铸坯进拉矫机时已完全凝固。图 3(d)和(e)可知，拉速对铸坯中心固相率有显著影响。铸坯相同位置处的中心固相率随拉速增加而降低。研究发现在铸坯中心固相率为 0 1 0 2 时采用电磁搅拌技术可以改善钢水质量18，因此，二冷比水量 0 18 Lkg1、过热度25 条件下，拉速为 0 14 mmin1可以让末端电磁搅拌充分发挥作用。3 3过热度对铸坯凝固传热的影响图 3拉速对铸坯凝固的影响:(a)坯壳厚度，(b)表面温度，(c)过热耗散位置以及两相区长度，(d)中心固相率，(e)末端电磁搅拌器位置中心固相率Fig 3Eff