2023年, 第42卷, 第2期　刊出日期：2023-04-18

  

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连铸工艺
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  全尺寸高压除鳞喷嘴内部流场特性的数值模拟

  张国新, 刘广强, 刘坤, 韩鹏

  连铸. 2023, 42(2): 1-9.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220115

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  为充分考虑过滤器和稳流器对高压除鳞喷嘴内部流场的影响,利用CFD对全尺寸除鳞喷嘴进行数值建模并对内部流场特性进行研究。分析喷嘴结构以及入口压力对喷嘴内部流场特性的影响,揭示中轴线流场分布特征,阐明出口速度与入口压力之间的数学关系。结果表明,与简化模型相比,全尺寸模型的内部压力较低,二者之间存在(2~4)×10⁵Pa的偏差;对于全尺寸模型,喷嘴内部压力衰减主要发生在收缩段末端以及喷头出口处,其中当水流经过滤器与稳流器时压力衰减约为0.6 MPa;对于相同工况下不同区域,喷头部分的速度变化远大于过滤器与收缩段部分;随着入口压力的增加,内部流场压力衰减逐渐增大,同时整个内部流场的速度也相应增大,且压力越大,速度变化越明显,即喷嘴入口压力与出口速度满足正相关。
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  控流装置对板坯中间包流场的数值模拟优化

  刘东旭, 龚伟, 朱江江, 操瑞宏, 范鼎东, 邓爱军

  连铸. 2023, 42(2): 10-18.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220135

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  采用数值模拟的研究方法,利用ANSYS仿真软件建立三维数学模型,模拟中间包内有无控流装置及控流装置的不同组合方式下的钢液流动行为。结果表明,在中间包内设置挡墙、挡坝对钢液流动行为具有显著影响。挡墙与挡坝间距离改变主要影响挡墙与挡坝之间的钢液以及挡坝右侧区域内钢液的流动特征;挡墙高度主要影响挡墙左侧紊流钢液的回流流动,同时影响流向水口方向钢液的速度;挡坝高度的改变影响挡坝右侧钢液的流动,过低的挡坝造成了中间包内钢液的短路流动。挡墙高550 mm、挡坝高350 mm、挡墙距入口处的距离800 mm、挡墙与挡坝间距离400 mm是较为理想的优化控流组合方式。工业生产验证表明,控流装置的优化组合对于中大型夹杂物的上浮去除效果较为明显,20 μm以上的中大型夹杂物总占比由23.7%降低至9.1%,且铸坯样中未检测到200 μm以上的大型夹杂物。中间包控流装置参数的优化组合有望消除或减轻微合金化铸坯常有的内部夹杂、表层带渣及结瘤等一系列质量缺陷。
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  气幕挡墙技术优化双流中间包流场的物理模拟

  田宝生, 方庆, 王家辉, 武献民, 霍立桥, 张华

  连铸. 2023, 42(2): 19-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220153

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  合理的气幕挡墙安装位置和吹气量是提升中间包内钢液洁净度的关键。以某厂双流板坯中间包为研究对象,利用水模型试验对中间包装备气幕挡墙前后的流场和RTD曲线进行了分析,并对比研究了安装位置和吹气量对中间包流场的影响。结果表明,中间包装备气幕挡墙后,钢液的平均停留时间无明显变化,死区体积比由14.58%减小至5.32%,有利于钢液的混匀。气幕挡墙的安装位置和气量对中间包死区体积比例有显著影响,但对平均停留时间的影响较小。最优的安装位置为距离浸入式水口500 mm,死区体积比例为5.32%,相较于距离为600 mm、700 mm和800 mm的死区体积比例分别减小了1.66%、1.62%和0.87%;最优的吹气量为0.4 m³/h,相较于吹气量为0.5 m³/h和0.6 m³/h,死区体积比例分别减少了2.8%和1.11%。采用气幕挡墙后,铸坯的总氧均值和单类夹杂物1.0级以上比例分别下降了9.5%和20%以上。
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  EAF-LF-VD-CC工艺26CrMo7S钢夹杂物的演变规律

  焦傲腾, 杨树峰, 李京社, 宋景凌, 李恒华, 张福君

  连铸. 2023, 42(2): 28-33.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220131

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  为了控制26CrMo7S钢中夹杂物,提高钢材机械性能,采用全流程洁净度分析,探究了某厂EAF→LF→VD→CC工艺流程夹杂物演变规律。结果表明,LF进站夹杂物主要是由Al₂O₃、MgO和CaS结合的成分不均匀、形貌不规则的复合夹杂物。LF、VD精炼处理后,主要是以Al₂O₃、MgO和CaO、CaS形成不均匀的多边形或近球形复合夹杂物,且CaO含量持续增加。钙处理后,夹杂物进一步球化,主要成分为以CaS包裹的氧化物均匀复合夹杂物。采用EAF-LF-VD-CC工艺,夹杂物数密度呈先降低再升高趋势,在VD工序数密度降至最低16.1个/mm²,平均尺寸呈现先增加后减小的趋势,在VD工序尺寸达到最大值2.83 μm。LF精炼时间短、钙处理不合理、连铸二次氧化是导致钢液中夹杂物超标的主要原因。适当增加LF处理时间、保证充足的弱搅拌、探明合适的钙处理“窗口”、保证夹杂物变性的同时不会过量引入CaO夹杂、连铸工序采用氩封、中间包氩气吹扫等保护手段可以有效提高钢液洁净度。
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  电磁加热回收增材制造用718镍合金粉末有限元模拟

  赵烁, 王冰杉, 吕静彩, 林文, 朱仕彬

  连铸. 2023, 42(2): 34-42.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220099

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  Inconel718合金是增材制造使用最广泛的材料之一,增材制造过程中粉末有效利用率较低,需要回收大量粉末,然而回收重熔过程中存在着熔化速度慢的问题。因此,以Inconel718金属粉末为研究对象,对感应炉加热粉末熔化过程进行数值模拟,通过改变回收粉末的粒径、形状、分布以及感应加热的功率、频率、氛围、线圈数量以及线圈与坩埚中心的距离,来探究不同条件下Inconel718粉末熔化速率的变化。模拟结果显示,在一定粒径范围内,Inconel718粉末制备为直径0.010 m的球体,且大粒径粉末分布在坩埚下方时熔化速率最快。同时熔化速率随着加热功率、频率、线圈数量的增大而加快,随着线圈距离坩埚中心距离增大而减慢,加热氛围可以选择氩气或真空。
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  Q355B板坯连铸凝固传热行为数值模拟

  周国涛, 陈金, 黄标彩, 闫威, 李晶

  连铸. 2023, 42(2): 43-51.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220122

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  针对某钢厂Q355B板坯在拉速提高后连铸工艺参数不匹配的问题,利用ProCAST软件建立铸坯凝固传热模型,研究了不同连铸工艺参数下的铸坯凝固特征。研究结果表明,拉速对板坯凝固过程影响最大,比水量次之,过热度的影响最小。随着拉速增加、比水量降低、过热度的提高,除坯壳厚度降低以外,铸坯温度、凝固终点及两相区长度均呈不同程度的增加。在现场实际生产过程中发现,在不改变比水量和轻压下位置的情况下,改变铸坯拉速,三者之间未能有效配合,导致铸坯出现严重的中间裂纹。基于模拟结果,在拉速提高至1.0 m/min的情况下,将比水量由0.38 L/kg提高至0.55 L/kg,中间裂纹产生的概率从70%降低到了11%左右,铸坯中心偏析控制在C1.5级以上的比例提高了24.5%。
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  低碳钢连铸轻压下工艺的技术研发和应用

  李大明, 林俊, 贺佳佳, 邓向阳, 吴炜, 庞卓纯

  连铸. 2023, 42(2): 52-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220097

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  通过建立160 mm×160 mm断面小方坯QD08连铸二维瞬态传热凝固模型,计算了各拉矫辊位置的铸坯温度和铸坯凝固率,研究了不同压下位置和压下量对QD08连铸坯纵剖低倍质量的影响。研究结果表明,对比中心固相率,低碳钢更适宜以凝固率表征轻压下位置并调试压下工艺。铸坯凝固率0.961~1.000压下,铸坯中心质量较好;铸坯凝固率0.986~1.000压下,铸坯中心存在显著的缩孔;铸坯凝固率0.931~0.961压下,铸坯中心出现显著的压下裂纹。拉速较高时,即便在同样的铸坯凝固率位置执行轻压下工艺也更容易产生裂纹。适当降低压下量可明显改善中心裂纹。
铸坯质量
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  27SiMn钢非金属夹杂物生成及演变规律

  宋保民, 史书广, 刘坤龙, 吕明

  连铸. 2023, 42(2): 57-62.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220150

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  为研究27SiMn钢中非金属夹杂物的生成及演变规律,对某钢厂生产现状进行系统分析。通过工业试验探究“LF进站→钙处理前→软吹后→中间包→铸坯”各阶段夹杂物演变行为,并针对27SiMn钢钙处理现状,应用热力学计算了钙处理钢液中的Al-Ca平衡反应。结果表明,钙处理前夹杂物以CaO-MgO-Al₂O₃三元系夹杂物为主,Al₂O₃质量分数约为67%;软吹后,在CaO-MgO-Al₂O₃系三元相图中,Al₂O₃质量分数减少了约35%,夹杂物成分平均向CaO质量分数高的一侧移动。在CaS-CaO-Al₂O₃系三元相图中,由于夹杂物成分内含有较高的CaS质量分数,约为21%,夹杂物成分也未进入液相区域;铸坯工序,夹杂物多数转变为球状CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂复合夹杂,且观察到大量CaS夹杂物。经热力学分析,在1 873 K下,钢中w([Al])=0.022%时,w([Ca])控制在0.001 3%~0.003 5%之间,处在利于生成12CaO·7Al₂O₃区域,可提高对夹杂物液态改性效果;同时,为防止钢液内纯CaS夹杂物析出,w([S])应控制在0.004 8%以下。
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  预应力高强钢PSB930铸坯缺陷分析及改进工艺

  宋红伟, 王东兴, 任毅, 王吾磊, 杨伟勇, 汪春梅

  连铸. 2023, 42(2): 63-69.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220143

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  为研究预应力高强钢PSB930铸坯出现的表面凹陷、裂纹等缺陷的形成原因。通过铸坯酸洗、化学成分、扫描电镜及能谱分析等方法,确认了PSB930铸坯的凹陷缺陷主要是结晶器内冷却不当形成的应力集中所致,表面裂纹缺陷主要是硫含量高形成的硫化物夹杂引起,并在冷却过程中受热应力和硫化物夹杂共同作用产生沿晶裂纹。通过优化精炼脱氧脱硫制度,调整连铸结晶器水量为115~120 m³/h,二冷比水量为0.5 L/kg的配水比为31∶26∶20∶13∶10,控制中间包过热度在20~30 ℃、优化保护渣碱度至0.95、黏度至2.5 Pa·s等措施,铸坯表面凹陷及裂纹缺陷基本消除,保证了轧材的产品质量。
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  稀土对GCr15轴承钢夹杂物的变质行为分析

  韩杰, 王毅, 刘成宝, 许荣昌, 孙宗辉, 栾义坤

  连铸. 2023, 42(2): 70-77.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220102

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  为分析轴承钢中稀土对夹杂物的变质行为规律,通过工业试验,采用扫描电镜、EDS能谱分析、夹杂物无损提取、ASPEX分析等对比研究了不同稀土含量对GCr15轴承钢中夹杂物的变质行为。随着加入量不同,稀土对钢中夹杂物的改性效果差异较大;在生产中发现,钢中加入质量分数为0.015%的稀土对较大尺寸夹杂物发挥了明显细化作用,加入0.005%稀土时夹杂物呈层状结构,加入0.003%稀土时夹杂物中稀土占比很少,稀土包裹效果减弱。研究分析表明,稀土可有效将轴承钢中的Al₂O₃、CaO、MgO、MnS、CaS等氧化物、硫化物夹杂变质为稀土氧硫化物RE₂O₂S,尺寸由10 μm以上细化至5 μm以下,形态呈球状或椭球状。
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  PMO作用下35CrMnSi合金结构钢铸坯的元素分布

  张亚兵, 王东兴, 赵立, 左小坦, 黄雁, 杨伟勇

  连铸. 2023, 42(2): 78-83.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220137

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  为改善断面直径为300 mm的35CrMnSi合金结构钢连铸圆坯中心元素偏析及径向元素分布均匀性,利用上海大学先进凝固技术中心团队研发的脉冲磁致振荡技术(Pulsed Magneto Osillation,简称PMO)在连铸二冷区进行均质化调控,发现同流次生产钢中碳元素沿铸坯径向分布均匀性提高,铸坯径向碳极差值下降幅度超过40%,Cr、Mn、Si三种元素在铸坯心部区域分布极差值下降幅度分别为18%、16%、33%,C、Cr、Mn、Si元素在铸坯心部严重偏聚现象基本消除。在未改变原有连铸工艺条件下实现了35CrMnSi合金结构钢铸坯元素分布改善,为调控ø300 mm断面圆坯心部质量,改善中心偏析提供了新的手段。
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  连铸结晶器水量对40Cr钢方坯表面裂纹的影响

  史伟宁

  连铸. 2023, 42(2): 84-89.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220119

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  为了改善湘钢2号连铸机产出的40Cr钢铸坯表面裂纹问题,特对不同结晶器水量下铸坯表面质量的变化进行研究。结果表明,随着结晶器水量增加,热流密度先增加后降低,铸坯表层的晶粒尺寸先减小后增大。当结晶器水量小于2 250 L/min时,铸坯表层存在数量较多的异常长大奥氏体晶粒组织,晶粒度不均匀,铸坯表层裂纹主要沿着晶界扩展。当结晶器水量大于2 333.33 L/min时,随着结晶器水量增加,热流密度降低,铸坯表层晶粒尺寸开始增加,铸坯表层没有出现裂纹。当结晶器水量为2 333.33 L/min时,靠近结晶器壁侧钢水形核率最大,铸坯表层晶粒度最细小均匀,获得了最有利于抵抗应力开裂的晶粒组织。这种分析方法为解决铸坯表面裂纹问题提供了新思路。
连铸设备
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  矩形结晶器铜管浇注过程中变形原因分析

  韩伦杰, 曹学欠, 谢一夔, 王前

  连铸. 2023, 42(2): 90-98.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220151

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  为了控制矩形结晶器铜管内腔在浇注过程中的变形,对优化铜管设计提供参考。通过简支梁均布载荷公式计算了结晶器铜管的最大挠度;结合温度梯度和热膨胀系数计算了热变形程度;分析了不同水压下铜管内壁尺寸以及锥度的变化。利用MSC Software软件仿真计算了结晶器内温度场以及变形量分布情况。分析结果表明,冷却水压是引起铜管变形的主要原因,且最大的变形位置在铜管内腔的中心位置,最大变形量为1.76 mm。结晶器铜管的锥度呈现上半部分增大,下半部分减小的趋势。仿真计算结果表明,铜管内腔的平面区域容易产生热应力而发生变形,中区域变形较大,四分之一处的变形量为中心处的72%。冷却水压和变形量呈正比线性关系,并且在同等压力的条件下,铜管壁厚度下降4 mm,变形量增加了35%。
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  特殊钢大方坯连铸机设计特点及生产实践

  李浩, 李新, 陶承岗, 汪国才

  连铸. 2023, 42(2): 99-105.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20210169

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  论述了某厂特殊钢大方坯连铸机的核心工艺及关键设备,阐述了控制铸坯质量的关键设备技术要点及工艺实践,着重描述了大方坯轻、重压下工艺对改善大方坯内部质量的重要作用,详细介绍了该连铸机生产典型高碳轴承钢的冶金效果。生产实践表明,保持生产拉速恒定的情况下,确定合理的轻、重压下区间及压下工艺参数,可显著降低高碳钢中心偏析、改善中心疏松、消除中心缩孔。大方坯连铸机生产的典型钢种GCr15,恒拉速浇注,铸坯碳偏析指数为0.97~1.06,中心疏松不大于1.0级的比例为100%,无中心缩孔缺陷。
技术交流
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  氧化钙碳酸化反应条件探究及其产物分析

  王正豪, 方燕红, 王成瑞, 段华美

  连铸. 2023, 42(2): 106-112.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220146

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  在碳中和的背景下,利用钢渣进行碳捕集和碳储存能够同时达到碳减排和“以废治废”的目的。由于钢渣含有较多的游离氧化钙,因此未经处理的钢渣安定性差且难以利用到其他领域。钢渣碳酸化反应后,其中的游离氧化钙含量大幅降低,可应用于建筑材料中,是最具应用前景的钢渣处理方法。因此,考察纯氧化钙碳酸化反应条件对利用钢渣固碳提高安定性的方法具有直接的指导意义。通过FactSage对CaO和Ca(OH)₂碳酸化进行热力学计算,结果表明在0~900 ℃内,两者都能自发进行碳酸化反应,并开展试验考察了焙烧温度、CaO质量、液固比和CO₂流速4个因素对CaO碳酸化率的影响规律,试验得出当焙烧温度为700 ℃、CaO质量为3 g、液固比为1.67、CO₂流速为35 mL/min时,碳酸化率最高,为60.9%。本研究结果可为钢渣资源化利用提供参考。
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  连铸中间包覆盖剂结壳原因分析及工艺控制

  周业连, 江中块, 张发斌

  连铸. 2023, 42(2): 113-119.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220103

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  中间包渣面结壳不仅恶化中间包冶金效果,还阻碍国内某钢厂智慧连铸工作的推进。为了解决中间包渣面结壳问题,分析钢水温度、中间包渣成分、熔点以及连浇炉数对渣面结壳的影响规律。结果表明,渣层厚度和保温剂的保温效果是中间包渣面结壳主要影响因素。浇注初期,上层覆盖剂保温效果差,中间包渣面熔化成液态。随着连浇炉数增加,渣层热阻增大,中间包渣面重新凝固发生结壳问题。因此,为了改善中间包渣面结壳问题,采用低比重碳化稻壳替代碳化稻球作为保温剂,改善上层覆盖剂的保温效果、阻止浇注初期渣面熔化。现场实施后,一连铸和二连铸中间包渣面结壳率分别从47.3%和35.3%下降到15.0%和10.7%。