2023年, 第42卷, 第5期　刊出日期：2023-10-20

  

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  序言

  罗衍昭, 刘中秋

  连铸. 2023, 42(5): 1-1.

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综合论述
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  连铸结晶器喂钢带工艺技术研究进展

  荣文杰, 刘中秋, 李宝宽, 姚毓超

  连铸. 2023, 42(5): 2-10.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20220165

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  连铸坯中心偏析、中心疏松等内部缺陷严重影响产品的力学性能,向结晶器内喂入钢带是提高铸坯内部质量的有效方法。喂入钢带对结晶器内原本复杂的多物理场产生诸多影响,涉及流动、熔化、凝固、传热及溶质输运等基础科学问题。梳理了该工艺冷钢带在热钢液中的熔化规律、喂钢带对结晶器内多物理场的影响、喂钢带对连铸坯凝固组织的影响和喂钢带工艺制度及工艺参数4个方面的研究进展,并提出了未来可能的研究方向。
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  国内连铸生产工艺对铸坯内部质量的影响

  王敬忠, 涂凯, 包汉生, 陈其为, 吴明华, 王宝顺, 丁斌华, 张伟

  连铸. 2023, 42(5): 11-20.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230038

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  针对国内连铸生产中铸坯凝固缺陷的现状,从过热度、结晶器电磁搅拌、拉坯速度、二次冷却强度及配水制度、二冷区电磁搅拌、末端电磁搅拌、凝固末端压下制度、矫直辊安装精度等影响连铸坯中心偏析、缩孔、缩松及凝固裂纹等缺陷的主要因素入手,分析了各因素对连铸坯凝固缺陷的影响规律,阐述了为改善连铸坯凝固质量的工艺参数调整要点。近年来,国内很多钢铁企业根据现场的生产条件,在改善连铸坯内在质量、提高连铸坯生产效率等方面做了大量工作,生产效率和铸坯质量都得到了大幅度提高。为满足国内高端制造对高品质钢铁材料的迫切需求,亟需行业科技工作者结合冶金凝固原理对连铸工艺开展进一步的精研细究,进而制造出高凝固质量的连铸坯。
连铸工艺
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  高拉速小方坯结晶器热流密度模型的开发及应用

  向宏学, 韩丽敏, 夏芳勇, 武国平

  连铸. 2023, 42(5): 21-27.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230045

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  作为连铸生产设备中的关键部件,结晶器对高拉速连铸起到了至关重要的作用。通过建立结晶器平均热流密度计算模型,计算结晶器内控制单元中凝固坯壳、糊状区及液态钢水区对应的质量,进一步计算整个控制单元的散热量,从而得到结晶器的平均热流密度。结合低拉速结晶器实际生产工况参数以及数值模拟分析,验证了模型的准确性。在高拉速工况下分析得到:对于160 mm×160 mm小方坯,在有效结晶器长度为900 mm、拉速为6 m/min的条件下,其结晶器出口处凝固坯壳厚度达到10 mm时,结晶器平均热流密度约为4 200 kW/m²;以模型计算得到的热流密度为边界条件,应用有限元仿真软件进行结晶器内钢液凝固状态模拟,计算结果显示凝固坯壳厚度为10 mm。根据平均热流密度计算模型得到的热流密度,结合管内受迫对流换热模型,设计了4种不同的结晶器冷却结构并计算其对流换热系数。利用计算得到的对流换热系数,推导出结晶器各种冷却结构对应的热流密度,得到了适用于高拉速的结晶器冷却结构及水流量。
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  连铸保护渣特性对X55SiCrA弹簧钢铸坯角部裂纹和盘条质量的影响

  叶明在, 史伟宁, 李红星, 王军, 张旭彬

  连铸. 2023, 42(5): 28-34.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230051

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  为了改善X55SiCrA弹簧钢铸坯角部裂纹和轧制盘条质量,对盘条以及铸坯裂纹进行分析,且对连铸保护渣的成分进行优化。结果表明,轧制盘条裂纹以及铸坯角部纵裂纹两侧发生脱碳行为,铸坯角部纵裂纹附近存在高温氧化物圆点,在铸坯角部纵裂纹内部发现了保护渣成分。当保护渣碱度从0.62增加至1.02,Na₂O质量分数从6%左右增加至约12%,F^-质量分数从3%左右增加至7%~8%时,保护渣由酸性渣转变为碱性渣,在保证保护渣润滑能力的同时,提高了保护渣的结晶性能和控制传热能力。采用优化保护渣浇铸X55SiCrA弹簧钢时,铸坯角部纵裂纹消除。使用原保护渣和优化保护渣铸坯轧制盘条质量相比发现,优化保护渣浇铸的铸坯轧制盘条判废率从40%以下降至5%以下,大幅度提高了轧制盘条的成材率和产品质量。
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  基于PIV技术的结晶器液面波动指数优化

  高煜, 王振东, 单庆林, 张军国, 路博勋, 王彬, 崔衡

  连铸. 2023, 42(5): 35-38.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230059

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  针对国内某钢厂1 150 mm×230 mm断面尺寸的铸坯在冷轧过程经常出现线状缺陷、翘皮缺陷等问题,建立相似比为0.6的水模型,选择结晶器拉速、浸入式水口(Submerged Entry Nozzle, SEN)出口倾角和浸入深度进行三因素三水平正交试验。利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术对不同工况下的结晶器流场进行测速,得到结晶器内钢液流动形态与钢液流速,通过结晶器液面波动指数(F数)分析不同工况对结晶器流场的影响规律。结果表明,通过PIV可以得到结晶器钢液流股的射流角度、流股对窄面的冲击点、冲击速度和冲击角度等参数,可应用F数对结晶器内钢液流动形态与液面波动进行表征。在正交试验中,各因素影响重要性为拉速＞出口角度＞浸入深度,最优工况为拉速1.5 m/min,SEN倾角为-30°,浸入深度为175 mm。与优化前工况对比,优化后的工况射流角度和冲击深度增大,上回流范围逐渐增大,F数减小且更接近目标值,液面波动幅度减小,卷渣发生的几率降低。
铸坯质量
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  高碳工具钢SK85板坯连铸纵裂控制技术

  吴飞鹏, 张大勇, 吕耀强, 李中华, 李哲, 李立勋

  连铸. 2023, 42(5): 39-44.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230034

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  针对唐钢新区连铸生产高碳钢工具钢SK85出现的铸坯表面纵裂问题,系统分析了铸坯表面纵裂的产生机理和缺陷的实际特征,采取有效措施,降低板坯SK85钢的纵裂发生率。唐钢新区板坯连铸SK85钢种表面纵裂产生的主要原因为钢水过热度、结晶器热流参数控制、连铸机设备精度管理不符合高碳钢特性要求所致。通过降低连铸钢水过热度到20~30 ℃、连铸拉速稳定控制在1.0~1.2 m/min区间、调整结晶器水量及进出水温度差控制结晶器热流为1.6~1.9 MW/m²、保证连铸扇形段、结晶器对弧精度,严格浸入式水口对中,有效控制了SK85的表面纵裂问题,稳定控制纵裂发生率到5%以内。对同类钢厂高碳工具钢研发和生产具有积极借鉴意义。
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  SPA-H黏结原因分析及控制实践

  宋佳友, 杨春宝, 李滨, 罗衍昭

  连铸. 2023, 42(5): 45-50.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230048

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  国内某钢厂SPA-H黏结率较高,影响板坯质量及生产稳定性。为了有效控制SPA-H钢种黏结,进一步降低SPA-H黏结率,针对影响SPA-H黏结的因素进行统计及对比分析,认为除保护渣因素影响黏结外,工艺制度、班组操作差异、漏钢预报系统选用也是影响SPA-H钢种黏结的重要因素。通过碱度降低至1.35、熔点降低50 ℃左右等保护渣性能的调整、减小结晶器倒锥度0.04%/m、提高钢水过热度合格率、非稳态过程操作优化以及漏钢预报系统改造等措施,SPA-H黏结率由初期的10%以上逐步降低至3%以下,有效降低了SPA-H黏结率。
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  微合金钢连铸方坯凝固传热过程数值模拟

  蔡大为, 陆靖洲, 窦坤, 潘伟明

  连铸. 2023, 42(5): 51-56.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230043

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  针对微合金钢方坯连铸过程拉速波动大,二次冷却区水量分配均匀性低的实际问题,本文运用有限元法建立了针对目标钢种连铸过程的二维非稳态凝固传热数学模型。在计算相图技术的基础上首先明确了覆盖连铸全流程温度范围内的钢种热物性参数变化规律与凝固特性,并以此为输入参数,结合实际连铸过程工艺参数进行了计算求解,定量化分析了浇铸温度、拉速对铸坯凝固传热过程的影响。结果表明,相对于拉速,浇铸温度的提高对铸坯表面温度的影响不大。当拉速从0.50 m/min提高到0.55、0.60 m/min时, 矫直点处铸坯宽面中心温度依次提高33.7、28.6 ℃,角部温度依次提高21.8、19.1 ℃,但回温过大的现象依然存在,需要进一步通过调整水量分配的研究来改善。
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  溶质元素的微观偏析及其对连铸坯中间裂纹的影响

  李麦麦, 肖超, 颜昊

  连铸. 2023, 42(5): 57-63.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230056

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  以Ueshima等提出来的正六面体模型为基础,采用板坯凝固的实际冷却数据,建立了溶质元素的微观偏析模型,采用偏析模型分析了位于柱状晶区末端的裂纹起源处溶质元素的偏析情况;考虑传热、钢水静压力和相变等因素,采用有限元软件模拟分析了凝固坯壳承受的应变情况,分析中间裂纹的形成机理。结果表明,柱状晶区末端的裂纹起源处的P、S元素偏析严重,碳偏析相对较轻,枝晶间偏析使裂纹的形成温度区间即LIT和ZDT的差值显著增大,元素的偏析是形成中间裂纹的关键内在原因;坯壳厚度等于裂纹起源距内弧的距离即85 mm时,坯壳所承受的拉应变大大超过了铸坯凝固时所允许的临界应变值,具备了裂纹形成的外在受力因素。
连铸设备
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  二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响

  王长军, 刘中秋, 李宝宽

  连铸. 2023, 42(5): 64-70.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230039

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  在高拉速的薄板坯连铸过程中,增加等轴晶率对提升连铸坯凝固质量的提升至关重要。采用三相凝固模型对三维全尺寸薄板坯连铸过程中的流动模式和等轴晶率进行数值预测,分析了二冷区电磁搅拌换向周期对薄板坯中心等轴晶率的影响。研究结果表明,高温钢液在漏斗型结晶器内迅速凝固,结晶器出口处的铸坯凝固率达37%。当采用恒定方向电磁搅拌时,熔池内部形成上下两个环流,两者被中间聚集的过热钢液分隔,上环流核心区钢液处于过冷状态。当采用换向电磁搅拌后,二冷区会形成四涡甚至五涡的流动模式。随着换向周期的增加,等轴晶率先增加后降低,换向周期为16 s时对等轴晶率提升最明显,相较于恒定方向搅拌提升了17%,并且等轴晶相分布更加均匀。
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  行波磁场旋转搅拌对板坯结晶器内冶金行为的影响

  杨宏, 宋异, 肖艳, 夏松青, 肖晓丹, 肖红

  连铸. 2023, 42(5): 71-79.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230064

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  基于电磁热流体与凝固传输理论建立了无间隙原子(IF)钢板坯连铸的三维耦合数值模型,研究了不同拉速下行波磁场旋转搅拌(EMRS)对2 150 mm×230 mm断面板坯结晶器内电磁场、流场、传热与凝固等冶金行为的影响,提出了行波磁场旋转搅拌对结晶器冶金性能影响的多参量评价方法。结果表明,EMRS作用下搅拌器中心横截面上磁感应强度和电磁力的最小值都出现在铸坯中心且电磁力矢量出现了6个涡心。当拉速从0.84 m/min提高到1.84 m/min时,结晶器内液面速度增大,在搅拌器中心横截面位置处,电磁力的涡数量由6个减少至4个。随着拉速增大,宽面凝固前沿最大冲刷速度、窄面附近最大液面波高及钢液冲击深度均增大,而窄面凝固前沿最大冲刷速度和结晶器出口坯壳厚度随拉速增大而减小。
技术交流
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  结晶器表面流速、涡心位置和流场流态在线预测

  周海忱, 罗衍昭, 李海波, 季晨曦, 何文远, 郝宁

  连铸. 2023, 42(5): 80-86.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230041

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  结晶器内钢液的流动状态直接影响铸坯的产品质量。浇铸过程中结晶器像“黑匣子”一样无法得知内部流场状态。以某钢厂板坯连铸结晶器为原型建立多相流数学模型,采用数值模拟方法计算不同浇铸参数下结晶器表面速度和流场流态分布。对计算得到的表面流速的最大值、涡心位置的坐标值和流场流态转变的临界条件进行拟合,得到不同浇铸断面和浇铸参数下表面最大流速、涡心位置以及流场流态转变的回归公式,并把计算结果搭建成数据库。再通过编程对数据库进行扩展,开发用户界面可视化软件。将预测模型接入连铸二级控制系统,实现了结晶器表面最大流速、涡心位置以及流场流态的在线预测。通过在线优化结晶器流场,实现超低碳钢的卷渣缺陷率控制在3%以下。
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  除鳞喷嘴稳流器结构参数对喷嘴内流场特性的影响

  杨博文, 韩鹏, 张国新, 刘坤, 刘广强

  连铸. 2023, 42(5): 87-94.
  https://doi.org/10.13228/j.boyuan.issn1005-4006.20230055

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  在钢坯轧制过程中,需要及时去除高温钢坯表面形成的氧化铁皮,高压水除鳞技术较其它除鳞手段成本更低,除鳞率更高,优势明显,其中稳流器介于除鳞喷嘴前端过滤器与末端收缩段间,起到整流稳流的作用。建立不同结构的除鳞喷嘴稳流器模型,由稳流器两端平齐改为凸起、凹陷、平齐端面两两组合,建立全尺寸高压水除鳞喷嘴模型并进行CFD数值模拟。结果表明,稳流器叶片入口为凹陷结构、出口为平齐结构的稳流器整体湍动能较小,湍动能变化趋势更平稳,涡量变化较小且稳流器末端涡量趋于0。改变稳流器端面叶片形状可以对喷嘴出口动力学参数产生影响,部分结构稳流器出口速度较原结构提高至少2.126 m/s,最高3.817 m/s。