米進(jìn)周，鐘立雯，王旭英，何 力

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

目前，我國(guó)鋼鐵企業(yè)已從粗放發(fā)展進(jìn)入到集約生產(chǎn)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，質(zhì)量、品種和先進(jìn)的工藝裝備將直接決定鋼鐵企業(yè)在日益激烈市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。連鑄生產(chǎn)線澆注包晶鋼、中碳鋼、高碳鋼等品種鋼生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的中心偏析等缺陷成為提高產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸，會(huì)引發(fā)降低鋼材的焊接性能、抗氫致裂紋、延展性能等一系列的質(zhì)量問題[1-2]。通過合理地應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)可以很好的減輕鑄坯的中心偏析缺陷。

輕壓下技術(shù)的基本原理是通過實(shí)施一定的壓下量在連鑄坯凝固末端附近補(bǔ)償或抵消連鑄坯的凝固過程收縮量。這樣可抑制枝晶間富集溶質(zhì)元素的殘余鋼液向連鑄坯中心橫向流動(dòng)，消除或減少連鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙；另外，輕壓下產(chǎn)生的擠壓作用還可以促使液芯中心富集溶質(zhì)元素的液相鋼液在鋼液中重新分配，達(dá)到使連鑄坯的凝固組織更加均勻，改善中心偏析缺陷的目的[3-4]。

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線中進(jìn)行了應(yīng)用，定期對(duì)鑄坯取樣做內(nèi)部質(zhì)量低倍檢測(cè)，結(jié)果表明，鑄坯中心偏析達(dá)到B0.5等級(jí)(含B0.5)的比例超過95%。其中，鑄坯中心偏析達(dá)到C0.5等級(jí)的比例達(dá)75%，大大提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

1 計(jì)算模型

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)主要包括溫度場(chǎng)計(jì)算模型和動(dòng)態(tài)壓下計(jì)算模型兩部分。溫度場(chǎng)計(jì)算模型是壓下模型計(jì)算的基礎(chǔ)，其依據(jù)連鑄凝固傳熱理論，結(jié)合鋼種成分等工藝參數(shù)、連鑄機(jī)設(shè)備參數(shù)和生產(chǎn)過程參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)晶器和扇形段區(qū)域鑄坯的表面溫度、中心溫度、坯殼厚度以及兩相區(qū)固相率分布參數(shù)；動(dòng)態(tài)壓下模型根據(jù)溫度場(chǎng)模型計(jì)算的兩相區(qū)固相率分布參數(shù)，結(jié)合壓下起始固相率、壓下結(jié)束固相率、壓下量等設(shè)定工藝參數(shù)計(jì)算出合理的扇形段壓下量并將其轉(zhuǎn)化為扇形段的設(shè)定輥縫值[5-6]。

1.1 溫度場(chǎng)計(jì)算模型

溫度場(chǎng)計(jì)算模型應(yīng)用將鑄流中的鑄坯離散為切片進(jìn)行跟蹤的方法，依據(jù)鑄坯凝固傳熱理論和合理的假設(shè)對(duì)每個(gè)切片建立傳熱微分方程，通過有限差分法求解各切片傳熱微分方程，動(dòng)態(tài)計(jì)算各切片的表面溫度、中心溫度和坯殼厚度以及鑄坯凝固末端兩相區(qū)內(nèi)的固相率分布參數(shù)。

對(duì)于板坯凝固傳熱理論，本文提出假設(shè)：(1)不考慮結(jié)晶器周期性振動(dòng)以及結(jié)晶器鋼水液面波動(dòng)的影響；(2)認(rèn)為內(nèi)外弧傳熱過程完全一致；(3)溫度場(chǎng)模型采用厚度方向一維差分方法進(jìn)行計(jì)算；(4)不考慮對(duì)流場(chǎng)和溶質(zhì)濃度場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算；(5)二冷區(qū)傳熱采用綜合換熱系數(shù)[7-8]。

采用熱焓法板坯凝固傳熱方程

(1)

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；H為熱焓；T為溫度；x為沿板坯中心指向厚度方向的坐標(biāo)；t為時(shí)間。

系統(tǒng)計(jì)算出鑄流中每個(gè)切片的溫度場(chǎng)參數(shù)，將所有切片的溫度場(chǎng)組合起來就形成了整個(gè)鑄流的溫度場(chǎng)參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著鋼水溫度、拉坯速度、冷卻水量的變化，溫度場(chǎng)模型計(jì)算的鑄坯切片的表面溫度、中心溫度、坯殼厚度以及鑄坯凝固末端兩相區(qū)固相率分布參數(shù)也發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為兩相區(qū)的前移或者后移以及兩相區(qū)的區(qū)域長(zhǎng)度變化，為輕壓下實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”跟蹤提供了條件[9]。

1.2 動(dòng)態(tài)壓下計(jì)算模型

動(dòng)態(tài)壓下計(jì)算模型包括壓下參數(shù)計(jì)算和壓下動(dòng)作規(guī)則兩個(gè)部分。壓下參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是改善鑄坯中心偏析的基礎(chǔ)，合理的扇形段壓下動(dòng)作規(guī)則可以確保設(shè)備安全、壓下動(dòng)作跟蹤準(zhǔn)確。

壓下參數(shù)主要包括壓下區(qū)間、壓下量及壓下速率。

壓下區(qū)間的確定通常是以兩相區(qū)的固相率fs來判斷，如圖1所示，在液相線和固相線之間的區(qū)間，q2是一次柱狀晶開始生長(zhǎng)區(qū)，固液相均可流動(dòng)；q1是相鄰柱狀晶二次晶臂開始并完成相互連結(jié)區(qū)；q2和q1分界處的固相分率為0.3～0.4，p為相鄰柱狀晶完全連接區(qū)，此處柱狀晶間隙中殘留鋼液基本不能流動(dòng)，q1和p分界處的固相分率是0.6～0.7，所以實(shí)施輕壓下最佳區(qū)間應(yīng)在鑄坯中心固相分率為0.3～0.7 的位置[10-11]。

圖1 鑄坯凝固末端兩相區(qū)示意圖

另外，在內(nèi)裂紋敏感區(qū)域內(nèi)，連鑄坯的受力或變形超過一定程度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂，這一區(qū)間在0.8～0.99之間，輕壓下要避開這一區(qū)域。從生產(chǎn)應(yīng)用看[12-13]，奧鋼聯(lián)認(rèn)為最佳動(dòng)態(tài)輕壓下位置為固相分率0.3～0.7區(qū)間 ；包鋼的U71Mn鋼種， 尺寸為280 mm×380 mm方坯壓下區(qū)間為0.4～0.9；臺(tái)灣中鋼的大方坯連鑄機(jī)壓下區(qū)域在0.55～0.75取得了很好效果。另有許多文獻(xiàn)認(rèn)為：輕壓下位置應(yīng)是在鑄坯凝固末端附近某一臨界固相率以上，比如fs> 0.8[14-15]。 濟(jì)鋼板坯連鑄機(jī)壓下區(qū)間為fs=0.5～0.95。

壓下量大小需要滿足以下三個(gè)要求：(1)能夠?qū)︿撘耗踢^程中的體積收縮量進(jìn)行完全補(bǔ)償，減少中心偏析；(2) 實(shí)施的壓下量不能使鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋；(3) 壓下時(shí)產(chǎn)生在連鑄機(jī)扇形段上的反作用力要在許可載荷范圍內(nèi),防止扇形段設(shè)備受到損壞[16-17]。

壓下速率是單位時(shí)間的壓下量，最佳壓下速率應(yīng)該和鑄坯凝固速率一致，當(dāng)壓下速率小于凝固速率，壓下將不及時(shí)，凝固補(bǔ)償不充分，仍出現(xiàn)中心偏析。如果壓下速率過大，將會(huì)導(dǎo)致連鑄坯的應(yīng)變率過大，將會(huì)產(chǎn)生裂紋[18]。

扇形段動(dòng)作規(guī)則主要包括開始澆鑄時(shí)的扇形段動(dòng)作規(guī)則；拉尾坯時(shí)的扇形段動(dòng)作規(guī)則；穩(wěn)定拉速時(shí)的扇形段動(dòng)作規(guī)則；升高拉速時(shí)扇形段的動(dòng)作規(guī)則；降低拉速時(shí)扇形段的動(dòng)作規(guī)則和異常情況下的扇形段動(dòng)作規(guī)則。具體體現(xiàn)為實(shí)施輕壓下的各扇形段在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的動(dòng)作先后順序和壓下量的平緩變化。例如：當(dāng)拉速?gòu)姆€(wěn)定狀態(tài)升速時(shí)，引起兩相區(qū)后移，壓下扇形段的入口和出口輥縫根據(jù)鑄流長(zhǎng)度的變化進(jìn)行跟蹤，依次以從前向后的順序動(dòng)作達(dá)到新的目標(biāo)輥縫值。

2 計(jì)算模型應(yīng)用

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線中進(jìn)行了應(yīng)用。

連鑄基本工藝參數(shù)：

主要生產(chǎn)鋼種 包晶鋼、中低碳非包晶鋼、中高碳鋼

鑄坯厚度 300 mm

鑄坯寬度 900～2 510 mm

穩(wěn)定拉速 0.9 m/min

扇形段數(shù)目 14

冶金長(zhǎng)度 34 m

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算應(yīng)用

系統(tǒng)將連鑄機(jī)固有設(shè)備參數(shù)、所有鋼種的物性參數(shù)，包括液相線、固相線、凝固潛熱、不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱等，預(yù)先存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)生產(chǎn)開始后，隨著鋼水向拉坯方向連續(xù)移動(dòng)，系統(tǒng)在結(jié)晶器液面處不斷產(chǎn)生新的固定長(zhǎng)度切片，切片隨著拉速向鑄機(jī)末端移動(dòng)，形成了鑄機(jī)中的鑄坯切片隊(duì)列，當(dāng)某切片位置超出鑄機(jī)末端時(shí)，此切片自動(dòng)從隊(duì)列中消除。在澆注過程中，溫度場(chǎng)模型從數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)調(diào)取連鑄機(jī)固有設(shè)備參數(shù)和當(dāng)前生產(chǎn)的鋼種物性參數(shù)，同時(shí)模型實(shí)時(shí)采集拉速、鋼水過熱度、結(jié)晶器水量、結(jié)晶器各支路進(jìn)出冷卻水溫差、二次冷卻各冷卻區(qū)實(shí)際水量等生產(chǎn)過程參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)凝固傳熱模型和有限差分法完成各切片鑄坯表面溫度、鑄坯中心溫度、鑄坯坯殼厚度、兩相區(qū)固相率等溫度場(chǎng)參數(shù)的計(jì)算。隨后，系統(tǒng)進(jìn)一步將切片溫度場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為各冷卻區(qū)和各扇形段對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)參數(shù)。計(jì)算的鑄坯溫度場(chǎng)分布圖如圖2所示。

圖2 鑄坯溫度場(chǎng)分布

為了符合特定生產(chǎn)環(huán)境的條件，提高溫度場(chǎng)模型計(jì)算精度，在鑄機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，由于鑄坯表面大量的水汽影響，需要配合以壓縮空氣進(jìn)行水氣吹掃，維護(hù)、設(shè)計(jì)人員應(yīng)用手持式激光測(cè)溫儀對(duì)各扇形段區(qū)域的鑄坯中心表面溫度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量溫度與模型計(jì)算的各扇形段鑄坯表面溫度進(jìn)行比較，根據(jù)計(jì)算與實(shí)際測(cè)量溫度的差值對(duì)模型中的鑄坯凝固傳熱系數(shù)進(jìn)行修正，使得計(jì)算溫度逼近測(cè)量溫度。

2.2 動(dòng)態(tài)壓下計(jì)算模型應(yīng)用

2.2.1 輥縫控制

板坯連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下的實(shí)施，是通過控制扇形段入口和出口輥縫值實(shí)現(xiàn)的。扇形段內(nèi)弧框架的4個(gè)角部分別有4個(gè)油缸，沿著鑄流方向分為入口油缸2個(gè)和出口油缸2個(gè)，4個(gè)油缸均可單獨(dú)進(jìn)行控制，一般入口和出口兩個(gè)油缸分別進(jìn)行同步控制。每個(gè)油缸帶有1個(gè)位移傳感器和1對(duì)壓力傳感器，用來測(cè)量油缸位置處的輥縫值和所承受的壓力值，每個(gè)油缸配置有1個(gè)液壓伺服閥用來驅(qū)動(dòng)內(nèi)弧框架油缸上下移動(dòng)。系統(tǒng)將設(shè)定輥縫下發(fā)到PLC控制器，PLC控制器根據(jù)位移傳感器測(cè)量的實(shí)際輥縫值與設(shè)定輥縫之間的差值，驅(qū)動(dòng)液壓伺服閥動(dòng)作，使得實(shí)際輥縫等于設(shè)定輥縫值，構(gòu)成了輥縫PID閉環(huán)控制。位移傳感器的測(cè)量精度達(dá)到5 um,系統(tǒng)控制精度達(dá)到0.1 mm。壓力傳感器檢測(cè)值用來對(duì)扇形段受力進(jìn)行監(jiān)控并進(jìn)行超壓報(bào)警[19-20]。

2.2.2 壓下工藝參數(shù)設(shè)定

工藝人員根據(jù)鋼種和鑄坯厚度不同進(jìn)行壓下參數(shù)分組，每組主要設(shè)置參數(shù)包括總壓下量、起始?jí)合鹿滔嗦省⒔Y(jié)束壓下固相率、固相率0～1.0時(shí)，以0.1遞增的各固相率處的累積壓下量占百分比參數(shù)，例如鋼種為Q235，鑄坯厚度300 mm分組，總壓下量6 mm時(shí)，起始固相率為0.3，在固相率為0.6處壓下量百分比為50%，則表示從固相率為0.3到固相率0.6處的累積壓下量為6×50%=3 mm。壓下工藝參數(shù)設(shè)定值保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過人機(jī)界面可以對(duì)其進(jìn)行添加、修改和刪除操作。

為了避免扇形段設(shè)備承受大的載荷而影響設(shè)備使用壽命，對(duì)于單個(gè)扇形段設(shè)定單段最大壓下量，如果計(jì)算出的某段壓下量大于最大壓下量則取最大壓下量。

經(jīng)過多次生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，針對(duì)包晶合金鋼，采取固相率0.5～0.95壓下區(qū)間效果較好[21]。

2.2.3 扇形段壓下量分配

生產(chǎn)過程中，壓下模型根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)的鋼種和鑄坯厚度自動(dòng)調(diào)取對(duì)應(yīng)分組的壓下工藝設(shè)定參數(shù)，再將各固相率區(qū)間的計(jì)算壓下量映射到對(duì)應(yīng)的扇形段中。如果某固相率區(qū)間在m扇形段中，則將此固相率區(qū)間對(duì)應(yīng)的壓下量分配給m扇形段；如果壓下起始固相率在某扇形段中間，則用起始固相率所處位置到此扇形段末尾位置的距離占整個(gè)扇形段長(zhǎng)度的比例乘以最大壓下量來計(jì)算此扇形段壓下量。如果壓下結(jié)束時(shí)，固相率在某扇形段中間，則用結(jié)束固相率所處位置到此扇形段開始位置的距離占整個(gè)扇形段長(zhǎng)度的比例乘以最大壓下量來計(jì)算此扇形段壓下量。

由于扇形段間的距離較短，并且扇形段入口分配壓下量將使前后兩個(gè)扇形段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析變得復(fù)雜，所以一般扇形段入口側(cè)不分配壓下量。

2.2.4 輥縫計(jì)算

動(dòng)態(tài)輕壓下的實(shí)施是通過將模型計(jì)算的各扇形段壓下量轉(zhuǎn)換為各扇形段輥縫值來實(shí)現(xiàn)的，建立在控制鑄坯厚度對(duì)應(yīng)的常規(guī)輥縫基礎(chǔ)上的。

輥縫計(jì)算公式

Gdi=Gci-Ai

(2)

式中，Gdi為第i個(gè)扇形段輥縫，mm；Gci為常規(guī)輥縫即鑄坯自然收縮形成的輥縫，mm；Ai為壓下量，mm；i表示扇形段號(hào)。

生產(chǎn)過程中，拉速的升降變化引起固液兩相區(qū)位置、兩相區(qū)長(zhǎng)度以及兩相區(qū)固相率分布的變化，壓下模型將自動(dòng)跟隨兩相區(qū)的參數(shù)變化進(jìn)行各扇形段設(shè)定輥縫的實(shí)時(shí)計(jì)算，即時(shí)調(diào)整壓下參數(shù)分布。

在開始澆鑄階段，為了使得扇形段夾送輥避開引錠頭部，系統(tǒng)對(duì)引錠頭位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，在引錠頭到達(dá)某扇形段入口之前此扇形段設(shè)定輥縫大于引錠頭厚度，當(dāng)引錠頭通過此扇形段一定距離后，此扇形段輥縫恢復(fù)到正常設(shè)定輥縫；在拉尾坯階段，為了使扇形段輥避開硬度較高且有些上翹的鑄坯尾部，系統(tǒng)對(duì)鑄坯尾部位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，在坯尾到達(dá)某扇形段入口之前,此扇形段設(shè)定輥縫遠(yuǎn)大于尾坯厚度，當(dāng)坯尾通過此扇形段一定距離后，此扇形段輥縫恢復(fù)到正常設(shè)定輥縫。

對(duì)于異常工況造成扇形段設(shè)備受力過大的情況，系統(tǒng)設(shè)置了壓力限值保護(hù)功能。當(dāng)采集到的扇形段承受壓力大于保護(hù)壓力上限1時(shí)，此扇形段輥縫以一定速度增大，當(dāng)實(shí)測(cè)壓力小于保護(hù)壓力2時(shí)，輥縫不再增加；當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常，實(shí)測(cè)壓力小于保護(hù)下限壓力3時(shí)，輥縫以一定速度減小，直到恢復(fù)到計(jì)算設(shè)定輥縫。

壓下模型計(jì)算的壓下量分配圖如圖3所示。

圖3 壓下量計(jì)算分配圖

3 應(yīng)用結(jié)果

本文描述的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)在某鋼廠板坯連鑄生產(chǎn)線進(jìn)行了應(yīng)用,為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)輕壓下效果，通過酸洗低倍對(duì)連鑄坯的中心偏析進(jìn)行了分析。在動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)正式投產(chǎn)后，定期做低倍檢驗(yàn)，并按《YB/T4003-1997連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。為了對(duì)比使用輕壓下和不使用輕壓下的區(qū)別，本文對(duì)某一連鑄澆次采取了第2爐使用輕壓下，第3爐不使用輕壓下的辦法，拉速為0.9 m/min，生產(chǎn)鋼種為ADQ228，斷面為300 mm×2 510 mm，總壓下量為5.8 mm。取第2爐的第二塊連鑄坯和第3爐第二塊連鑄坯進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。低倍相片如圖4和圖5所示，采用輕壓下的鑄坯中心偏析得到很大改善。

圖4 沒有輕壓下低倍(B1.0)

圖5 有輕壓下低倍(C0.5)

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)經(jīng)過半年來的投用，結(jié)果表明，鑄坯中心偏析達(dá)到B0.5等級(jí)(含B0.5)的比例超過95%。其中，鑄坯中心偏析達(dá)到C0.5等級(jí)的比例達(dá)75%，大大提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的核心模型——溫度場(chǎng)計(jì)算模型和動(dòng)態(tài)壓下計(jì)算模型的原理以及在某鋼鐵廠連鑄生產(chǎn)線上的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。從動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果來看，其減輕合金鋼、中高碳鋼等厚板坯的中心偏析效果明顯，大大改善了連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。