李輝成，徐必靖，任振海，陳占領(lǐng)，朱富強(qiáng)，鄒 晉

(1.江蘇常州中天鋼鐵集團(tuán)，江蘇 常州 213011； 2.江西省科學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096)

連鑄坯偏析程度會(huì)直接影響軋制后棒材的成分、組織均勻性和力學(xué)性能，最終影響終端產(chǎn)品的使用性能，因此鑄坯均質(zhì)化一直是影響棒材質(zhì)量的瓶頸問題[1]。行業(yè)對連鑄坯均質(zhì)化主要通過控制鑄坯的連鑄工藝參數(shù)，如過熱度、拉速、比水量等；采用物理場處理，如電磁攪拌(E-EMS/S-EMS/F-EMS)、脈沖磁致振蕩(PMO)、輕壓下等干預(yù)手段控制鑄坯成分偏析程度[5-7]。

對一些偏析要求比較嚴(yán)格的鋼種，如軸承鋼、齒輪鋼等，現(xiàn)有的連鑄控制手段已不能滿足成分偏析控制要求，在生產(chǎn)流程中常用補(bǔ)充手段，如軋制前工序的加熱爐高溫?cái)U(kuò)散處理[8-10]。由于軋制生產(chǎn)連續(xù)性，鑄坯在加熱爐內(nèi)一直處于高溫狀態(tài)，其內(nèi)部的成分動(dòng)態(tài)變化情況無法檢測或者獲取?，F(xiàn)有的加熱工藝制定主要是根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)或行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來確定，缺乏具體的量化指標(biāo)參考，如加熱時(shí)間、加熱溫度因素與鑄坯內(nèi)部成分變化的量化關(guān)系。本文以Fick第二定律為基礎(chǔ)，通過二階偏微分方程求解，并結(jié)合初始條件和邊界條件，簡化求解方形鑄坯橫斷面一維擴(kuò)散方程式，建立連鑄坯中的碳高溫?cái)U(kuò)散預(yù)測模型。然后，通過160 mm×160 mm高碳GCr15的中心碳成分在不同高溫?cái)U(kuò)散下的變化進(jìn)行驗(yàn)證。

1 高溫?cái)U(kuò)散模型

連鑄坯中碳擴(kuò)散適用于Fick第二定律，即

(1)

為了便于計(jì)算，假設(shè)碳擴(kuò)散為一維方向擴(kuò)散，鑄坯碳成分由中心到邊側(cè)成線性分布，邊側(cè)無脫碳，初始條件和邊界條件為：

t=0時(shí)，C=C(x,0)

t>0時(shí)，x=0,?C/?x=0

t>0時(shí)，x=L,?C/?x=0

采用分離變量法，由二階偏微分方程求得解為：

(2)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將軸承鋼鑄坯(規(guī)格為160 mm×160 mm)放入加熱爐，然后按照表1要求進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散。擴(kuò)散后按圖1在鑄坯上鉆屑取樣，利用碳硫分析儀進(jìn)行碳成分檢測。與未高溫?cái)U(kuò)散鑄坯橫斷面特定位置的碳成分作對比，并作為模型計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，擴(kuò)散常數(shù)見表2。通過不同擴(kuò)散工藝條件下鑄坯橫截面中心位置的碳含量，驗(yàn)證預(yù)測模型計(jì)算值。

表1 高溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)參數(shù)

表2 GCr15中碳擴(kuò)散系數(shù)[11]

圖1 取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling location

2.1 預(yù)測模型和試驗(yàn)結(jié)果

以對比樣取樣位置的碳成分作為預(yù)測模型計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)對稱性，模型計(jì)算中擴(kuò)散距離為方坯尺寸的一半，即80 mm，擴(kuò)散溫度和時(shí)間見表1，擴(kuò)散系數(shù)見表2，由預(yù)測模型，可計(jì)算1#鑄坯中心碳含量隨擴(kuò)散時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，對比樣連鑄坯的中心碳含量為1.15%。在設(shè)定溫度條件下，隨著擴(kuò)散時(shí)間的延長，中心碳含量呈近似指數(shù)式降低，在擴(kuò)散4 h后可達(dá)到模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的平均碳含量，模型擴(kuò)散時(shí)間結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的比較接近。但模型碳含量計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量值存在較大的偏差，見圖3。

圖2 1150 ℃和1180 ℃下鑄坯中心碳含量隨擴(kuò)散時(shí)間變化(預(yù)測模型)Fig.2 The variation of carbon content in the center of the billet with the diffusion time under 1150℃ and 1180℃(prediction model)

圖3 不同擴(kuò)散工藝下鑄坯中心碳含量模型計(jì)算值與試驗(yàn)檢測值Fig.3 Calculated model value and tested value of carbon content in the center of billet under different diffusion processes

2.2 模型偏差分析與修正

2)模型假設(shè)認(rèn)為鑄坯中心到邊側(cè)的碳成分呈線性分布，但實(shí)際鑄坯的中心一定區(qū)域碳成分不呈線性分布，可將碳成分線性分布修正為非線性分布。

3)模型構(gòu)建是一維模型，而實(shí)際試驗(yàn)情況是二維擴(kuò)散，故模型與實(shí)際擴(kuò)散方式存在差異，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

3 結(jié)論

1)通過試驗(yàn)檢測與預(yù)測模型計(jì)算對鑄坯中心碳含量在不同高溫?cái)U(kuò)散工藝下的變化情況進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高溫?cái)U(kuò)散后鑄坯中心碳偏析情況可得到顯著改善，模型計(jì)算擴(kuò)散時(shí)間與生產(chǎn)工藝較吻合，但碳擴(kuò)散結(jié)果與試驗(yàn)檢測結(jié)果存在一定偏差。

2)對模型預(yù)測與試驗(yàn)檢測結(jié)果產(chǎn)生偏差的原因進(jìn)行分析，并提出模型下一步優(yōu)化和修正方向，為軋鋼制定軸承鋼高溫?cái)U(kuò)散工藝提供理論支持。