赫英利 羅洪彥 裘文 李天坤 陽劍

摘 要：為提高82B生產(chǎn)效率，在北營煉鋼廠2號小方坯鑄機上開展提高拉速的生產(chǎn)試驗，特別針對鑄坯芯部質(zhì)量進行多工藝的綜合優(yōu)化，以實現(xiàn)高效高質(zhì)生產(chǎn)。首先，建立該鑄機的凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合比色測溫方法對模型中待定參數(shù)進行修正；針對中心偏析和縮孔質(zhì)量問題，結(jié)合修正后凝固傳熱模型和相應(yīng)冶金準(zhǔn)則對拉速、二次冷卻、電磁攪拌等參數(shù)進行了優(yōu)化計算；最后通過生產(chǎn)試驗比較，確定工藝優(yōu)化的方向和效果。最終優(yōu)化確定拉速2.25 m/min，比水量為1.7 L/Kg，結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)為260 A/3Hz，末端電磁攪拌參數(shù)320 A/8Hz。工藝實踐及分析表明，優(yōu)化工藝后鑄坯低倍中心碳偏析、縮孔均有較明顯的改善。

關(guān)鍵詞：小方坯；芯部質(zhì)量；凝固傳熱模型；二冷；電磁攪拌

TOPTIMIZATION AND PRACTICE OF BILLET CONTINUOUS CASTING PROCESS FOR IMPROVING CASTING SPEED OF 82B STEEL

He Yingli1? ? Luo Hongyan1? ? Qiu Wen1? ? Li Tiankun1? ? Yang Jian2

（1.Bensteel Group Coperation Limited Benxi 117017， China；2. School of Information Science and Engineering， Northeastern University Shenyang 110819，China.）

Abstract：In order to improve the production efficiency of 82B， production tests were carried out on the No.2 billet continuous casting machine at Beiying Steelmaking Plant to increase the casting speed， with a special focus on the comprehensive optimization of the quality of central part， to achieve both high-efficiency and high-quality. Firstly， a heat transfer and solidification model has been established for the continuous casting billets， and then the undetermined parameters in the model were calibrated using a colorimetric pyrometer. Secondly， in response to the issues of central segregation and shrinkage quality， optimization calculations were carried out on parameters such as casting speed， secondary cooling， and electromagnetic stirring by combining both the calibrated solidification heat transfer model and corresponding metallurgical criteria. Finally， by comparing production tests， the direction and effectiveness of process optimization are determined. The final optimization results indicates that it is proper with casting speed of 2.25 m/min， a specific water flow of 1.7 L/Kg， electromagnetic stirring parameters of 260 A/3Hz for the mold electromagnetic stirring， and 320 A/8Hz for the final electromagnetic stirring. Process practice and analysis both indicate that the optimization of the process has significantly improved the center carbon macro-segregation and shrinkage of the billet products.

Key words：billets; macro-segregation; solidification and heat transfer model; secondary cooling; electromagnetic stirring

0? ? 前? ? 言

鑄坯芯部質(zhì)量問題（包括中心偏析、縮孔及疏松）是生產(chǎn)高碳硬線鋼所面臨的普遍而突出的難題[1]，容易造成后續(xù)拉拔過程中的杯錐狀斷裂[2]，并引起相應(yīng)的質(zhì)量異議和生產(chǎn)加工損失。同時，該問題又難以完全克服。實際上，由于選分結(jié)晶的存在和對流、擴散對溶質(zhì)的傳輸作用，連鑄凝固過程中宏觀偏析必然形成，且在后序軋制過程中也難以消除。特別是對于過共析高碳鋼硬線品種如82B，嚴(yán)重的中心碳偏析在軋制過程中還導(dǎo)致晶界處網(wǎng)狀滲碳體的析出，造成后序拉拔加工過程中產(chǎn)生斷裂而影響加工過程或最終產(chǎn)品的質(zhì)量。由于高碳鋼兩相區(qū)較寬，凝固收縮較大，也較容易形成中心疏松和縮孔缺陷。因此，生產(chǎn)82B等硬線品種鋼時，有效改善其芯部質(zhì)量對于滿足供貨質(zhì)量要求至關(guān)重要。

在設(shè)備穩(wěn)定的條件下，連鑄工藝的優(yōu)化控制是改善其鑄坯質(zhì)量的主要手段和途徑[3]。其中，對于小方坯連鑄生產(chǎn)，拉速、二冷和電磁攪拌是影響連鑄坯芯部質(zhì)量的核心要素。其中，拉速既決定生產(chǎn)效率又影響鑄坯質(zhì)量，合適的恒穩(wěn)拉速是改善鑄坯質(zhì)量的首要條件。二冷則通過影響溫度分布進而影響凝固過程和凝固組織的形成，對中心偏析的形成有顯著的影響，對于小斷面，強冷條件下有利于坯殼與心部的同步收縮，同時較大的冷卻速率能減小枝晶間距，有利于縮孔和偏析的形成。電磁攪拌則電磁感應(yīng)產(chǎn)生電磁力驅(qū)動鋼水做旋轉(zhuǎn)運動改變鋼水流動狀態(tài)，改變傳熱、傳質(zhì)過程，從而影響凝固過程，細化和提高等軸晶率，改善芯部質(zhì)量。合理優(yōu)化拉速、二冷和電磁攪拌是提高鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文針對82B生產(chǎn)，基于凝固傳熱模型的開發(fā)，通過有效結(jié)合工藝優(yōu)化計算和生產(chǎn)實踐，有效地改善了連鑄小方坯的芯部質(zhì)量。

1? ? 凝固傳熱數(shù)學(xué)模型的建立與修正

1.1? ? 模型的建立

凝固傳熱模型是進行連鑄工藝優(yōu)化控制的核心和基礎(chǔ)[4-5]。而由于連鑄過程涉及對流、凝固相變等復(fù)雜現(xiàn)象，模型建立和求解均較為困難，通常進行必要的簡化或轉(zhuǎn)化。

1）將連鑄過程中的對流換熱等效為導(dǎo)熱。

2）將凝固過程中潛熱釋放過程等效為比熱的增加。采用跟隨鑄坯移動的隨動坐標(biāo)系，建立連鑄坯三維凝固傳熱模型：

?T? ? ? ??? ? ? ? ? ?T? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?T? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?T

ρceff ——=——（keff——）+——（keff——）+——（keff——）

?t? ? ? ?x? ? ? ? ??x? ? ? ??y? ? ? ? ??y? ? ? ??z? ? ? ? ??z

（1）

式中：ρ為鋼液密度，kg/m3; ceff為等價比熱容，J/（kg·K），ceff=dH/dT，H為熱焓；keff為等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K） ，keff=fsks+m（1-fs）kl[6]，ks、kl分別為固液相導(dǎo)熱系數(shù)，fs為固相分率，m表征對流強度；T為鑄坯溫度，℃。其中，物性參數(shù)ρ、H、k是溫度和鋼種成分的函數(shù)，本文通過偽二元相圖方法進行計算[7]。

模型的初始條件和邊界條件如下.。

1）初始條件，忽略中間包到彎月面溫降

T（x，y，z，0）=Tc? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Tc為中間包鋼水溫度。

2）結(jié)晶器邊界條件

?T

-k——=A-B√t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

?n

式中：t為鑄坯自彎月面開始在結(jié)晶中停留的時間，A、B為常數(shù)，通過測量結(jié)晶器進出水溫差計算得到。

3）二冷區(qū)邊界條件

?T

-k——=h（T-Twater） +εσ[（T+273）4- （Tair+273）4]? ? （4）

?n

式中：hi為二冷區(qū)第i冷卻段換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Twater，Tair分別冷卻水溫度和環(huán)境空氣溫度，℃；ε為鑄坯表面綜合輻射系數(shù)，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，W/（m2·K4）。

4）空冷區(qū)邊界條件

?T

-k——=εσ[（T+273）4- （Tair+273）4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

?n

式中：數(shù)值模型采用有限容積法進行離散化并采用交差隱式算法進行求解，考慮方坯的對稱性，只計算1/4斷面。同時，為了在保證模型精度的條件下提高模型的計算速度，考慮網(wǎng)格劃分與溫度梯度分布相匹配，通過優(yōu)化網(wǎng)格劃分和時間步長，采用基于非均勻變網(wǎng)格變步長的實時算法對模型進行求解[4，8]。

1.2? ? 模型中的待辨識參數(shù)及修正

依據(jù)傳熱機理所建立的模型，由于物性參數(shù)和邊界條件的不確定性引入一些待定參數(shù)，它們是影響模型準(zhǔn)確性進而可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)噴淋方式的差異，二冷區(qū)各段換熱系數(shù)與水流密度的關(guān)系采用不同的經(jīng)驗公式確定：

1）噴水冷卻[5]

1 570w2 i（1-0.007 5Tw）

hi=—————————— ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

αi

2）氣霧冷卻[4]

hi=1 000wi/ αi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式中：wi為二冷第i段水流密度，L/（m2·s），αi為相應(yīng)冷卻段對應(yīng)的待辨識參數(shù)．

共有（n+1）個參數(shù)需要在模型應(yīng)用前進行辨識，其中包括n個冷卻段參數(shù)αi及有效導(dǎo)熱系數(shù)中參數(shù)m，共同記為α， α=[α1， α2， …， αn， m]。

凝固傳熱模型參數(shù)辨識的基本原理是通過不斷尋優(yōu)待辨識的參數(shù)值，使得模型計算值與相應(yīng)檢測值偏差不斷減小，以滿足應(yīng)用需求。本文采用比色測溫儀（HWSG-2H）多點測溫進行模型參數(shù)的辨識修正。

Tcal，j-Tmea，j? ?2

minJ（α）=∑〔————〕 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

Tmea，j

式中：Tmea，j是鑄坯表面溫度，Tcal，j則是根據(jù)第j組測量時工藝條件及傳熱模型得到的相應(yīng)計算值。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解α*作為模型參數(shù)辨識的結(jié)果。在優(yōu)化方法上，考慮凝固傳熱模型參數(shù)辨識問題具有明顯的非線性特征，采用混沌粒子群算法[9]對目標(biāo)函數(shù)（7）進行優(yōu)化，其中，α是作為粒子群算法中的“粒子”。其中，所使用的測溫數(shù)據(jù)和相應(yīng)鑄機參數(shù)分別見表1和表2，修正后模型參數(shù)見表3。圖1給出模型修正前后模型計算表面溫度與實際測溫數(shù)據(jù)的比較。

2? ? 基于模型的工藝優(yōu)化計算

2.1? ? 拉速的優(yōu)化

拉速是影響鑄坯產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素之一。拉速工藝的制定首先是在保證爐機匹配、生產(chǎn)順行的條件下盡可能提高拉坯速度，以保證較高的生產(chǎn)效率；其次，合理的拉坯速度應(yīng)保證鑄坯具有較好的質(zhì)量。即拉速是保證高效高質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。特別對于小方坯連鑄機，一般拉速上限要保證不帶液芯矯直以避免產(chǎn)生中心裂紋或中間裂紋；同時，為了充分發(fā)揮凝固末端電磁攪拌的作用，其對應(yīng)位置的中心凝固分率推薦為0.3 ～ 0.4[10]。根據(jù)凝固傳熱模型計算得到表4，則對應(yīng)拉速上限和合適的拉速范圍分別為2.4 m/min、2.2 ～2.4 m/min。優(yōu)化后拉速較原來拉速2.0～2.2 m/min提高10%～20%。

2.2? ? 二次冷卻的優(yōu)化

連鑄過程中，二冷對鑄坯溫度場具有決定性影響，而鑄坯表面溫度是鑄坯溫度場和凝固狀態(tài)的重要表征[9]。鑄坯溫度的變化與裂紋的產(chǎn)生擴展有關(guān)，優(yōu)化的二冷制度應(yīng)該保證鑄坯表面溫度處于較高的塑性區(qū)間。本文基于目標(biāo)溫度的方法[11]對二冷進行優(yōu)化。對于小斷面生產(chǎn)高碳鋼，一般采用強冷模式，通過強冷可以減小二次枝晶間距，減輕鑄坯偏析程度。對應(yīng)于強冷模式，二冷區(qū)鑄坯表面溫度設(shè)置于高溫塑性區(qū)（900 ～ 1 100 ℃）低溫區(qū)段，通常接近900 ℃，本文中二冷分為四個區(qū)，各區(qū)目標(biāo)溫度依次設(shè)定為900 ℃、900 ℃、900 ℃、900 ℃。以82B為例，過熱度（30 ℃）、拉速條件下，優(yōu)化調(diào)整二冷各區(qū)水量，使二冷各段末溫度達到目標(biāo)溫度，見圖2。不同拉速下可得到不同的二冷各段水量，見表5。優(yōu)化后的比水量由1.28 ～ 1.49 L/kg增強到1.52 ～ 1.81 L/kg。

2.3? ? 電磁攪拌的優(yōu)化

電磁攪拌是目前針對改善小方坯生產(chǎn)內(nèi)部質(zhì)量的重要措施，其作用主要是提高中心等軸晶率、改善中心偏析等[12]。電磁攪拌包含結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌。要充分發(fā)揮電磁攪拌的作用，主要是兩點：一是在合適的位置進行攪拌，關(guān)鍵是凝固末端電磁攪拌的位置與拉速匹配，其中，對于新安裝電磁攪拌的鑄機，凝固末端電磁攪拌安裝的位置要進行合理設(shè)計，而對于電磁攪拌安裝位置已固定的鑄機，則通過調(diào)節(jié)拉速使中心凝固分率在安裝位置處取得合適的值；二是設(shè)定合適的攪拌強度（凝固前沿攪拌速度）和方式，其中影響攪拌強度的參數(shù)包括攪拌電流和頻率，攪拌方式則包括連續(xù)攪拌和交替攪拌方式。本文中結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌均采用連續(xù)攪拌。連續(xù)攪拌下，凝固前沿攪拌速度與磁感應(yīng)強度、頻率、液芯大小以及鋼水粘度和電導(dǎo)率等有關(guān)，具體如式（9）[10]。

uθmax=0.1KB√fr（√σ/ρμ-0.44）≈0.064 4B√fr? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：K是與攪拌器有關(guān)的常數(shù)，B是鑄坯中心磁感應(yīng)強度（mT），f為頻率（Hz），r為液芯半徑（指兩相區(qū)+液相區(qū)部分，m），括號內(nèi)為與鋼種相關(guān)的項，σ是電導(dǎo)率（S/cm），ρ為密度（g/cm3），μ為鋼種動力粘度（Pa·s）。根據(jù)式（9），實踐中可通過磁感應(yīng)強度推算凝固前沿攪拌速度，通常認(rèn)為凝固前沿合適的攪拌速度為0.3 ～ 0.6 m/s，不超過1 m/s。本文中磁感應(yīng)強度通過特斯拉計（HT201）測量獲得。

3? ? 工藝優(yōu)化實踐與分析

根據(jù)模型優(yōu)化測算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，設(shè)計相關(guān)試驗以確定工藝調(diào)整方向。主要涉及拉速、二冷、結(jié)晶器電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌4個工藝變量。選擇相同流進行不同工藝的比較研究，見表6。

根據(jù)試驗得到的結(jié)果，f工藝條件下中心縮孔和中心碳偏析指數(shù)均表現(xiàn)良好，后續(xù)擬以該工藝為基礎(chǔ)進一步開展批量生產(chǎn)試驗。針對所取得的試驗效果，有以下分析。

1）提高拉速對縮孔和偏析均有所改善，其主要原因為：適當(dāng)提高拉速有利于更充分發(fā)揮凝固末端電磁攪拌的作用，有利于打破“小鋼錠”凝固，增強中心區(qū)域的補縮。

2）適當(dāng)增強MEMS也有利于同時改善偏析和縮孔，其主要原因為：增強結(jié)晶器電磁攪拌：①促進中心形核的增加，增加并細化中心等軸晶區(qū)，有利于減輕中心疏松和縮孔；②由于等軸晶區(qū)增加，中心偏析有所改善。

3）適當(dāng)減弱凝固末端電磁攪拌有利于改善偏析，原因可能是過強的攪拌產(chǎn)生的溶質(zhì)沖刷作用將溶質(zhì)帶到中心會引起中心碳偏析的加重。

4）強冷具有多方面的作用：①促進柱狀晶生長更容易搭橋，加重中心偏析和縮孔；② 鑄坯表面冷卻加強起到一定熱壓下作用，鑄坯芯部致密度增加，中心疏松有所減輕，對縮孔影響不大；③冷卻速率增加，二次枝晶間距減小，液相流動減弱微觀偏析減輕，中心偏析減輕；④液芯變短，不利于發(fā)揮凝固末端電磁攪拌作用增強補縮，縮孔和V型偏析加重。從結(jié)果分析來看，②③④的作用更為主導(dǎo)。

4? ? 結(jié)? ? 論

本文針對小方坯82B連鑄提高拉速條件下質(zhì)量優(yōu)化問題，開展建模、優(yōu)化計算和試驗，得到以下結(jié)論：

1）為取得良好質(zhì)量，針對高碳鋼合適的拉速應(yīng)與凝固末端電磁攪拌位置相匹配；

2）適當(dāng)強冷有利于提高鑄坯芯部致密度，改善疏松和縮孔和偏析狀態(tài)；

3）采用較強的結(jié)晶器電磁攪拌和稍弱的凝固末端電磁攪拌有利于改善鑄坯芯部質(zhì)量。

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