超宽板坯包晶钢连铸初生坯壳应力的数值模拟

梁志刚，王 楠，赵 亮，邹宗树

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.包头钢铁集团有限公司 薄板坯连铸连轧厂，内蒙古 包头 014010)

超宽板坯包晶钢连铸初生坯壳应力的数值模拟

梁志刚1，2，王 楠1，赵 亮1，邹宗树1

(1.东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819;2.包头钢铁集团有限公司 薄板坯连铸连轧厂，内蒙古 包头 014010)

利用商业软件计算了超宽包晶钢连铸过程中初生坯壳所受应力.研究结果表明，由于包晶反应引起的体积收缩，包晶成分钢种的凝固坯壳表面应力显著大于非包晶钢成分钢种，在距铸坯中心约200～400 mm处应力出现极大值;随板坯宽度的增加，坯壳表面应力增大，应力极值点向坯壳中心方向移动;连铸工艺参数直接影响包晶钢表面应力大小，随过热度减小，拉速增加，结晶器冷却强度减弱，坯壳表面应力减小，铸坯表面裂纹发生概率降低.在本研究条件下，对断面为3 200 mm×150 mm的铸坯，适宜的过热度为15～25℃，拉速为1.2 m/min，结晶器宽面冷却强度为5 500 L/min.

连铸;包晶钢;超宽板坯;应力;数值模拟

在包晶钢与亚包晶钢(碳质量分数为0.09%～0.17%)连铸生产过程中，包晶反应伴随的体积收缩常常会引起铸坯表面纵裂缺陷的产生.随着铸坯断面宽度增加，凝固坯壳收缩量增大，形成表面纵裂的概率增大.表面纵裂是包晶钢连铸常见表面缺陷之一，严重影响板坯成材率.随着我国板材比的增加，近年国内投产了多台超宽板坯(宽度3 m以上)铸机.在这些超宽板坯铸机生产的钢种中，(亚)包晶钢成分钢种占有相当比率.因此，减少宽板坯铸坯表面纵裂缺陷，提高铸坯一次合格率，是备受关注的宽板坯连铸问题之一.

大量研究结果表明，结晶器内初生坯壳的不均匀生长是亚包晶钢铸坯纵裂产生的主要原因［1，2］.关于初生坯壳表面所受应力的数值计算，已有很多研究［3，4］，在这些数值计算中，一般只考虑温度对凝固坯壳线膨胀系数的影响，并未考虑包晶相变的影响.因此，本文在考虑相变对膨胀系数影响的基础上，研究连铸工艺条件对坯壳表面应力的影响，为减少包晶钢板坯表面纵裂的发生提供理论依据和基本工艺参数.

1 模型建立

1.1 计算区域网格划分

研究对象的板坯尺寸为3 200 mm×150 mm.根据板坯的对称性，选取铸坯的1/4部分作为研究对象［5］，采用四节点四边形等参单元进行网格划分.为减少运算量，采用网格加密方法，对坯壳区域进行网格加密，这样既可以保证计算精度，又可以降低运算时间.网格划分结果如图1所示.

图1 计算区域网格划分Fig.1 Grid distribution of simulating zone

1.2 基本假设

(1)铸坯横向传热速率远大于纵向传热速率，因此可忽略拉坯方向传热;

(2)拉速恒定时，连铸坯传热处于稳定状态;

(3)钢的物性参数仅与温度有关，与空间位置无关;

(4)钢的各相密度视为常量，忽略凝固前沿的密度差;

(5)铸坯液芯内部的对流传热通过有效导热系数来体现;

(6)结晶器表面为绝热传热条件.

1.3 控制方程

1.4 初始与边界条件

(1)初始条件

弯月面处铸坯温度均匀分布，各节点初始温度等于钢水浇注温度T0，即:

式中，qk是铸坯宽面热流密度;qk0是铸坯宽面初始热流密度;qz是铸坯窄面热流密度;qz0是铸坯窄面初始热流密度.

1.5 线膨胀系数

图2为碳钢的瞬时线性热膨胀系数曲线.当碳的质量分数为0.12%时，由于包晶反应，使得热膨胀系数在两相区发生突变;而当碳的质量分数为0.2%时，由于包晶反应只在1 495℃发生，对热膨胀系数的影响很小，因而钢的热膨胀系数没有发生突变.

图2 碳钢的瞬时线性热膨胀系数曲线Fig.2 Linear thermal expansion coefficient of carbon steel

2 结果与讨论

图3为结晶器出口处不同碳含量的3 200 mm×150 mm板坯宽面从中心到角部的应力变化.可以看出，在中心区域及角部位置的应力值较大，其中在距宽面中心400 mm范围内应力值增大并达到极值，然后逐渐减小，变化平稳，并在角部位置急剧增加.因此可以认为距宽面中心400 mm处和角部位置容易发生板坯裂纹.此外，从图3还可看出，虽然两钢种铸坯表面应力变化趋势基本相同，但对于包晶钢成分条件，其表面应力明显高于非包晶钢种.因此，与未发生包晶反应的钢种相比，包晶钢成分的钢种更容易形成铸坯表面纵裂缺陷.

图4为不同断面尺寸的铸坯宽面从中心到角部位置的应力分布.不同断面尺寸的铸坯，表面应力分布的趋势基本一致，均表现为在铸坯宽面中心20%附近应力出现极大值，而后逐渐减小，在靠近角部位置急剧上升.但随着板坯宽度的不同，在铸坯宽面上的应力极值及其发生位置也随之改变，随着宽度的增加，不仅应力大小增加，应力极值点即裂纹敏感区域也向宽面中心移动.

图5为过热度对铸坯表面应力分布的影响.随钢水过热度提高，铸坯宽面上的应力极值向宽面中心移动，应力极大值随之增大，表明宽面中心附近形成裂纹的趋势增大.因此，应适当降低钢水过热度，有利于降低铸坯表面裂纹发生概率.

对模拟断面尺寸为3 200 mm×150 mm的铸坯，当浇注温度为1 530℃、拉速为1.0 m/min时，在不同的冷却强度下铸坯表面上的应力分布如图6所示.可以看出，随冷却水流量的增加，铸坯表面的应力极值表现出增大趋势.当冷却水流量为5 500 L/min时，铸坯表面应力极值减小，表明结晶器冷却强度减小，凝固坯壳厚度的不均匀性降低.铸坯表面的应力极值减小，有助于减少铸坯表面裂纹的发生.但随着冷却强度的进一步降低，形成的坯壳变薄，且铸坯角部附近的应力值增大，这将会增加角部裂纹和漏钢的危险.

图7为不同拉速条件下结晶器出口处铸坯宽面表面应力分布.可以看出，当拉速从1.0 m/min提高到1.2 m/min时，铸坯表面应力极值明显降低.这是由于拉速的提高，与降低冷却强度相似，凝固坯壳变薄，厚度不均匀性减小，应力极值减小.但继续提高拉速至1.5 m/min时，虽然应力极值进一步略有降低，由于生成的凝固坯壳过薄，容易造成漏钢事故.因此，拉速不宜过大，以保证凝固坯壳厚度.在本研究条件下，适宜的拉速为1.2 m/min左右.

3 结论

通过对超宽板坯包晶钢凝固坯壳表面应力分析，得出如下结论.

(1)由于包晶反应引起的体积收缩，包晶成分钢种的凝固坯壳表面应力显著大于非包晶钢成分钢种，其中应力极值点出现在距铸坯中心约200～400 mm处.

(2)随着板坯宽度的增加，坯壳表面应力增大，应力极值点向坯壳中心方向移动.

(3)连铸工艺参数直接影响包晶钢表面应力大小.随过热度减小、拉速增加以及结晶器冷却强度减弱，坯壳表面应力减小，铸坯表面裂纹发生概率降低.在本研究条件下，对断面尺寸3200 mm×150 mm的铸坯，适宜的过热度为15～25℃，拉速为1.2 m/min，结晶器宽面冷却强度(冷却水流量)为5 500 L/min.

［1］Adri M， MuchtadienA， MuhammadS， etal. Recent improvement of continuous casting practice for high quality free surface defect slab product of gas cylinders application［J］.钢铁，2004，39(S9):365－368.

［2］Bernadette W，Michael H，Klaus H，et al.Improvement of surface quality on peritectic steel slabs［J］.Steel Research，2002，73(1)，15－19.

［3］荆德君，蔡开科.连铸结晶器内热－力耦合状态有限元模拟［J］.金属学报，2000，36(4):404－406.

(Jing De－jun，Cai Kai－ke.Finite element simulation of thermo－mechanically coupled states in continuous casting mold［J］.Acta Metallurgica Sinica，2000，36(4):403 －406.)

［4］Suzuki M，Hayashi H，Shibata H，et al.Simulation of transversecrack formation on continuously castperitectic medium carbon steel slabs［J］.Steel Research，1999，70(10):412－419.

［5］Voller V R，Swaminathan C R，Thomas B G.Fixed grid techniques forphase change problems:areview ［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1990，30(8):875－898.

［6］Mazumdar D.A Consideration about the concept of effective thermal conductivity in continuous casting［J］.ISIJ Int，1989，29(6):524－528.

［7］闫小林.连铸过程原理及数值模拟［M］.石家庄:河北科学技术出版社，2001.

(Yan Xiao－lin.Principle of continuous casting and numerical simulation［M］.Shijiazhuang:Heibei Science and Technology Press，2001.)

［8］陈雷.连续铸钢［M］.北京:冶金工业出版社，1994.

(ChenLei.Continuous castingof steel［M］.Beijing:Metallurgical Press，1994.)

Numerical simulation of stress field in a wide slab mould of peritectic steel continuous casting

LIANG Zhi-gang1，2，WANG Nan1，ZHAO Liang1，ZOU Zong-shu1

(1.School of materials and metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Plant of thin slab continuous casting and rolling，Baotou Iron ＆ Steel Co.Ltd，Baotou 014010，China.)

A numerical simulation of the thermal stress field of the solidified shell in the mold during continuous casting of peritectic steel slab was calculated with commercial software.The results showed that the thermal stress on the wide surface of the solidified shell was larger for peritectic steel slab than that for non－peritectic steel，and the maximal stress was located at 200～400 mm away from the central line.With increment of slab width，the thermal stress increased and the maximal stress moved towards the central line.In addition，the stress was also influenced by operating parameters，and it decreased with decrease of superheat degree，increment of drawing speed and decrease of cooling intensity in the mold.For the slab with section size of 3 200 mm ×150 mm，the proper casting speed was around 1.2 m/min，with cooling intensity of 5 500 L/min while the superheat degree was 15℃ to 25℃ in order to prevent longitudinal crack occurring during peritectic steel continuous casting in present study conditions.

continuous casting;peritectic steel;super－wide slab;stress;numerical simulation

TF713.1

A

1671-6620(2011)03-0176-04

2011-05-30.

国家自然科学基金资助项目 (51074039，51174052).

梁志刚(1967—)，男，河北省阜城人，高级工程师;邹宗树 (1958—)，男，山东章丘人，东北大学教授，博士生导师.