应用射钉实验修正厚板坯连铸机轻压下模型的研究

2020-01-06于晓梅

中国金属通报 2020年5期

于晓梅

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司品质保证部，山东莱芜，271104）

动态轻压下技术，是目前国内连铸工序解决连铸坯中心偏析和疏松的一种非常有效的手段，国内外的学者们都进行过深入研究[1]。动态轻压下技术的工艺参数分为动态轻压下区间、动态轻压下量[2]和压下量在各个扇形段的分配，在实际生产中，只有合理的使用这些工艺参数，与实际的钢种、拉速、配水配合好，才能获得较好的连铸坯偏析与疏松的等级。但由于连铸生产过程连铸坯是多维传热，高温铸坯内部热传导的多变性，因此不同的炼钢厂不同的生产工艺和不同的连铸机配制，会导致各个连铸机在配制动态轻压下技术时，采用不同的工艺参数。目前各个钢厂都是根据各自的工艺特点和设备配制，结合自己连铸机的特点来设定符合自己生产条件的轻压下参数。

连铸坯凝固坯壳厚度是连铸生产中一个非常重要参数，它直接反映着铸坯的冷却状况和拉速的合理程度。本项目采用射钉法对铸机的坯壳厚度、液相穴长度、凝固系数等方面进行研究，并依据射钉法研究的数据和结果来对铸机的二次冷却、轻压下区间、铸机拉速等工艺参数进行优化调整。

传热模型计算结果的可靠性与铸坯所受到的实际冷却条件密切相关。在结晶器区域，铸坯受到的冷却与结晶器进出水量、温差、有效冷却面积相关，利用热平衡原理，可以准确确定出铸坯在结晶器内所受到的冷却强度。实际对传热模型计算结果可靠性影响较大的是二冷区边界条件，为此本研究中引入了修正系数，对铸坯二冷区冷却边界条件进行修正，将射钉实验结果及传热模型计算结果对比可以确定修正系数[3]。

压下区间是动态轻压下技术最重要的参数，这个区间由铸坯凝固末端的位置决定。我们根据动态轻压下的工作原理，在连铸机扇形段的主动辊施加机械力，在铸坯的凝固末端压碎已搭桥的树枝晶，可以补偿连铸坯的冷却收缩作用，防止未凝固的富含高浓度其他元素的钢液向铸坯中心流动。因此，我们是否能找到铸坯的凝固终点至关重要。目前铸坯凝固终点是由计算机的二冷模型计算出来的，但计算模型和实际的凝固终点到底是不是一致，还需要验证。若轻压下位置作用在凝固末端之后，此时铸坯已经凝固，就没法改善铸坯的内部缺陷了；若轻压下位置作用在凝固末端之前，此时铸坯尚未凝固，就失去了轻压下应有的作用。因此，在连铸机生产过程中，找到合适的压下位置对轻压下技术来说至关重要[3]。本文通过在莱钢型钢炼钢厂4#板坯连铸机进行压下区间调整试验对轻压下压下区间做进一步的研究，研究结果对改善4#连铸机铸坯的内部质量具有重要意义。

1 射钉实验原理

连铸坯凝固坯壳厚度检测的试验方法有很多种，如刺穿坯壳法，同位素法等。但刺穿坯壳法属于破坏性试验，现场无法操作。同位素法会产生一定的放射性污染，试验的可操作性差。因此，采用射钉法具有不影响生产、不产生废品、操作简便、测量精度较高等优点。

因此，实际生产中常采用射钉法来检测凝固坯壳厚度。射钉法的基本原理为：铸坯出结晶器后，在某一位置射入钢钉，钢钉的液相线温度低于所测钢种的液相线温度，因而在液相区的钉子完全熔化，两相区的钉子部分熔化，在固相区的钉子未熔化，同时，钉子上有两道含有硫化物的沟槽，低熔点的硫化物在射钉进入铸坯液相穴时，会迅速扩散，根据硫化物的扩散情况，采用酸侵蚀和硫印的方法，能显示出铸坯的液芯厚度。切取带射钉的铸坯就可以直接测出凝固坯壳厚度。

射钉法可以根据示踪钢钉的熔化情况，来准确显示射钉位置的凝固坯壳厚度，确定该横断面上的凝固进程。但是，因为射钉试验装备的限制，试验不能精确的在线跟踪铸坯在整个铸机内的凝固情况。

结合局部精确测量凝固坯壳厚度的射钉法，确定板坯的凝固坯壳厚度分布状况与凝固终点位置，进而为铸坯凝固分析提供实验依据。

2 试验方法和方案

本文采用射钉试验法确定铸坯厚度，第一组射钉实验是在二冷第11段与12扇形段中间、二冷第12段与13扇形段中间的1/2、1/4宽度处进行的。具体射钉位置距结晶器内钢液面的距离分别为：27.522m、29.905m。第二组实验是在二冷第9段与10扇形段中间的1/2宽度处、二冷第10段与11扇形段中间的1/2、1/4宽度处进行。具体射钉位置距结晶器内钢液面的距离分别为：22.765m、25.145m。

两组射钉实验对应的钢种、浇注温度、拉坯速度、二冷配水等工艺参数如表1和表2所示，浇注断面为300mm×2200mm。

连铸机结晶器是垂直的，零段是直弧形，连铸机半径10m，扇形段共有14个段，主要工艺参数：试验钢种Q345D，断面300mm×2200mm，拉速0.85m/min，钢水过热度20℃～30℃。

3 试验结果及分析

通过在连铸机二冷11段与12段之间处进行的射钉实验，铸坯边缘至钉子边缘扩散开始区域的区域为固态坯壳区域；钉子边缘开始扩散到铸坯中心是固液两相区（或糊状区），没有中心充分扩散区域，这表明，铸坯到达此位置时，铸坯中心已处于固液两相区。射钉一侧为铸坯内弧侧，由图1可知，铸坯中心区域的糊状区宽度基本处于中心对称状态，因此本研究中外弧和内弧凝固坯壳厚度认为是相等的。

由射钉实验结果可知，距结晶器内钢液面距离为27.522m处凝固坯壳厚度为132.8mm～141.7mm（1/4宽度～1/2宽度）。这表明VAI模型预测的凝固厚度比实际铸坯凝固厚度要薄一点，也意味着VAI预测模型的凝固终点比实际凝固终点要靠后。

通过对Q345D钢的传热模型进行分析，首先将修正系数分别调整为0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.0、1.01、1.02，确定最佳修正系数在0.99～1.01之间，然后微调修正系数。获得不同修正系数条件下，铸坯在27.522m处铸坯宽度中心处的凝固厚度值。

由前可知，在距结晶器内钢液面27.522m处，射钉实验测定的铸坯宽度中心处凝固坯壳厚度为141.7mm，故修正系数为0.994的模型预测结果与实验结果最为接近。

综合比较22.765m和25.145m处模型预测的凝固坯壳厚度，对比Q345D射钉实验结果可知，修正系数为0.999时，模型预测凝固坯壳厚度与实际射钉实验结果最为接近，因此，对Q345D而言，最优修正系数为0.999。