GCr15SiMn钢超大圆坯凝固过程传热研究

许建飞，麻永林

(1. 华北理工大学 期刊社，河北 唐山 063210；2. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

引言

连铸技术由于其高生产效率、高质量、低成本，在世界钢铁行业获得较大发展，2018年国内钢铁行业连铸比为98.5%，其中重点企业已实现全连铸生产[1]。大尺寸圆坯技术也获得了飞速发展，广泛应用于石油、化工等重大民生领域。各种研究表明，铸坯的均匀凝固传热过程对铸坯坯壳生长和表面质量具有重要的影响[2,3]。为了提高铸坯质量减少表面裂纹，获得圆坯连铸过程温度分布及坯壳生长过程显得十分重要。

随着计算机技术及数值模拟技术的飞速发展，许多专家学者对此进行研究，Yamauchi等人[4]建立了一种结晶器流体与传热模型，通过研究液态钢水渣膜静压力确定钢水的液态渣膜厚度。Hooli[5]认为弯月面下渣相结构决定了渣相改变。通过计算铸坯与结晶器之间的气隙，Nawrat and Skorek[6]重新确认了铸坯与结晶器之间的热阻。Ki Young[7]使用一种双耦合热力模型计算结晶器变形及气隙形成。然而上述研究很少涉及到圆坯特别是超大尺寸圆坯，因此使用商业有限元软件ANSYS对直径φ450、φ600的GCr15SiMn钢进行数值模拟计算分析，获得不同工艺参数下铸坯温度场及生长规律。

1计算用轴承钢

轴承钢是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的钢种，其具有较高的硬度、耐磨性、韧性、优良的综合力学性能、较高的尺寸稳定性和机械加工性能[8]。其优良的性能使得其在现代工业中的应用更加广泛，GCr15SiMn钢属于高碳铬轴承钢，是在GCr15的基础上通过适当提高一些硅和锰的含量改进而来，主要用于生产各种轴承套圈和滚动体等，而其连铸生产的超大圆坯则广泛用于生产尺寸较大无缝钢管，并广泛应用于运输、石油、天然气等行业。

1.1 轴承钢凝固模式

如表1所示，GCr15SiMn钢的含碳量在0.96%～1.00%之间，其凝固模式为：L→γ+L→γ金属液凝固过程中，当到达液相线温度时，先析出相为γ，随着凝固温度下降γ相含量不断增多，最后凝固组织全部是奥氏体单相组织。

表1 GCr15SiMn钢成分含量(质量分数/%)

1.2 热物性参数

轴承钢的热物性参数如: 密度、比热、导热系数、凝固潜热、液固相线温度等通常都是随温度变化的曲线函数，由相应的经验公式计算求得GCr15SiMn钢的热物性参数，如表2所示。

表2 GCr15SiMn随温度变化的物理参数

2数学传热模型

2.1 基本模型及假设

假设圆坯上材料属性均匀并各向同性的，如图1选取超大圆坯上一小段微元体，根据能量守恒定律和转化定律对微元体进行热分析，得出圆坯在柱坐标系下的传热数学模型。

图1 柱坐标下微元体

(1)

上式中：ρ为钢的密度，kg/m3；C为钢的比热，J·(kg·℃)-1；T为铸坯温度℃；t为时间，s；Q为内热源强度，W/M3；λ为钢坯的导热系数，W/(m·℃)。

2.2 初始条件及边界条件

当钢水进入圆坯结晶器时，热量被结晶器铜管内高速流动的冷却水迅速带走，并形成有效安全的坯壳厚度，防止铸坯漏钢。将结晶器与铸坯表面的热量传递简化为冷却水带走的热量，对其加载平均热流密度：

(2)

F=π·R×L

(3)

圆坯工作支承辊如图2所示，其形状和尺寸根据铸坯的形状和尺寸调节。当圆坯进入二冷区时仍然存在着高温熔融的液芯[16]，为保证铸坯均匀冷却，将二冷区分为4段。其换热系数h的数值根据不同冷却段的喷水量和喷水方式不同具体也不相同：

图2 支撑工作辊

足辊段：h=0.581W0.451(1-0.007 5Ta)

(4)

气雾冷却段：h=0.35W+0.13

(5)

式中：W为水流密度，(L/m2·s)；Ta为环境温度，℃。

3现场条件及验证

GCr15SiMn钢属于高碳铬轴承钢，而其连铸生产的超大圆坯则广泛用于无缝钢管方面。φ450、φ600型超大圆坯现场生产实际工艺参数由某厂提供如表3所示，并由此计算了2种不同尺寸超大圆坯连铸凝固过程，对比分析了相应工艺参数对2种不同尺寸圆坯凝固过程温度分布及坯壳生长的影响。

表3 现场条件

基于上述某厂φ450、φ600型超大圆坯现场提供的工艺参数，经过计算并转化加载在圆坯凝固传热模型上，将2种尺寸圆坯在凝固末端位置的坯壳表面温度和液芯长度与现场在线检测的数据进行了对比分析，如表4所示φ450圆坯坯壳表面温度和液芯长度的相对误差分别是1.78%、5.61%；而φ600圆坯坯壳表面温度和液芯长度的相对误差分别是0.47%、3.1%。

表4 模型验证

4超大圆坯凝固过程结果分析

4.1 拉坯速度对铸坯凝固的影响

图3为φ450圆坯在不同拉坯速度下其坯壳表面和液芯温度以及坯壳厚度生长情况，其中拉坯速度的大小根据现场工艺条件和铸坯截面尺寸制定。而拉坯速度的改变对圆坯坯壳和液芯表面温度以及凝固坯壳的生长会有很大的影响。拉坯速度提高0.04 m/min，出结晶器坯壳厚度减少约2.5 mm，出二冷区圆坯表面温度增加20 ℃，液芯长度增加2.2 m。由于拉坯速度增加会导致铸坯的相对冷却时间减少，这会造成圆坯整体温度上升和凝固坯壳厚度减少，此外，由于坯壳内部高温熔融液芯热量的释放会使得凝固初始阶段坯壳温度缓慢降低并生长缓慢，而当热量释放结束后坯壳由于热阻的消失而迅速生长。

图3 φ450圆坯不同拉速下圆坯凝固生长情况 图4 φ600圆坯不同拉速下圆坯凝固生长情况

而图4为φ600圆坯在不同拉坯速度下坯壳表面和液芯温度以及坯壳厚度生长情况，其拉坯速度的大小同样根据现场工艺条件和铸坯截面尺寸制定。结果表明，当拉坯速度提高0.04 m/min时，出结晶器坯壳厚度减少约2.54 mm，出二冷区圆坯表面温度增加30.4 ℃，液芯长度增加3.57 m。通过对比分析可知，截面尺寸更大的铸坯在拉速提高相同程度下，凝固坯壳温度升高幅度较大，相应的液芯长度增加幅度也较大。

4.2 过热度对铸坯凝固的影响

图5为φ450圆坯在不同过热度下其温度场分布和凝固坯壳生长情况，由计算结果可知，过热度的改变对圆坯坯壳和液芯表面温度以及凝固坯壳的生长影响不大。对于φ450圆坯，过热度每提高10 ℃，出结晶器坯壳厚度减少约0.43 mm，出二冷区圆坯表面温度增加6.4 ℃，液芯长度增加0.3 m。过热度对圆坯温度场分布和凝固坯壳生长和拉坯速度有相似的影响趋势，即会使得铸坯整体温度上升、凝固坯壳厚度减薄，但是其影响能力却小于拉坯速度。

图5 φ450圆坯不同过热度下圆坯凝固生长情况 图6 φ600圆坯不同过热度下圆坯凝固生长情况

而图6为φ600圆坯在不同过热度下坯壳表面和液芯温度以及坯壳厚度生长情况，结果表明，φ600圆坯在过热度增加相同幅度下，即过热度提高10 ℃，出结晶器坯壳厚度减少约1.27 mm，出二冷区圆坯表面温度增加15.2 ℃，液芯长度增加1.79 m。而2种不同尺寸的圆坯温度场分布及坯壳厚度生长情况表明过热度的变化对于尺寸较大的φ600圆坯影响更大。

4.3 二冷区水量对铸坯凝固的影响

图7和图8分别为φ450、φ600型超大圆坯在3个不同比水量条件下铸坯的温度分布和坯壳凝固情况，对于φ450圆坯，当比水量增加0.02 L/kg时，出二冷区表面温度减少5 ℃，凝固位置向前移动0.2 m。φ600圆坯在比水量增加相同幅度下，出二冷区表面温度减少9.5 ℃，凝固位置向前移动0.34 m。表明二冷区比水量变化对二冷区温度影响很大，当比水量增加相同幅度的条件下，由于φ600型超大圆坯的拉速较慢，因此在二冷区比水量增加相同幅度的条件下，它对φ600型超大圆坯二冷区温度影响也较大。

图7 φ450圆坯不同比水量下圆坯凝固生长情况 图8 φ600圆坯不同比水量下圆坯凝固生长情况

4.4 二冷区长度对铸坯凝固的影响

图9和图10分别是φ450、φ600型超大圆坯在不同二冷区长度条件下铸坯的温度分布和坯壳凝固情况。

图9 φ450圆坯不同二冷区长度下圆坯凝固生长情况 图10 φ600圆坯不同二冷区长度下圆坯凝固生长情况

对于φ450圆坯，二冷区长度增加2 m，出二冷区表面温度下降45.4 ℃，液芯长度减少0.41 m。φ600圆坯在二冷区长度增加相同幅度下出二冷区表面温度下降51.7 ℃，液芯长度减少0.24 m。表明二冷区长度变化对二冷区温度影响也很大，适当增加二冷区长度能够增加铸坯冷却时间，促进铸坯凝固。同样的二冷区长度的变化对φ600型超大圆坯二冷区温度和坯壳生长情况影响程度也较大。

5结论

(1)拉速每提高0.4 m/min，对于φ450圆坯，出结晶器坯壳厚度减少约2.5 mm，出二冷区圆坯表面温度增加20 ℃，液芯长度增加2.2 m；φ600圆坯在拉速增加相同幅度下，出结晶器坯壳厚度减少约2.54 mm，出二冷区圆坯表面温度增加30.4 ℃，液芯长度增加3.57 m。

(2)过热度每提高10 ℃，对于φ450圆坯，出结晶器坯壳厚度减少约0.43 mm，出二冷区圆坯表面温度增加6.4 ℃，液芯长度增加0.3 m。φ600圆坯在过热度增加相同幅度下，过热度提高10 ℃，出结晶器坯壳厚度减少约1.27 mm，出二冷区圆坯表面温度增加15.2 ℃，液芯长度增加1.79 m。

(3)当比水量增加0.02 L/kg时，对于φ450圆坯，出二冷区表面温度减少5 ℃，凝固位置向前移动0.2 m。φ600圆坯在比水量增加相同幅度下，出二冷区表面温度减少9.5 ℃，凝固位置向前移动0.34 m。二冷区长度增加2 m，对于φ450圆坯，出二冷区表面温度下降45.4 ℃，液芯长度减少0.41 m。φ600圆坯在二冷区长度增加相同幅度下出二冷区表面温度下降51.7 ℃，液芯长度减少0.24 m。

(4)对于φ450、φ600型轴承钢2种超大圆坯而言，拉坯速度、过热度、二冷区水量和长度等连铸工艺因素的变化对于尺寸较大的φ600型超大圆坯的温度分布及坯壳生长情况影响较大，其中拉速的影响效果最大。