25MnSiV矩形连铸坯疏松缩孔模拟研究

葛春钰，朱晓雷，裴兰科，廖相巍，艾新港

（1.鞍钢铸钢有限公司，辽宁 鞍山 114021；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；4.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

学者们普遍认为，疏松缩孔是铸坯在凝固过程中，枝晶之间产生“搭桥”现象，阻止钢液对其凝固体积收缩产生的空隙进行补偿而造成［1-2］。冶金工作者对此做了大量深入细致的研究，并从不同角度阐明了疏松和缩孔的形成机理。贾浩敏等结合板锤铸件现场铸造工艺情况，利用Pro Cast软件对其凝固过程进行数值模拟，预测其存在的疏松缩孔缺陷，并根据模拟结果采用增大补缩通道及控制压力冒口的方法对原铸造工艺进行了优化，为该铸件的实际生产提供一定的参考依据［3］。丰小冬等针对Q345B圆形连铸坯出现的中心疏松现象，对铸坯的凝固过程进行了研究分析，发现二次冷却强度偏低会导致晶粒的充分长大，晶粒堆砌在液相穴末端，从而形成相应的小缩孔［4］。左强等以ZL114A铸造铝合金为研究对象，借助Niyama判据预测不同凝固路径及热物性参数下疏松缩孔缺陷的形成，最终结合实验结果，得出溶质偏析对凝固过程中疏松缩孔缺陷形成的影响［5］。但这些研究均未找出连铸过程各工艺参数对铸坯中心疏松缩孔的影响规律，以及如何调整各参数来确定最佳的连铸工艺。本文根据鞍钢铸钢有限公司现有160 mm×220 mm 25MnSiV矩形坯连铸工艺条件，建立连铸数学模型，研究拉速、过热度、二冷区给水量对连铸坯中心疏松缩孔的影响规律，并优化连铸生产工艺参数，以指导现场生产实践。

1 数学模型的建立

1.1 几何模型建立与网格划分

采用切片法对连铸过程进行模拟，通过SolidWorks软件建立三维几何模型。为了得到准确的计算结果并保证计算速度，网格元素尺寸设置为5 mm，总网格数超过442 714个，能够满足计算要求。数值模拟几何模型三视图与网格结构三视图见图1。

图1 数值模拟几何模型三视图与网格结构三视图Fig.1 Orthographic Views for Numerical Simulation Model and Lattice Construction

1.2 凝固传热数学模型的建立

把钢水进入结晶器的时刻作为初始时刻，温度的初始条件为浇注温度。

数学模型建立的前提条件：

（1）用切片法进行模拟，假定铸坯任一横截面的上下部分绝热，即忽略拉坯方向的传热，模型

式中，ρ为密度，kg/m3；cp为比热，J/（kg·K-1）；λ 为导热系数，W/（m·K-1）；fs 为固相率；L 为熔化潜热，J/kg。

结晶器内的传热可以用第二类边界条件来描述，结晶器内瞬时热流密度为［6］：简化为二维非稳态传热；

（2）钢液考虑为牛顿粘性不可压缩流体，凝固过程体积不变；

（3）钢种液相线和固相线不变；

（4）铸坯的物性参数视为各向同性。

当钢水在结晶器中凝固成具有一定厚度的坯壳后，由于拉辊机的作用，坯壳以一定的速度从结晶器弯月面向矫直切割机方向移动，同时，铸坯中心的热量会向其表面传导，钢的热物性能及铸坯的边界条件决定了二冷过程中传导热量的多少。假设铸坯厚度方向为x，凝固壳温度分布为T（x,y,t），则铸坯凝固传热数学方程可用微分形式表示，由此，建立二维非稳态传热模型如下：

式中，q为结晶器内某一位置处钢液的瞬时热流密度，MW/m2；t为钢水在结晶器内的停留时间，s；N为常数，由实际测定的结晶器热平衡与结晶器平均热流密度计算得出。结晶器瞬时热流密度与结晶器内平均热流密度的关系可用如下公式表达：

式中，ρw为冷却水密度，kg/m3；cw为冷却水比热容，J/（kg·K-1）；W 为冷却水量，m3/s；T1为结晶器出水温度，K；T2为结晶器进水温度，K；S为结晶器与钢液的有效接触面积，m2。

二冷区传热通常采用第三类边界条件描述，足辊区换热系数可以表示为［7］：

式中，h 表示足辊区换热系数，W/（m2·K-1）；Qw表示二冷区冷却水流量，kg/s；Tw表示二冷区冷却水温度，K。其他二冷区换热系数可用下式表示［8］：

空冷区部分边界条件用辐射换热和对流换热描述，其热流密度可以表示为：

式中，σ为玻尔兹曼常数，通常取5.669×10-8W/（m2·K4）；ε为铸坯表面平均黑度，通常取0.8；Ts表示坯壳表层温度，℃；Te表示环境温度，℃；ha表示空气自然对流换热系数，通常为 5～25W/（m2·K）。

1.3 材料的物性参数

材料的热物理特性随着时间的改变而改变，因此在数值模拟过程中需要掌握材料在具体时刻的具体物性来定义边界条件。表1为25MnSiV钢化学成分。

表1 25MnSiV钢化学成分（质量分数）Tab1e 1 Chemical Compositions in 25MnSiV Steel（Mass Fraction） %

根据液相线和固相线温度计算公式［9-10］得到25MnSiV的液相线温度为1 515℃，固相线温度为1 457℃，计算如下：

1.4 疏松缩孔判据的选择

本文采用Niyama判据对疏松缩孔进行预测。Niyama判据是日本Niyama等人通过分析比较3种尺寸、5种成分的圆柱形铸钢件疏松缩孔分布状况找出的一种用于预报铸件缩孔，尤其是疏松的判据［11］。Niyama的研究表明，铸件凝固终了时的温度梯度与冷却速度的二次方根的比值是最能反映铸件内部疏松缩孔分布的函数值。当该值小于某一临界值时，例如对于铸钢件，就会在该区域内产生疏松缩孔缺陷，且在所研究的范围内该临界值与合金成分、铸件的形状和尺寸无关［12-13］。目前，MAGMA、FTSolver及 Pro CAST等铸造模拟软件都采用Niyama判据法来预测铸件的疏松缩孔，取得了一定的效果［14-161。

1.5 数学模型的验证

根据现场测温及不同二冷水量下实际铸坯低倍组织规律来验证本文模型的准确性。现场连铸工艺参数为：拉速1.11 m/min、浇注温度1 530℃、结晶器水流量159.7 m3/h、结晶器水温差7.5℃、二冷足辊水流量3.4 m3/h、二冷一段水流量2.6 m3/h、二冷二段水流量1.9 m3/h、二冷三段水流量0.5 m3/h、二冷水总管温度27.3℃，测温位置分别在矫正轨之前和火焰切割前铸坯侧表面。每个点测温两次取平均值，测温点1测得温度分别为925℃和927℃，取平均值926℃，模拟结果测温点1温度范围在933.3～966.7℃，取中间值950℃，相对误差为2.48%；测温点2测得温度分别为782℃和780℃，取平均值为781℃，模拟结果测温点2的温度范围766.7～800.0℃，取中间值约783℃，相对误差为0.44%。实际测温与模拟温度对比见图2。两个点实际值与模拟值相对误差均小于5%，可以认为该模型能够很好地反映实际连铸过程。

图2 实际测温与模拟温度的对比Fig.2 Comparison of Actual Temperature and Simulated Temperature

图3为不同二冷区给水量占比时铸坯横截面低倍组织，表2为连铸坯疏松缩孔和偏析评价等级。根据图3和表2可以发现，随着二冷区给水量占比的增加，铸坯中心疏松程度降低。当占比为40%时，试样1的中心疏松等级较大为2.0，不符合产品质量要求；当占比为60%时，试样2的中心疏松等级为1.5，符合质量要求，说明模型能够很好的反映实际连铸过程。

表2 连铸坯疏松缩孔和偏析评价等级Table 2 Evaluation Grade for Porosity,Shrinkage Cavity and Segregation of Continuous Casting Blank

图3 不同二冷区给水量占比时铸坯横截面低倍组织Fig.3 Macrostructure in Cross Section of Continuous Casting Blank at Different Percentages of Quantity of Water Supply in Secondary Cooling Zone

2 连铸坯凝固传热模拟结果分析

2.1 拉速对铸坯疏松缩孔的影响

图4为拉速对铸坯疏松缩孔的影响。根据Niyama判据反映，位于图中标尺 0～10［（K·Sec）0.5/cm］区域内将会产生疏松缩孔。从图4看出，四种拉速下Niyama判据最小值均出现在铸坯中心，并向表面方向逐渐增加，说明中心最易形成疏松缩孔。

图4 拉速对铸坯疏松缩孔的影响Fig.4 Effect of Casting Speed on Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank

通过Image Pro软件计算各个拉速下Niyama值在 0～10［（K·Sec）0.5/cm］范围内面积占整个面积的比值，得到疏松缩孔产生比例与拉速的关系见图5。由图5可以看出，拉速在1.0～1.6 m/min范围内，随着拉速的增大，疏松缩孔的比列整体趋于增加。计算得出至1.6 m/min时，疏松缩孔面积增大了105.88%。分析认为，当铸坯进入二冷段后，随着拉速的增大，铸坯在二冷段停留时间越来越短，也就是说由二冷水带走的热量越来越少，使得铸坯内部的温度梯度升高。高拉速下铸坯温度梯度大，柱状晶发达，不利于等轴晶区的形成，且由于柱状晶生长过快，中心疏松得到发展，在中心部位形成“搭桥”，阻止了后部钢液的补充从而形成了缩孔。

图5 铸坯疏松缩孔产生比例与拉速的关系Fig.5 Relationship between Ratio of Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank and Casting Speed

2.2 过热度对铸坯疏松缩孔的影响

图6为过热度对铸坯疏松缩孔的影响。从图6中可以看出，不同过热度下铸坯凝固疏松缩孔产生区域基本位于铸坯中心部。

图6 过热度对铸坯疏松缩孔的影响Fig.6 Effect of Degree of Superheat on Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank

图7为铸坯疏松缩孔产生比例与过热度关系。

图7 铸坯疏松缩孔产生比例与过热度的关系Fig.7 Relationship between Ratio of Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank and Degree of Superheat

从图7可看出，随着过热度的增加，铸坯疏松缩孔产生比例逐渐增大。钢水过热度从40℃增加到50℃过程中，铸坯疏松缩孔的增加趋势较大。分析认为，钢液过热度高造成铸坯从结晶器出来坯壳较薄，限制了拉速，有利于柱状晶生长，在中心部位形成“搭桥”，阻止了后部钢液的补充从而形成了缩孔，且导致中心疏松缩孔加重。因此，相对而言低过热度浇铸有利。

2.3 二冷区给水量对铸坯疏松缩孔的影响

图8为二冷区给水量占比对铸坯疏松缩孔的影响。从图8中可以看出，铸坯疏松缩孔产生位置都集中于铸坯中心部，越靠近铸坯表面疏松缩孔产生的概率越低。

图8 二冷区给水量占比对铸坯疏松缩孔的影响Fig.8 Effect of Percentages of Quantity of Water Supply in Secondary Cooling Zone on Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank

图9为铸坯疏松缩孔产生比例与二冷区给水量占比的关系。

图9 铸坯疏松缩孔产生比例与二冷区给水量占比的关系Fig.9 Relationship between Ratio of Porosity and Shrinkage Cavity in Continuous Casting Blank and Percentages of Quantity of Water Supply in Secondary Cooling Zone

从图9可以看出，铸坯疏松缩孔的产生比例随着二冷区给水量的增加逐渐降低。分析认为，二冷区给水量的增加增大了对铸坯的冷却强度，加速铸坯中心钢液潜热的释放和凝固进程，因此缩短了铸坯液芯长度，有利于补缩的顺利进行。因此，增大二冷区给水量有利于减小中心疏松缩孔的生成。

上述研究认为，疏松缩孔形成的主要原因是由于铸坯在冷却区的停留时间短或冷却强度弱导致铸坯内部温度梯度大、潜热释放慢，从而使柱状晶生长发达，限制等轴晶区的形成。且由于柱状晶生长过快，中心疏松得到发展，在中心部位形成“搭桥”，阻止了后部钢液的补充从而形成了 “缩孔”。本文得出的最佳工艺参数为拉速1.0 m/min，过热度20℃，二冷区给水量占比60%。

3 结论

采用数值模拟的方法研究了拉速、过热度和二冷区给水量对25MnSiV连铸坯疏松缩孔的影响，得出结论如下：

（1）随着拉速的增大，铸坯疏松缩孔产生比例增加，拉速从1.0 m/min增大到1.6 m/min过程中，铸坯疏松缩孔面积增大了105.88%；随着过热度的提高，铸坯疏松缩孔产生比例增加，钢水过热度从40℃增加到50℃过程中，铸坯疏松缩孔的增加趋势较大；随着二冷区给水量的增加，铸坯疏松缩孔的产生比例逐渐降低。

（2）降低铸坯中心疏松缩孔比例的最佳工艺参数分别为拉速1.0 m/min、过热度20℃、二冷区给水量占比为最大给水量的60%。