连铸轻压下技术

板坯连铸轻压下技术的工艺优化在板坯凝固过程中产生的中心偏析直接影响成品的质量，轻压下技术已成为改善中心偏析的重要手段。

本文介绍了板坯连铸动态轻压下技术的原理，通过对压下位置、压下效率、压下量等关键参数的分析，阐述了动态轻压下控制的基本策略。

标签：板坯；轻压下；工艺引言：随着国内钢产量的过剩，人们对钢铁产品质量的要求越来越高，连铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷是影响钢材质量的主要因素之一。

碳钢、低合金钢、特殊钢等钢种的连铸其中心偏析和疏松是连铸坯的主要缺陷之一，它严重影响了钢材的性能。

目前，常用的改善铸坯中心偏析的方法有电磁搅拌、低过热度浇铸、轻压下等技术。

轻压下被视为一种有效解决中心偏析的技术，在国内的钢厂，通过引进、合作开发得到了广泛应用。

一、轻压下技术的基本原理为了较少中心偏折，在进行板坯铸造的过程中，必须要采取一定的的措施来使得未凝固的钢液减少流动，而轻压下技术的应用正是为了解决这一问题。

在板坯的末端区域选择较为合理的压下力，对钢液的流动进行阻止，保证在最后的凝固中心区域中的组织成分均匀，从而使得中心偏折的现象得到缓解。

但是在选择亚下力的过程中，要保证其适当性，过大反而会增加钢液的流动，起到相反的作用，并且使得设备的磨损加剧。

一般情况下，使用的压力都比较轻微（一般压下量在2mm—4mm之间）。

在轻压下技术中，又可将其分为静态轻压下和动态轻压下两种。

静态轻压下指的是只能在铸机的某一个固定位置实施轻压下；而动态轻压下则指的是可以在对板坯的实际凝固位置进行在线跟踪实施轻压下。

轻压下的效果与压下位置是否合适有着密切的关系，在进行压下位置的选择时，要尽可能地靠近板坯的凝固终点（假如已经完全凝固，就没有再进行轻压下的意义；如果仍然处于液态，则只能起到将板坯进行压薄的作用），如下图（图1）所示。

在静态轻压下，要求板坯的凝固终点必须落在辊列的固定位置，但是早实际生产中却难以进行准确控制。

除此之外，在事先设定的扇形段辊缝参数也不能够在浇铸过程中进行调整，由此就会使得轻压下效果达不到理想的效果。

连铸轻压下工艺优化与实践杨文清,陈迪庆,白静,潘金保（武钢股份条材总厂,武汉，430083）摘要：本文介绍了轻压下对改善铸坯中心偏析和中心疏松的作用，通过对液芯长度计算，确定压下位置，进行多次试验，并对试验结果进行分析对比，选择最适合的压下方式。

关键字：轻压下;中心偏析;中心疏松1 前言连铸钢水在冷凝过程中，低熔点的物质被推向铸坯中心部位，形成了C、S、P、Mn 等元素的偏析带，该偏析带在液相穴终端存在于底部，形成了中心偏析和中心疏松缺陷。

轻压下技术是连铸坯拉矫时，对带液芯的铸坯施加小的压力的工艺方法。

即在铸坯凝固终端附近，对铸坯施加一定的压下量，使铸坯凝固终端形成的液相穴被破坏，以打断枝晶搭桥。

轻压下工艺能够改善中心偏析和中心疏松，但如果工艺不当，会产生压下裂纹，严重影响连铸坯质量。

武钢条材总厂一炼钢分厂（以下简称“一炼钢”）1#连铸机主要生产高碳钢。

对高碳钢来说，由于碳含量较高造成导热性差、凝固区间大，连铸坯本身容易产生偏析、疏松和缩孔等缺陷，在拉丝和扭转过程中容易引起断裂 [1] 。

受铸机断面大小等条件的制约，铸坯中心碳偏析一直是一炼钢控制难点。

该厂通过对拉矫机设备进行改造，使设备具备更大压下功能，并通过计算液芯长度，调整压下方式，找出最适合的压下量及压下方式。

2 浇注工艺现状一炼钢1#连铸机是五机五流弧形连铸机，主要生产高碳钢，铸机主要工艺参数见下表：目前，高碳钢轻压下压下量为 9mm，从低倍检验看，铸坯存在一定程度中心疏松，铸坯中心碳偏析也一直徘徊在 1.15 左右，与其他炼钢厂相比有很大差距，难以满足日益增长的客户需求。

3 凝固末端计算对高碳钢发生纵裂漏钢的坯壳进行分析，将漏钢坯壳横向切开，测量切开点的坯壳厚度，根据坯壳厚度计算凝固系数，漏钢时浇注工艺如下：漏钢坯壳示意图如下：坯壳厚度测量结果及凝固系数计算如下：注：凝固系数：K=D*(V/L) 1/2 D 为凝固坯壳厚度，V 为拉速，L 为到液面距离取两点的平均凝固系数作为综合凝固系数K，则可计算出液芯长度 L。

Ｉ绪论
１．３．２二冷动态轻压下技术原理
连铸坯在二冷的凝固过程中，由于凝固收缩和选分结晶原因，通常会出现中心偏析和中心疏松等缺陷。

铸坯中心偏析和疏松是由ｆ凝固壳冷却收缩或鼓肚，使糊状区枝晶间富集溶质元素的剩余液相流到铸坯的中心区域而形成。

连铸二冷动态轻压下技术就是在铸坯凝固末端附近施加适当的压力沿铸坯厚度方向压下微量位移，在液芯压下过程中，铸坯在压下辊的作用下向内挤压钢水，使芯部钢水向上运动，这种运动使正在凝固的钢水混合，还可以促进液芯中心富集的溶质元素钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，具有混匀溶质、消除成分偏析，促进中心区域凝固的优点。

同时，轻压下产生的压下量可以补偿铸坯的自然凝固收缩［４０ｌ，消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心和凝固空隙横向流动，对改善中心疏松和中心偏析有着很大的作用。

实践证明，合理的液芯压下不仅能解决连铸与连轧之间的厚度匹配问题，而且能细化铸坯内部组织，使铸坯的凝固组织更加均匀致密，进一步减轻或消除铸坯中心偏析，提高铸坯的内部质量。

液芯动态轻压下示意图见图１．３。

图１．３液芯压下设备示意图【４１１
Ｆｉｇ．１．３ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＬｉｑｕｉｄｃｏｒｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
连铸二冷动态轻压下【４２－４３１通常是建立在二冷动态模型的基础上。

首先建立连铸二冷动态凝固传热数学模型，利用数值分析方法跟踪计算铸坯在二冷区的温度场分布，结合所浇铸钢种的高温物理性能参数，实时了解连铸坯的温降规律、凝固壳生长规律、凝固末端位置变化。

再根据铸坯的凝固状态实行动态轻压下控制。

７。

常规板坯连铸轻压下技术的发展与应用近年来，利用动态轻压下改善常规板坯、厚板坯以及大方坯连铸的生产效率、控制铸坯常见的中心偏析、中心疏松和中心线裂纹等缺陷在生产实践中不断得到肯定。

由于其在连铸过程既控制铸坯温度又控制铸坯的压下变形，从而在提升铸坯内部质量、提高连铸生产效率和缩短后续轧制生产流程等方面具有的巨大发展潜力和独特优越性，正在被视为发展中的新一代连铸技术而受到广泛关注。

连铸轻压下指在铸坯凝固末端一个合适的两相区内利用当地的夹辊或其它专门设备，对铸坯在线实施一个合适的压下量，用以抵消铸坯凝固末端的体积收缩，避免中心缩孔（疏松）形成；抑制凝固收缩而引起的浓化钢水流动与积聚，减轻中心宏观偏析程度的铸坯凝固过程压力加工技术。

其中，将只能在铸机辊列某一固定位置实施的轻压下称之为静态轻压下；能够在线跟踪铸坯的热状态，并根据其当时的实际凝固位置实施轻压下称之为动态轻压下。

由于动态轻压下技术在提升铸坯内质、提高连铸效率等方面独特的优越性，已得到国内外日益广泛的重视。

连铸轻压下技术发展历程1 轻压下技术思想的提出上世纪八十年代，为了研究板坯的中心偏析和避免使用电磁搅拌所带来的中心白亮带问题，新日铁公司曾尝试在凝固末端的扇形段人为加大辊缝收缩量（约0.6-0.8mm/m），发现其对控制板坯鼓肚和中心偏析有比较明显的效果。

这就是所谓的板坯静态轻压下，静态轻压下必须与拉速很好配合才能具有比较稳定的工艺效果，应用过程中有很大的局限性。

此后，新日铁和NKK 还分别研究了一些变异的轻压下途径，如NKK 提出人为鼓肚轻压下的概念，并将此应用在该公司福山6 号板坯连铸机上。

新日铁也提出过圆盘凸型辊轻压下法，其做法是把夹辊的中间部分做成凸台。

不难发现，由于上述轻压下工艺一直没能摆脱静态轻压下固有的局限性，实际生产中，难以很好地发挥作用，所以这些技术一直难以推广应用。

但它为凝固过程通过辊缝控制来改善铸坯内部质量提供了发展思路。

钢板坯铸机扇形段在连铸动态轻压下受力分析钢铁是国家发展的工业基础，经济的快速发展离不开各类钢铁制品的有力支撑。

新时期工业的发展、基础设施的建设需要大量的型钢、型材。

不锈钢板材是一种在生产、生活领域中应用十分广泛的材料，在不锈钢板材的轧压生产过程中容易产生中心偏析、疏松等的问题。

连铸动态轻压技术是一种在不锈钢板材生产过程中，通过动态跟踪监测不锈钢铸坯凝固的进程，并通过向不锈钢铸坯动态施加一定的机械外力，用以使得不锈钢铸坯末端两相区的凝固体的收缩能够得到一定程度的弥补，提高不锈钢铸坯的铸造质量。

文章在分析连铸动态轻压技术特点的基础上对连铸动态轻压技术应用过程中扇形段的受力进行模拟分析。

标签：连铸动态轻压技术；扇形段；受力；模拟分析Abstract：Iron and steel is the industrial foundation of national development，and the rapid development of economy can not be separated from the strong support of all kinds of iron and steel products. In the new period，the development of industry and the construction of infrastructure need a large number of sections. Stainless steel plate is a kind of widely used material in the field of production and life that is easy to produce central segregation and porosity in the process of rolling and pressing stainless steel sheet. Continuous casting dynamic light reduction technology is a kind of dynamic monitoring of the solidification process of stainless steel billet during the process of production of stainless steel sheet and the application of certain mechanical external force to stainless steel billet dynamically to make the stainless steel billet. The shrinkage of the solidified body in the two-phase zone at the end can be compensated to a certain extent to improve the casting quality of stainless steel billet. On the basis of analyzing the characteristics of continuous casting dynamic light reduction technology，this paper simulates and analyzes the force acting on sectors in the process of application of continuous casting dynamic light reduction technology.Keywords：continuous casting dynamic light reduction technology；sector section；force；simulation analysis连铸动态轻压技术是一种应用于不锈钢板坯轧制加工的重要技术。

新技术 新设备厚板坯连铸轻压下技术和轻压下扇形段西安重型机械研究所　王朝盈　刘彩玲　刘光辉摘要　论述了浇注连铸厚板钢种板坯容易出现的质量缺陷,采用轻压下技术的必然性及实现轻压下技术所采用的专用二冷扇形段的主要特点。

叙词　连铸厚板坯　偏析　轻压下　扇形段Abstract　T he paper takes up the faults in quality easily caused w hen th ick steel slab is p roduced using concasting m ethod,and the inevitability of using s oft2reducti on techno l ogy to s o lve the p roble m s.T he paper als o p resen ts the m ain characteristics of the s pecial segm en ts in secondary coo ling zone w hen s oft2reducti on techno l ogy is taken.D escr i ptors　th ick slab concasting,segregati on,s oft2reducti on,segm en t1　前言作为厚板坯连铸机的必需技术,凝固末端轻压下技术的应用已经在世界上钢铁工业发达的国家取得了丰富的经验,已被证明这一技术对提高连铸厚板钢种质量是十分有效的。

进行凝固末端轻压下时,应当装备相应的机械设备。

2　厚板钢种的致命缺陷对于厚板坯连铸机所浇注的厚板钢种来讲,最突出最严重的质量缺陷是中心疏松和中心偏析,中心偏析结合各类夹杂物的存在,严重地恶化了钢的冲击韧性,特别是低温冲击韧性。

偏析的钢板因偏析带硬度高又影响了其端部被使用时的焊接性能,使焊接部位(热影响区)冲击韧性恶化,甚至出现焊接裂纹。

南钢超低头板坯铸机动态轻压下技术的实现郎秋燕戴洪祥马骏朱国庆汪毅马军（南京钢铁联合有限公司炼钢厂，南京，江苏，210035，中国）田陆鲁清远周雄文杨建桃刘晓玲(衡阳镭目科技有限责任公司，衡阳，湖南，410001，中国)摘要：本文重点介绍在南钢超低头铸板坯上成功进行机械和液压系统的改造，安装轻压下系统，实现轻压下技术的过程。

经过多次调试成功实现动态轻压下功能，在板坯内部裂纹、中心疏松及中心偏析等方面取得了一定的效果，已达到提高铸坯内部质量的目的。

关键词：轻压下内部裂纹中心疏松中心偏析1 前言南京钢铁联合有限公司炼钢厂板坯连铸机是1988年在引进由德马克专门针对国内当时情况设计的超低头连铸机后，消化制造的国产超低头连铸机，1989年建成。

在1996年进行了加段改造。

随着国内连铸技术的不断发展，国内大部分的超低头板坯连铸机已经淘汰，这台是目前国内尚存不多的一台超低头连铸机。

由于该台铸机工艺装备比较落后，在铸坯质量上存在一定的内部裂纹、中心疏松和中心偏析等缺陷，对于部分品种无法满足客户需求。

为了提高铸坯质量，更好的生产一些品种，于2007年下半年炼钢厂郞秋燕厂长决定与镭目公司合作，在该台铸机上开发国内自发研究的板坯动态轻压下技术。

2 铸机设备改造情况实施轻压下，会在一定程度上增大拉坯阻力，需要增加电机工作功率，同时对液压系统提出要求，所以在实施改造前必须考证现有电气、液压系统能否实现轻压下功能。

液压系统改造，首先验证实现所需压下量时所需要增加的压下力，及其对液压系统的要求。

压下力包括实现轻压下所需的压下力和克服钢水静压力所产生的鼓肚力，以弹塑性理论和蠕变理论为基础，应用有限元方法仿真轻压下过程。

仿真结果显示，压下力的变化基本上是随着压下量的增加而增加；在达到压下量后，压下力会在一定时间内继续增大；不过随着保持辊缝过程的进行，压下力很快逐渐减小。

所以实施轻压下的压下力主要验证压下过程中出现的最大值。

再通过分析机架受力模型：辊子受到铸坯作用力为均布载荷，受四个夹紧油缸力为集中载荷，可计算轻压下所需的油缸压强:压下2mm，8MPa；3mm，15MPa；4mm，18MPa；5mm，24MPa；6mm，34MPa。

第３３卷第１６期中国机械工程V o l ．３３㊀N o ．１６２０２２年８月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．１９７２Ｇ１９８２连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析秦㊀勤１,２㊀王文智１㊀张㊀升１㊀臧㊀勇１１．北京科技大学机械工程学院,北京,１０００８３２．北京科技大学顺德研究生院,佛山,５２０３００摘要:针对连铸铸坯在各个扇形段中坯壳厚度㊁温度场分布变化剧烈的特点,系统地研究铸坯在不同压下区间内极限压下量的变化规律.以A ３６钢连铸坯为研究对象,建立包括铸坯㊁铸辊以及它们之间多体接触的三维热力耦合模型,在保证工艺质量的前提下对铸坯的极限压下量㊁压下区间和分配进行系统研究.结果表明,A ３６钢铸坯从弧形段第一区段到水平段第十区段全过程的极限压下量范围是３．８７~６．９６mm ,在凝固末端适宜的压下区段为第８~１０段,并且在这些压下区域内压下量均匀分配比较适宜.关键词:连铸;轻压下;极限压下量;有限元仿真中图分类号:T F ７７７．１D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２２．１６．０１１开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):A n a l y s e s o fL i m i tR e d u c t i o na n dP r o c e s s i n g P a r a m e t e r s i nS o f tR e d u c t i o n P r o c e s s e s o fC o n t i n u o u sC a s t i n gQ I N Q i n １,２㊀WA N G W e n z h i １㊀Z H A N GS h e n g １㊀Z A N G Y o n g１１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ,B e i j i n g,１０００８３２．S h u n d eG r a d u a t eS c h o o l ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ,F o s h a n ,G u a n g d o n g,５２０３００A b s t r a c t :I nv i e wo f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d r a s t i c c h a n g e s i n s h e l l t h i c k n e s s a n d t e m pe r a t u r ef i e l d o f c o n t i n u o u s c a s t i ng bi l l e t s i ne a c hs e c t o r ,t h ev a r i a t i o n l a wo f l i m i t r e d u c t i o no f b i l l e t s i nd i f f e r e n t r e d u c t i o n i n t e r v a l sw a s s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ．T a k i n g A ３６s t e e l c o n t i n u o u s c a s t i n g bi l l e t s a s t h e r e Ｇs e a r c ho b j e c t ,a t h r e e Ｇd i m e n s i o n a l t h e r m o d y n a m i c c o u p l i n g m o d e l i n c l u d i n g b i l l e t ,c a s t i n g ro l l e r a n d t h em u l t i Ｇb o d y c o n t a c t b e t w e e nt h e m w a se s t a b l i s h e d ．U n d e r t h e p r e m i s eo f e n s u r i n g t h e p r o c e s s i n gq u a l i t y ,t h e l i m i tr e d u c t i o n ,r e d u c t i o nz o n e sa n dr e d u c t i o nd i s t r i b u t i o n so f t h ec a s t i n g bi l l e t sw e r e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e l i m i t r e d u c t i o n o fA ３６s t e e l b i l l e t s f r o mt h e f i r s t s e c Ｇt i o no f b e n d i n g se c t i o n t o t h e t e n t h s e c t i o nof h o r i z o n t a l s e c t i o n i s a s ３．８７~６．９６mm．T h e s u i t a b l e r e Ｇd u c t i o n s e c t i o n s a t t h e e n do f s o l i d i f i c a t i o na r e t h e ８t h ~１０t hs e c t i o n s ,a n d i t i s s u i t a b l e t od i s t r i b u t et h e r e d u c t i o ne v e n l yi n t h e s e r e d u c t i o n s e c t i o n s ．K e y wo r d s :c o n t i n u o u s c a s t i n g ;s o f t r e d u c t i o n ;l i m i t r e d u c t i o n ;f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 收稿日期:２０２１０６２３基金项目:国家自然科学基金(５１３７５０４１)０㊀引言在连铸生产中,轻压下技术是减少铸坯内部质量缺陷的有效手段之一,众多学者开始从不同方面对轻压下技术进行系统研究,比如对连铸产品质量的影响.在连铸过程中不可避免会产生偏析[１Ｇ２]㊁中心缩孔[３]㊁表面裂纹[４Ｇ５]以及内裂纹[６Ｇ７]等质量缺陷,而轻压下技术的合理应用则可以防止晶间富集偏析元素的钢液向铸坯中心横向流动,从而减少或消除铸坯中心疏松和偏析等缺陷,提高铸坯的工艺质量[８].但铸坯压下效果与压下量㊁压下区间的选择和压下分配方案等工艺条件密切相关,若未能控制好压下工艺,则会有诱发铸坯产生内裂纹等缺陷的可能,对铸坯质量带来负面影响.国内外学者对铸坯压下过程中的压下位置㊁压下分配和压下量等工艺参数进行了系统分析.关于压下位置的研究,L U O 等[９]的研究表明,碳含量和冷却速度对轻压下区的选择都有影响;史学亮等[１０]研究发现,拉速变化对压下区间的选择有影响,因此不同钢种和不同压下参数下的压下位置选择会有差异;李茂印等[１１]研究发现,中心固相率由０．３０＜f s ＜０．７０后移至０．５０＜f s ＜０．８５所对应的区间,能有效减少中心疏松和缩孔;S U ＧZ U K I 等[１２]和T A K A H A S H I [１３]的研究指出,最佳压下区间应在铸坯中心固相率为０．３~０．７的范围内;S H I G E A K I 等[１４]和MA R K U S 等[１５]试验后发现,铸坯中心固相率大于０．２５时压下有较２７９１ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.好效果,小于０．２５时中心偏析会随着压下量的增大而恶化;罗森等[１６]认为轻压下区间应在中心固相率为０．３~０．７的范围内;WA N G等[１７]发现最佳压下位置大致在铸坯中心固相率为０．９处.由于连铸条件和铸坯材质不同,以中心固相率来确定的最佳压下位置会有差异且选择范围较大,铸坯的宽窄面温差与坯壳厚度在不同的位置亦会不同,则压下量会随连铸过程的位置变化而改变,因此需要对压下区间的选择进行进一步的系统研究.以各区段上铸坯的应力应变变化及变形情况作为侧重点进行研究,同时结合前人对压下位置的研究结果,可以较为细致地选择适宜区间,从而优化压下效果.在保证连铸工艺质量的前提下,压下过程还要避免内裂纹的产生,内裂纹的形成不仅受连铸机设备㊁冷却条件和钢种等因素影响,还受工艺操作的影响[１８],因此需要对铸坯的压下量和分配方式进行研究.日本八蟠制钢发现凸形辊压下采用６mm压下量可获得中心质量良好的铸坯[１９].台湾中钢发现在中心固相率０．５５~０．７５区域的压下总量为４~５mm[２０].罗传清等[２１]建议在中心固相率０．５５~０．９５区域采用６mm压下量进行压下.王少伟等[２２]发现在扇形段９和１０段分别压下２．９mm㊁２．８mm较为合理.Z H A O等[２３]研究发现压下量与宽展量之比由２．０提高到４．４后压下效率显著提高,但该研究只针对凝固末端的合理压下量进行讨论,而未涉及其他扇形段中的压下量.L I U等[２４]发现中心固相率为０．３~０．９时,轻压下量宜为１２．２~４．０mm.刘珂等[２５]对凝固末端糊状区体积收缩进行分析后认为,中心固相率为０．７~０．３时,合理轻压下量应为２．９５~４．６５mm,对铸坯体积收缩与压缩变形量进行分析来确定合理压下量的方法没有考虑是否会在压下过程中有产生裂纹缺陷的可能.Z O N G等[２６]研究发现最大拉应力出现在脆性温度区间的边界处,因此压下量对铸坯脆性温度区间力学性能的影响尤为重要.罗仁辉等[２７]分析了压下量分配对铸坯各节点应力和应变的影响,发现均匀的压下量更有利于降低铸坯表面的应力.虽然许多学者对压下量及分配方式进行了研究,但系统地探究其对铸坯内部力学性能的影响研究较少,且多为局部位置的压下量调整,缺少连铸全程极限压下量的研究.由于压下区间的选择范围较大,铸坯在各区间上温度与坯壳厚度有所变化,可施加的最大压下量也会不同,故需要在铸坯不产生内裂纹的前提下对连铸全过程的极限压下量进行探究.确定极限压下量的范围和适宜的分配方式,就可以根据情况动态选择各个区间上的压下量大小,既能最大化减少偏析与疏松等内部缺陷,又能防止内裂纹的产生.铸坯压下效果与合适的压下工艺密切相关,由于连铸生产工艺的复杂性和工艺参数的多样性,通过实验和生产线调试的方法对压下参数进行调试较为复杂且成本较高,故采用数值模拟的方法进行研究.许多学者采用有限元分析,建立了凝固传热[２８]和热力耦合[２９]等模型来研究连铸过程温度场变化及应力与变形行为演变规律.本文通过建立连铸热力耦合模型,考虑铸坯的温度场变化与弹塑性变形,并施加合理的钢水静压力以尽可能真实准确地模拟连铸压下的全过程,对连铸重要压下工艺参数进行了研究.以A３６钢连铸坯为研究对象,基于A B A Q U S商业有限元软件建立铸坯三维压下模型,在临界应力与临界应变准则的基础上,探究连铸全程的极限压下量,并研究不同的压下区间和压下分配工艺参数对铸坯内部力学性能和极限压下量的影响,为连铸动态压下工艺的开发提供理论依据,以指导实际生产.１㊀分析模型本文建立了在辊列中运动的三维热力耦合有限元模型,首先根据材料的物性参数建立凝固传热模型,获得铸坯的温度场分布和凝固末端位置,然后根据铸坯的温度场数据和力学性能参数,建立热力耦合模型,并合理施加钢水静压力,最后结合内裂纹判定准则分析铸坯的极限压下量范围和不同的工艺参数下的应力应变分布及变形演变历程.具体研究思路如图１所示.图１㊀研究思路F i g．１㊀R e s e a r c h i d e a１．１㊀铸坯压下模型的建立连铸机模型采用湘潭钢铁厂５号直弧形板坯３７９１连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析 秦㊀勤㊀王文智㊀张㊀升等Copyright©博看网. All Rights Reserved.连铸机,如图２所示.整个连铸机包括s e g０~ s e g１２扇形段,其中s e g０为弯曲段,s e g１~６为弧形段,s e g７㊁８为连续矫直段,s e g９~１２为水平段.其主要技术参数见表１.图２㊀连铸机辊列图F i g．２㊀R o l l l a y o u t o f c o n t i n u o u s c a s t e r表１㊀湘钢５号板坯连铸机的主要技术参数T a b．１㊀T h em a i n t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o fN o．５b i l l e tc a s t e r i nX i a n g t a n I r o na n dS t e e l C o r p机型直弧型二次冷却方式水冷和气雾冷却铸机流数１矫直方式多点矫直结晶器实际长度(mm)９００结晶器有效长度(mm)８００铸坯断面厚度(mm)２００铸坯断面宽度(mm)１５００~３２００连铸机基本半径(m)１０正常浇铸速度(m/m i n)０．８~１．２５㊀㊀为了探究不同压下工艺参数对铸坯内部力学行为的影响,根据所研究的连铸机实际生产规格建立了铸坯在辊列中运动的热力耦合有限元模型,如图３所示.其中,铸坯材料为A３６钢,其化学成分见表２.考虑到铸坯左右部分的传热和边界条件具有对称性,使用１/２铸坯建立压下模型,铸坯尺寸为８６２mmˑ２２６mmˑ１１００mm,使用C３D８R八节点线性六面体减缩积分单元,铸辊半图３㊀铸坯凝固变形三维几何模型和凝固末端压下模型F i g．３㊀T h r e eＧd i m e n s i o n a l g e o m e t r i cm o d e l o f s o l i d i f i c a t i o nd e f o r m a t i o no f c a s t i n g b i l l e t a n d e n d s o l i d i f i c a t i o np r e s sＧd o w nm o d e l表２㊀A３６钢的化学成分(质量分数)T a b．２㊀C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fA３６s t e e l(m a s s f r a c t i o n)元素含量(％)元素含量(％)C０．１５７A l０．０２８９S i０．２４８９C r０．０３７５M n１．４１４３C u０．０２８４P０．０１６２N i０．０１７７S０．００４４径R分别为７５mm㊁１１５mm㊁１２５mm和１５０mm,共１８８个,拉速为１．１５m/m i n.由于铸坯左右部分传热和边界条件具有对称性,故建立１/２铸坯模型,对三维铸坯模型宽面中部施加对称约束,作用于整个连铸过程中.在三维铸坯模型的外表面和解析刚性铸辊之间建立法向硬接触㊁切向罚函数法摩擦的接触关系.闫小林[３０]研究表明热坯滚动摩擦因数为０．３,铸辊在热坯上的滚动摩擦因数受铸坯表面情况的影响,根据从动辊所用轴承类型摩擦因数设置为０．００１,驱动辊摩擦因数设置为０．３.各驱动辊分别绕其中心轴旋转,在铸坯动态过程中对每个驱动辊施加角速度为０．２１７４r a d/s,并约束从动辊的全部自由度与驱动辊在U１和U２方向上的自由度.在预定义场部分导入铸坯凝固过程的温度场计算结果来模拟铸坯在拉坯运行过程中的实时温度变化的影响.钢水静压力的施加方法是通过计算铸坯单元以拉坯速度运行时每一时刻到结晶器弯月面的垂直距离h,由此得到坯壳单元在每一时刻所受钢水静压力的大小,利用温度分析时得到的坯壳厚度数据选取铸坯固液交界面,对固液交界面处的单元表面施加均布压应力,实现了钢水静压力的实时变化,更符合实际情况.１．２㊀铸坯内裂纹判定标准的确定１．２．１㊀临界应力应变判据的确定为了判断铸坯凝固前沿是否产生内裂纹,采用临界应力应变准则作为判断标准.为了获得钢种的临界应力,采用文献[３１]中临界应力与碳含量的关系,如图４所示.当研究对象为A３６㊁碳质量分数为０．１５７％时,该钢种在凝固末端所能承受的临界应力为３．３M P a.根据文献[３２]中临界应变与碳含量的关系,如图５所示,该钢种的临界应变为２．５％.为了进行对比验证,采用高温拉伸变形试验的方法对上述内裂纹判定标准进行确定.具体试验方法如下:将试样均温区以T ＝１０ħ/s的升温速率快速加热到１４００ħ,保温６０s,使其充分奥氏体化,再以升温速率T ＝１ħ/s缓慢加热至试验温度,最后在恒温下使试样拉断或者到指定应４７９１中国机械工程第３３卷第１６期２０２２年８月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.图４㊀临界应力与碳含量的关系F i g ．４㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e n c r i t i c a l s t r e s s a n d c a r b o n c o n t e nt图５㊀临界应变与碳含量的关系F i g ．５㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e n c r i t i c a l s t r a i na n d c a r b o n c o n t e n t变从而完成高温拉伸试验.试样应力应变随温度变化情况如图６所示.在１４６０ħ温度下,当应变为２．８８％㊁应力为３．７２M P a 时,铸坯试样出现断裂,据断口形貌可判断为脆性断裂,所以该钢种的铸坯在凝固末端压下的临界应变为２．８８％左右,临界应力为３．７２M P a左右.随着温度的降低,断面收缩率迅速增大,试样已具有良好的塑性,在应变为４％㊁应力在图６㊀试样应力应变曲线F i g ．６㊀S t r e s s s t r a i n c u r v e s o f s pe c i m e n ７M P a范围内,铸坯试样不会出现断裂.因此在连铸过程中,为避免出现内裂纹,出铸机前铸坯温度应避开温度脆性区间,并且在凝固末端压下过程中,铸坯凝固前沿的应变不应大于２．８８％,应力不应大于３．７２M P a .综上可得,铸坯的临界应力为３．７２M P a ,临界应变为２．８８％.１．２．２㊀高温脆性区间的确定铸坯的内裂纹多产生于凝固前沿处,需要确定其具体的位置.有学者把铸坯的固液两相区分为液相补充区和高温脆性区,液相不渗透温度和零塑性温度的区间范围即为高温脆性区间的温度范围.根据文献[３３],零塑性温度对应的固相率大约是０．９９,液相不渗透温度对应的固相率大约是０．９,零强度温度对应的固相率大约是０．７５.采用G l e e b l e Ｇ３５００热力模拟试验机进行高温拉伸测试,获得了钢种在不同测试温度下的热力塑性曲线㊁零强度温度和零塑性温度等高温力学性能参数.试验取样的位置㊁所用设备及试样断口形貌如图７所示.试样采用标准热拉伸圆柱状试样,尺寸为ϕ１０mmˑ１２０mm .根据试验,当温度达到１４６０ħ时,据断口形貌可判断为脆性断裂,故将１４６０ħ作为A ３６钢种的零塑性温度;当温度达到１４８５ħ时,试样的抗拉强度极限接近０,故将１４８５ħ作为A ３６钢种的零强度温度.图７㊀试验取样位置㊁设备及结果F i g ．７㊀T e s t s a m p l i n g l o c a t i o n ,e q u i pm e n t a n d r e s u l t 根据测得A ３６钢的零强度温度和零塑性温度(分别为１４８５ħ和１４６０ħ),采用文献[３３Ｇ３４]的固相率公式计算零强度和零塑性温度对应的固相率如下:f s ＝(１１－２ΩK )[１－(T f －T T f －T L)(１－２ΩK )(K －１)](１)Ω＝α[１－e x p (－１/α)]－０．５e x p (－１/(２α))(２)α＝３３．７T－０．２４４(３)式中,f s 为固相率;T f 为纯铁熔点１５３６ħ;T L 为液相线温度１５１３ħ;T 为温度;K 为溶质再分配系数０．２８７;T为冷却速率,取５ħ/s ;α㊁Ω为表征溶质反扩散程度的参数.５７９１ 连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析秦㊀勤㊀王文智㊀张㊀升等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.零强度和零塑性温度对应的固相率分别为０．９９和０．７５,与前文理论概述吻合.将液相不渗透温度对应的固相率代入回归公式中,计算得到液相不渗透温度为１４６８ħ.因此,A ３６钢的高温脆性区间为１４６０~１４６８ħ,分析铸坯此位置在不同工况下的应力与变形情况.１．３㊀模型验证提取铸坯宽面中心和窄面中心节点在整个连铸过程中沿铸流方向的温度变化曲线,并与工厂生产现场相应位置测量的温度数据进行对比,如图８所示.仿真温度与测试温度基本一致,温度误差最大值为２０ħ,最大相对误差在５％以内.(a)铸坯宽面中心节点(b)铸坯窄面中心节点图８㊀铸坯温度实测与仿真结果对比F i g ．８㊀C o m pa r i s o nb e t w e e nm e a s u r e da n d s i m u l a t e d r e s u l t s o f b i l l e t t e m pe r a t u r e 模拟了扇形段５㊁６两段铸坯凝固前沿位置处的应力变化,压下量为５mm .由图９可知,铸坯凝固前沿处的应力值出现周期性变化,当铸坯位于压下辊之间时,由于钢水静压力的作用,铸坯凝固前沿受到拉应力,应力值为正值.当铸坯位于压下辊下方位置时,由于辊子的压下作用,凝固前沿受到压应力,应力值为负值,故铸坯在前进过程中应力呈现周期性波动变化.根据临界应力判据,当应力最大值不超过临界应力值时,铸坯不会产生内裂纹,因此在扇形段第５㊁６两段实施５mm的压下量时不会有内裂纹产生.为了验证压下模型的正确性与可行性,将模拟结果与文献[３１]建立的连铸板坯三维有限元模型的模拟结果进行对比.所用材料为A ３６钢,碳质量分数为０．１５７％,在凝固前沿所能承受的临界应力值为３．７２M P a .文献[３１]的模型计算对象为Q ３４５R ,碳质量分数为０．１６％,临界应力值为３．３１M P a .选取压下量为５mm 的工况进行对比,其中扇形段位置与铸辊数量与文献相同,提取同位置铸坯内弧侧凝固前沿应力值如图９所示,铸坯凝固前沿的应力在－２．８５~１．７９M P a 之间呈周期性变化,文献[３１]应力在－５．５~２M P a 之间呈周期性变化.由于铸坯材料㊁模型建立以及工艺参数与文献[３１]有所不同,故应力极值会略有差异,根据临界应力判据,应力最大值是主要的研究对象,其值与文献[３１]相差１０．５％.在相同工况下铸坯的应力变化原理及变化趋势相同,应力最大值相近.温度数据的实测对比和文献[３１]仿真对比证明了压下模型的正确性.(a)本文结果(b )文献[３１]结果图９㊀凝固前沿的应力值对比F i g ．９㊀C o m pa r i s o no f s t r e s s v a l u e s a t t h e s o l i d i f i c a t i o n f r o n t运用上述压下模型对连铸过程进行模拟可以得到凝固前沿位置在不同区段的应力和应变变化情况,选取不同的压下量方案进行研究,结合临界应力应变准则进行力学性能分析,得到压下过程的极限压下量,进而探究压下区间及分配方式的选取对铸坯内部力学性能和极限压下量的影响.６７９１ 中国机械工程第３３卷第１６期２０２２年８月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.２㊀铸坯极限压下量分析及工艺参数影响２．１㊀连铸过程的极限压下量压下量要完全补偿压下区间内钢液在凝固过程中的体积收缩量才能防止富集溶质钢液的流动,压下量必须满足３个要求:①能够补偿压下区间内的凝固收缩,减少中心偏析和中心疏松;②避免铸坯产生内裂纹;③压下时产生的反作用力要在铸机扇形段许可载荷范围内.首先讨论连铸凝固末端压下,本模型保证压下区间和压下分配不变,对４种不同压下量的应力应变㊁窄面鼓肚和宽面间隙进行了对比,探究凝固末端的极限压下量.压下方案分为４种,方案１~４的压下区间均为水平段的第８㊁９和１０段,压下量分别为３mm㊁６mm㊁９mm和１２mm,均匀分配压下量.提取铸坯高温脆性区内关键点内的应力最大值,如图１０所示.统计铸坯不同区间的应力最大值可以看到,随着压下总量的增加,铸坯高温脆性区应力最大值增大.方案１压下３mm时主应力最大值出现在水平第９段,为２．４１M P a;方案２压下６mm时主应力最大值出现在水平第１０段,为３．２８M P a;方案３压下９mm时主应力最大值出现在水平第１０段,为６．０９M P a;方案４压下１２mm时主应力最大值出现在水平第１０段,为６．７０M P a.压下３mm和６mm时,铸坯主应力最大值未超过其临界应力３．７２M P a,铸坯不会出现内裂纹缺陷;而压下９mm和１２mm时,铸坯主应力最大值远超过临界应力值,容易产生内裂纹,压下量应小于９mm .图１０㊀不同压下总量下的应力最大值F i g．１０㊀M a x i m u ms t r e s s o f d i f f e r e n t t o t a l r e d u c t i o n铸坯高温脆性区的压下应变值如图１１所示.压下应变值在不同的压下区段内呈现范围式波动,随着压下总量的增加,铸坯高温脆性区压下应变最大值增大.４种方案的应变最大值分别为１．５８％㊁１．７５％㊁５．２７％和８．２１％,最大应变值出现在水平第１０段,不同压下量对铸坯高温脆性区的应变影响很大.压下３mm和６mm时,铸坯的应变最大值未超过其临界应变２．８８％,铸坯不会出现内裂纹缺陷;而压下总量超过９mm,应变最大值远超过临界值,因此应将压下总量控制在９mm以内.图１１㊀不同压下总量下的应变F i g．１１㊀S t r a i no f d i f f e r e n t t o t a l r e d u c t i o n铸坯在压下过程中窄面会发生鼓肚变形,对铸坯力学性能产生影响,提取铸坯不同压下量的窄面鼓肚变形量如图１２所示.铸坯每进入一个压下区段,窄面鼓肚变形量会增大,整体呈现增长趋势.压下３mm和６mm时,铸坯在完成压下前后窄面鼓肚变形量变化不大,增量保持在２mm 以下;压下９mm和１２mm时,压下之后的窄面鼓肚变形量较之前增量更大,分别增加了４．１mm 和６．４mm,在控制窄面鼓肚方面,压下量控制在６mm以下较好.铸坯的角部应变随压下过程的进行呈现阶梯式增加,不同压下总量下的角部应变如图１３所示.角部应变随着压下总量的增加而增加,方案１压下时角部应变在三个压下区间内分别为０．３％㊁１．２％和２％,方案２角部应变分别为０．５％㊁３．３％和５．５％;方案３角部应变分别为１．５％㊁５．５％和８．７％;方案４角部应变分别为图１２㊀不同压下总量下的窄面鼓肚F i g．１２㊀N a r r o wb u l g e s i z e o f d i f f e r e n t t o t a l r e d u c t i o n７７９１连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析 秦㊀勤㊀王文智㊀张㊀升等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图１３㊀不同压下总量下的角部应变F i g．１３㊀C o r n e r s t r a i no f d i f f e r e n t t o t a l r e d u c t i o n ２．５％㊁７．５％和１１．５％,其中方案３和４在第９段的角部应变就已经超过了方案１和２的角部应变最大值,考虑到控制角部应变方面,压下总量不宜过大.将不同压下量的应变值进行线性拟合,如图１４所示,铸坯在水平段上临界应变值为２．８８％时的压下量为其极限压下量６．９６mm.考虑到控制窄面鼓肚变形和角部应变以及合理分配压下量的情况下,较为适宜的压下量为６mm .图１４㊀不同压下总量下的最大应变值F i g．１４㊀M a x i m u ms t r a i no f d i f f e r e n t t o t a l r e d u c t i o n铸坯在各区间的温度不同,坯壳厚度逐渐增加,因此抵抗变形和压下的能力会有差别,不同区间的极限压下量亦会有所不同.在研究凝固末端区间的极限压下量的情况下,进一步探究连铸从弧形段到水平段全过程的极限压下量范围.选取弧形段第一区段s e g１,分析压下量为０㊁３mm㊁４mm和５mm四种不同情况下的铸坯应变变化,如图１５所示.随着压下过程的进行,铸坯应变值总体呈增大趋势,在经过压下辊时应变值会有突变,此时应变容易超过临界应变值从而产生内裂纹.无压下时应变最大值为０．８２％,压下３mm㊁４mm和５mm时应变最大值分别为２．２８％㊁２．９７％和３．２９％.在压下后期应变范围波动很大,将不同压下量的应变值进行线性拟合可得,临界应变为２．８８％时的铸坯压下量为其s e g１区段的极限压下量(大小为３．８７mm).图１５㊀s e g１段不同压下量下的应变F i g．１５㊀S t r a i no f s e g m e n t１w i t hd i f f e r e n t r e d u c t i o n铸坯在弧形段s e g１区段的极限压下量为３．８７mm,水平区段为６．９６mm.随着连铸过程的进行,坯壳厚度逐渐增加,极限压下量逐渐增大,s e g１~s e g１０段的极限压下量范围是３．８７~６．９６mm.２．２㊀不同压下区间对压下结果的影响压下区间是动态压下技术的重要参数之一,对于压下区间目前没有一个定值,一般企业都是根据实验修正后取得最佳值,该值与钢的成分㊁铸坯断面及生产设备都有关.本节保证上述合理压下量和压下分配不变,选取水平末端压下区间为研究对象,通过改变不同的压下区间,得到压下区间的变化对铸坯内部力学性能的影响,其中不同压下区间的压下方案见表３.表３㊀不同压下区间的压下方案T a b．３㊀R e d u c t i o n s c h e m e sw i t hd i f f e r e n t r e d u c t i o n z o n emm s e g８s e g９s e g１０s e g１１方案１２２２０方案２０２２２方案３０３３０㊀㊀铸坯的压下区间分别是第８㊁９㊁１０和１１段,选取上节得到的适宜压下量６mm.提取铸坯高温脆性区内关键点的应力最大值,如图１６所示.虽然总压下量相同且未超过极限压下量,但是不同压下区间的主应力变化范围差距较大,无压下时铸坯的主应力最大值为１．９９M P a,方案１的主应力最大值为３．０８M P a,方案２为２．９７M P a,方案３为４．９６M P a.方案１和方案２压下量平均分布在３个区间内,其主应力最大值大小相近,均未超过临界应力值３．７２M P a,而方案３压下量平均分布在两个区间内,其主应力最大值大于前两种方案,且超过了临界应力值.８７９１中国机械工程第３３卷第１６期２０２２年８月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.图１６㊀不同压下区间的应变与应力最大值F i g．１６㊀S t r a i na n dm a x i m u ms t r e s s o f d i f f e r e n tr e d u c t i o n z o n e无压下时铸坯的应变最大值为１．７１％,方案１~３的应变最大值分别为１．７５％㊁１．７６％和２．５３％.方案１和方案２应变最大值大小相近,远小于临界应变值２．８８％,方案３应变最大值接近临界值,且比方案１大４４．５７％,采用方案３的压下方案可减小铸坯此区段的极限压下量.铸坯不同压下区间的窄面鼓肚变形量如图１７所示.无压下时铸坯的窄面鼓肚变形量会随着时间不断减小,有压下时方案１的变形量最小,每个压下区段的变形增量也最小,方案３的变形量最大,变形量最大值比方案１大１．３mm .图１７㊀不同压下区间的窄面鼓肚F i g．１７㊀N a r r o wb u l g e s i z e o f d i f f e r e n t r e d u c t i o n z o n e在压下量相同的情况下,若压下区段较后,则坯壳较厚,变形抗力大,压下困难;减少压下区段的方案会减小铸坯的极限压下量,因为压下区段少,每段分配的压下量会增加,使得铸坯压下时变形抗力增大,高温脆性区所受应力应变增大,应力最大值４．９６M P a超过了临界值.因此在凝固末端适宜的压下区间为第８~１０段.２．３㊀不同压下分配对压下结果的影响从上节可以看出,不同的压下分配会对铸坯的压下结果产生影响,本节保证压下区间和压下量不变,通过改变不同的压下分配(均布压下量,大压下量分别置于压下区域前中后位置)时对铸坯内部力学性能的影响,探究压下量的适宜分配方式,其中,不同压下分配的压下方案见表４.表４㊀不同压下分配的压下方案T a b．４㊀R e d u c t i o n s c h e m e sw i t hd i f f e r e n t r e d u c t i o nd i s t r i b u t i o n mms e g８s e g９s e g１０方案１２２２方案２１１４方案３１４１方案４４１１方案５１２３方案６３２１㊀㊀采用６m m的压下方案,选取压下区间为第８㊁９㊁１０段.提取铸坯高温脆性区内关键点的主应力最大值和应变最大值见表５.关于主应力最大值,方案１压下时为３．２８M P a,方案２为４．４１M P a,方案３为５．０４M P a,方案４为５．０４M P a,方案５为４．６４M P a,方案６为４．７２M P a.采用平均分配压下量的方案时主应力最大值最小,未超过其临界应力值,而不均匀的分配方案主应力最大值较均匀分配的方案有所增大,且超过了临界应力值.在应变方面可以看到,方案１均匀分配方案的应变最大值为１．７５％,是所有方案中最小的,其他不均匀分配的最大应变值均超过了临界应变值,会减小铸坯的极限压下量.铸坯不同压下分配的窄面鼓肚变形量如图１８所示.方案１和方案２的鼓肚变形量最大值比其他方案小,方案４与方案６由于首段压下量分配太大,从开始压下便保持在很高的数值,会影响铸坯的压下质量.表５㊀不同压下分配的应力应变最值T a b．５㊀T h em a x i m u mv a l u e o f s t r e s s a n d s t r a i nw i t hd i f fe r e n t r e d u c t i o nd i s t r i b u t i o n方案主应力最大值(M P a)应变最大值(１０－２)１３．２８１．７５２４．４１３．１９３５．０４４．１６４５．０４３．７１５４．６４３．４１６４．７２３．４５㊀㊀在压下量相同的情况下,均匀分配压下量的方案使铸坯在压下过程中所受应力应变缓慢增加,变形抗力较小,未超过内裂纹生成的临界应力应变值,压下效果最好.非均匀分配压下量的方案使铸坯在大压下量区段产生应变突变和较大的鼓肚变形,应力应变的变化范围大,若超过临界应力应变值,则会有产生裂纹的可能性.因此采用均布压下方式有利于改善压下质量.９７９１连铸轻压下过程极限压下量及工艺参数分析 秦㊀勤㊀王文智㊀张㊀升等Copyright©博看网. 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