60Si2Mn弹簧钢150 mm x 150 mm铸坯缺陷分析与工艺优化

针对60Si2Mn弹簧钢(/%:0.56～0.64C,1.50～2.00Si, 0.70～1.00Mn,≤0.025P,≤0.020S)的150 mm×150 mm连铸坯角部存在横向表面裂纹缺陷问题,通过采用金相显微镜和扫描电镜对铸坯角部横向表面裂纹缺陷进行分析及试验比对。结果表明：结晶器铜管锥度过大、拉坯阻力大、保护渣润滑效果差以及二次冷却不均匀导致角部产生横向表面裂纹。通过将结晶器铜管锥度从2.2 mm降到1.6 mm、保护渣熔化温度从1182℃降到1072℃、粘度从0.76 Pa·s降到0.52 Pa·s以及二次冷却比水量从0.45L/kg降到0.32L/kg等措施,降低铸坯在铜管内拉坯阻力,改善结晶器冷却传热和二冷段喷淋冷却效果,提高铸坯冷却均匀性,使得铸坯缺陷得到有效控制,铸坯表面探伤合格率从35%提高到92%。     

提高水平连铸坯质量的方法

德国齐报的BGH公司为提高水平连铸坯的质量从1986年10月起开始使用曼内斯曼德马克公司开发的液压驱动的夹爪式离坯机，并采用锥度合适的结晶器。因为结晶器锥度过小就会在坯壳和结晶器之间形成间隙，而使其周围散热不均匀。这将使坯壳因产生应力而变形，使圆坯变成椭圆，方坯变成菱形。     

方坯表面纵裂的数值模拟研究

针对ER80-G钢165 mm×165 mm方坯纵裂问题,基于连铸坯壳应力遗传特性,采用有限元软件ANSYS建立二维方坯热力耦合分析模型,对结晶器锥度进行了优化分析。结果表明:原结晶器锥度小,导致"热点"区域坯壳生长减缓;保护渣转折温度高,加剧了气隙影响。原结晶器角部区域最大气隙1.46 mm,坯壳表面温度最高差值130℃,"热点"区域比表面中心坯壳厚度减薄1.5 mm。通过锥度优化消除了热点现象,结晶器出口处距角部15 mm区域坯壳厚度由12.3 mm增加到19 mm;同时将保护渣转折温度由1 200℃调整到了1 050～1 100℃,促进坯壳与结晶器之间的润滑,裂纹发生率由2%下降到0.46%。     

基于有限元法优化低碳钢板坯连铸机结晶器锥度的设计

钢厂1^#连铸机以0.95 m/min拉速生产SS400,D36和X70钢150~180 mm连铸板坯时,易产生角部纵裂纹,发生率最高可达5%。利用商业有限元软件ANSYS,建立了板坯连铸结晶器二维切片式凝固传热数学模型,并采用传热和应力/应变直接耦合的方法对连铸过程结晶器内凝固传热进行计算,分析了各钢种在0.95~1.05m/min拉速下铸坯温度分布以及温度分布不均引起的热应力。工业试验结果表明,根据优化计算结果,将板坯结晶器窄面的锥度系数由原来的1.00%改进为1.10%后,有效地消除了1^#连铸机板坯的角部纵裂纹。     

连铸过程结晶器内钢水凝固收缩计算研究

针对连铸结晶器铜管的锥度设计问题,采用凝固收缩——传热反馈调节计算方法,对130 mm×130 mm连铸结晶器内的传热、凝固及凝固收缩进行了计算研究,并与传统的利用假设的热流密度进行连铸坯锥度设计的计算方法进行对比。结果表明该计算方法可以有效地模拟实际连铸过程中角部区域凝固收缩对热流密度及温度分布的影响。针对CB300-V钢种,断面130 mm×130 mm连铸坯在3 m/min拉速下的计算结果为:凝固坯壳角部温度1 250℃,与经典热流公式计算的角部温度700℃有明显差别,面中心处明显的收缩开始于距结晶器上沿0.4 m的位置,凝固收缩的数值集中在0.000 2 m的范围内,角部最大收缩量为0.001 575 m。随着距表面距离的加大,凝固收缩呈减小趋势,凝固收缩的减少量与距离呈非线性关系。     

连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析

针对攀钢大方坯连铸机投产初期铸坯表面角部纵裂缺陷,建立了大方坯连铸结晶器内铜板与铸坯问的热力耦合模型,应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布.在传热模型中,以稳态模型分析结晶器的传热过程,以瞬态模型分析铸坯的传热过程;在力学模型中,考虑铸坯和结晶器的接触边界以处理结晶器角部的气隙,以热弹塑性模型分析铸坯的变形和应力场.2种结构的连铸结晶器中大方坯温度场和应力场计算结果表明,结晶器倒角从25 mm×45°变为12 mm×45°时,可改善铸坯角部的传热条件,降低凝固坯壳角部温度,增加凝固坯壳厚度,有利于减轻和防止铸坯角部裂纹.     

高速方坯连铸结晶器冶金理论问题探讨

提出并论述了高速方坯连铸结晶器冶金中结晶器热流、钢的凝固收缩、结晶器变形、锥度设计和圆角半径等问题,重点讨论了拉速、碳含量及润滑剂对热流的影响,不同碳含量的钢凝固收缩和相变特征以及结晶器热变形规律,提出了不同钢种的凝固收缩和相变收缩的计算方法和结晶器锥度、圆角半径的设计思路.     

板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究

针对板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷,建立了板坯连铸结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型,研究了板坯结晶器窄面铜板在不同倒角结构和不同锥度情况下铸坯的凝固收缩行为,计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小,都不利于铸坯温度的均匀分布;对断面厚度为230mm的铸坯,窄面铜板采用20mm～25mm ×45°;倒角及抛物线锥度时,铸坯表面温度分布最均匀,最大平面主应力分布较合理,角部出现横裂纹的可能性会大大降低。     

301不锈钢板坯结晶器出口热力耦合数学模型

针对某厂301不锈钢连铸坯表面裂纹缺陷发生率高的生产问题,建立了301不锈钢板坯连铸结晶器内凝固坯壳形成及应力和变形的热力耦合模型。该模型考虑了包晶钢高温相变特征及其结晶器内的凝固特点。利用有限元软件ANSYS,采用三维瞬态热传导有限元、生死单元技术及三维热弹塑性接触有限元算法进行求解,对301不锈钢板坯结晶器内凝固过程进行了研究。结果表明,结晶器出口处铸坯宽面中心温度最低,距角部40 mm处温度最高,坯壳最薄,随δ-Fe转变量增加,出口处坯壳温度升高,坯壳厚度变薄。铸坯宽面中心位移变形最小,角部最大,窄面位移量大于宽面。随δ-Fe转变量增加,出口处应力水平下降,热点区附近成裂指数增加,发生纹裂机率增大。     

方坯结晶器多锥度分析

基于坯壳应力遗传特性建立铸坯热力耦合模型,利用ANSYS对结晶器内铸坯进行铸坯传热及应力分析。依据最小气隙原则对结晶器锥度进行优化,分析了单锥度和多锥度对坯壳凝固行为的影响。结果表明:采用两种锥度形式的结晶器,铸坯角部凝固行为存在明显差异,而表面中心区域基本一致。单锥度结晶器内气隙分布较广,角部热流明显降低,在偏离角部12～22 mm处存在"热点"。多锥度结晶器内气隙宽度和存在范围显著减少,"热点"消失,多锥度结晶器更符合坯壳凝固收缩规律。     

倒角连铸坯角部纵向裂纹形成机制及控制

 倒角结晶器是控制板坯角部横向裂纹的有效方法之一,但角部纵向裂纹是倒角连铸坯易发的缺陷,这成为了倒角结晶器大规模应用的最大障碍。通过研究倒角结晶器生产工艺参数、设备精度以及喷嘴堵塞等因素对倒角连铸坯角部纵向裂纹的影响,确定了角部纵向裂纹发生的机制。研究表明,倒角结晶器窄面锥度不合理、0段和1段连接偏差以及喷嘴堵塞等是角部纵向裂纹产生的主要原因。通过采取有效措施,可以将倒角连铸坯角部纵向裂纹发生率降低到0.6%以下,使得倒角结晶器实现大规模的工业应用。     

攀钢低合金钢板坯角横裂缺陷的控制技术

分析了结晶器液面波动、结晶器锥度、结晶器冷却制度、连铸保护渣、二冷制度等连铸工艺对低合金钢板坯角部横裂纹缺陷的影响,在此基础上,提出了改善板坯角部横裂纹的有效措施,即稳定结晶器液面、优化结晶器锥度、弱化结晶器冷却和连铸二次冷却,改进连铸保护渣等.研究结果经实施应用,明显减轻了板坯角部横裂纹缺陷,消除了因低合金高强度钢连铸坯角部横裂纹缺陷引起的热轧板卷边裂缺陷.     

连铸坯凝固过程热力耦合有限元模拟

 以铸坯和结晶器之间的间隙热阻为纽带,考虑保护渣凝固对接触热阻和渣膜热阻的影响,建立了连铸结晶器与铸坯热力耦合模型并编写了相应的有限元仿真程序。模型预测的坯壳厚度和实验结果吻合良好,两者差值≤2 mm。应用模型分析了大方坯连铸结晶器内的传热过程和坯壳的应力分布。结果表明,随着拉速提高,凝固坯壳厚度减薄,铸坯产生角部裂纹的趋势增加。     

喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响

研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布,建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为。该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布,并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正。采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响。结果表明:喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性,导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高。这些效果有助于改善铸坯内部裂纹,但是会对角部裂纹产生不利影响。在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离,二冷区末段采用高喷淋距离,既可以提高铸坯角部温度,又能降低表面最大回温速率,有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹。在此基础上,提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式,即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加,该方法有助于提高连铸坯“纵?横”冷却均匀性。      

薄板坯表面纵裂形成机理及结晶器锥度研究

从力学角度出发对薄板坯表面纵裂纹的形成机理进行了探讨,分析了结晶器锥度控制工艺对薄板坯表面纵裂纹的影响,详细论述了纵裂纹的控制措施。研究结果表明,局部的拉应力集中是铸坯表面纵裂纹形成的主要原因之一。表面纵裂纹的控制措施包括2方面,一方面是通过优化连铸工艺提高凝固壳生长的均匀性,另一方面是通过优化结晶器内腔结构和调控锥度来促进结晶器与凝固壳接触状态的最佳化。     

鞍钢连铸倒角结晶器的应用实践

针对鞍钢股份有限公司炼钢总厂四分厂含磷、铌铸坯角部横裂纹严重的问题,采用了倒角结晶器技术,优化了足辊结构,调整了结晶器窄侧冷却水流量,提高了锥度值。结果表明,铸坯在连铸矫直区角部温度可以提高100℃以上,角部横裂纹发生率降低了95%。     

重轨钢连铸坯内部质量控制技术

针对攀钢大方坯连铸机投产初期重轨钢连铸坯中心疏松、中心偏析等内部缺陷较严重的问题,研究应用了提高重轨钢连铸坯内部质量的控制技术,包括凝固末端动态轻压下、结晶器电磁搅拌、二冷动态控制、连铸拉速与钢水温度优化控制等核心工艺技术.生产实践表明,重轨钢连铸坯综合合格率达到99.97%,铸坯中心疏松≤1.0级,中心偏析≤1.0级,中心缩孔≤1.0级,中心裂纹≤0.5级,中间裂纹≤0.5级,角部内裂≤0.5级,中心碳偏析指数≤1.05,由连铸坯轧成重轨的内部质量和力学性能满足时速350 km高速铁路用钢轨的要求.     

1650板坯压下过程热/力学行为及压下工艺优化

为了控制梅钢1 650板坯连铸包晶钢过程铸坯内裂纹发生,基于梅钢1 650板坯连铸机生产实际,建立了1 560mm×230mm断面包晶钢铸坯凝固过程三维热/力耦合有限元模型,揭示了铸坯凝固过程各冷却区内的温度场分布规律和铸坯压下过程应力与变形行为演变规律。结果表明,铸坯在结晶器及零段内冷却强度大,沿拉坯及其垂直方向的温度分布梯度大;在实施铸坯凝固末端压下过程中,铸坯宽面中心与宽向1/4处的表面变形及应力变化较为同步,且靠近铸坯内弧侧凝固前沿的塑性应变最大,铸坯应力最大值集中在角部区域;目前梅钢包晶钢连铸压下区间设置不当,易引发铸坯产生内部裂纹。     

高速连铸结晶器内凝固传热行为及其均匀性控制

从分析高拉速包晶钢板坯连铸结晶器内凝固传热行为特征入手,首先阐明拉速对结晶器内的界面热阻、凝固坯壳的温度与应力分布的影响规律,研究发现拉速超过1.6 m·min?1时,界面热阻明显增加,拉速由1.4 m·min?1提升至1.6 m·min?1和1.8m·min?1时,出结晶器坯壳厚度相应减少约10%,其发生漏钢的危险不断增加;在此基础上,阐述了结晶器的内腔结构、保护渣、振动与液面控制等控制结晶器内坯壳凝固均匀性的相关技术。要实现高速连铸,首要应考虑结晶器内腔结构的优化设计,使其能更好地迎合凝固坯壳的生长,研制适合包晶钢等凝固特点的专用连铸保护渣至关重要,铸坯鼓肚控制也是保障高拉速液面稳定的关键。      

板坯连铸倒角结晶器的开发与应用

 为减少连铸板坯角部横裂纹,在分析连铸坯角部横裂纹形成机制的基础上,提出了通过倒角结晶器减少角部横裂纹,以改变连铸板坯角部的二维传热,提高矫直时连铸坯的角部温度。数值模拟计算的结果表明,相对于直角连铸坯,倒角连铸坯在矫直区连铸坯角部温度明显提高,消除了角部Z向应力和应变集中。工业生产数据表明,采用倒角结晶器后,矫直区连铸坯角部温度从810~855℃提高到901~932℃,有效避开了钢的高温脆性区,连铸坯角部横裂纹发生率从10.6%稳定控制到1.6%以下,显著减少了连铸坯角部横裂纹。目前倒角结晶器稳定应用于首秦,所生产钢种涵盖了普碳钢、低合金钢、低碳钢和中碳含铌钢等。