大圓角銅管在方坯連鑄中的研究和應用

夏 磊翟啟杰

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海200072；2.上海亞新連鑄技術工程有限公司，上海200072）

大圓角銅管在方坯連鑄中的研究和應用

夏 磊1，2翟啟杰1

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海200072；2.上海亞新連鑄技術工程有限公司，上海200072）

針對某廠220 mm×260 mm斷面連鑄坯角部溫差大的情況，數值模擬并分析了造成角部溫差大的原因，并通過使用大圓角銅管，解決了連鑄坯角部溫差大的缺陷，改善了連鑄坯的表面質量。根據大圓角銅管在不同斷面及不同鋼種上的試驗與生產情況，總結了大圓角銅管目前存在的問題，即對于拉速較高的小方坯連鑄坯，大圓角銅管容易導致偏離角凹陷及角部裂紋缺陷。

大圓角銅管 連鑄 角部溫差 數值模擬

numerical simulation

結晶器是連鑄機的核心設備，進入到結晶器內的高溫鋼水在此過程中形成初生固態(tài)坯殼，銅管或銅板的內腔形狀影響連鑄坯的傳熱特點與斷面溫度分布，初生坯殼在結晶器不斷振動下行過程中增加其厚度，一冷結束后，脫離銅管或銅板約束的坯殼應具有完好的鑄坯表面質量和足夠的固態(tài)坯殼厚度，且應保持著鑄坯四周均勻一致的溫度，避免因溫度應力和相變應力在固態(tài)坯殼上產生張應力，導致固態(tài)坯殼的變形及裂紋。

連鑄板坯、方坯以及矩形坯由于結晶器角部區(qū)域為二維傳熱，坯殼凝固最快，造成角部溫度明顯低于中間部位，由此產生了巨大的角部溫度應力與相變應力，這是引起連鑄坯角部裂紋的主要原因之一［1］。連鑄板坯角部橫裂紋缺陷是國內外鋼鐵企業(yè)面臨的共同難題，角部橫裂紋能夠引起軋后板材邊部裂紋缺陷，嚴重的會直接造成板材報廢。為了解決連鑄板坯角部缺陷，技術人員通過對連鑄板坯結晶器角部結構的優(yōu)化，將直角結晶器改為倒角結晶器，消除了連鑄板坯較為尖銳的角部，解決了連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題［2-3］。對于連鑄方坯和矩形坯，國內外普遍采用管式結晶器，銅管兩面之間以圓角過渡，銅管圓角半徑為4～6 mm［4］，較大斷面采用圓角半徑8～10 mm。但是使用管式結晶器的連鑄方坯及矩形坯在連鑄過程中仍然存在著嚴重的角部黑印現象，不僅容易造成連鑄坯內部質量問題，也惡化了連鑄坯角部表面質量。在連鑄坯直接軋制過程中，由于鑄坯角部溫度最低，為了保證直接軋制時連鑄坯斷面溫度的均勻一致性，往往采用電磁感應補熱和燃氣補熱的方式對連鑄坯角部進行補熱［5］，造成了能源的消耗以及溫室氣體的排放。針對此情況，本文數值模擬并分析了造成鑄坯角部溫差大的原因，并通過使用大圓角銅管，解決了連鑄坯角部溫差大的缺陷，改善了連鑄坯的表面質量。

1 常規(guī)銅管生產連鑄坯的缺陷

以某廠生產的220 mm×260 mm斷面為例，闡述常規(guī)銅管生產的連鑄坯存在的缺陷，表1為連鑄機參數與生產參數，表2為常規(guī)銅管參數。

表1 連鑄機參數與生產參數Table 1 Parameters of the CCMand CC process

表2 常規(guī)銅管參數Table 2 Parameters of the conventionalmould

該常規(guī)銅管生產的連鑄坯在出結晶器下口及矯直過程中都存在著嚴重的角部黑印現象，如圖1所示。圖1（a）顯示的是初生坯殼出結晶器時的周向溫度分布情況，可以明顯觀察到鑄坯出結晶器時角部便已存在明顯的黑印；圖1（b）顯示的是存在巨大角部黑印的連鑄坯離開二冷進入矯直區(qū)域后，由于溫度應力及相變應力的存在，矯直變形過程可能會導致連鑄坯角部裂紋缺陷。

此外，常規(guī)小圓角銅管生產的連鑄坯常常伴隨著較為嚴重的角部振痕淤積現象，如圖2所示。角部淤積的振痕往往會將保護渣包裹在振痕內，在軋鋼工序中將導致棒材表面產生細小裂紋，并且通過檢測發(fā)現裂紋中含有結晶器保護渣成分，如Na等元素。

2 連鑄坯角部黑印成因分析

根據生產經驗并查閱文獻得知，增大銅管內圓角半徑可以顯著提高連鑄方坯及矩形坯的角部溫度［6］，因此本文通過數值模擬研究了銅管圓角半徑對角部溫度的影響。

圖1 常規(guī)銅管生產的連鑄坯角部黑印Fig.1 Bloom with black corner produced by conventionalmould

圖2 連鑄坯角部振痕淤積缺陷Fig.2 Bloom corner with irregular oscillation mark

采用直角坐標系下三維非穩(wěn)態(tài)傳熱微分方程描述連鑄坯的傳熱過程，綜合考慮流動對傳熱和凝固過程的影響，鑄坯凝固過程中由流體流動引起的熱量傳遞被結合進有效導熱系數中，建立方坯凝固過程的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱數學模型。采用有限差分方法對傳熱方程進行離散，采用C＋＋語言在Visual Studio 2010平臺下，開發(fā)了連鑄坯二維非穩(wěn)態(tài)傳熱溫度場數值模擬軟件［7］，并將現場生產參數輸入模型，可以方便地計算出鑄坯任意斷面處的溫度分布、任意位置的坯殼厚度以及凝固終點的位置等。

將表1中的連鑄機參數與生產參數輸入計算軟件，計算出結晶器出口處鑄坯斷面的溫度場如圖3所示。通過模擬發(fā)現，220 mm×260 mm斷面溫度最低處為連鑄坯角部。

通過ANSYS軟件模擬計算不同銅管內圓角半徑對角部溫度的影響。在模擬中，設置銅管厚度為21 mm，外圓角半徑保持為29 mm不變。模擬條件拉速為0.85 m／min，結晶器冷卻水量為110 m3／h，結晶器水溫差約為6.5℃，鋼種為37Mn5，化學成分見表3所示。鋼水溫度為1 520℃，計算傳熱時間為56 s。計算斷面取1／4斷面，模擬結果見圖4。

圖3 出結晶器下口鑄坯斷面溫度分布Fig.3 Temperature distribution in slab at the output of mould

表3 37Mn5鋼的化學成分（質量分數）Table 3 Chemical composition of the 37Mn5 steel（mass fraction） %

比較4組分析結果可見，增大銅管內圓角半徑可以明顯提高鑄坯角部區(qū)域溫度（即角部綠色區(qū)域面積的減少），具體溫度數據如表4所示。

表4 不同銅管內圓角半徑時角部溫度的計算結果Table 4 Computation results of corner temperatures for different corner radiusmould

由表4的計算結果可以看出，銅管內圓角半徑越小，角部溫度越低，角部區(qū)域的溫度應力與相變應力越大。因此增加銅管內圓角半徑能夠顯著地提高連鑄小方坯的角部溫度，降低角部區(qū)域溫度應力與相變應力［8-9］。

3 優(yōu)化措施與效果

根據上述模擬結果，對該220 mm×260 mm斷面結晶器銅管進行優(yōu)化，在保持現有銅管外圓角半徑不變的情況下，將銅管內圓角半徑由原來的8 mm增加到20 mm，以提高連鑄坯的角部溫度，降低角部溫差。優(yōu)化后的大圓角銅管尺寸如表5所示。

圖4 不同銅管內圓角半徑時結晶器出口處鑄坯斷面的溫度模擬結果Fig.4 Temperature simulation results of cast slab section at the output of mould for different corner radiusmould

表5 優(yōu)化后的大圓角銅管參數Table 5 Optimized parameters of the large corner radiusmould

將此大圓角銅管在R 10 m全弧形連鑄機上進行試驗性生產，從生產過程看出，大圓角銅管明顯地改善了角部溫差大的缺陷，很大程度上消除了大方坯角部黑印，如圖5所示。圖5（a）為大圓角鑄坯出結晶器時的鑄坯周向溫度分布情況，發(fā)現溫度分布均勻，鑄坯角部溫度明顯提高；圖5（b）為大圓角連鑄坯在二次冷卻過程中的周向溫度分布情況，可見角部溫度提高明顯。經測量，連鑄坯進入拉矯機處的角部溫差由原來小圓角連鑄坯的80～100℃降低到大圓角連鑄坯的30℃以下。

通過檢查連鑄坯的表面質量發(fā)現，大圓角銅管顯著改善了連鑄坯的角部振痕淤積缺陷，角部振痕整齊規(guī)則，如圖6所示。

大圓角銅管對連鑄坯的表面振痕情況也起到了一定的改善作用。在澆鑄條件完全相同的情況下，使用大圓角銅管的連鑄坯表面振痕非常淺，而傳統(tǒng)小圓角銅管生產的連鑄坯表面振痕相對較深。相同澆鑄條件下生產的連鑄坯的表面振痕情況對比如圖7所示。

隨著連鑄方坯或矩形坯結晶器銅管圓角半徑的增大，連鑄坯角部溫度得到提高，結晶器中鋼水通過銅管導熱散發(fā)的熱量減少，鋼水液面溫度提高，導致保護渣液渣層溫度提高，根據阿侖尼烏斯公式可知保護渣液渣層實際黏度為［10］：

圖5 大圓角銅管連鑄坯的角部溫度分布情況Fig.5 Temperature distribution in the bloom corners produced by large corner radiusmould

圖6 大圓角連鑄坯角部振痕Fig.6 Bloom corner with regular oscillationmark produced by large corner radiusmould

圖7 小圓角銅管與大圓角銅管生產的鑄坯表面振痕對比Fig.7 Comparison of oscillation marks of cast slab produced by copper tube with different corner radius

式中，η—保護渣液渣層實際黏度，Pa·s；B0—指前系數；Eη—黏流活化能，J／mol；R—氣體常數，8.314 J／（mol·K）；T—溫度，K。

由上式可見，隨著保護渣液渣層溫度的提高，其黏度隨之降低，而液渣層黏度的降低可以降低連鑄坯表面振痕的深度。

圖8 大圓角連鑄坯的低倍形貌Fig.8 Macrostructure of continuous casting slab produced by large corner radiusmould

對于該拉速較慢的大方坯，大圓角也未影響到連鑄坯的低倍質量，該220 mm×260 mm斷面的低倍照片如圖8所示。盡管大圓角銅管可以有效地降低方坯或矩形坯連鑄生產過程中的角部溫差，改善連鑄坯的表面質量以及解決連鑄坯角部振痕淤積的缺陷，但在不同斷面及不同鋼種的試驗與生產過程中，也發(fā)現了大圓角銅管目前存在的一些問題，即拉速較快的小方坯在使用大圓角銅管生產時，連鑄坯角部附近容易產生縱向凹陷，對于一些裂紋敏感性較高的鋼種，如45鋼，則會造成小方坯角部附近細小皮下裂紋缺陷，如圖9所示。從現場觀察結果發(fā)現，使用大圓角銅管生產的小方坯，在出結晶器下口處角部較其他部位溫度高，意味著在一冷過程中，使用大圓角銅管的連鑄坯角部更容易與銅管分離，形成氣隙，從而導致了角部附近凹陷與角部裂紋［11］。

圖9 45鋼小方坯角部附近皮下裂紋Fig.9 Corner cracks of the 45 steel billet produced by large corner radiusmould

4 結論

（1）通過適當增大銅管內圓角半徑，不僅可以有效地改善方坯或矩形坯連鑄過程中存在的角部黑印現象，改善角部振痕與面部振痕缺陷，而且為連鑄坯避開傳統(tǒng)加熱爐過程，直接進行軋制創(chuàng)造了條件。

（2）拉速較慢的大方坯更適合使用大圓角銅管生產。因為大圓角銅管在降低大方坯角部溫差與改善表面質量的情況下，并未造成大方坯的低倍缺陷。而拉速較快的小方坯使用大圓角銅管后，角部附近的縱向凹陷發(fā)生概率增加，且會使一些裂紋敏感性強的鋼種，如45鋼等，產生角部裂紋缺陷。

［1］姜錫山.連鑄鋼缺陷分析與對策［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］牟桂梅.連鑄板坯倒角結晶器的應用實踐［J］.中國重型裝備，2014（4）：39-44.

［3］王偉寧，胡鵬，任飛飛，等.倒角坯熱軋過程角部變形和溫度分布研究［J］.上海金屬，2015，37（2）：57-62.

［4］蔡開科.連鑄結晶器［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［5］干勇.現代連續(xù)鑄鋼使用手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［6］GRUNDY N，KAWA F，KNDIG B，et al.From CONVEX Technology?to INVEX?［C］／／Proceedings of the Seventh Metec Insteel Congres.Düsseldorf，2011.

［7］趙景環(huán)，陳志凌，張國賢.連鑄坯溫度場數學模擬及二次冷卻水控制的參數優(yōu)化［J］.上海金屬，2005，27（3）：39-42.

［8］袁守謙，姚成功，陳列，等.中碳鋼連鑄方坯內部角裂機制研究與優(yōu)化［J］.鋼鐵研究學報，2012，24（3）：53-57.

［9］MA JC，XIE Z，JIA G L.Applying of real-time heat transfer and solidification model on the dynamic control system of billet continuous casting［J］.ISIS International，2008，48（12）：1722-1725.

［10］蔡開科.連鑄結晶器［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［11］PARK JK，THOMASBG.，SAMARASEKERA IV.Analysis of thermomechanical behaviour in billet casting with different mould corner radii［J］.Ironmaking＆Steelmaking，2002，29（5）：1-5.

收修改稿日期：2016-04-18

Research and App lication of Large Corner Radius Mould in Continuous Casting Process

Xia Lei1，2Zhai Qijie1
（1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China；2.Yaxin Continous Caster Technology＆Engineering（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai200072，China）

The mechanism of the big temperature difference in corner of continuous casting bloom in one steel plant was analyzed by numerical simulation，and the temperature difference in corner of the bloomswas decreaseded by using the large corner radiusmould.The current problems of large corner radiusmould was summarized by numerous trials on several sections and steel grades，i.e.，large corner radius mould were easy to cause off-corner longitudinal depressions and corner cracks for the continuous casting billetwith high casting speed.

large corner radiusmould，continuous casting，corner temperature difference，

夏磊，男，工程師，主要研究方向為連鑄工藝，電話：13795201615，Email：xialei＠yxccmc.com.cn