37Mn氣瓶鋼圓坯堆冷工藝模型的研究

史庭堅，吳 婕

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

高壓氣瓶作為一種氣體儲存容器，廣泛用于工業(yè)、礦業(yè)、建筑、交通、海洋、航空、醫(yī)療、軍事等國民經濟各行各業(yè)[1]。37Mn作為高壓氣瓶鋼中使用最為廣泛的鋼種，由于其易于生產和加工，深受氣瓶生產廠家的歡迎。天鋼氣瓶鋼37Mn生產直徑主要為Φ200 mm和Φ210 mm兩種規(guī)格，其工藝路線為：高爐→轉爐→ LF→VD→連鑄→冷床→堆冷→檢驗。37 Mn氣瓶鋼在連鑄坯切割后，多放置于空氣中自然冷卻。經過實際測定，其冷卻速度約為20℃/h，下線溫度約為680℃，在這種較強的冷卻強度下冷卻至室溫，很容易導致鑄坯氫得不到充分釋放，發(fā)生鑄坯彎曲和端頭開裂等影響質量的情況。為保證生產的37 Mn氣瓶鋼表面和內部質量良好，天鋼進行了鑄坯堆冷工藝模型研究。通過建立堆冷模型，探究降低鑄坯冷卻速度、促進鋼中氫的釋放，使鋼中組織能夠充分進行相變轉換，避免內應力導致鑄坯彎曲、開裂的有效工藝參數。

1 鑄坯堆冷模型的建立

由于圓坯容易滾動的特性，堆冷時必須放在限位架內，由于限位架橫向尺寸的限制，對于直徑210 mm的圓坯來說，一層最多可放置9根；向上一層需要保證圓坯之間的空隙盡可能的小，而且不會滾動，則需放置8根；再向上一層又可以放置9根；依次的每層9根和8根交錯堆放，如圖1所示。

圖1 堆冷示意圖

每層的高度約為：

因此，考慮限位架高度的限制，最高堆垛層數約為10層。

1.1 基本假設

模型計算中，以一個堆垛圓坯長度方向的1/2處所有鑄坯斷面作為計算區(qū)域建立基本模型[2]。為了簡化模型，進行如下假設：

（1）忽略長度方向的傳熱，簡化為二維傳熱問題。

（2）忽略圓坯之間、圓坯與地面的空隙傳熱熱阻。

（3）不考慮圓坯密度隨溫度的變化，比熱容和導熱系數是溫度的函數。

（4）從上到下，每層依次用大寫數字編號1，2，3，……。

1.2 控制方程

列出控制方程：

鑄坯：

地面：

式中，T 為溫度，K；t為時間，s；ρ為密度，g·cm-3；Cp為比熱容，J·（g·K）-1；λ 為導熱系數，J·（cm·s·K）-1。

1.3 邊界條件

邊界條件方程為：

堆垛上表面[3]：

側面：

堆垛下表面：

式中，σ 為史蒂芬-玻爾茲曼常數，W·(m2·K4）-1；ε 為表面黑度系數；h 為對流換熱系數，W·(m2·K）-1；T∞為地面初始溫度，K。

2 模型參數的確定

2.1 堆冷層數的確定

為了評估堆冷效果并確定適合堆冷的最低、最高層數，需分別計算各層中間部分的圓坯溫度，假設所有圓坯堆冷開始時溫度均為680℃（953 K），室內空氣和地面溫度25℃（298 K），為了減少計算量，只計算第12 h和24 h結束時的溫度，并計算出24 h內的平均冷卻速度。

由于現場堆冷中，最上層為雙數層圓坯，會導致最左、右側的圓坯不與兩側限位架接觸，有滾動的風險，且由于限位架高度的限制，最高堆垛層數不能大于10層，所以最大測定層數只能為9層，即選定的堆冷層數可為1、3、5、7、9層。不同堆垛層數下各層溫度變化與冷卻速度計算值如表1所示。

由表1可以看出：

（1）由于鑄坯頂部的堆垛層與空氣對流相對較強，因此上層冷卻速率較高。

式中，Tc為半無限厚地層的解，可用下式計算：

表1 不同堆垛層數時各層堆冷溫度和24h內冷卻速度

（2）隨著堆垛層數的增加，冷卻速度逐漸降低，且各層溫度梯度趨于平緩，鑄坯整體緩冷效果明顯。

（3）堆冷24 h，堆垛9層時，鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08~12.71℃/h。

（4）堆垛3層時，第1層與第2層的溫度相差了111℃，冷卻速度較第2層大約40%；堆垛5層時，第1層與第2層的溫度相差67℃，冷卻速度較第2層高約23%，與堆垛3層相比，各參數都大幅度下降。

綜上，在考慮限位架的高度限制前提下，最大堆垛層數選擇9層，此時鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08~12.71℃/h，鑄坯整體緩冷效果良好。由于過大的溫度梯度易使氫得不到充分釋放，因此堆垛層數不應小于5層。

2.2 堆冷時間的確定

選定堆垛層數為9層后，運用模型計算其堆垛溫度和時間的關系。為了簡化計算，選取第1、2、5、8、9層，計算24 h內每小時結束時的溫度，繪成溫度-時間曲線圖，如圖2所示。

圖2 理論計算堆冷24 h內溫度-時間曲線圖

堆垛開始時，每層每根圓坯的溫度分布可認為是相同的。一段時間后，堆垛頂部和側面溫度開始下降，但是中部和底層的溫度并沒有顯著變化，而是在熱傳導作用下溫度趨同。根據模型計算可知，隨著時間推移，最頂層的冷卻速度最快，中部和底部冷卻速度較慢且速率較為接近，整個高溫區(qū)域逐漸向下移動。由圖2大體可看出，第1、2層由于上方直接向空氣散熱，其散熱速度最快，但由于第1層的保溫作用，第2層散熱速度慢于第1層；而中間的第5層與底部的第8、9層，散熱速度相對較慢，而且5、8、9這3層的散熱速度相差不大。但由于第9層貼近地面，其散熱速度在第10h后逐漸快于第5、8層。

為了對比模型計算和實際的差別，測量了一個堆垛中圓坯的溫度分布。測量時間分別選取堆冷開始、堆冷24 h兩個時間點，測量位置為各層圓坯最中間一根、長度方向1/2處的上表面溫度，如中間為2根圓坯空隙，則分別測量其左右兩根的溫度并取平均值，對比堆冷24 h后的模型溫度計算值與溫度實測值，其結果如表2所示。

表2 堆冷24 h后模型計算值與實測值比較

由2表可以看出，堆冷24 h實際的冷卻速度與模型計算值變化趨勢一致，但略快于模型計算的速度，相差最大值16℃，最小值4℃，相對誤差僅為4%,完全在范圍之內，且24 h之后，除了第1層之外，各層溫度相差均不大，冷卻速度也大大降低。可見，要保證鑄坯緩冷，堆冷時間應不小于24 h。

研究表明，堆冷時間在一定范圍內時，時間越長，鑄坯中的氫含量就越低，但當達到一定的上限時，變化不會太大，且此時的圓坯質量也并未明顯改善，此時，需要綜合考慮管理成本和生產效率因素[4]。

分別挑選5根堆冷24 h、堆冷48 h的圓坯進行觀察并測定氫的含量，以觀察堆冷效果。作為對比，選取了5根沒有堆冷的圓坯進行對比，質量情況結果如表3所示，氫含量如表4所示。

表3 圓坯彎曲和裂紋情況

表4 圓坯氫含量 wt/×10-6

由表3、表4可知，未堆冷的圓坯均有彎曲和端頭裂紋情況發(fā)生，而經過堆冷的圓坯則無此現象。對比氫含量，未堆冷的氫含量比堆冷過的高，但堆冷24 h和48 h的氫含量差別不大。

綜合以上分析，可確定最佳堆冷時間為24 h。

3 結論

天鋼開發(fā)并成功運用了適合37Mn氣瓶鋼生產實際的圓坯堆冷工藝模型，實踐表明，堆垛層數適宜范圍為5~9層，且為單數，最佳堆垛層數為9層。堆冷24h鑄坯各層溫度相差不大，鑄坯各層冷卻速度范圍為8.08～12.71℃/h，緩冷效果良好，能夠有效減少圓坯彎曲和斷頭裂紋的發(fā)生，且有利于降低鑄坯氫含量，減少氫致缺陷的產生。