Q235B連鑄二冷配水分析

陳偉^,2  和保民^1,2  郭高翔^1,2  于興旺^1,2  王嘉琦^1,2  楊改彥^1,2

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院；2.河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心, 河北  唐山，063009）

摘  要：針對(duì)北方某鋼廠在生產(chǎn)Q235B斷面180×675mm2時(shí)遇到較多內(nèi)部裂紋的問題，運(yùn)用有限元方法，在ansys軟件中進(jìn)行二冷配水的模擬計(jì)算，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，找出二冷配水存在的問題，提出相應(yīng)的解決方案。經(jīng)驗(yàn)證，采用調(diào)整方案后鑄坯鼓肚、角部裂紋等缺陷的數(shù)量減少了60%，成效顯著。

關(guān)鍵詞： Q235B；連鑄；有限元法；二冷配水

Analysis of Q235B continuous casting secondary cooling water distribution

Chen Wei，He Baomin，Guo Gaoxiang，Yu Xingwang，Wang Jiaqi，Yang Gaiyan

(1.North China University of Science and Technology,College of Metallurgy & Energy, Tangshan 063009, Hebei,China; 2.Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center, Tangshan 063009, Hebei, China)

Abstract: Aiming at so many cracks under the surface of continuous cast billet with a section of 180×675mm² appear ,we simulate the secondary cooling process in ansys by FEM,and compared with the actual situation, finding out the problem during secondary cooling process and putting forward the suggestions to improve the quality of the product.After our suggestion was adopted, the quantity of cracks has reduced 60%, this is a favorable result.

Keyword：Q235B; continuous casting; finite element method;second cold water distribution

連鑄是煉鋼生產(chǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是高溫條件下的復(fù)雜過程，鑄坯的凝固和冷卻對(duì)鑄坯質(zhì)量起著決定性作用。高潔凈度、良好質(zhì)量的連鑄坯是煉鋼廠永恒追求的目標(biāo)，而連鑄坯的質(zhì)量與二冷配水是否合理密切相關(guān)[1]。

近年來，我國在連鑄凝固過程中的數(shù)值模擬應(yīng)用方面發(fā)展迅速，如周建川等[2]，建立了異形坯在結(jié)晶器內(nèi)的二維非穩(wěn)態(tài)熱力耦合數(shù)學(xué)模型，以此作為異形坯結(jié)晶器銅板錐度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；馬交成[3]建立了應(yīng)力場模型和傳熱模型，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用研究。本課題組的陳偉[4]對(duì)異型坯整個(gè)連鑄過程的熱力耦合分析，并與冶金準(zhǔn)則相對(duì)比，對(duì)二冷配水的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文針對(duì)Q235B生產(chǎn)時(shí)遇到較多內(nèi)部裂紋的問題，運(yùn)用有限元方法系統(tǒng)分析了鑄坯的凝固特性，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化二冷配水方案，對(duì)減少鑄坯缺陷，提高連鑄坯質(zhì)量起到了非常重要的作用。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何建模

研究對(duì)象的橫斷面尺寸為 675(寬面)×180(窄面)mm。據(jù)鑄坯的對(duì)稱性，為簡化計(jì)算只選取1/4鑄坯斷面進(jìn)行分析。圖1為1/4鑄坯斷面和計(jì)算中采用的網(wǎng)格劃分。

1.2 Q235B參數(shù)

計(jì)算中需要用到的鋼種參數(shù)參數(shù)見表1～表2。

表1  Q235B溫度計(jì)算所需參數(shù)

Table.1  Q235B The paramete of temperature calculater

表2  Q235B鋼種成分表

Table 2  Q235B steel composition table

1.3 模型的簡化與假設(shè)

建模過程中所作假設(shè)條件如下[5]：

（1）忽略結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)行為，鑄坯兩相區(qū)和液芯對(duì)流傳熱靠增大鋼液導(dǎo)熱系數(shù)值3-6倍進(jìn)行考慮；

（2）忽略結(jié)晶器振動(dòng)、結(jié)晶器錐度、凝固偏析和彎月面的影響；

（3）視彎月面處熔融金屬的溫度為澆注溫度；

（4）不考慮結(jié)晶器內(nèi)氣隙以及渣膜對(duì)傳熱的影響；

1.4 初始條件與邊界條件

在結(jié)晶器上表面，假設(shè)鋼水溫度與中間包澆注溫度（T0）相等，也即 t=0時(shí)刻，T＝T0。

（1）結(jié)晶器內(nèi)邊界條件屬于第二類邊界條件[6]，其表達(dá)式為：

其中a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b為結(jié)晶器冷卻水量、冷卻水溫差、鑄坯結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)的函數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 拉速為1.0m/min的溫度場計(jì)算結(jié)果

圖2和圖3分別為Q235B180×675mm2斷面在原配水表下拉速為1.0m/min時(shí)結(jié)晶器出口、足輥段末、零段上部末、零段下部末、二冷一區(qū)末、二區(qū)末、三區(qū)末、四區(qū)末、五區(qū)末、六區(qū)末、七區(qū)末的云圖以及鑄坯特征點(diǎn)溫度歷程圖。由圖并結(jié)合計(jì)算可知，結(jié)晶器出口處凝固坯殼厚度約為17mm；鑄坯液芯完全凝固的位置在距結(jié)晶器液面9.02m位置處，在矯直點(diǎn)位置（11.36米）之前，即鑄坯完全凝固矯直；在二冷區(qū)內(nèi)，鑄坯窄面溫度范圍888-1274℃；寬面溫度范圍為934-1164℃；窄面最高返溫出現(xiàn)在零段為166℃；寬面最高返溫出現(xiàn)在二冷4區(qū)末，為80℃；在第一矯直點(diǎn)，窄面中心溫度為978℃，寬面中心溫度為934℃。該拉速下二冷配水基本適用于該斷面鑄坯的生產(chǎn)。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為保證計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際的溫度值做對(duì)比，結(jié)果如表3所示。比較實(shí)測溫度與計(jì)算溫度可知，模擬計(jì)算真實(shí)可靠。

表3  板坯現(xiàn)場測溫與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

Table 3 Comparison of slab temperature measurement and calculation data

3.3 不同拉速的計(jì)算結(jié)果

不同拉速下的數(shù)值模擬計(jì)算出的結(jié)果如表4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，滿足的冶金準(zhǔn)則有：出結(jié)晶器坯殼厚度大于8～15mm，且完全凝固矯直。不滿足的冶金限制準(zhǔn)則有：拉速達(dá)到1.0m/min以上時(shí)在二冷零段鑄坯窄面返溫大于150℃；窄面二冷零段因出現(xiàn)返溫導(dǎo)致溫度高于200℃。                                                                                                                            

通過Q235B 180×675mm2斷面的凝固溫度場，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際發(fā)現(xiàn)窄面氧化鐵皮較重，同時(shí)二冷零段因出現(xiàn)返溫致使溫度高于1200℃，容易產(chǎn)生皮下裂紋；拉速小于0.8m/min時(shí)鑄坯窄面在矯直點(diǎn)溫度低于900℃，處于第三脆性區(qū)，易產(chǎn)生表面裂紋。

鑄坯窄面凝固過程前期屬于高溫運(yùn)行。建議在二冷零段添加適當(dāng)長度窄面水條，以降低窄面溫度同時(shí)減少返溫。

表4 Q235B 180×675mm²不同拉速下的計(jì)算結(jié)果

Table 4 Q235B 180 × 675mm2 calculation results under different pulling speed

3.4 調(diào)整結(jié)果

工廠采納建議之后，在二冷零段添加適當(dāng)長度窄面水條并調(diào)整了生產(chǎn)節(jié)奏，鑄坯鼓肚、角部裂紋等缺陷的數(shù)量較原來減少了約60%，所做調(diào)整收到了良好的效果。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元方法對(duì)二冷配水進(jìn)行了模擬計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場采用解決方案的結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）通過計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的對(duì)比得知，模型建立正確，傳熱邊界條件設(shè)置合理，程序設(shè)計(jì)較為可靠，計(jì)算結(jié)果可信。

（2）由各拉速下溫度計(jì)算結(jié)果與冶金準(zhǔn)則的對(duì)比推測，皮下裂紋成因是在拉速較高時(shí)，鑄坯在二冷段表面返溫過大，提出將拉速維持在1.0m/min及以下。

（3）拉速較低時(shí)，鑄坯窄面在矯直點(diǎn)溫度低于900℃，處于第三脆性區(qū)，易產(chǎn)生表面裂紋，提出將拉速維持在0.8m/min以上。

（4）工廠采納建議之后，在二冷零段添加適當(dāng)長度窄面水條并調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏，鑄坯鼓肚、角部裂紋等缺陷的數(shù)量較原來減少了約60%。所做調(diào)整收到了良好的效果，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] XU Xiu-pu, LI Jing-she, GAO Xiang-zhou.Optimization of secondary cooling water distribution on Q345 steel[J]. Henan Metallurgy, 2013,21 (5): 7.

(許少普,李京社,高向宙.Q345鋼二冷配水模型的優(yōu)化研究[J].河南冶金,2013,21(5):7.)

[2] ZHOU Jian-chuan.Optimization design of mold taper for Continuous Billet Continuous Casting [D].

   Qinhuangdao: Yanshan University, 2015: 30-35.

   (周建川. 異形坯連鑄結(jié)晶器錐度的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 秦皇島：燕山大學(xué), 2015: 30-35.)

[3] Ma Jiao-cheng. Study of the heat transfer model and thermal stress field model on Continuous Casting Billet  

   Solidification [J]. Shenyang: Journal of Northeastern University, 2009: 60-64.

   (馬交成.連鑄坯凝固過程傳熱模型與熱應(yīng)力場模型的研究及應(yīng)用[D].沈陽: 東北大學(xué), 2009: 60-64.)

[4] W.Chen, Y.-Z. Zhang, C.-J. Zhang.Thermomechanical analysis and optimisation for beam blank continuous  

  casting[J].Ironmaking and Steelmaking, 2008, 35(2): 129-133.

[5] Chen Wei.Study on Surface Crack and cleanliness control of H-beam [D]. Qinhuangdao: Yanshan University,  

  2009: 124.

  (陳偉.H型鋼異型坯表面裂紋和潔凈度控制研究[D].秦皇島: 燕山大學(xué), 2009:124.)

[6] Kivela E,K onttinen J,Rartaruukki O.Dynamic secondary cooling model for contious casting[J].Steel Making

  Conference Proceedings.America,1995.

[7] HUANG Hua.Numerical simulation of temperature field and stress field in solidification process of continuous casting slab [D]. Yanshan University: Qinhuangdao, 2012: 8-9.

(黃華.連鑄板坯凝固過程溫度場與應(yīng)力場數(shù)值模擬[D].燕山大學(xué):秦皇島,2012:8-9.)

[8] Numerical Simulation of Solidification Process on Q345C Wide Slab Continuous Casting [D]. Inner Mongolia University of Science and Technology: Baotou, 2013: 14-15.

(何森.Q345C寬厚坯連鑄凝固過程數(shù)值模擬[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué):包頭,2013:14-15.)