张 攀，时朋召，谢世正，梁 亮，徐李军, ，王明林
（1.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心,北京 100081；
2.湖南华菱涟源钢铁有限公司技术中心,湖南 娄底 417009；
3.中国钢研科技集团有限公司数字化研发中心,北京 100081）
连铸板坯或方坯的质量决定着最终产品的质量，表面裂纹、内部裂纹、中心气孔、中心偏析等缺陷严重制约着最终产品的品质和经济效益[1−3]。对于特定的连铸机和特定的钢种，缺陷的产生与钢种过热度、拉速、冷却条件以及铸机的设备状态密切相关。在连铸生产过程中，电磁搅拌、智能化二冷、动态轻压下等技术逐渐得到应用，降低了缺陷发生的概率，提高了铸坯质量[4−6]，而准确掌握板坯连铸凝固过程是这些技术应用的基础。
凝壳厚度的测定方法有5 种[7]：一是同位素示踪法，在某一时刻随注流加入放射性同位素到结晶器内，注流的运动把同位素带到液相穴内3～4 m 深，含有同位素的钢液凝固后带有放射性，而加入同位素那一时刻已凝固的金属不含放射性元素，这样就可在不同位置上切取铸坯试样做自射线照相，就可分辨出凝固层厚度，此方法会产生一定的放射性污染，因此较少使用；
二是射钉法，将含有示踪材料的钢钉击入正在凝固的坯壳，然后在铸坯相应位置取样进行分析[8−9]，此法不影响生产；
三是刺穿坯壳法，铸坯出结晶器后，把凝固壳刺穿使液体钢水流出来，然后测定凝固壳厚度，以决定凝固壳厚度与时间的关系，此方法要破坏现场，处理难度大；
四是测定板坯鼓肚以决定液相穴的位置，此方法精度差，影响生产；
五是从结晶器上面放入比重大、包有放射性的球，此球以相当大的速度下降到液相穴底部，然后用盖格计数器测定出现放射性时铸坯所在位置，以决定液相穴长度，此法有放射性污染并且精度较差。相对于其他试验方法，射钉法取样方便且较为准确，因此得到了广泛应用。阮细保等人[10]以Q235 钢为试验对象，利用射钉法在铸坯1/4 位置处测量出230 mm×1 510 mm 断面在1.05 m/min 拉速下的坯壳厚度，以此为基础，优化凝固计算模型，确定液相穴长度及凝固终点，并验证了铸机预报结果。谢桂强等人[11]采用射钉法对中碳钢和高碳钢特厚板坯进行了凝固参数测定试验，得到典型工况条件下矫直区前后位置处铸坯凝固坯壳厚度，并以测得的凝壳厚度为边界，模拟预报出了凝固终点的位置。
轻压下技术能明显改善板坯的中心质量，也有效提高了后续轧材的质量。国内外许多研究者对轻压下技术的凝固末端模型、压下过程铸坯的变形规律等基础理论进行了深入的研究，同时应用数值模拟技术对轻压下的工艺优化也进行了大量的应用研究。但是，在进行数值模拟研究时，要测定连铸坯的凝壳厚度，为验证凝固传热模型和轻压下位置的设定提供依据。由于射钉法取样方便且较为准确，对生产也没有较大影响，因此常用射钉法来测定连铸坯在二冷区不同位置的凝壳厚度。笔者采用“射钉”试验法对某厂960QT 钢铸坯的凝固过程和表面温度进行了测定，并使用ProCAST 软件模拟了连铸板坯的凝固传热过程，计算分析了连铸过程中的铸坯特征点温度、芯部固相率，并对连铸过程中不同轻压工艺下铸坯应变分布情况进行了模拟分析，在此基础上针对轻压下位置和压下量开展了优化，并采用优化后的工艺进行了工业试验，有效改善了板坯内裂纹与中心偏析，为板坯连铸机动态轻压下工艺的实施效果提供了保障。
板坯凝固参数测定[12]试验包括两个部分的内容，分别为凝壳厚度测定和表面温度测量。
1.1 凝壳厚度测定
射钉法是将含有示踪材料的钢钉击入正在凝固的坯壳，然后在铸坯相应位置取样进行分析，由于钢钉上加工有两道含有硫化物的沟槽，然后根据铸坯中硫的扩散情况即可判断射钉时刻的凝固壳厚度。
含钉试样中钢钉及周边区域可分为A 区、B 区、C 区三个部分，A 区域为固相区，硫化物难以扩散，钢钉与基体界线清晰；
B 区域为固液两相区，即糊状区，硫化物得到部分扩散，但扩散程度稍弱；
C 区为液相区，钢钉中的硫化物在钢液中完全融化并迅速扩散开来，最后随着铸坯心部的钢液一起凝固，因此硫印的形貌与凝固组织趋于一致。铸坯的凝固边界一般取A 与B 的边界，见图1。
根据相关资料介绍[10]，铸坯宽面1/4 处表面温度最高，该处铸坯凝固坯壳最薄，因此射钉位置应处于铸坯宽面的1/4 处。
1.2 表面温度测量
试验采用日本CHINO 公司生产的IR-HQH 型红外双色智能测温仪，该仪器可以最大限度避免现场烟尘、水汽、距离等因素对发射率的影响，从而获得比较准确的表面温度值。
1.3 试验材料与方案
在本次射钉试验中，试验钢种为960QT，断面230 mm×1 800 mm，拉速0.90 m/min。中包钢水温度为1 535 ℃，液相线温度为1 512 ℃，过热度为23 ℃，其主要化学成分如表1 所示。射钉装置安装位置分别为6#、7#、8#扇形段末铸坯宽面1/4 位置，含硫钢钉长140 mm。
表1 试验钢种的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of the steel %
2.1 模型假设
为了建立连铸过程基本传热方程，作出以下假设：
1）忽略结晶器振动和保护渣膜对传热的影响；
2) 忽略拉坯方向的传热；
3) 铸坯的物理特性为各向同性；
4) 铸坯液相线温度和固相线温度为常数[13]；
5) 忽略铸坯凝固过程中的体积收缩。
2.2 凝固传热方程
连铸板坯传热方程的基本形式如式（1）所示。
式中，ρ为铸坯密度，kg/m3；
Cv为铸坯等容热容，J/(kg·℃)；
λ为铸坯导热系数为铸坯温度对传热时间的实体导数；
L为体积潜热；
fs为固相率。
Visual-Cast 提供了定义相位变化的另一种方法。不需要定义比热和潜热，我们可以定义相应的焓曲线。因此，在温度场的模拟中，潜热的计算采用焓作为变量，如式（2）所示。
2.3 工艺模型
利用Pro/E 软件建立温度场模拟的模型，将模型导入MeshCAST 模块进行曲面和体的网格划分。
2.4 定解条件
1）材料参数
将960QT 成分输入预制模块的材料数据库；
使用ProCAST 计算了密度、热焓、固相分数等热物性参数。通过计算得到了液相线温度和固相线温度，分别为1 512 ℃和1 474 ℃。960QT 的热物性参数如图2 所示。
图2 960QT 冷却凝固过程热物性参数Fig.2 Thermal property parameters during 960QT cooling and solidification process
2）初始条件
钢水初始温度（与浇注温度相同）为1 535 ℃，环境温度为25 ℃。
3）结晶器传热
一般采用热平衡方法来研究结晶器的传热速率，即：结晶器导出的热量=冷却水带走的热量，通过式（4）计算：
式中，qc为 结晶器内的平均热流密度，kW/m2；
Qw为结晶器冷却水流量，g/s；
cw为水的比热容，kJ/(g·℃)；
∆Tw为 结晶器冷却水进出水温度差，℃；
S为结晶器内与钢水接触的有效面积，m2。
在结晶器内，热流密度可通过公式（5）[14]计算：
式中，qm为 结晶器的热流密度，kW/m2；
β是一个常数，取决于结晶器冷却条件，kW/(m2·s1/2)；
qc为结晶器内的平均热流密度，kJ/m2；
lm是结晶器的有效长度，m；
t是铸坯在结晶器中的时间，s；
v为拉速，m/s。
4）二冷区边界条件
连铸机足辊区和其他区的冷却介质不同，采用不同的计算方法：
足辊区换热系数如式（6）所示[15]：
由于喷嘴为气水喷嘴，其他区换热系数如式（7）所示[16]：
式中，h为换热系数，kW/(m2·℃) ;W为冷却水水流密度，L/(m2·s) ;Tw为冷却水温度，℃。二冷区参数和二冷区冷却水量如表2、表3 所示。
表2 二冷区参数Table 2 Parameters of secondary cooling zone
表3 二冷区冷却水量Table 3 Cooling water quantity in secondary cooling zone L/min
5）空冷区换热
铸坯在空冷区的辐射换热系数为如式（8）所示：
式中，h为自然对流换热系数，W/(m2·℃)；
L为特征尺寸，m；
γ为对流作用所占成分。
2.5 模型验证
为了确定模拟结果的准确性，将试验过程中测得的铸坯7#～9#扇形段末宽面1/4 处表面温度与模拟结果进行比较，比较结果如图3 和表4 所示。从图3 可以看出，测量的表面温度比模拟的温度低，误差最高为3.2%，这表明模型边界条件的处理和模拟的结果都较为贴近实际生产工艺，准确地反应了板坯连铸过程的凝固特点。
表4 温度测量值与模拟值对比Table 4 Comparison of the measured and simulated temperature values
图3 宽面1/4 处表面温度模拟值与测量值对比Fig.3 Comparison of the simulated and measured surface temperature at 1/ 4 of the wide surface
根据钉子周围是否有明显扩散的位置，可以确定射钉试验中的凝壳厚度。扩散明显的区域是糊状区，钉子完全溶解的区域是液体区。实测和模拟壳体厚度分别为102 mm 和103 mm，如图4 所示。由此可见，实测值与计算值相吻合，表明凝固传热模型能很好地预测凝固过程。
图4 射钉试验试样及凝壳厚度的实测值和计算曲线Fig.4 Slab sample for nail shooting experiment,measured value and calculated curve of shell thickness
二冷区不同位置处的固相率(1/2 断面)如图5所示。由于在固相中S 的扩散比较缓慢，而在液相中，尤其是在固相率低于0.7 的时候，S 的扩散较快，基本上可以认为是瞬时均匀的。因此模拟过程中，认为在铸坯固相率为0.7 时，S 没有进行扩散。从图5 可以看出，随着铸坯凝固冷却的进行，坯壳厚度不断增加，液芯不断变窄。在6#段末（距弯月面16.5 m），铸坯中心尚未完全凝固，与测量结果基本符合，此时铸坯内弧侧宽面1/4 处坯壳厚度为100 mm；
在距弯月面18 m 处，铸坯中心未完全凝固，此时铸坯内弧侧宽面1/4 处坯壳厚度为107 mm；
铸坯在距弯月面18.43 m 处完全凝固，960QT 钢凝固计算预报与凝壳厚度实测结果对比如表5 所示。
表5 960QT 钢凝固计算实测结果对比Table 5 Comparison of solidification calculation and measured results of 960QT steel
图5 二冷区不同位置处的固相率Fig.5 Solid rates at different positions of the secondary cooling zone
3.1 板坯温度分布
采用有限元方法模拟了板坯凝固过程中的温度分布，板坯宽面1/4 处、板坯中心、窄面中心的温度变化如图6 所示。
图6 拉速0.9 m/min 时板坯各位置的温度变化曲线Fig.6 Temperature change curve at each position of the billet at a drawing speed of 0.9 m/min
在结晶器内，由于冷却强度高，使得板坯表面的温度下降速度较快，但是中心处的降温速度最慢，在结晶器内基本没有什么变化，这是因为液芯内部温度高，向外传热较慢。在结晶器出口处，板坯宽面中心温度为1 236 ℃，窄面中心温度为1 210 ℃。
在足辊段（0.8～0.88 m），窄面温度下降速度明显大于宽面，足辊段出口处宽面温度为1 175 ℃，窄面温度为1 078 ℃，这是由于板坯窄面的冷却水量较大，使得窄面温度的下降速度明显高于宽面。但是，出足辊段后，由于铸坯窄面主要以辐射散热为主，冷却强度降低，导致窄面中心温度有较大的回升。进入弯曲段后，由于冷却水流密度降低，使得铸坯表面的换热系数降低，散热量减少，再加上凝固潜热的释放，使得铸坯在凝固过程中出现回温现象；
而铸坯窄面由于换热系数较小，使得在一定时间内窄面温度高于宽面温度。
铸坯进入二冷区后，由于液芯温度高于固相温度，随着板坯冷却，潜热不断释放，温度下降缓慢。由于板坯的冷却强度较低，液芯部分尚未完全凝固，板坯中心温度变化不大。最后潜热完全释放，液芯部分完全凝固，板坯中心温度迅速下降。此外，由于不同冷却段冷却强度的不同，二冷区板坯温度呈波浪曲线分布。
3.2 拉速对凝固传热影响
选取0.9、1.0、1.1、1.2 m/min 四种拉坯速度，在其他参数固定的情况下，研究拉速对板坯表面温度以及凝固速度的影响，结果如图7 所示。从图7 可以看出，随着拉速的增大，板坯的液相穴长度增加。在板坯完全凝固之前，拉速对板坯表面温度的影响较大，特别是在二冷区，拉坯速度每增加0.1 m/min，铸坯的表面温度升高15 ℃左右。然而，由铸坯中心固相率曲线可知，在铸坯完全凝固之前，拉速对铸坯液芯温度影响较小，基本没有变化，这是因为在铸坯完全凝固之前，中心为液相区，由于潜热的释放，使得液芯温度变化较小。由图7 中铸坯中心固相率和中心温度曲线可以看出，铸坯液芯温度下降过程中存在两个较为明显的转折点，其正好与固相率为0 和1 的两个点相对应，即与液相点和固相点相对应。在铸坯中心完全凝固后，中心温度下降速度开始加快，拉坯速度每增加0.1 m/min，中心温度下降50 ℃左右，因此可以看出，在铸坯完全凝固后，拉速对铸坯中心温度的影响较大。
图7 不同拉速条件下铸坯表面温度和中心温度以及中心固相率曲线Fig.7 Surface temperature,center temperature and center solid ratio curves of billet at different casting speeds
拉速与凝固末端位置关系如图8 所示，从图8 可以看出拉速越高，液相穴长度越长。在浇注温度为1 535 ℃时，拉速每增加0.1 m/min，凝固末端位置向后移动2.7 m 左右（凝固末端按铸坯中心固相率为1 时取值）。由图中可以看出，拉速与凝固终点呈线性关系，通过线性拟合可以得到y=27.52x−4.96，其中，y为凝固终点位置，m；
x为拉速，m/min。
图8 拉速对凝固末端位置的影响Fig.8 Influence of tensile speed on the position of solidification end
3.3 过热度对凝固传热影响
不同过热度（13、23、33、43 ℃）时铸坯宽面1/4 处、铸坯中心温度如图9 所示。由图9 可知，过热度对铸坯中心的温度影响不大，随着在距弯月面10～15 m 处，铸坯中心的温度趋于一致，随着凝固的进行，过热度越高，铸坯的凝固进程越慢，但是变化并不明显；
在距弯月面0～0.8 m 处，由于结晶器内的冷却强度不变，与铸坯的浇注温度无关，因此在结晶器内，随着过热度的增加，铸坯表面温度的变化趋势基本没有变化，但是在结晶器出口，过热度每升高10 ℃，铸坯的表面温度仅会升高5 ℃左右。因此，在实际生产中，当过热度升高时，为防止漏钢，需降低拉速，保证结晶器出口板坯的凝固厚度。
图9 不同过热度条件下铸坯表面温度和中心温度以及中心固相率曲线Fig.9 Surface temperature,center temperature and center solid ratio curves of billet under different superheat conditions
由图中铸坯中心固相率曲线可知，随着浇注过热度的增加，铸坯中心的凝固进程减缓，但是并不明显，因此过热度对铸坯的凝固过程影响较小。如图10 所示，在拉速为0.9 m/min 时，过热度每增加10 ℃，凝固末端位置向后移动0.411 m 左右（凝固末端按铸坯中心固相率为1 时取值）。因此可以看出过热度对凝固末端位置的影响并不大。从图10 可以看出，板坯凝固末端位置与过热度之间也存在一个近似的线性关系，通过线性拟合可以得到y=0.055 05x+18.5，其中，y为凝固终点位置，m；
x为过热度，℃。
图10 过热度对凝固末端位置的影响Fig.10 Influence of superheat on the positions of the solidified end
4.1 工艺优化
经过前期的计算分析可知，铸坯在距弯月面18.43 m 时已经完全凝固，从铸机轻压下的位置看，动态轻压下系统计算得到的凝固终点较为正确，对凝固末端进行了有效的轻压下，但是凝固末端的压下量较小，对铸坯中心偏析和缩松的改善效果较小，因此对现有轻压下参数进行优化。应用ANSYSMechanical 有限元分析软件，对比分析了连铸过程中不同轻压工艺下铸坯应变分布情况，其中轻压下工艺主要有2 个扇形段进行压下和3 个扇形段进行压下。采用两个扇形段进行压下，中心节点Y轴分量塑性最大应变为0.10；
采用三个扇形段进行压下，中心节点Y轴分量塑性最大应变为0.096。两个扇形段压下的应变率较大，因此由3 个扇形段压下改为2 个扇形段压下，对6、7 段压下量也进行调整。优化前后压下参数如表6 所示。
表6 优化前后的轻压下参数对比Table 6 Comparison of soft reduction parameters before and after optimization
4.2 应用效果
采用原有的轻压下参数与优化后的压下参数进行工业试验，取铸坯横断面进行低倍酸洗检测，对比铸坯低倍情况，如图11 所示，可见优化前铸坯横断面中心偏析和缩松较为严重，评级（97 版国标，下同）均为2.0 级，且存在三角区裂纹，工艺优化后中心偏析和缩松明显改善，评级均为1.0 级。
图11 工艺优化前后铸坯低倍组织Fig.11 Macrograph of low picking before and after process optimization
为了定量表征铸坯中心的偏析情况，在铸坯宽面1/4 处沿铸坯厚度方向进行了钻屑取样，取样间隔为30 mm。对各位置碳元素进行分析，并对偏析指数进行计算，计算结果如图12 所示。从图12 可知，经工艺优化后，中心碳偏析由1.85 降到1.09。
图12 铸坯厚度方向碳偏析指数Fig.12 Carbon segregation index along the slab thickness direction
采用“射钉”试验法测定了960QT 连铸板坯在凝固后期的凝固壳厚度及凝固终点位置，并使用ProCAST 软件对960QT 连铸板坯的凝固传热过程进行了数值模拟，并分析了拉速、过热度对铸坯温度场、液芯长度的影响，结论如下：
1）建立了板坯传热模型，模拟了现场工艺条件下铸坯凝固情况，并与红外测温结果对比，结果基本吻合。在结晶器出口处，铸坯宽面中心温度为1 236 ℃，窄面中心温度为1 210 ℃。
2）拉速越高，液相穴长度越长。在浇注温度为1 535 ℃时，拉速每增加0.1 m/min，凝固末端位置向后移动2.7 m 左右；
在拉速为0.9 m/min 时，过热度每增加10 ℃，凝固末端位置向后移动0.4 m 左右。
3）基于凝固传热计算的结果，对动态轻压下系统的压下位置进行了确认，由3 个扇形段压下改为2 个扇形段压下，6、7 段压下量改为2.0、2.5 mm。工艺优化后，铸坯中心偏析和中心疏松得到明显改善，中心碳偏析由1.85 降至1.09。
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