崔立新 张家泉 陶金明 图 1 常规连铸与连铸轻压下工艺原理示意
常规连铸条件下，由于钢水选分结晶和枝晶凝固特性，铸坯在最后凝固的中心线区域将因溶质积聚和钢水流动补缩困难不可避免地产生中心偏析和中心疏松缺陷，如 图1a。若在铸坯的凝固末端实施轻压下，如图1b所示，一个合适的压下量能对富集溶质的凝固前沿加强对流和搅拌、促进枝晶脱落和重熔、增加结晶核心和凝固 过冷度，促进最后凝固的中心热节（hot spot）区域组织和成分均匀，从而得到减轻中心偏析的效果；此外，一定的压下量还可以补偿凝固末期残余钢水的体积收缩、加强铸坯的补缩充填能力，因而可 减轻中心疏松程度，并可能促进中心线裂纹的焊合，达到增加铸坯的中心致密度的效果。
连铸轻压下技术发展历程
合适的轻压下工艺显然还与所浇铸的钢种乃至铸机设备特点密切相关。因此，动态轻压下技术不但需要实现对铸坯凝固过程的精确热跟踪，还需要深入认识和掌握轻 压下过程铸坯凝固与变形等复杂热-力学行为。为此，本文作者曾以国家技术创新项目为依托，对板坯连铸动态轻压下过程的热与变形特点及其工艺控制的核心技术 开展了系统的理论、实验和数值模拟研究，对轻压下工艺条件下板坯的变形特点以及轻压下过程的二冷传热机制新特点进行深入的认识。 此外，只有合适的压下量才能达到改善铸坯内部质量的效果。为了补偿铸坯的凝固收缩，必须保证有足够的压下量。而压下量过大，又可能因超过铸坯的极限应变而 导致裂纹产生；连铸过程中，在铸坯的凝固终点之前其内部钢水一直具有很好的流动与充填能力，铸坯的补缩条件较好，不易产生集中缩孔；但随着温度的降低，铸 坯末端凝固两相区内枝晶开始搭桥，枝晶内剩余的浓化钢水也因温度降低黏度增加以及枝晶间渗流阻力的增加，补缩流动能力逐渐丧失。常规连条件下，这样的临界 固相率之上的两相区内枝晶间液体分散凝固必然留下疏松缺陷，因此，除压下量大小外，轻压下起始点位置或压下范围对补偿残余凝固体积收缩的有效性也有重要影 响。 显然，轻压下的效果与合适的压下位置密切相关，与动态轻压下相比，静态轻压下必须保证铸坯的凝固终点落在辊列的某一固定位置，在实际生产中有很大控制难 度，其轻压下效果也很难保证。
常规板坯连铸轻压下过程的二冷传热特点 图 3 铸坯在轻压下前后不同位置时的温度分布 图 2 铸坯表面和中心温度沿拉坯方向的变化 根据模型的温度计算结果，按一个辊间距计，提取对应冷却区域的节点热流，对比发现：（1）常规连铸工况下，板坯二冷不同散热机制的热流分配比例为：喷水换 热区散热量约占散热总量的69.3%，接触换热区占17.6%，辐射换热区占13.1%。（2）以单辊压下量0.3mm，总压下量3.5mm的轻压下工艺 为例，轻压下条件下板坯二冷区不同散热机制的贡献发生显著改变：其中接触换热所占比例上升为39.6%，为常规连铸的两倍之多；而喷水换热和辐射换热所占 比例分别下降为52.1%和8.3%。不同轻压下工艺下以上热量分配的关系和差异如图4所示。可见，铸坯与夹辊之间的接触换热随着轻压下量的增加而增加。 连铸二冷过程存在多种传热机制，包括：铸坯表面辐射散热，冷却水蒸发带走热量，冷却水加热带走热量以及铸坯与夹辊接触导热。考虑到连铸轻压下条件下，由于 辊子和铸坯接触条件的变化，从铸坯与夹辊之间的接触换热系数和铸坯与二冷水的对流换热系数进行对比，铸坯与辊子之间的接触换热（2500W/m2·K）是 二冷水对流换热系数的3～20倍。因而，二冷传热的分配关系也将发生变化。本研究在温度场计算的基础上对不同工艺下板坯二冷散热及其分配关系进行定量分析 和比较。 2 板坯二冷传热的分配 图 4 不同轻压下工艺下板坯二冷热量分配 以上可见，轻压下工况下，辊子不仅要承受更大的铸坯反力，承受的热载荷也将大大增加，因此，轻压下工艺对板坯夹辊，尤其是压下辊的刚度与冷却设计也提出了 更高的要求。
板坯的变形行为是其热应力、钢水静压力以及轻压下机械变形共同作用的结果。轻压下过程中辊列的收缩量是由铸坯自由收缩量和轻压下量共同决定的。铸坯的自由 收缩量可通过对其设定自由边界条件计算获得。图5即为依据铸坯热-力耦合模型计算获得的连铸冷却过程及其厚度沿拉坯方向上的自由线收缩。可见，当前工艺条 件下，铸流上板坯的总线收缩量约为7mm，按铸机长度40m计算，包晶钢板坯的自由线收缩率平均约为0.175mm/m。
常规板坯连铸凝固末端轻压下铸坯的变形特点 图 5 连铸冷却过程中铸坯厚度沿拉坯方向上的自由线收缩 2 铸坯窄面的变形 图 7 逐辊实施轻压下过程铸坯的变形历程 图 8 轻压下和常规连铸条件下铸坯窄面位移对比 以上分析结果为结合具体铸机设备和控制特点来最终确定实际的轻压下位置参数提供了合理的依据。 对于压下结束位置，计算表明，随着板坯中心固相率的增加，板坯窄面变形愈均匀；但同时考虑到避开凝固固相线附近的脆性区和降低前述的板坯中间裂纹趋势，结 束位置应以fs≤0.85比较合适。 综合连铸凝固过程铸坯的两 相区的物理特性，以及轻压下位置对铸坯变形行为的影响，可见，无论是从控制凝固末期浓化钢水的流动、补偿凝固收缩以减轻中心偏析和中心疏松来看，还是从降 低板坯窄面不均匀宽展的角度，轻压下的起始位置都不应在板坯中心凝固两相区的早期，以fs≥0.6比较合适。
常规板坯连铸轻压下技术工艺参数的优化和选择
可见，实施轻压下后，由于宽展的贡献，板坯宽向收缩明显减小。对比实测表明，与常规连铸比较，施加轻压下后所有钢种板坯宽度均有所增加。生产中为了生产同 一规格的冷态板坯，常规连铸结晶器出口宽度要比实施轻压下工艺时结晶器出口宽度略大。这种现象在本模型中得到了定量的描述。因此，在板坯连铸缩尺工艺设计 时（如结晶器下口宽度确定）应该充分考虑以上特性。 由图可见：在不带轻压下的辊缝条件下，冷却过程板坯窄面逐渐收缩，全凝时（fs=1）整体表现为较大的窄面收缩变形，折合成整个断面约为14mm。其中， 尽管过程中（fs=0.6～0.8）板坯窄面中心收缩量比上下角部小，有类似鼓肚的现象，但全凝后，几乎消失。实施轻压下后（轻压下固相率范围 0.50～0.95），当板坯中心固相率在0.8以下，板坯呈现明显的窄面宽展；不过当轻压下结束且板坯全凝后，窄面宽展消失，综合变形仍然表现为一定的 窄面收缩，共约6mm。责编：黄秀声 来源：中国钢铁新闻网
引用出處：
http://www.csteelnews.com/101392/101425/28044.html
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