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摘要：本文主要采用数值模拟方法针对Q235中厚板坯的连铸凝固过程进行研究，板坯尺寸为2570×150mm。本文又采用二维切片法研究了变拉速、变浇铸温度对板坯冷却凝固过程的影响。研究结果表明：拉速对铸坯表面温度的分布影响较大，而且坯壳厚度也受其影响较大。冷却强度和浇筑温度的影响则稍小。
关键词：连铸，Q235，工艺过程，凝固，数值模拟
1．引言
本文在前人研究的基础上，基于理论分析并利用数值模拟技术对板坯生产过程的温度场进行模拟，分析板坯在生产过程中温度场的变化及各因素工艺参数的变化对板坯生产过程的影响。对各冷却区域所涉及的部分工艺参数进行适当变化，分别模拟变拉速和变过热度情况下，板坯生产过程中的温度场变化情况，从而对实际生产过程进行指导。
2变工况连铸过程数值模拟
通过对板坯冷却凝固过程的数值模拟，本课题的研究与前人研究具有一定的一致性，结果较为可靠。在此基础上，为了更加深入的研究连铸工序各工艺参数对连铸过程的影响，对本课题进行变工况研究。变工况是在典型工况的基础上，变化某一工艺参数，对连铸工序进行模拟，观察板坯的温度场变化。
2.1 结晶器区变工况数值模拟
结晶器区的冷却过程对连铸工序而言意义深远。板坯出结晶器时的表面温度不宜过高或过低，温度过高则进二冷区后表面温度梯度过大，应力变大，引发裂纹差生，温度过低则进入钢的脆性区。板坯的坯壳厚度也应进行控制，过厚则进入二冷后应力加大，对板坯表面质量不利，过薄则容易出现漏钢现象。因此为了指导生产实际，通过数值模拟研究了变拉速和变浇铸温度情况下，对结晶器区的板坯表面中心温度、板坯角部温度、板坯中心温度和板坯坯壳厚度进行分析。
2.1.1 变拉速下结晶器区数值模拟
由上节可知，典型工况下的拉速为1.2 m/min。变拉速模拟是以典型工况为基准，分别模拟拉速为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min 情况下，板坯在结晶器中的冷却凝固情况，具体结果分析如下：
（1）板坯表面中心温度
图4-1 变拉速情况下板坯表面中心温度变化情况
钢液经侵入式水口流入结晶器，结晶器两侧对钢液进行强制冷却。由上图4-1可见，钢液进入结晶器后表面温度迅速下降，趋于直线下降。由于拉速增加，板坯在结晶器内停留的时间减少，热交换量变少，因此，结晶器同一位置处，随着拉速的增大，板坯表面中心温度呈上升的趋势。钢液最初进入结晶器时，钢液与结晶器的温差较大，不同拉速下同一位置，钢液温度相差较小。随着连铸过程的进行，钢液与结晶器的温差逐渐缩小，拉速引起的表面温度差异也逐渐明显。结晶器出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，板坯表面中心温度分别对应为978 ℃、1053 ℃和1115 ℃。拉速每增大20%，板坯表面中心温度约上升68℃。当拉速低于1 m/min，表面温度过低，进入板坯的高温脆性区，对板坯的质量造成一定的伤害，因此，应尽量避免拉速低于1 m/min。
（2）板坯中心温度
图4-3 变拉速情况下板坯中心温度变化情况
由上图4-3可见，不同拉速下，板坯中心温度差异较大。结晶器入口处，不同拉速下，温度变化率差异较大，因为此时板坯坯壳尚未形成，传热热阻较小，板坯停留时间越长，温度差异越大。随着板坯坯壳厚度的增大，传热热阻加大，温度降低率逐渐变小，热量传递较为缓慢。因此，钢液在出结晶器时，表面形成具有一定厚度的板坯坯壳，板坯内部还呈现液态钢液，板坯中心温度依然较高。结晶器同一位置处，随着拉速的增大，板坯中心温度呈上升的趋势。结晶器出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，板坯中心温度分别对应为1501 ℃、1517 ℃和1525 ℃。拉速每增大20%，中心温度约上升12 ℃。
（3）板坯坯壳厚度
图4-4 变拉速情况下坯壳厚度变化情况
板坯坯壳厚度为板坯出结晶器时的一项重要参数，若超出其合理范围，对板坯质量影响较大。由上图4-4可见，板坯在拉矫机的作用下，边前进边冷却，板坯坯壳厚度呈直线形式逐渐增加；结晶器同一位置处，随着拉速的增大，板坯在结晶器中冷却时间减少，传热量减少，因此，板坯坯壳厚度呈下降的趋势。结晶器出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，板坯坯壳厚度分别对应为16.6 mm、15.6 mm和14.9 mm。拉速每增大20%，坯壳厚度约减少0.8 mm。
2.1.2 变浇铸温度下结晶器区数值模拟
变浇铸温度模拟是以典型工况（浇铸温度1536℃）为基准，分别模拟浇铸温度为1526℃（过热度10℃）、1536 ℃（过热度20℃）和1546 ℃（过热度30℃） 情况下，板坯在结晶器中的冷却凝固情况，具体结果分析如下：
（1）板坯表面中心温度
图4-5 变浇铸温度情况下板坯表面中心温度变化情况
由上图4-5可见，随着连铸过程的进行，板坯表面温度逐渐下降；结晶器同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，板坯表面中心温度呈上升的趋势。这是因为：随着连铸过程的进行，板坯受到冷却水冷却，表面温度逐渐下降；若钢液浇铸温度加大，致使带入结晶器的热量加大，而结晶器的冷却强度不变，出结晶器时表面中心温度增大。在结晶器出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯表面中心温度分别对应为1044 ℃、1053 ℃和1065 ℃。钢液浇铸温度每增大10℃，板坯表面中心温度约上升10 ℃。
（2）板坯中心温度
图4-7 变浇铸温度情况下板坯中心温度变化情况
由上图4-7可见，板坯中心温度降低值与表面温度和角部温度降低值相比相差很大，这是因为中心热量传输较为缓慢，切外部钢液还需释放内部潜热，致使中心温度降低较小。结晶器同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，钢液带入热量增大，板坯中心温度呈上升的趋势。在结晶器出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯中心温度分别对应为1512 ℃、1517 ℃和1520 ℃。钢液浇铸温度每增大10℃，板坯中心温度约上升4 ℃，变化幅度比板坯表面温和角部温度变化幅度小。
（3）板坯坯壳厚度
图4-8 变浇铸温度情况下坯壳厚度变化情况
由上图4-8可见，随着连铸过程的进行，板坯坯壳厚度呈直线上升形式；结晶器同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，板坯坯壳厚度呈下降的趋势。在结晶器出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯坯壳厚度分别对应为16 mm、15.6 mm和15.2 mm。钢液浇铸温度每增大10℃，坯壳厚度约下降0.4 mm。
3.二冷区和空冷区数值模拟
二冷区是板坯缺陷的“高发区”。二冷区采用喷水直接冷却，表面的应力较大。板坯在结晶器内冷却凝固产生的微小缺陷，在二冷区将增大恶化，因此为了指导生产实际，通过数值模拟研究了变拉速和变浇铸温度情况下，对结晶器区的板坯表面中心温度、板坯角部温度、板坯中心温度和板坯坯壳厚度进行分析。
3.1 变拉速下二冷区和空冷区数值模拟
此区域内的变拉速模拟是结晶器区变拉速模拟的延续，分别模拟拉速为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min情况下，板坯在二冷区段的冷却凝固情况，具体结果分析如下：
（1）板坯表面中心温度
图4-9 变拉速情况下板坯表面中心温度变化情况
由上图4-9可以看出，板坯在拉出结晶器进入二冷区时，板坯表面温度没有继续降低，反而出现升高的现象，这是由于在结晶器内板坯凝固过程中已经释放了大量的凝固潜热，而且结晶器内的冷却水量远远大于二冷区，导致前者的表面热流也远远大于后者，因此表面热流的骤然降低，热量由板坯中心向表面传递，导致板坯表面温度的短暂回升，但是很快在二冷区内随着冷却时间的增加，冷却强度的不断增大，使得板坯表面温度缓慢降低。同时从图中可以看出，二冷区的冷却强度保持不变和冶金长度保持一定长度时，在拉速较高的情况下，板坯的冷却时间短，温降相对就少，因此表面温度更高。在二冷区和空冷区同一位置处，随着拉速的增大，板坯表面中心温度呈上升的趋势。空冷区出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，板坯表面中心温度分别对应为888 ℃、978 ℃和1048 ℃。拉速每增大20%，板坯表面中心温度约上升80℃。
（2）板坯中心温度
图4-11 变拉速情况下板坯中心温度变化情况
由上图4-11可以看出，板坯中心温度要远高于板坯表面温度和表面角部温度，这是由于板坯中心仍为钢液，表面受到冷却水的冷却后，板坯凝固时会放出大量潜热，因此导致板坯中心温度降低缓慢，因此中心温度最高。板坯中心温度在结晶器和二冷区三区之前变化不大，这是由于该处温度降低到液相线温度以下，但是并未完全凝固，由于潜热的释放，导致板坯中心温度下降较为缓慢。但是随着冷却时间的增加，到达二冷区末端时，板坯中心的温度则迅速降低，这是由于板坯大部分都已经凝固，凝固潜热释放量降低，因此传热更为迅速，板坯温度进而迅速降低到凝固点以下，直至板坯完全凝固。在二冷区后半段时，由于拉速的不同，导致凝固终点不同，因此拉速越高，凝固终点距离弯月面越远，当板坯达到完全凝固时，板坯中心温度则会发生快速降低，进而导致二冷区后期板坯中心温度会随着拉速的提高而增大。同时可以看出，在二冷区和空冷区同一位置处，随着拉速的增大，板坯中心温度呈上升的趋势。空冷区出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，板坯中心温度分别对应为1050 ℃、1160 ℃和1272 ℃。拉速每增大20%左右，中心温度约上升110℃左右。
（3）板坯坯壳厚度
图4-12 变拉速情况下坯壳厚度变化情况
由上图4-12可以看出，板坯进入二冷区后，由于冷却水量的减少冷却强度的降低，板坯的冷却速率降低，因此板坯坯壳生产速度较为缓慢，到达二冷区二段末端，此时即将到达凝固的末端，此时坯壳生产速度会加快，这是由于板坯中心也开始发生凝固冷却，板坯表面被冷却水带走的热量比板坯凝固放出的凝固潜热量要大，因此板坯中心区域温度下降的较快，坯壳生长速度也加快。同时可以看出，拉速越大，板坯在二冷区同一位置处的坯壳厚度降低，板坯凝固末端位置发生后移，因此凝固时间逐渐增加。这是由于伴随拉速的增加，达到相同冶金长度的时间会缩短，温度降低也变缓，所形成的坯壳凝固厚度变薄，液相穴也变长，板坯完全凝固位置进而推后。在二冷区和空冷区同一位置处，随着拉速的增大，板坯终凝位置呈推后的趋势。空冷区出口处，拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min时，终凝位置分别对应为14.9 m、15.9 m和17.5 m。拉速每增大20%，终凝位置约推后1.3 m。
3.2 变浇铸温度下二冷区和空冷区数值模拟
此区域内的变浇铸温度模拟是结晶器区变浇铸温度模拟的延续，分别模拟浇铸温度为1526℃（过热度10℃）、1536 ℃（过热度20℃）和1546 ℃（过热度30℃）情况下，板坯在结晶器中的冷却凝固情况，具体结果分析如下：
（1）板坯表面中心温度
图4-13 变浇铸温度情况下板坯表面中心温度变化情况
由上图4-13可见，在二冷区和空冷区同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，板坯表面中心温度呈上升的趋势。在空冷区出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯表面中心温度分别对应为957 ℃、978 ℃和1091 ℃。钢液过热度每增大10℃，板坯表面中心温度分别上升9℃和13℃。因此浇筑温度过热度对温度影响不大，但是考虑到实际生产工作中，浇筑温度会影响板坯内部的结构组织，因此需要选择合适的过热度。
（2）板坯中心温度
图4-15 变浇铸温度情况下板坯中心温度变化情况
由上图4-15可见，在二冷区和空冷区同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，板坯中心温度呈上升的趋势。在空冷区出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯中心温度分别对应为1150 ℃、1160 ℃和1170 ℃。钢液过热度每增大10 ℃，板坯中心温度约上升10 ℃。
（3）板坯坯壳厚度
图4-16 变浇铸温度情况下坯壳厚度变化情况
由上图4-16可见，在二冷区和空冷区同一位置处，随着钢液浇铸温度的增大，板坯终凝位置呈推后的趋势。在空冷区出口处，钢液过热度分别由10℃增加至20℃和30℃时，板坯终凝位置分别对应为14.9 m、15.2 m和15.7 m。钢液过热度每增大10℃，终凝位置约推后0.4 m左右。
4.小结
本章使用二维切片法对Q235板坯连铸冷却凝固过程进行了数值模拟研究，研究了不同工艺参数对凝固的影响。研究的工艺参数包括板坯的拉速和钢液浇注温度；研究的区域包括结晶器区、二冷区和空冷区；研究的工况数是以典型工况为基准，另取其余2种工况。研究结果表明：
拉速对板坯温度分布和坯壳厚度生长分布影响较大。拉速分别为1 m/min、1.2 m/min和1.4m/min 时，拉速每增大20%，结晶器出口的板坯表面中心温度和板坯中心温度分别增大68℃和12℃，板坯坯壳厚度则减少了0.8 mm；拉速每增大20%，空冷区出口的板坯表面中心温度和板坯中心温度分别增大80℃和110℃，板坯终凝位置约推后1.3 m。
过热度对板坯温度分布和坯壳厚度生长分布均影响较小。过热度分别为10 ℃、20 ℃和30℃ 时，过热度每增大10℃，结晶器出口的板坯表面中心温度、和板坯中心温度分别增大10℃和4℃，板坯坯壳厚度则减少了0.4 mm；钢液过热度每增大10℃，空冷区出口的板坯表面中心温度和板坯中心温度分别增大10℃和10℃，板坯终凝位置约推后0.4 m。
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论文作者:张翼
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/6/4
标签：温度论文; 中心论文; 表面论文; 厚度论文; 结晶器论文; 热度论文; 位置论文; 《基层建设》2018年第9期论文;