摘要：连铸技术是冶金领域的一项重大技术进步。本文探讨了连铸板坯全冶金长度的凝固形貌。
关键词：连铸板坯；冶金长度；凝固形貌
冶金长度是连铸机的一个最重要参数，在冷却条件和板坯断面既定的情况下，冶金长度决定着连铸机的生产规模。所以，在确定连铸机冶金长度时，既要考虑到既定生产能力的完成，又要考虑到投资的经济可行性，更要考虑到所配转炉能力的发挥，也就是要确保连铸对转炉能力的最佳匹配。
一、冶金长度的影响因素
连铸机的最大拉速是一定厚度铸坯的铸流将被拉到最后一对夹辊处就完全凝固完的铸流液心极限速度。此速度越大，冶金长度就越长；此速度越低，冶金长度就越短。它既是影响冶金长度的重要因素，又是确定连铸机对转炉能力能否最佳匹配起决定性作用的综合因素。
二、工艺模型
考虑到连铸过程的连续重复性，模拟时选取厚度为6mm的切片为研究对象，并采用移动边界法计算该切片。本文的凝固过程是从结晶器入口到矫直区完全凝固处，考虑到结构对称性，取切片断面的1/4进行研究，利用Procast中mesh-2D模块对切片划分二维网格。本文所用连铸机参数为：断面长×宽/1280×220mm×mm，结晶机高度800mm，铸机半径10m，二冷区长度11.4m。
三、宽面中心温度
1、温度变化规律。在过热度为25℃，拉坯速度为0.8m/min前提下，连铸板坯断面温度分布云图如图1（a）所示。随着凝固进行，板坯断面温度逐渐下降。其中，角部温度下降较快，这是由于角部区域受到宽面和窄面冷却水的双重冷却，冷却强度大。板坯从结晶器入口到二冷区出口的宽面中心温度变化情况如图1（b）所示。在60s前（即结晶器内）宽面中心温降速率较快，60s后板坯进入二冷区，温降速率变慢。宽面中心温度在二冷区各段交界处出现回升现象，这是由于钢水凝固过程中发生了明显物相变化，在此过程中释放大量的凝固潜热，板坯从前一冷却区到下一冷却区的过程中，冷却水量减少，冷却强度变小，所以，传递到坯壳的凝固潜热不能及时散失，导致宽面中心温度回升。
图1
2、工艺参数影响。在连铸板坯拉坯速度为0.8m/min，冷却条件不变前提下，浇注钢液过热度对宽面中心温度的影响如图2（a）所示。在凝固时间相同的情况下，过热度由35℃降至15℃，宽面中心温度相应降低约13℃；过热度平均每降低10℃，宽面中心温度降低约6.5℃。原因为：当拉坯速度和冷却条件不变时，过热度越高，连铸坯冷却速率越慢，凝固得越少，连铸坯宽面中心温度越高。
图2
当钢液过热度为25℃时，拉坯速度对连铸坯宽面中心温度的影响如图2（b）所示。拉坯速度由1.0m/min减至0.6m/min，连铸坯宽面中心温度降低约100℃；拉坯速度每降低0.1m/min，宽面中心温度平均降低约25℃。这是由于随着拉坯速度降低，连铸板坯在冷却区停留时间变长，从而相对冷却强度变大，通过相同距离时，温降增大，故随着拉坯速度降低，板坯宽面中心温度降低。
四、微观组织形貌
1、断面分布。当过热度为25℃，拉坯速度为0.8m/min时，钢液倒入结晶器后，因结晶器壁处散热速率快且有大量非均匀形核基底，故在表层形成细晶区。此后，结晶器壁被液态金属及凝固释放的结晶潜热加热，温度升高，已凝固的细晶区与结晶器壁间产生缝隙，使钢液散热较困难，导致钢液冷却变慢，固液界面温度梯度变小，晶粒生长方向沿着热流方向，柱状晶生成。随着柱状晶的生长，板坯中心部位液态金属温度降到液相线以下，满足形核对过冷度的要求，加上液态金属中杂质为非均匀形核提供条件，所以在整个液态金属中形成晶核，此时钢液向不同方向散热，晶核在不同方向上的生长速度均匀，等轴晶出现并长大。
2、工艺参数影响。钢水过热度和连铸坯拉坯速度是保证连铸产量和连铸坯质量的关键工艺参数。鉴于此，以过热度15、25和35℃，拉坯速度0.8m/min为条件进行模拟；以过热度25℃，拉坯速度0.6、0.8和1.0m/min为条件进行模拟。对比两组结果可得：拉坯速度变化对中心等轴晶率的影响较过热度大。在工业生产中，为了获得较高的等轴晶率，根据过热度和拉坯速度对等轴晶率的影响，应采取低过热度及高拉坯速度，若过热度过低，则连铸坯杂质较多，连铸坯质量下降；拉坯速度过高会使连铸坯温度升高，坯壳厚度变薄，出现拉漏。
3、工艺参数对等轴晶率影响。中心等轴晶率随过热度和拉坯速度变化而变化：1）过热度由15℃升至35℃，中心等轴晶率减小约11.5%。2）拉坯速度由0.6m/min增至1.0m/min，中心等轴晶率增长约23.8%。原因是：1）过热度增大，连铸坯中杂质被大量溶解，非均匀形核基底减少，使形核参数发生变化，最大形核密度减小，导致等轴晶率降低。2）当钢液过热度增大时，结晶前沿形成的成分过冷区会变小，这样就更利于柱状晶的生长，抑制中心等轴晶生长。3）拉坯速度增大，连铸坯在冷却区停留时间变短，相对冷却强度变小，柱状晶前沿固液混合区温度梯度减少，促进晶体的形核和长大，从而中心等轴晶率提高。
五、二次枝晶臂间距
1、断面分布。二次枝晶臂间距是相邻2个二次枝晶臂轴线之间的距离，其依赖连铸板坯局部凝固时间。当过热度为25℃，拉坯速度为0.8m/min时，计算出连铸板坯断面二次枝晶臂间距分布情况。二次枝晶臂间距在液相区时为0，在固相中，随着凝固的进行，间距不变，只在固液两相区生长，二次枝晶臂间距从板坯表面到中心逐渐增大，由表面的20.7μm增至板坯中心的103.7μm。原因为：连铸板坯靠近表面部分冷却强度较大，冷却速度较快，固液两相区持续时间较短，凝固时间较短；当连铸坯凝固前沿向中心部位移动时，由于潜热的释放使冷却强度变小，从而完全凝固所用时间变长。
2、变化规律。为研究板坯某点二次枝晶臂间距变化规律，取距连铸坯表面85mm处某点并以过热度25℃，拉坯速度0.8m/min为条件进行模拟。二次枝晶臂间距的变化具体表现为：1）二次枝晶臂间距在0～500s时间段内为0m，这是由于过热度存在，连铸坯未凝固，没有二次枝晶生成，故间距为0m。2）从500s开始，凝固前沿到达85mm处，二次枝晶开始生长并粗化，二次枝晶臂间距逐渐增大，其增长速度逐渐变慢。原因为：溶质浓度梯度的存在将促使溶质扩散，其结果将造成细枝晶臂溶解和粗枝晶臂增厚粗化。起初液相前沿有较大过冷度，冷却速率较快，液相流动性也好，故枝晶间距增长较快。随着凝固的进行，结晶潜热释放使凝固前沿温度梯度变小，过冷度变小，枝晶生长缓慢，粗化效果也变缓慢，其次温度降低也使糊状区流动性变差，溶质流动减缓，细小枝晶不易被溶解，粗大枝晶也不易继续增粗。3）从780s后，连铸板坯全部凝固，二次枝晶臂间距也停止增大。
3、工艺参数影响。在连铸坯拉坯速度0.8m/min，冷却条件不变前提下，改变浇注钢液过热度，在18mm前，随着过热度降低枝晶臂间距变化不大；18mm后，过热度由35℃降至15℃，变化量不超过6μm，过热度由35℃降至25℃，变化量不超过3μm。原因为：1）连铸坯表面部位冷却强度较大，过热度升高对其凝固时间影响较小，故二次枝晶臂间距变化较小。2）过热度提高，连铸坯凝固时需要散出更多热量，在冷却条件一定的情况下，凝固时间随之延长，故二次枝晶臂间距增大。
在过热度为25℃，拉坯速度为0.6、0.8，1.0m/min条件下模拟出二次枝晶臂间距变化情况。在18mm前，随着拉坯速度增加，枝晶臂间距变化不大；18mm后，拉坯速度由1.0m/min减至0.6m/min，枝晶臂间距减小约13μm，过热度由1.0m/min减至0.8m/min，枝晶臂间距减小约6μm。原因为：拉坯速度增大，连铸坯在冷却区停留时间变短，相对冷却强度变小，从而连铸坯凝固过程中需要更长时间，有利于枝晶粗化，故随着拉坯速度增大，二次枝晶臂间距也随之增大。二次枝晶臂间距增大易使连铸坯偏析变得严重，为了减小偏析，连铸坯的工艺参数应采取低过热度、低拉坯速度。
结语
连铸生产中二次冷却对铸坯质量及铸机生产率有显著的影响，若冷却不均匀易引起偏析及裂纹等。因此，研究板坯凝固过程和微观组织形成规律，对冶金生产中合理制定连铸工艺，改善连铸坯质量具有重要指导作用。
参考文献：
[1]郭薇.板坯连铸凝固过程微观组织的模拟研究[J].冶金学院，2014：19−20.
[2]黄烁.连铸板坯全冶金长度凝固形貌[J].中南大学学报，2017（12）
论文作者:张大伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：连铸论文; 热度论文; 间距论文; 速度论文; 温度论文; 中心论文; 断面论文; 《基层建设》2019年第7期论文;