專利名稱：一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼鐵生產(chǎn)中的大方坯連鑄輕壓下工藝，特別是涉及一種大方坯連鑄輕壓下壓下量的控制方法。

背景技術(shù)：
通常將鑄坯橫斷面尺寸大于200mm×200mm的方坯稱為大方坯。在鑄坯的凝固過程中，鋼液的選分結(jié)晶特性不可避免地導(dǎo)致了晶間液相區(qū)溶質(zhì)元素的富集，如C、S、P等。同時，坯殼的不斷生長又使得富集溶質(zhì)元素的鋼液不斷向鑄坯中心附近移動；在鑄坯凝固末端中心部位的鋼液富含溶質(zhì)元素，且流動性降低，在鑄坯凝固末期，中心部位鋼液逐漸向固體轉(zhuǎn)變，使體積收縮而產(chǎn)生真空空穴。這些空穴具有負(fù)壓，周圍富集溶質(zhì)元素的鋼液被吸入空穴中，凝固后形成中心偏析。沒有來得及得到鋼液補(bǔ)充的空穴凝固后就形成中心疏松。
中心偏析和疏松會嚴(yán)重影響鋼材的性能，引起一系列質(zhì)量問題對于高碳線材，中心疏松和偏析將導(dǎo)致拉拔性能降低，拉斷率增大；對于天然氣輸送管線鋼，氫擴(kuò)散到偏析、疏松處，產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管子破裂；對于海洋鉆探、平臺用的結(jié)構(gòu)鋼，中心疏松、偏析降低其焊接性能，不宜焊接，甚至開裂等。中心偏析和疏松最早形成于連鑄過程中。所以如何從源頭上消除中心偏析和疏松一直是研究者和生產(chǎn)者關(guān)注的重要內(nèi)容。鑄坯輕壓下技術(shù)就是其中行之有效的手段，其通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量來補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量，達(dá)到消除中心偏析和疏松的目的。動態(tài)輕壓下可以根據(jù)生產(chǎn)條件的改變，在線調(diào)節(jié)輕壓下作用區(qū)域、方式等，使鑄機(jī)在不同生產(chǎn)條件下均具有輕壓下實(shí)施能力。輕壓下的主要工藝參數(shù)為壓下區(qū)間、壓下量和壓下速率。只有確定合理的壓下參數(shù)才能達(dá)到消除或減少鑄坯中心偏析與疏松的目標(biāo)，否則鑄坯質(zhì)量將更加惡化。
經(jīng)大量研究和實(shí)踐認(rèn)為只有輕壓下的總壓下量完全補(bǔ)償凝固終點(diǎn)鋼液在凝固過程中的體積收縮量，才能防止富集溶質(zhì)鋼液的流動。在壓下區(qū)間內(nèi)，如果壓下量過大則會使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，并使輕壓下區(qū)扇形段受到破損；總壓下量過小，V偏析改善不明顯，中心疏松仍然存在。壓下量和鋼種、鑄坯斷面尺寸以及鑄機(jī)設(shè)備等因素密切相關(guān)。在連鑄中，V偏析、疏松以及內(nèi)裂紋會隨拉速的提高而加重，因此更需要確定合適的輕壓下壓下量。
壓下量是指鑄坯在輕壓下時鑄坯厚度減少量，是動態(tài)輕壓下技術(shù)的重要參數(shù)之一。在已經(jīng)公開的連鑄輕壓下技術(shù)的有關(guān)專利中，如CN00254878.X，CN200510098812.5，CN03108436.2，CN03819174.1，CN200510042964.3的專利文獻(xiàn)，主要涉及的是實(shí)現(xiàn)輕壓下工藝的設(shè)備。另外如01122537.8號發(fā)明專利，公開了一種輕壓下的工藝和設(shè)備，其中對壓下量的控制范圍為5～20mm，，但由于在鋼種不同時，其鋼液凝固時體積收縮率、平均液相分率等均有變化，因此在實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)壓下量控制不準(zhǔn)確，仍然造成大方坯中心的偏析、疏松等缺陷。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能根據(jù)不同鋼種確定大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，采用如下方法得到壓下量ΔS， 其中，n為壓下區(qū)間沿拉坯方向的等分?jǐn)?shù)，ηi，i+1為位置i與i+1處的平均壓下效率，α為鋼液凝固時體積收縮率，Di為位置等分點(diǎn)i處的兩相區(qū)厚度，fL，i為兩相區(qū)位置i處的平均液相分率； 壓下效率 其中，hi為壓下前液相厚度，hi+1為壓下后液相厚度，Hi為壓下前板坯厚度，Hi+1為壓下后板坯厚度。
進(jìn)一步的，連鑄拉速0.50～0.80m/min，過熱度20～35℃，壓下量ΔS＝4.60～7.72mm。
采用本發(fā)明的壓下量控制方法，可以快速有效地根據(jù)鋼種變化情況，確定不同連鑄工藝條件下所需的動態(tài)輕壓下壓下量；并明顯減小鑄坯中心偏析，減少甚至消除中心裂紋和中心疏松的出現(xiàn)。



圖1為連鑄壓下狀態(tài)示意圖。
圖2為輕壓下壓下量實(shí)現(xiàn)過程流程圖。
圖3為熱力耦合計(jì)算流程圖。
圖4為接觸計(jì)算流程圖。
圖5是壓下效率示意圖。

具體實(shí)施例方式 如圖1所示，鑄坯在凝固末端的輕壓下工藝中，鑄坯厚度由壓下前的厚度減少到壓下后的鑄坯厚度，鑄坯內(nèi)部液芯逐漸凝固成坯殼。
本專利是一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟參照圖2， (1)鑄坯凝固過程理論分析 根據(jù)目前現(xiàn)有的連鑄過程的工藝、鑄坯成型等的理論，對鑄坯凝固過程進(jìn)行理論分析，得到鑄坯凝固過程中的基本參數(shù)、邊界條件等。
(2)鑄坯三維熱力耦合計(jì)算 如圖3所示的分析、計(jì)算過程，進(jìn)行鑄坯三維熱力耦合計(jì)算。本計(jì)算的目的是為了獲得鑄坯三維的溫度場分布，鑄坯凝固末端時的變形效率，同時觀察壓下過程中凝固前沿應(yīng)力應(yīng)變情況，避免壓下過程中裂紋的產(chǎn)生。
本發(fā)明中傳導(dǎo)分析采用通過使熱傳導(dǎo)方程和邊界條件取加權(quán)殘差為零的方法來近似導(dǎo)出，即加權(quán)殘差法的Galerkin方法。
給定熱流密度、對流換熱系數(shù)等邊界條件，結(jié)合初始時刻的溫度分布，作為求解熱傳導(dǎo)方程的初始條件 T(xi，0)＝T0 (1) 用有限單元將連續(xù)區(qū)域離散后，每個單元內(nèi)的溫度分布可近似的表示為 其中N是描述溫度在單元內(nèi)變化的插值函數(shù)向量，T是依賴于時間的單元節(jié)點(diǎn)溫度向量。
用插值函數(shù)N作為權(quán)函數(shù)，使殘差在Galerkin加權(quán)積分意義上等于0，即 其中Ve是單元體積。對域內(nèi)每個單元采用上述加權(quán)殘差的處理后，積分(3)式可得 其中T的是節(jié)點(diǎn)溫度向量，Q是節(jié)點(diǎn)熱流向量。
矩陣C是熱容矩陣，它同瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程中單元內(nèi)存貯的熱量有關(guān)。
K是熱傳導(dǎo)矩陣，它與穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)傳熱過程中單元內(nèi)熱量傳導(dǎo)有關(guān)。
按有限元離散出的傳熱方程(4)是關(guān)于時間的一階微分方程。給定初始條件和邊界條件，積分(4)式可得整個時間域上的溫度分布。
采用后差分方案積分(4)式，溫度向量T對時間導(dǎo)數(shù)近似為 其中Tt和Tt-△t分別是t和t-Δt時刻的節(jié)點(diǎn)溫度矢量，Δt為時間步長。將(7)式代入(4)式可得 當(dāng)熱容矩陣和熱傳導(dǎo)矩陣都不依賴于溫度時，方程(8)是線性傳熱問題。(8)式所表示的溫度遞推格式代表了無條件穩(wěn)定的時間積分。當(dāng)材料的熱容、比熱等熱物理參數(shù)依賴于溫度，或者對流放熱系數(shù)隨溫度變化時，則方程(8)代表非線性熱傳導(dǎo)問題，其后差分形式的溫度遞推格式為 其中T*是增量Δt內(nèi)溫度的平均值。每個增量步結(jié)束時的溫度值需迭代(9)方程才能得到近似解。在第n個增量步的初次迭代時，T*由前兩個增量步迭代溫度的收斂值外推獲得， 即 第i次迭代時，T*用平均溫度表示成 迭代一直進(jìn)行直到允許的最大溫度誤差為止。
本計(jì)算采用更新的Lagrange技術(shù)處理弱耦合的熱—力耦合方程，給出與溫度場耦合的大變形熱彈塑性分析的增量有限元表示，求解的思路是在每個增量步開始時，由當(dāng)前位移增量修正域V和邊界S。并在增量步內(nèi)交替迭代力平衡方程和能量守恒方程，過程如下。
對體積為V，邊界為S的連續(xù)介質(zhì)，可寫出能量守恒方程 式(12)中vi-速度場，U—給定內(nèi)能，Q-給定體積熱流，bi-給定體積力，Pi-單位面積上的邊界力，H—邊界S上的單位面積的熱流強(qiáng)度。
對體積為V，質(zhì)量密度為ρ的連續(xù)介質(zhì)，可建立積分形式的力平衡方程 引入柯西應(yīng)力分量σij，壓力可用柯西應(yīng)力表示為 Pj＝niσij (14) ni表示表面S的單位法線方向。將力平衡方程引入能量守恒方程(12)式，可得熱—力耦合的能量守恒方程 依據(jù)虛功原理，可建立結(jié)構(gòu)位移ui所需滿足的下式 假設(shè)可忽略慣性項(xiàng)的影響，則式(16)右端第二項(xiàng)可去掉，用弱耦合的增量非線性有限元法處理熱—力耦合問題。
采用交替迭代方法求解更新拉格朗日描述的熱—力耦合方程的主要思路如下在每個增量步開始時將幾何形狀更新，在新的拉格朗日坐標(biāo)下分析溫度場方程。采用非線性方程迭代解法求解熱傳導(dǎo)方程的等效溫度場遞推關(guān)系式。收斂后，在同一增量步中，更新溫度值，評價材料力學(xué)性質(zhì)和熱應(yīng)變，迭代求解力平衡方程，收斂后，進(jìn)行下一增量步的分析直到所需的增量步結(jié)束。這一迭代過程流程如圖3所示。鑄輥和鑄坯接觸屬于高度非線性邊界，兩接觸體間接觸區(qū)域的大小與壓力分布隨外載荷而變化，并與接觸體的剛性有關(guān)。本計(jì)算采用直接約束法，計(jì)算過程如圖4所示。
在計(jì)算時劃分好有限元網(wǎng)格后，代入材料物性參數(shù)，初始條件，和邊界條件就可以進(jìn)行求解，模擬鑄坯在不同鋼種成分、拉坯速度、過熱度、冷卻強(qiáng)度下的凝固過程，求得鑄坯下的沿時空的溫度場分布以及在各種變形條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布。
(3)壓下量計(jì)算 本計(jì)算的目的是利用S1計(jì)算的結(jié)果，對鑄坯所需輕壓下壓下量進(jìn)行計(jì)算。如圖1所示，采用如下公式進(jìn)行計(jì)算 上式中ΔS為壓下量，n為壓下區(qū)間沿拉坯方向的等分?jǐn)?shù)，即為鑄機(jī)中壓下區(qū)間內(nèi)的壓下輥?zhàn)訑?shù)目，Di、f1，i分別為鑄機(jī)中在壓下區(qū)間內(nèi)的各個壓下輥下的兩相區(qū)厚度、平均液相分率，α為壓下區(qū)間內(nèi)鋼液凝固時的體積收縮率。
ηi，i+1為位置i與i+1的平均壓下效率，如圖5所示，其定義為 其中，hi、Hi分別為鑄機(jī)中在壓下區(qū)間內(nèi)的各個壓下輥下的液相厚度和鑄坯厚度。
Di、f1，i、α、hi、Hi通過現(xiàn)有技術(shù)中的三維仿真模型計(jì)算得到。
將上述的壓下量分配到各相應(yīng)的輥?zhàn)由希峙湓瓌t為對連鑄機(jī)中的每個輥?zhàn)舆M(jìn)行分析，看是否在壓下區(qū)間內(nèi)，在壓下區(qū)間外的輥?zhàn)拥膲合铝繛榱悖瑝合铝喀由在壓下區(qū)間內(nèi)的輥?zhàn)臃峙洌趬合聟^(qū)間內(nèi)各輥?zhàn)訅合铝? (4)現(xiàn)場試驗(yàn)反饋 將上述得到的ΔS、ΔSi應(yīng)用到連鑄機(jī)的工藝中，試驗(yàn)、核算、并將數(shù)據(jù)反饋，如有偏差、失真等現(xiàn)象，重新計(jì)算。
實(shí)施例(一) (1)鑄機(jī)設(shè)備參數(shù)全弧形大方坯連鑄機(jī)，半徑15m，弧形段鑄輥直徑220mm，相鄰鑄輥中心間距210mm，矯直段和水平段鑄輥直徑450mm，相鄰鑄輥中心間距1500mm。
(2)鑄坯尺寸360mm×450mm，鋼種YQ450NQR1，連鑄拉速為0.50m/min，過熱度20～35℃，連鑄冷卻強(qiáng)度為0.332L/kg，鋼種成分見表1。表1 (3)在凝固末端兩相區(qū)內(nèi)固相率fs＝0.5～0.7內(nèi)進(jìn)行輕壓下，壓下量為4.50mm，各對壓下輥的設(shè)定值如表2所示。
表2 (4)鑄坯中心偏析評級≤1.0級，中心疏松評級≤1.0級，中心縮孔評級≤0.5級，鑄坯中心碳偏析指數(shù)1.02～1.06。
實(shí)施例(二) (1)鑄機(jī)設(shè)備各參數(shù)如實(shí)施例(一)。
(2)鑄坯尺寸360mm×450mm，鋼種為45#，連鑄拉速0.65m/min，過熱度20～35℃，連鑄冷卻強(qiáng)度為0.369L/kg，鋼種成分見表3。
表3 (3)在凝固末端兩相區(qū)內(nèi)fs＝固相率0.5～0.8內(nèi)進(jìn)行輕壓下，壓下量為6.40mm，各對壓下輥的設(shè)定值如表4所示。
表4 (4)鑄坯中心偏析評級≤1.0級，中心疏松評級≤1.0級，中心縮孔評級≤0.5級，鑄坯中心碳偏析指數(shù)1.04～1.08。
實(shí)施例(三) (1)鑄機(jī)設(shè)備各參數(shù)如實(shí)施例(一)。
(2)鑄坯尺寸360mm×450mm，鋼種為20(C)，連鑄拉速0.80m/min，過熱度20～35℃，連鑄冷卻強(qiáng)度為0.416L/kg，鋼種成分見表5。
表5 (3)在凝固末端兩相區(qū)內(nèi)固相率0.5～0.9內(nèi)進(jìn)行輕壓下，壓下量為7.72mm，各對壓下輥的設(shè)定值如表6所示。 表6 (4)鑄坯中心偏析評級≤1.0級，中心疏松評級≤1.0級，中心縮孔評級≤0.5級，鑄坯中心碳偏析指數(shù)1.03～1.05。
權(quán)利要求
權(quán)利要求1一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，其特征在于采用如下方法得到壓下量ΔS，
其中，n為壓下區(qū)間沿拉坯方向的等分?jǐn)?shù)，ηi，i+1為位置i與i+1處的平均壓下效率，α為鋼液凝固時體積收縮率，Di為位置等分點(diǎn)i處的兩相區(qū)厚度，fL，i為兩相區(qū)位置i處的平均液相分率；
壓下效率
其中，hi為壓下前液相厚度，hi+1為壓下后液相厚度，Hi為壓下前板坯厚度，Hi+1為壓下后板坯厚度。
權(quán)利要求2如權(quán)利要求1所述的一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，其特征在于連鑄拉速0.50～0.80m/min，過熱度20～35℃，壓下量ΔS＝4.60～7.72mm。
權(quán)利要求3如權(quán)利要求1或2所述的一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，其特征在于對連鑄機(jī)中的輥?zhàn)舆M(jìn)行分析，在壓下區(qū)間外的輥?zhàn)拥膲合铝繛榱悖稍趬合聟^(qū)間內(nèi)的輥?zhàn)臃峙鋲合铝繛棣；
在壓下區(qū)間內(nèi)輥?zhàn)訅合铝?br> 權(quán)利要求4根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓下量控制的實(shí)施方法，其特征在于鋼種成分C控制0.11％～0.50％，Si控制0.17％～0.50％，Mn控制0.35％～1.40％，P控制0.008％～0.025％，S控制0.005％～0.020％。
權(quán)利要求5如權(quán)利要求1所述的一種大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，其特征在于大方坯尺寸400～480mm×320～380mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼鐵生產(chǎn)中的大方坯連鑄輕壓下工藝，特別是涉及一種大方坯連鑄輕壓下壓下量的控制方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能根據(jù)不同鋼種確定大方坯連鑄動態(tài)輕壓下壓下量的控制方法，采用如下方法得到壓下量ΔS，(見上式)。采用本發(fā)明的壓下量控制方法，可以快速有效地根據(jù)鋼種變化情況，確定不同連鑄工藝條件下所需的動態(tài)輕壓下壓下量；并明顯減小鑄坯中心偏析，減少甚至消除中心裂紋和中心疏松的出現(xiàn)。
文檔編號B22D11/16GK101362195SQ20081030447
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者永 陳, 朱苗勇, 楊素波, 程 祭, 森 羅, 吳國榮, 曾建華 申請人:攀鋼集團(tuán)研究院有限公司, 攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司, 攀枝花新鋼釩股份有限公司, 東北大學(xué)