结合射钉实验与数值模拟对凝固进程精确预测研究

郝赳赳

（山西工程职业技术学院， 山西 太原 030009）

连铸轻压下是利用专门设备，通过可靠的铸坯热跟踪模型，对铸坯凝固末端合适区域在线实施一个合适的压下量，用以抵消铸坯凝固末端的体积收缩，避免中心缩孔（疏松）形成；抑制凝固收缩而引起的浓化钢水流动与积聚，减轻中心宏观偏析程度。因此，对钢水在连铸机内的凝固进程及凝固终点的准确预测是实施轻压下工艺和保证压下冶金效果稳定性的前提条件。

测定铸坯坯壳厚度和液相穴终点的方法有很多种，如“坯壳穿孔法”、“板坯鼓肚法”、“元素放射示踪法”以及“电磁超声波法”等等。20世纪70年代初，日本三菱重工发明了用射钉法来检测铸坯坯壳厚度的实验方法，并在铸坯坯壳厚度的测试实验中被广泛采用。在对首钢三炼钢板坯连铸液相穴末端的测定中就采用这种射钉的方法。此方法能准确预测局部凝固进程信息，但获得的信息相对滞后。

对凝固进程的预测除了采用实验方法外，还可以采用更为精确的方法——数值模拟方法，这也是动态轻压下工艺所采用的方法。该方法能实时精确地预测全程的凝固信息，但需要通过实际生产验证。

结合能精确预测局部凝固进程信息的射钉实验方法和实时预测全部凝固进程的数值模拟方法，对大方坯凝固进程的准确性进行验证，评价连铸机综合冷却能力、优化二冷制度和凝固进程信息，为实施大方坯凝固末段轻压下工艺提供合理的参考信息。

1 实验及模型原理

1.1 射钉实验原理

射钉法是通过火药爆炸的推动力将作为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，以获得当地坯壳厚度的信息。其中，射钉为普通碳素钢，在钉子上加工有两道含有硫化物的沟槽。

射钉法采用NKK公司Kawawa［1］等人提出的方法检测射钉揭示的坯壳厚度，即含钉铸坯试样被刨至钉中心线后，将射钉及周边区域分为未熔化扩散区、部分扩散区和完全熔化扩散区三个部分。在未熔化扩散区，射钉保持了其原有的外形，硫化物没有扩散；在部分扩散区，虽然射钉周边少部分硫化物熔化扩散，但内部组织与坯壳组织不同；在完全熔化扩散区，射钉完全熔化，硫化物充分扩散，内部已变为与坯壳相同的组织，见图1。

图1 射钉试样的酸浸低倍照片

试验方法：确定射钉位置→安装射钉枪→记录实验时工况条件→计算击发时间，击发射钉钉枪射钉→切取含钉试样→加工试样→酸洗→测量凝固壳厚度。

1.2 数值模拟原理

依据能量守恒原理建立的热传导控制微分方程描述了连续介质内部的温度分布。根据连铸过程的特点，进行合理假设，建立铸坯凝固的二维非稳态传热数学模型，采用运动坐标系的二维切片法，即用传热边界条件的时间函数法来模拟拉坯过程的冷却条件变化；并认为与拉速相比，可以忽略拉坯方向的传热；此外，依据几何对称性和物理场的对称性要求，计算域通常取铸坯1/4或1/8截面。切片在弯月面处产生，以拉坯速度向下移动，依次通过结晶器、二冷区和空冷区。

经过以上假设，铸坯凝固的二维非稳态传热控制方程为：

式中，T为铸坯表面温度，℃；CP为钢的定压热容，J/kg·℃；k为钢的导热系数，W/（m·℃）；t为时间，s；q为钢的凝固潜热，J/kg；在数值求解过程中采用合适时间步长可利用等效热容法消去q，简化控制方程。

公式（1）同时适用于铸坯的液、固相、液固两相区,但是在不同的相时,要用不同的热物性参数来代替。为了简化计算，计算所需参数均采用常数。详细热物性参数处理，见文献［2，3］。本文所用钢种热物性参数见表1。

表1 钢种热物性参数

初始条件：t=0时，结晶器弯月面处钢水温度等于浇铸温度，即T（x，y，z）=Tc。

边界条件：铸坯中心可以认为中心对称轴的绝热边界；微元体在不同的冷却区铸坯表面有不同的表面热流qs。结晶器内采用第二类边界条件；二冷区采用第三类边界条件。边界条件设定见图2。

根据以上数学模型，采用显格式有限差分法，根据图2所示网格离散，对大方坯连铸过程数学模型进行求解计算。相关离散原理、离散格式以及方程稳定性判定，见相关文献［2，3］。

1.3 实验方案

针对某厂大方坯连铸机，在距离弯月面6.33 m和9.03 m处设置射钉枪。测试时待铸机以预定拉速稳定工作一段时间以后，依次将射钉击入铸坯。铸机的设备参数及冷却工艺参数见表2。

图2 铸坯横断面方向边界条件设定与网格离散示意图

表2 铸机设备参数及冷却工艺参数

铸坯完全冷却后，采用火焰切割将铸坯上有射钉的部位切成约100×100×200（mm）和100× 100×245（mm）的钢块，经刨床刨削后显露出带硫化铁示踪剂的钢钉，后经磨床磨削，达到一定表面粗糙度，以不影响低倍情况下实验观察为宜。磨好后的试样，用冷强酸进行酸洗2～3次，后用去离子水冲去表面残留酸液，冷风吹干，测量。

2 结果分析及讨论

2.1 射钉实验结果

图3给出了40CrA钢种在拉速在1.2 m/min条件下，距弯月面6.33 m和9.03 m处得到的射钉试样酸浸低倍照片。由图3可知，6.03 m处射钉与40CrA基体材质非常相似造成试样处理的困难，未能看出坯壳厚度。9.03 m处坯壳厚度为61.5 mm。

图3 40CrA射钉实验酸洗照片

图4给出了GCr15钢种在拉速在1.2 m/min条件下，距弯月面6.33 m和9.03 m处得到的射钉试样酸浸低倍照片。由图4可知，6.33 m处铸坯凝固坯壳厚度为42.5 mm；而9.03 m处的凝固坯壳厚度为60.5 mm。

图4 GCr15射钉实验酸洗照片

2.2 数学模型的验证

针对上面实际工况条件，结合连铸机实际设备参数，利用大方坯连铸二冷优化配水系统［3-5］对铸坯的温度场和凝固进程进行了计算分析。图5给出40CrA和GCr15两个钢种温度场和凝固进程计算结果和射钉实验结果。

计算结果与射钉实验计算结果非常吻合，二者最大差值为5.5 mm，考虑到射钉实验的精度，则数值模拟能精确的预测凝固进程。

图5 两钢种温度场分布及凝固进程对比

3 结论

（1）射钉法可以有效地检测板坯凝固坯壳厚度，该方法简单可靠，适用性较强，其测量结果可以作为校验现场实际控制和二冷模型精度的依据。

（2）二冷控制模型的可靠性不仅取决于模型本身的精度，也取决于对现场冷却条件与设备状态的合理描述；在设备状态稳定，二冷喷淋状态满足设计要求的条件下，二冷数学模型的可靠性能够满足连铸过程轻压下控制的要求。

［1］ Kawawa T，Sato H.Determination of Solidifying Sbell Thickness of Continuous Cast Slab by Rivet Pin Shooting［J］.Testsu-to-Hagane，1974，60：204-2l6.

［2］ 赵江晨.连铸二冷动态控制与监测技术研究［D］.北京：北京科技大学,2004.

［3］ 钱宏智，张家泉，王东柱，崔立新，等.连铸二冷配水模型可靠性的研究［C］.北京：中国金属学会连续铸钢分会主办.连铸二次冷却技术交流会论文集.2005：11.

［4］ 武小林.安阳钢铁公司二炼钢厂4号板坯连铸机二冷配水数学模型及其求解［D］.北京：北京科技大学,1998.

［5］ 王东柱，张家泉，钱宏智.影响连铸二冷效果的若干因素分析［C］.北京：中国金属学会连续铸钢分会主办.连铸二次冷却技术交流会论文集，2005:11.