史庭坚，吴 婕

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

0 引言

高压气瓶作为一种气体储存容器，广泛用于工业、矿业、建筑、交通、海洋、航空、医疗、军事等国民经济各行各业[1]。37Mn作为高压气瓶钢中使用最为广泛的钢种，由于其易于生产和加工，深受气瓶生产厂家的欢迎。天钢气瓶钢37Mn生产直径主要为Φ200 mm和Φ210 mm两种规格，其工艺路线为：高炉→转炉→ LF→VD→连铸→冷床→堆冷→检验。37 Mn气瓶钢在连铸坯切割后，多放置于空气中自然冷却。经过实际测定，其冷却速度约为20℃/h，下线温度约为680℃，在这种较强的冷却强度下冷却至室温，很容易导致铸坯氢得不到充分释放，发生铸坯弯曲和端头开裂等影响质量的情况。为保证生产的37 Mn气瓶钢表面和内部质量良好，天钢进行了铸坯堆冷工艺模型研究。通过建立堆冷模型，探究降低铸坯冷却速度、促进钢中氢的释放，使钢中组织能够充分进行相变转换，避免内应力导致铸坯弯曲、开裂的有效工艺参数。

1 铸坯堆冷模型的建立

由于圆坯容易滚动的特性，堆冷时必须放在限位架内，由于限位架横向尺寸的限制，对于直径210 mm的圆坯来说，一层最多可放置9根；向上一层需要保证圆坯之间的空隙尽可能的小，而且不会滚动，则需放置8根；再向上一层又可以放置9根；依次的每层9根和8根交错堆放，如图1所示。

图1 堆冷示意图

每层的高度约为：

因此，考虑限位架高度的限制，最高堆垛层数约为10层。

1.1 基本假设

模型计算中，以一个堆垛圆坯长度方向的1/2处所有铸坯断面作为计算区域建立基本模型[2]。为了简化模型，进行如下假设：

（1）忽略长度方向的传热，简化为二维传热问题。

（2）忽略圆坯之间、圆坯与地面的空隙传热热阻。

（3）不考虑圆坯密度随温度的变化，比热容和导热系数是温度的函数。

（4）从上到下，每层依次用大写数字编号1，2，3，……。

1.2 控制方程

列出控制方程：

铸坯：

地面：

式中，T 为温度，K；t为时间，s；ρ为密度，g·cm-3；Cp为比热容，J·（g·K）-1；λ 为导热系数，J·（cm·s·K）-1。

1.3 边界条件

边界条件方程为：

堆垛上表面[3]：

侧面：

堆垛下表面：

式中，σ 为史蒂芬-玻尔兹曼常数，W·(m2·K4）-1；ε 为表面黑度系数；h 为对流换热系数，W·(m2·K）-1；T∞为地面初始温度，K。

2 模型参数的确定

2.1 堆冷层数的确定

为了评估堆冷效果并确定适合堆冷的最低、最高层数，需分别计算各层中间部分的圆坯温度，假设所有圆坯堆冷开始时温度均为680℃（953 K），室内空气和地面温度25℃（298 K），为了减少计算量，只计算第12 h和24 h结束时的温度，并计算出24 h内的平均冷却速度。

由于现场堆冷中，最上层为双数层圆坯，会导致最左、右侧的圆坯不与两侧限位架接触，有滚动的风险，且由于限位架高度的限制，最高堆垛层数不能大于10层，所以最大测定层数只能为9层，即选定的堆冷层数可为1、3、5、7、9层。不同堆垛层数下各层温度变化与冷却速度计算值如表1所示。

由表1可以看出：

（1）由于铸坯顶部的堆垛层与空气对流相对较强，因此上层冷却速率较高。

式中，Tc为半无限厚地层的解，可用下式计算：

表1 不同堆垛层数时各层堆冷温度和24h内冷却速度

（2）随着堆垛层数的增加，冷却速度逐渐降低，且各层温度梯度趋于平缓，铸坯整体缓冷效果明显。

（3）堆冷24 h，堆垛9层时，铸坯各层冷却速度范围为8.08~12.71℃/h。

（4）堆垛3层时，第1层与第2层的温度相差了111℃，冷却速度较第2层大约40%；堆垛5层时，第1层与第2层的温度相差67℃，冷却速度较第2层高约23%，与堆垛3层相比，各参数都大幅度下降。

综上，在考虑限位架的高度限制前提下，最大堆垛层数选择9层，此时铸坯各层冷却速度范围为8.08~12.71℃/h，铸坯整体缓冷效果良好。由于过大的温度梯度易使氢得不到充分释放，因此堆垛层数不应小于5层。

2.2 堆冷时间的确定

选定堆垛层数为9层后，运用模型计算其堆垛温度和时间的关系。为了简化计算，选取第1、2、5、8、9层，计算24 h内每小时结束时的温度，绘成温度-时间曲线图，如图2所示。

图2 理论计算堆冷24 h内温度-时间曲线图

堆垛开始时，每层每根圆坯的温度分布可认为是相同的。一段时间后，堆垛顶部和侧面温度开始下降，但是中部和底层的温度并没有显著变化，而是在热传导作用下温度趋同。根据模型计算可知，随着时间推移，最顶层的冷却速度最快，中部和底部冷却速度较慢且速率较为接近，整个高温区域逐渐向下移动。由图2大体可看出，第1、2层由于上方直接向空气散热，其散热速度最快，但由于第1层的保温作用，第2层散热速度慢于第1层；而中间的第5层与底部的第8、9层，散热速度相对较慢，而且5、8、9这3层的散热速度相差不大。但由于第9层贴近地面，其散热速度在第10h后逐渐快于第5、8层。

为了对比模型计算和实际的差别，测量了一个堆垛中圆坯的温度分布。测量时间分别选取堆冷开始、堆冷24 h两个时间点，测量位置为各层圆坯最中间一根、长度方向1/2处的上表面温度，如中间为2根圆坯空隙，则分别测量其左右两根的温度并取平均值，对比堆冷24 h后的模型温度计算值与温度实测值，其结果如表2所示。

表2 堆冷24 h后模型计算值与实测值比较

由2表可以看出，堆冷24 h实际的冷却速度与模型计算值变化趋势一致，但略快于模型计算的速度，相差最大值16℃，最小值4℃，相对误差仅为4%,完全在范围之内，且24 h之后，除了第1层之外，各层温度相差均不大，冷却速度也大大降低。可见，要保证铸坯缓冷，堆冷时间应不小于24 h。

研究表明，堆冷时间在一定范围内时，时间越长，铸坯中的氢含量就越低，但当达到一定的上限时，变化不会太大，且此时的圆坯质量也并未明显改善，此时，需要综合考虑管理成本和生产效率因素[4]。

分别挑选5根堆冷24 h、堆冷48 h的圆坯进行观察并测定氢的含量，以观察堆冷效果。作为对比，选取了5根没有堆冷的圆坯进行对比，质量情况结果如表3所示，氢含量如表4所示。

表3 圆坯弯曲和裂纹情况

表4 圆坯氢含量 wt/×10-6

由表3、表4可知，未堆冷的圆坯均有弯曲和端头裂纹情况发生，而经过堆冷的圆坯则无此现象。对比氢含量，未堆冷的氢含量比堆冷过的高，但堆冷24 h和48 h的氢含量差别不大。

综合以上分析，可确定最佳堆冷时间为24 h。

3 结论

天钢开发并成功运用了适合37Mn气瓶钢生产实际的圆坯堆冷工艺模型，实践表明，堆垛层数适宜范围为5~9层，且为单数，最佳堆垛层数为9层。堆冷24h铸坯各层温度相差不大，铸坯各层冷却速度范围为8.08～12.71℃/h，缓冷效果良好，能够有效减少圆坯弯曲和断头裂纹的发生，且有利于降低铸坯氢含量，减少氢致缺陷的产生。