张玉海

（河钢集团宣钢公司，河北 宣化 075100）

河钢宣钢公司二钢轧厂2号连铸机主要以生产轴承钢、帘线钢、预应力钢绞线用钢等钢种为主，对连铸坯内部及表面质量要求严格。由于钢水在浇注时受温度、拉速、比水量等因素影响，连铸坯中心易产生疏松、缩孔等缺陷，因这些缺陷在轧制工序无法消除，导致线材盘条在拉拔过程中易发生断裂，且易使圆钢表面出现裂纹、起皮等缺陷[1-2]。为了控制铸坯缺陷，在现有工艺条件下，对连铸坯的凝固规律进行研究，确定钢水浇注温度、拉速、比水量等连铸机关键工艺参数，使铸坯质量达到最优。

1 试验方案

1.1 2号连铸机基本参数如表1所示

表1 小方坯连铸机基本参数

以帘线钢（LX72A）为例，结合实际生产工艺制度，选择连铸机各种工艺参数组合（如钢水过热度、拉速、二次冷却强度等）跟踪连铸机的生产，对铸坯进行低倍检验，将数值模拟铸坯凝固传热理论研究与实际检验相结合[4-7]，研究钢水在浇铸过程中的传热规律，确定最优工艺参数，从而更好地对铸坯质量进行控制。

1.2 理论研究

1.2.1 工艺原理

ProCAST软件通过采用有限元算法对所建立的模型进行计算，根据需要可以计算铸坯的传热分布规律，以此来预测铸坯的缺陷问题，为实际生产提供可靠技术支撑[8]。利用CAFE法建立模型模拟，分析生产浇铸过程中不同工艺参数、形核参数等因素对钢水凝固过程中微观组织变化的影响，减少铸坯的柱状晶，提高等轴晶率[9]。

1.2.2 模拟验证

根据现场实际的连铸工艺参数（过热度20℃、拉速1.8 m/min、比水量0.52 L/kg）设置模型中的CAFE参数。其形核参数为：Gibbs-Thompson系数取3×10-7m·K；体形核参数ΔTv，max=2.5 K，ΔTv，σ=0.1 K，nv，max=1×108 m-3；面形核参数ΔTs，max=0.5 K，ΔTs，σ=0.1 K，ns，max=5×107 m-2；计算过程中需考虑钢中主要元素对工艺的影响，其溶质元素参数选择情况如表2所示。将表2中数据输入CAFE模型中，计算得到枝晶尖端生长动力学参数a2=1.343×10-6m·s-1·K-3、a3=6.137×10-7m·s-1·K-3。

表2 主要溶质元素参数

模拟的微观组织样貌与检测酸洗后的铸坯低倍组织如下页图1、图2所示，通过对晶粒形态、等轴晶与柱状晶的比例等方面进行对比分析可知，CET转变发生在枝晶末端，且存在明显的分界线，通过宏观观察约在铸坯厚度1/4处。结果表明，模拟凝固组织结果与实际连铸坯形貌基本一致。

图1 铸坯模拟结果

图2 实际铸坯凝固组织

2 工艺研究

2.1 拉速对温度场的影响

拉速过快可缩短钢水在结晶器内冷却时间，延长连铸坯的液芯长度；拉速过慢，会导致铸坯凝固终点位置提前，同时不利于连铸机高效作业。为研究不同拉速对铸坯凝固过程的影响，基于比水量为0.52L/kg、过热度为20℃的工艺条件，得出拉速在1.7 m/min、1.8 m/min、1.9 m/min和2.0 m/min下的铸坯表面温度、芯部温度及凝固情况如图3、图4所示。

图3 拉速对铸坯温度的影响

图4 拉速对铸坯凝固的影响

结果表明，随着拉速提高，缩短了连铸坯在冷却区的时间，表面及芯部的温度都明显升高。拉速每提高0.1 m/min，出冷却区连铸坯表面温度平均升高15℃左右，液芯长度平均增加0.85 m，两相区长度增加0.43 m，液相区长度增加0.4 m。拉速的变化对连铸坯内部温度及凝固组织变化影响较大。

2.2 过热度对温度场的影响

钢水过热度偏低会导致浇铸时水口低温结流，从而造成生产事故；过热度控制偏高则会使铸坯产生芯部裂纹、疏松等缺陷[10]。为研究钢水过热度的变化对铸坯凝固组织的影响，基于拉速1.8 m/min、比水量0.52 L/kg的工艺条件，得出钢水过热度分别为10℃、20℃、30℃和40℃时铸坯内部温度（见图5）及凝固组织情况（见图6）。

图5 过热度对铸坯温度的影响

结果表明，随着过热度的增大，铸坯在同一位置温度升高不明显。过热度每提高10℃，在二冷区铸坯表面温度平均升高9℃，在不同过热度的条件下，距弯月面6～8 m处的铸坯芯部温度趋于一致；同时连铸坯液芯长度增加0.23 m，液相区长度平均增加0.35 m，而两相区长度则平均减小0.11 m。钢水过热度对铸坯表面、芯部温度和中心固相率影响较小。

2.3 比水量对温度场的影响

连铸过程中，合理的二冷配水制度非常必要，它要求连铸坯在进拉矫机前既要使铸坯表面温度避开脆性区，又要保证在矫直前完全凝固[11]。为研究不同比水量对铸坯凝固行为的影响，在拉速为1.8 m/min、过热度20℃工艺条件下，分析研究比水量分别为0.52L/kg和0.62 L/kg时铸坯的温度与凝固组织变化（见图7、图8），具体结果如下页图9、图10所示。

图7 比水铸量坯0模.5拟2 L/kg下的

图9 比水量对铸坯温度的影响

图10 比水量对铸坯凝固的影响

结果表明，二冷比水量的变化对铸坯表面及中心温度影响较小，但是比水量对铸坯凝固的影响较明显，随着比水量的增加，液芯长度和两相区长度都有所减小；比水量减少10%，两相区长度增加0.12 m，液芯长度增加0.2 m；比水量增加10%，两相区长度减小0.24 m，液芯长度减小0.7 m。

此外，不同比水量会对铸坯致密度产生影响，因此取比水量分别为0.6 L/kg的铸坯试样（1-2）与0.52 L/kg的铸坯试样（2-2）进行铸坯致密度检测，结果如图11、图12所示。

图11 不同比水量对铸坯致密度的影响

从图12可以看出，比水量为0.52 L/kg的铸坯试样致密度优于比水量为0.6 L/kg的铸坯试样，也就说弱冷有助于提高铸坯芯部致密度。

图12 不同比水量铸坯致密度的对比

3 结论

1）拉速的变化对连铸坯内部温度及凝固组织变化影响较大。拉速每提高0.1 m/min，出冷却区铸坯表面温度平均升高15℃左右，液芯长度平均增加0.85m，两相区长度增加0.43 m，液相区长度增加0.4 m。结合实际生产工艺，拉速执行1.8 m/min恒速拉钢制度。

2）钢水过热度对连铸坯表面、芯部温度和中心固相率影响较小。过热度每提高10℃，在二冷区铸坯表面温度平均升高9℃，在不同过热度的条件下，距弯月面6～8 m处的铸坯芯部温度趋于一致，同时连铸坯液芯长度增加0.23 m，液相区长度平均增加0.35 m，而两相区长度则平均减小0.11 m。结合实际生产工艺，过热度控制在25~30℃范围之内。

3）二冷比水量的变化对铸坯表面、中心温度影响较小；比水量减少10%，两相区长度增加0.12 m，液芯长度增加0.2 m；比水量增加10%，两相区长度减少0.24 m，液芯长度减少0.7 m。结合实际生产工艺，比水量按照0.52 L/kg控制，铸坯质量较好。