Q235B连铸二冷配水分析

Q235B连铸二冷配水分析

陈伟^,2  和保民^1,2  郭高翔^1,2  于兴旺^1,2  王嘉琦^1,2  杨改彦^1,2

（1.华北理工大学冶金与能源学院；2.河北省高品质钢连铸工程技术研究中心, 河北  唐山，063009）

摘  要：针对北方某钢厂在生产Q235B断面180×675mm2时遇到较多内部裂纹的问题，运用有限元方法，在ansys软件中进行二冷配水的模拟计算，并与实际情况进行对比，找出二冷配水存在的问题，提出相应的解决方案。经验证，采用调整方案后铸坯鼓肚、角部裂纹等缺陷的数量减少了60%，成效显著。

关键词： Q235B；连铸；有限元法；二冷配水

Analysis of Q235B continuous casting secondary cooling water distribution

Chen Wei，He Baomin，Guo Gaoxiang，Yu Xingwang，Wang Jiaqi，Yang Gaiyan

(1.North China University of Science and Technology,College of Metallurgy & Energy, Tangshan 063009, Hebei,China; 2.Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center, Tangshan 063009, Hebei, China)

Abstract: Aiming at so many cracks under the surface of continuous cast billet with a section of 180×675mm² appear ,we simulate the secondary cooling process in ansys by FEM,and compared with the actual situation, finding out the problem during secondary cooling process and putting forward the suggestions to improve the quality of the product.After our suggestion was adopted, the quantity of cracks has reduced 60%, this is a favorable result.

Keyword：Q235B; continuous casting; finite element method;second cold water distribution

连铸是炼钢生产的最后一个环节，是高温条件下的复杂过程，铸坯的凝固和冷却对铸坯质量起着决定性作用。高洁净度、良好质量的连铸坯是炼钢厂永恒追求的目标，而连铸坯的质量与二冷配水是否合理密切相关[1]。

近年来，我国在连铸凝固过程中的数值模拟应用方面发展迅速，如周建川等[2]，建立了异形坯在结晶器内的二维非稳态热力耦合数学模型，以此作为异形坯结晶器铜板锥度设计的基础数据；马交成[3]建立了应力场模型和传热模型，并在现场进行了应用研究。本课题组的陈伟[4]对异型坯整个连铸过程的热力耦合分析，并与冶金准则相对比，对二冷配水的工艺参数进行了优化。

本文针对Q235B生产时遇到较多内部裂纹的问题，运用有限元方法系统分析了铸坯的凝固特性，并在此基础上优化二冷配水方案，对减少铸坯缺陷，提高连铸坯质量起到了非常重要的作用。

1 数值模型

1.1 几何建模

研究对象的横断面尺寸为 675(宽面)×180(窄面)mm。据铸坯的对称性，为简化计算只选取1/4铸坯断面进行分析。图1为1/4铸坯断面和计算中采用的网格划分。

1.2 Q235B参数

计算中需要用到的钢种参数参数见表1～表2。

表1  Q235B温度计算所需参数

Table.1  Q235B The paramete of temperature calculater

表2  Q235B钢种成分表

Table 2  Q235B steel composition table

1.3 模型的简化与假设

建模过程中所作假设条件如下[5]：

（1）忽略结晶器内的钢液流动行为，铸坯两相区和液芯对流传热靠增大钢液导热系数值3-6倍进行考虑；

（2）忽略结晶器振动、结晶器锥度、凝固偏析和弯月面的影响；

（3）视弯月面处熔融金属的温度为浇注温度；

（4）不考虑结晶器内气隙以及渣膜对传热的影响；

1.4 初始条件与边界条件

在结晶器上表面，假设钢水温度与中间包浇注温度（T0）相等，也即 t=0时刻，T＝T0。

（1）结晶器内边界条件属于第二类边界条件[6]，其表达式为：

其中a为经验常数，b为结晶器冷却水量、冷却水温差、铸坯结构尺寸等参数的函数。

3 计算结果与分析

3.1 拉速为1.0m/min的温度场计算结果

图2和图3分别为Q235B180×675mm2断面在原配水表下拉速为1.0m/min时结晶器出口、足辊段末、零段上部末、零段下部末、二冷一区末、二区末、三区末、四区末、五区末、六区末、七区末的云图以及铸坯特征点温度历程图。由图并结合计算可知，结晶器出口处凝固坯壳厚度约为17mm；铸坯液芯完全凝固的位置在距结晶器液面9.02m位置处，在矫直点位置（11.36米）之前，即铸坯完全凝固矫直；在二冷区内，铸坯窄面温度范围888-1274℃；宽面温度范围为934-1164℃；窄面最高返温出现在零段为166℃；宽面最高返温出现在二冷4区末，为80℃；在第一矫直点，窄面中心温度为978℃，宽面中心温度为934℃。该拉速下二冷配水基本适用于该断面铸坯的生产。

3.2 结果验证

为保证计算结果的正确性，对数值计算结果与生产实际的温度值做对比，结果如表3所示。比较实测温度与计算温度可知，模拟计算真实可靠。

表3  板坯现场测温与计算数据对比

Table 3 Comparison of slab temperature measurement and calculation data

3.3 不同拉速的计算结果

不同拉速下的数值模拟计算出的结果如表4所示。根据计算结果可知，满足的冶金准则有：出结晶器坯壳厚度大于8～15mm，且完全凝固矫直。不满足的冶金限制准则有：拉速达到1.0m/min以上时在二冷零段铸坯窄面返温大于150℃；窄面二冷零段因出现返温导致温度高于200℃。                                                                                                                            

通过Q235B 180×675mm2断面的凝固温度场，并结合现场实际发现窄面氧化铁皮较重，同时二冷零段因出现返温致使温度高于1200℃，容易产生皮下裂纹；拉速小于0.8m/min时铸坯窄面在矫直点温度低于900℃，处于第三脆性区，易产生表面裂纹。

铸坯窄面凝固过程前期属于高温运行。建议在二冷零段添加适当长度窄面水条，以降低窄面温度同时减少返温。

表4 Q235B 180×675mm²不同拉速下的计算结果

Table 4 Q235B 180 × 675mm2 calculation results under different pulling speed

3.4 调整结果

工厂采纳建议之后，在二冷零段添加适当长度窄面水条并调整了生产节奏，铸坯鼓肚、角部裂纹等缺陷的数量较原来减少了约60%，所做调整收到了良好的效果。

4 结论

本文运用有限元方法对二冷配水进行了模拟计算，并结合现场采用解决方案的结果，得出以下结论：

（1）通过计算结果与现场实测值的对比得知，模型建立正确，传热边界条件设置合理，程序设计较为可靠，计算结果可信。

（2）由各拉速下温度计算结果与冶金准则的对比推测，皮下裂纹成因是在拉速较高时，铸坯在二冷段表面返温过大，提出将拉速维持在1.0m/min及以下。

（3）拉速较低时，铸坯窄面在矫直点温度低于900℃，处于第三脆性区，易产生表面裂纹，提出将拉速维持在0.8m/min以上。

（4）工厂采纳建议之后，在二冷零段添加适当长度窄面水条并调整生产节奏，铸坯鼓肚、角部裂纹等缺陷的数量较原来减少了约60%。所做调整收到了良好的效果，有效提高了产品质量。

参考文献

[1] XU Xiu-pu, LI Jing-she, GAO Xiang-zhou.Optimization of secondary cooling water distribution on Q345 steel[J]. Henan Metallurgy, 2013,21 (5): 7.

(许少普,李京社,高向宙.Q345钢二冷配水模型的优化研究[J].河南冶金,2013,21(5):7.)

[2] ZHOU Jian-chuan.Optimization design of mold taper for Continuous Billet Continuous Casting [D].

   Qinhuangdao: Yanshan University, 2015: 30-35.

   (周建川. 异形坯连铸结晶器锥度的优化设计[D]. 秦皇岛：燕山大学, 2015: 30-35.)

[3] Ma Jiao-cheng. Study of the heat transfer model and thermal stress field model on Continuous Casting Billet  

   Solidification [J]. Shenyang: Journal of Northeastern University, 2009: 60-64.

   (马交成.连铸坯凝固过程传热模型与热应力场模型的研究及应用[D].沈阳: 东北大学, 2009: 60-64.)

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[5] Chen Wei.Study on Surface Crack and cleanliness control of H-beam [D]. Qinhuangdao: Yanshan University,  

  2009: 124.

  (陈伟.H型钢异型坯表面裂纹和洁净度控制研究[D].秦皇岛: 燕山大学, 2009:124.)

[6] Kivela E,K onttinen J,Rartaruukki O.Dynamic secondary cooling model for contious casting[J].Steel Making

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(黄华.连铸板坯凝固过程温度场与应力场数值模拟[D].燕山大学:秦皇岛,2012:8-9.)

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(何森.Q345C宽厚坯连铸凝固过程数值模拟[D].内蒙古科技大学:包头,2013:14-15.)