應用射釘實驗修正厚板坯連鑄機輕壓下模型的研究

于曉梅

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司品質保證部，山東 萊蕪，271104）

動態輕壓下技術，是目前國內連鑄工序解決連鑄坯中心偏析和疏松的一種非常有效的手段，國內外的學者們都進行過深入研究[1]。動態輕壓下技術的工藝參數分為動態輕壓下區間、動態輕壓下量[2]和壓下量在各個扇形段的分配，在實際生產中，只有合理的使用這些工藝參數，與實際的鋼種、拉速、配水配合好，才能獲得較好的連鑄坯偏析與疏松的等級。但由于連鑄生產過程連鑄坯是多維傳熱，高溫鑄坯內部熱傳導的多變性，因此不同的煉鋼廠不同的生產工藝和不同的連鑄機配制，會導致各個連鑄機在配制動態輕壓下技術時，采用不同的工藝參數。目前各個鋼廠都是根據各自的工藝特點和設備配制，結合自己連鑄機的特點來設定符合自己生產條件的輕壓下參數。

連鑄坯凝固坯殼厚度是連鑄生產中一個非常重要參數，它直接反映著鑄坯的冷卻狀況和拉速的合理程度。本項目采用射釘法對鑄機的坯殼厚度、液相穴長度、凝固系數等方面進行研究，并依據射釘法研究的數據和結果來對鑄機的二次冷卻、輕壓下區間、鑄機拉速等工藝參數進行優化調整。

傳熱模型計算結果的可靠性與鑄坯所受到的實際冷卻條件密切相關。在結晶器區域，鑄坯受到的冷卻與結晶器進出水量、溫差、有效冷卻面積相關，利用熱平衡原理，可以準確確定出鑄坯在結晶器內所受到的冷卻強度。實際對傳熱模型計算結果可靠性影響較大的是二冷區邊界條件，為此本研究中引入了修正系數，對鑄坯二冷區冷卻邊界條件進行修正，將射釘實驗結果及傳熱模型計算結果對比可以確定修正系數[3]。

壓下區間是動態輕壓下技術最重要的參數，這個區間由鑄坯凝固末端的位置決定。我們根據動態輕壓下的工作原理，在連鑄機扇形段的主動輥施加機械力，在鑄坯的凝固末端壓碎已搭橋的樹枝晶，可以補償連鑄坯的冷卻收縮作用，防止未凝固的富含高濃度其他元素的鋼液向鑄坯中心流動。因此，我們是否能找到鑄坯的凝固終點至關重要。目前鑄坯凝固終點是由計算機的二冷模型計算出來的，但計算模型和實際的凝固終點到底是不是一致，還需要驗證。若輕壓下位置作用在凝固末端之后，此時鑄坯已經凝固，就沒法改善鑄坯的內部缺陷了；若輕壓下位置作用在凝固末端之前，此時鑄坯尚未凝固，就失去了輕壓下應有的作用。因此，在連鑄機生產過程中，找到合適的壓下位置對輕壓下技術來說至關重要[3]。本文通過在萊鋼型鋼煉鋼廠4#板坯連鑄機進行壓下區間調整試驗對輕壓下壓下區間做進一步的研究，研究結果對改善4#連鑄機鑄坯的內部質量具有重要意義。

1 射釘實驗原理

連鑄坯凝固坯殼厚度檢測的試驗方法有很多種，如刺穿坯殼法，同位素法等。但刺穿坯殼法屬于破壞性試驗，現場無法操作。同位素法會產生一定的放射性污染，試驗的可操作性差。因此，采用射釘法具有不影響生產、不產生廢品、操作簡便、測量精度較高等優點。

因此，實際生產中常采用射釘法來檢測凝固坯殼厚度。射釘法的基本原理為：鑄坯出結晶器后，在某一位置射入鋼釘，鋼釘的液相線溫度低于所測鋼種的液相線溫度，因而在液相區的釘子完全熔化，兩相區的釘子部分熔化，在固相區的釘子未熔化，同時，釘子上有兩道含有硫化物的溝槽，低熔點的硫化物在射釘進入鑄坯液相穴時，會迅速擴散，根據硫化物的擴散情況，采用酸侵蝕和硫印的方法，能顯示出鑄坯的液芯厚度。切取帶射釘的鑄坯就可以直接測出凝固坯殼厚度。

射釘法可以根據示蹤鋼釘的熔化情況，來準確顯示射釘位置的凝固坯殼厚度，確定該橫斷面上的凝固進程。但是，因為射釘試驗裝備的限制，試驗不能精確的在線跟蹤鑄坯在整個鑄機內的凝固情況。

結合局部精確測量凝固坯殼厚度的射釘法，確定板坯的凝固坯殼厚度分布狀況與凝固終點位置，進而為鑄坯凝固分析提供實驗依據。

2 試驗方法和方案

本文采用射釘試驗法確定鑄坯厚度，第一組射釘實驗是在二冷第11段與12扇形段中間、二冷第12段與13扇形段中間的1/2、1/4寬度處進行的。具體射釘位置距結晶器內鋼液面的距離分別為：27.522m、29.905m。第二組實驗是在二冷第9段與10扇形段中間的1/2寬度處、二冷第10段與11扇形段中間的1/2、1/4寬度處進行。具體射釘位置距結晶器內鋼液面的距離分別為：22.765m、25.145m。

兩組射釘實驗對應的鋼種、澆注溫度、拉坯速度、二冷配水等工藝參數如表1和表2所示，澆注斷面為300mm×2200mm。

連鑄機結晶器是垂直的，零段是直弧形，連鑄機半徑10m，扇形段共有14個段，主要工藝參數：試驗鋼種Q345D，斷面300mm×2200mm，拉速0.85m/min，鋼水過熱度20℃～30℃。

3 試驗結果及分析

通過在連鑄機二冷11段與12段之間處進行的射釘實驗，鑄坯邊緣至釘子邊緣擴散開始區域的區域為固態坯殼區域；釘子邊緣開始擴散到鑄坯中心是固液兩相區（或糊狀區），沒有中心充分擴散區域，這表明，鑄坯到達此位置時，鑄坯中心已處于固液兩相區。射釘一側為鑄坯內弧側，由圖1可知，鑄坯中心區域的糊狀區寬度基本處于中心對稱狀態，因此本研究中外弧和內弧凝固坯殼厚度認為是相等的。

由射釘實驗結果可知，距結晶器內鋼液面距離為27.522m處凝固坯殼厚度為132.8mm～141.7mm（1/4寬度～1/2寬度）。這表明VAI模型預測的凝固厚度比實際鑄坯凝固厚度要薄一點，也意味著VAI預測模型的凝固終點比實際凝固終點要靠后。

通過對Q345D鋼的傳熱模型進行分析，首先將修正系數分別調整為0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99、1.0、1.01、1.02，確定最佳修正系數在0.99～1.01之間，然后微調修正系數。獲得不同修正系數條件下，鑄坯在27.522m處鑄坯寬度中心處的凝固厚度值。

由前可知，在距結晶器內鋼液面27.522m處，射釘實驗測定的鑄坯寬度中心處凝固坯殼厚度為141.7mm，故修正系數為0.994的模型預測結果與實驗結果最為接近。

綜合比較22.765m和25.145m處模型預測的凝固坯殼厚度，對比Q345D射釘實驗結果可知，修正系數為0.999時，模型預測凝固坯殼厚度與實際射釘實驗結果最為接近，因此，對Q345D而言，最優修正系數為0.999。

4 結論

（1）根據傳熱模型預測及射釘實驗結果可知，對于Q345E鋼種而言，模型修正系數為0.994；對于Q345D而言，模型修正系數為0.999。

（2）根據修正后的傳熱模型計算結果可知，本研究條件下，Q345D鋼種的凝固終點為28.328m，比VAI模型預測的凝固終點前移0.592m。

（3）本研究條件下，Q345D鋼種澆注時，鑄機綜合凝固系數為26.83mm/min1/2。

（4）Q345D鋼合適的輕壓下區間為22.965m～25.842m。