連鑄會(huì)議-大斷面軸承鋼圓坯連鑄工藝優(yōu)化研究1

1、大斷面軸承鋼圓坯連鑄過程的仿真分析韓慶禮1周守航1 耿明山1張西鵬1劉艷1,曹福順2,李澍2,張玉亭2,王正波2(1 中冶京誠工程技術(shù)有限公司,北京市,100176;2 中冶京誠(營口裝備技術(shù)有限公司,遼寧省營口市,115004摘要:本文基于Procast軟件,在中冶京誠(營口裝備技術(shù)有限公司和京誠技術(shù)研究院的共同努力下,利用數(shù)值模擬方法,對(duì)鑄坯內(nèi)疏松缺陷等分布進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,不斷改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝;實(shí)現(xiàn)了500圓超大斷面軸承鋼質(zhì)量上的重大突破,為超大斷面高碳高合金鋼高質(zhì)量鑄坯生產(chǎn)研發(fā)創(chuàng)出了一條新路。關(guān)鍵詞: 大斷面圓坯Procast軟件GCr15SiMn軸承鋼疏松縮孔Simulation An

2、alysis of Continuous Casting Process for Bearing Steellarge Section Round BilletHan Qingli1 Zhou Shouhang1 Geng Mingshan1 Zhang Xipeng1 Liu Yan1,Cao Fushun2,Li Shu2,Zhang Yuting2,Wang Zhengbo2(1 Capital Engineering & Research Incorporation Limited; 2 CERI YingKou EquipmentDevelopment and Manufac

3、turing Co,Ltd.ABSTRCT By tackling key Problem jointly with CERI YingKou Equipment Development and Manufacturing Co,Ltd. and Technical Research Institute of Capital Engineering & Research Incorporation Limited(CERI,the porosity and shrinkage cavity was forecasted based on procast software. Then t

4、he processing Parameters for R14m Round Billet Continuous Casting was optimizing, Round Billet quality get a significant breakthrough on, which provided a new research road for high quality production of high-carbon and high-alloy steel large Section Round Billet Continuous Casting.KEY WORDS Large S

5、ection Round Billet Procast software GCr15SiMn Bearing Steel porosity and shrinkage cavity1課題背景目前,國內(nèi)外幾大主要軸承鋼廠,大多采用模鑄工藝來生產(chǎn)大斷面圓坯軸承用鋼。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,模鑄工藝生產(chǎn)成本高的矛盾日益突出,用連鑄工藝代替模鑄工藝,在保證質(zhì)量的前提下可大幅降低成本,是今后生產(chǎn)大斷面軸承鋼圓坯的方向。但由于軸承鋼固有的凝固特性,含碳量較高、其液固兩相區(qū)較寬,采用連鑄工藝,對(duì)于500毫米以上的軸承鋼鑄坯北京市科委重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(D09030303780000韓慶禮,男,博士,高級(jí)工程師,從事

6、冶金工藝和技術(shù)研究,hanqingli很難避免中心疏松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生,難以滿足用戶的需求。而隨著CAE 技術(shù)發(fā)展,利用數(shù)值模擬的方法優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù),對(duì)生產(chǎn)過程起到很重要作用。2 模擬鑄機(jī)的基本參數(shù)中冶京誠(營口裝備技術(shù)有限公司的大圓坯鑄機(jī)為京誠自主研發(fā)的國內(nèi)第一臺(tái)600mm 大斷面圓坯連鑄機(jī),4機(jī)4流,冶金長(zhǎng)度38.79m ,主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1. 3 本次模擬三維模型根據(jù)鑄機(jī)實(shí)際尺寸建立,利用Altair HyperWorks 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,芯部和表層進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分,網(wǎng)格數(shù)量為125萬。模擬鋼種為GCr15SiMn 軸承鋼,化學(xué)成分取國標(biāo)中限,材料的物性參數(shù)通過Procast 軟件自帶

7、的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)結(jié)晶器和二冷區(qū)的凝固行為進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬15,但其選擇的邊界條件大多針對(duì)方坯、板坯和小斷面圓坯,對(duì)于500圓的大斷面圓坯的仿真情況還鮮有報(bào)道。為此,在借鑒以前學(xué)者仿真工作基礎(chǔ)上,本次模擬過程邊界條件根據(jù)能量平衡原理,由京誠公司自主開發(fā)軟件計(jì)算所得,結(jié)晶器熱流分布和二冷區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算軟件界面圖見圖1和圖2。 圖1. 大圓坯結(jié)晶器熱流分布計(jì)算軟件 圖2.二冷水對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算軟件4仿真分析為了比較不同工藝參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響,選擇連鑄過程拉速、澆溫和冷卻強(qiáng)度三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬,并根據(jù)正交試驗(yàn)的原理安排模擬試驗(yàn)。表2為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。整個(gè)模擬過程不考慮

8、末端電磁攪拌對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響。 冷卻強(qiáng)度因子:1表示超弱冷,1.2表示弱冷,1.4表示強(qiáng)冷,1.8表示超強(qiáng)冷。本文仿真分析采用移動(dòng)邊界法進(jìn)行連鑄過程的傳熱計(jì)算,利用APM高級(jí)疏松模塊進(jìn)行鑄坯芯部質(zhì)量的模擬。在研究過程中,我們通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)與仿真邊界條件的反復(fù)校驗(yàn)修正,使鑄坯模擬表面溫度與實(shí)際生產(chǎn)測(cè)溫結(jié)果得到良好擬合,圖3是鑄坯表面溫度分布和實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖。 圖3. 鑄坯表面溫度的模擬值與測(cè)量值對(duì)比圖表3根據(jù)正交試驗(yàn)排布方案,計(jì)算得到不同試驗(yàn)參數(shù)下鑄坯最大疏松百分?jǐn)?shù)分布。表3 不同試驗(yàn)方案下鑄坯缺陷分布所在列 1 2 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果因素拉速m/min 過熱度冷卻強(qiáng)度因子最大疏松%實(shí)驗(yàn)1 0.1

9、5 15 1.0 2.59實(shí)驗(yàn)2 0.15 25 1.2 2.27實(shí)驗(yàn)3 0.15 35 1.4 2.25實(shí)驗(yàn)4 0.15 45 1.8 2.21實(shí)驗(yàn)5 0.35 15 1.2 3.06實(shí)驗(yàn)6 0.35 25 1.0 3.05實(shí)驗(yàn)7 0.35 35 1.8 2.96實(shí)驗(yàn)8 0.35 45 1.4 3.01實(shí)驗(yàn)9 0.45 15 1.4 4.49實(shí)驗(yàn)10 0.45 25 1.8 4.2 速對(duì)鑄坯疏松影響最大。圖4是在相同的過熱度和二冷條件,模擬得出的不同拉速下液芯長(zhǎng)度的變化規(guī)律。 圖4 拉速對(duì)鑄坯液芯長(zhǎng)度的影響根據(jù)“小鋼錠”凝固理論,在凝固后期由于鑄坯斷面中心柱狀晶的搭橋,當(dāng)橋下面的鋼液繼續(xù)凝固

10、時(shí),得不到上部鋼液的補(bǔ)充,下部區(qū)域就形成縮孔、疏松,因此凝固過程柱狀晶生產(chǎn)的過度發(fā)達(dá),這是造成鑄坯中心疏松、縮孔的主要原因。由圖4可以看出,隨著拉速的升高,鑄坯的液芯長(zhǎng)度逐步增加,因此在狹窄的兩相區(qū)內(nèi),柱狀晶搭橋的幾率增大。另外,隨著拉速的升高,鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間變短,鑄坯液芯延長(zhǎng),推遲了等軸晶的形核和長(zhǎng)大,擴(kuò)大了柱狀晶區(qū),因此導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部疏松區(qū)域變大。因此,軸承鋼圓坯連鑄過程拉速不應(yīng)該太快,考慮到末端電磁攪拌的影響,應(yīng)將拉速控制在合適的范圍內(nèi)。過熱度和二冷冷卻強(qiáng)度盡管對(duì)鑄坯中心疏松影響不如拉速明顯,但是澆鑄溫度高時(shí),結(jié)晶器激冷條件下形成的晶粒碰到過熱鋼水時(shí)會(huì)熔化,導(dǎo)致等軸晶的晶粒變少,柱

11、狀晶向中心部位過度發(fā)展,形成粗大的柱狀晶,伴隨中心部位較嚴(yán)重的疏松、縮孔產(chǎn)生。因此,為增加等軸晶的比例,實(shí)際生產(chǎn)過程應(yīng)降低鋼水的澆鑄溫度;另外,軸承鋼屬于裂紋敏感鋼,為避免鑄坯表面出現(xiàn)裂紋,實(shí)際生產(chǎn)時(shí),應(yīng)采用弱的冷卻強(qiáng)度。通過中冶京誠(營口裝備技術(shù)有限公司和京誠技術(shù)研究院2年多的共同努力,找到解決大斷面軸承鋼圓坯中心缺陷的關(guān)鍵,通過現(xiàn)場(chǎng)多輪生產(chǎn)實(shí)踐,總結(jié)出一套生產(chǎn)高碳合金鋼鑄坯經(jīng)驗(yàn),實(shí)踐生產(chǎn)中應(yīng)從以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手,解決產(chǎn)品的質(zhì)量:1、低氧、低硫磷、低夾雜物、低有害元素的純凈鋼冶煉;2、中間包冶金技術(shù)應(yīng)用;3、低過熱度控制技術(shù);4、拉速和二冷制度的匹配;5、仿真技術(shù)及檢測(cè)手段的應(yīng)用。下圖6是

12、中冶京誠(營口裝備技術(shù)有限公司500mm連鑄機(jī)攻關(guān)前后生產(chǎn)的軸承鋼圓坯低倍對(duì)比情況。鑄坯的疏松和縮孔級(jí)別得到了明顯改善,產(chǎn)品質(zhì)量均滿足用戶的需求。 攻關(guān)前500圓 攻關(guān)后500圓圖6 軸承鋼鑄坯工藝優(yōu)化前后的低倍分析結(jié)果5 結(jié)論1 利用Procast 軟件可以對(duì)超大斷面圓坯連鑄凝固過程進(jìn)行優(yōu)化;2 通過數(shù)值模擬對(duì)工藝的優(yōu)化研究得知,高碳高合金鋼連鑄坯完全可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn);3 數(shù)值模擬計(jì)算用物性參數(shù)和邊界條件的選擇非常關(guān)鍵,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)與邊界條件的修正是必不可少的;4 在連鑄生產(chǎn)過程中拉速對(duì)鑄坯內(nèi)部疏松缺陷的影響最明顯;5 低過熱度、適當(dāng)拉速以及相對(duì)應(yīng)的二冷制度,是實(shí)現(xiàn)軸承鋼圓坯芯部質(zhì)量穩(wěn)定的

13、保障。參考文獻(xiàn)1郭亮亮,姚曼,尹合壁等.連鑄圓坯結(jié)晶器的熱流計(jì)算與討論J.金屬學(xué)報(bào),2006,42(9:983-988. 2 李中原,趙九洲. 平行板型薄板坯連鑄結(jié)晶器中鋼液流動(dòng)、凝固及溶質(zhì)分布的三位耦合數(shù)值模擬J. 金屬學(xué)報(bào),2006,42(2:211-217.3 Lally B,Biegler L, H.Henein. Finite Difference Heat Transfer Modeling for Continuous CastingJ.Metall.Trans.B,1990,21B(4:761-770.4 M M Hamdi,G Lesoult,E perrin et al. Modeling of Solidification in a Meniscus Free Continuous C