雙輥薄帶連鑄溫度場與凝固組織數(shù)值模擬研究

魯素玲 李小勇 余慧 高靜娜 鄭亞旭 徐海強(qiáng) 馮捷

摘 要：為了解決薄帶連鑄工業(yè)生產(chǎn)線調(diào)試過程中斷帶、鑄帶鼓包等問題，提高薄帶連鑄凝固組織表面質(zhì)量，基于ProCAST有限元軟件，建立雙輥薄帶連鑄工藝的非穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)Q195凝固過程的溫度場及凝固組織進(jìn)行模擬，采用單一變量法，研究不同工藝參數(shù)，包括澆鑄溫度、拉坯速度、換熱系數(shù)及熔池高度對(duì)凝固過程溫度場與凝固組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明，現(xiàn)有工況條件Q195鋼雙輥薄帶連鑄過程中在最優(yōu)參數(shù)為澆鑄溫度1 590 ℃、拉坯速度為1.0 m/s、換熱系數(shù)為2 000 W/（m²·K）、熔池高度為188 mm時(shí)，能夠有效防止鼓包和斷帶，細(xì)化晶粒，提高薄帶坯的質(zhì)量。研究薄帶凝固過程中的溫度場、凝固組織及應(yīng)力場的變化規(guī)律，對(duì)提高帶材質(zhì)量、推動(dòng)薄帶鑄軋工藝國產(chǎn)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：冶金工程技術(shù)其他學(xué)科；雙輥薄帶連鑄；溫度場；凝固組織；數(shù)值模擬

Numerical simulation of temperature field and solidification structure in twin roll strip continuous casting

LU Suling^1，2， LI Xiaoyong³， YU Hui⁴， GAO Jingna²， ZHENG Yaxu¹， XU Haiqiang⁵， FENG Jie¹

（1. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. Hebei Key Laboratory of Materials Near-net Forming Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3. Technical Center of Shanxi Jinnan Iron and Steel Group Company Limited， Linfen， Shanxi 043400， China; 4. The First Steelmaking Business Department of Jingye Iron and Steel Company Limited， Pingshan， Hebei 050400， China; 5. Technical Research Center of Jingye Iron and Steel Company Limited， Pingshan， Hebei 050400， China）

Abstract：In order to solve the problems of strip break and strip bulging in the commissioning process of thin strip continuous casting industrial production line and improve the solidification structure and surface quality of thin strip continuous casting， an unsteady model of the twin roll strip continuous casting process was established based on the finite element software ProCAST. The temperature field and solidification structure of Q195 solidification process were simulated， and the single variable method was used to study the effects of different process parameters， including casting temperature， drawing speed， heat transfer coefficient and molten pool height， on the temperature field and solidification structure of the solidification process. The results show that the optimal parameters in the twin roll strip continuous casting process of Q195 steel under the existing working conditions are as follows： casting temperature of 1 590 ℃， casting speed of 1.0 m/s， heat transfer coefficient of 2 000 W/（m²·K）， and molten pool height of 188 mm， which can effectively prevent strip break and strip bulging， and can achieve the goal of refining grains and improving the quality of thin strip billets. It is of great significance to study the variation of temperature field， solidification structure and stress field in the process of strip solidification for improving the quality of strip and promoting the localization of strip casting and rolling process.

Keywords：other disciplines of metallurgical engineering technology; twin roll strip continuous casting; temperature field; solidification structure; numerical simulation

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.328億t，占全球總量的54%，因此中國是真正意義上的鋼鐵強(qiáng)國。但不容忽視的是，目前中國鋼鐵工業(yè)仍存在產(chǎn)品低端、質(zhì)量差、成本高、利潤低、同質(zhì)化等問題。若要顯著降低能源消耗、減少碳排放，薄帶連鑄是一個(gè)很好的選擇^［1-3］。20世紀(jì)80年代，國外帶鋼的雙輥薄帶連鑄連軋技術(shù)就引起了廣泛關(guān)注。在眾多相關(guān)研究項(xiàng)目中，美國紐柯的Castrip、德國蒂森的 Eurostrip、韓國浦項(xiàng)的Postrip等項(xiàng)目得到了半工業(yè)化或工業(yè)化的成功應(yīng)用^［4-5］。中國20世紀(jì)50年代開始對(duì)薄板連鑄技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前東北大學(xué)、上海鋼鐵研究所、重慶大學(xué)等分別開發(fā)了雙輥鑄機(jī)^［6-7］。

薄帶連鑄連軋速度快、消失時(shí)間短，且熔池溫度高、空間小，在楔形布流器的遮擋下難以直觀觀察。數(shù)值模擬技術(shù)的使用，有助于直觀、深入了解薄帶凝固過程中的溫度場、凝固組織及應(yīng)力場的變化規(guī)律，對(duì)提高薄帶坯質(zhì)量具有重要意義?，F(xiàn)階段針對(duì)薄帶連鑄數(shù)值模擬研究分析最多的內(nèi)容包括不同工藝參數(shù)（如澆鑄溫度、鑄軋速度、拉坯速度、傳熱系數(shù)等）對(duì)熔池內(nèi)流場、溫度的影響，工藝參數(shù)對(duì)凝固組織的影響，以及布流系統(tǒng)對(duì)凝固的影響等^［8-19］。例如：王波等^［2］利用Fluent模擬分析楔形布流器對(duì)凝固質(zhì)量（均勻化）的影響；張冬曉等^［20］利用CA-FE對(duì)高硅電工鋼在不同工藝參數(shù)下的凝固組織進(jìn)行了研究；董建宏等^［21］利用Fluent研究了不同工藝參數(shù)對(duì)熔池內(nèi)流場、溫度場的影響；薛然^［22］利用CFD和Fluent對(duì)硅鋼在不同工藝參數(shù)和布流系統(tǒng)下的鋼水流場、溫度場、液面波動(dòng)及側(cè)板所受沖擊進(jìn)行了研究。這些研究對(duì)實(shí)際薄帶連鑄生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義，但在給定工況條件下薄帶連鑄工業(yè)生產(chǎn)線調(diào)試過程中，對(duì)于斷帶、鑄帶鼓包原因進(jìn)行分析和工藝優(yōu)化需要簡單快捷的方法，同時(shí)現(xiàn)有研究中，使用ProCAST做薄帶連鑄模擬分析的比較少，多是應(yīng)用CA-FE法研究凝固組織。本文針對(duì)某企業(yè)引進(jìn)薄帶鑄軋生產(chǎn)線調(diào)試中存在的問題，借助有限元軟件ProCAST的mile算法及其關(guān)聯(lián)軟件VB，建立雙輥工業(yè)模型，設(shè)置不同參數(shù)，通過數(shù)值模擬分析各種工藝參數(shù)對(duì)Q195熔池凝固過程的影響規(guī)律，快速確定現(xiàn)有工況條件下Q195鋼雙輥薄帶連鑄過程中的最優(yōu)參數(shù)，為提高帶材質(zhì)量、推動(dòng)薄帶鑄軋工藝國產(chǎn)化提供技術(shù)支持。

1 雙輥薄帶連鑄溫度場的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

1.1 參數(shù)及幾何模型

基于全模型的對(duì)稱性，為便于分析，取全模型的1/4進(jìn)行模擬；

由于設(shè)計(jì)的結(jié)晶輥為輥套與輥芯的組合式結(jié)構(gòu)，為避免導(dǎo)入ProCast軟件后裝配與合并帶來的修復(fù)問題，簡化網(wǎng)格劃分的復(fù)雜程度，進(jìn)行模擬時(shí)無需帶著輥芯模擬，給輥套內(nèi)表面設(shè)置水冷條件；

模擬用鑄輥材料選擇鈹銅合金，澆鑄鋼種選擇Q195鋼。

幾何模型參數(shù)：選擇輥套與輥芯組合式結(jié)晶輥，輥上設(shè)有40個(gè)進(jìn)水口，冷卻水口截面積為523.1 mm²；布流系統(tǒng)選擇2個(gè)楔形布流器，每個(gè)楔形布流器有13個(gè)布流口（1/4模型有7個(gè)布流口，簡稱澆口）；結(jié)晶輥長度為1 350 mm，直徑Φ500 mm，輥縫寬度1.8 mm。

模擬幾何模型如圖1所示。

1.2 假設(shè)條件與邊界條件

1.2.1 假設(shè)條件

由于實(shí)際連鑄生產(chǎn)過程中，熔池的凝固與帶坯的鑄軋涉及傳熱、流動(dòng)、凝固等一系列復(fù)雜過程，為便于用數(shù)字模型描述薄帶鑄軋過程，要對(duì)模型進(jìn)行簡化。假設(shè)條件如下：

1）熔池內(nèi)鋼液假設(shè)為均質(zhì)、不可壓縮的牛頓流體；

2）忽略布流器布流對(duì)液面波動(dòng)的影響及鋼液沿結(jié)晶輥長度方向上的流動(dòng)；

3）忽略帶坯的收縮及鑄輥的熱變形；

4）忽略結(jié)晶輥與液芯間的輻射換熱。

1.2.2 邊界條件

1）入口邊界：7個(gè)澆口溫度設(shè)為澆鑄溫度，并施加一個(gè)大氣壓；根據(jù)拉坯速度及帶坯截面面積與澆口面積的比值計(jì)算澆鑄速度；

2）對(duì)稱邊界：取1/4的液芯及鑄輥模型，設(shè)置2個(gè)對(duì)稱面；

3）移動(dòng)壁面：結(jié)晶輥初始溫度設(shè)為25 ℃，輥面采用均一對(duì)流換熱系數(shù)，為保證傳到結(jié)晶輥的熱量及時(shí)散出，在輥套內(nèi)表面設(shè)置水冷；

4）熔池表面：忽略熔池上表面的傳熱，上表面設(shè)定為穩(wěn)定界面，即低于澆鑄溫度10 ℃；

5）出口邊界：出口處速度均勻且等于拉坯速度，傳熱情況設(shè)為空冷。

另外根據(jù)非穩(wěn)態(tài)mile算法進(jìn)行設(shè)置，在帶材與液芯的接觸面設(shè)置疊加網(wǎng)格，如圖2所示。

1.3 溫度場模擬及結(jié)果

澆鑄溫度1 590 ℃，拉坯速度0.75 m/s，輥面換熱系數(shù)3 000 W/（m²·K），熔池高度200 mm。為了獲得更長時(shí)間段上的溫度場結(jié)果，首先進(jìn)行一次非穩(wěn)態(tài)模擬，再將一次模擬中板材不再延長時(shí)的液芯底部的最低溫度設(shè)置為板材二次模擬初始溫度，并將液芯溫度場調(diào)入重新模擬。Q195的液相線溫度為1 531.9 ℃，固相線溫度為1 516.8 ℃，調(diào)整溫度標(biāo)尺，二次模擬鑄坯溫度場結(jié)果如圖3所示。

從圖3 a）可以看出，高溫的熔融金屬液進(jìn)入熔池區(qū)域后，隨著軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)和重力作用，順著輥?zhàn)拥谋砻嫦蜉伩p流動(dòng)。由于鑄軋輥冷卻水的持續(xù)冷卻作用，靠近鑄軋輥表面的熔融金屬液溫度會(huì)快速下降，與熔池心部形成垂直于輥?zhàn)颖砻娴牡蜏乇?。距離輥面最近的熔融金屬液溫度降到固相線以下，形成了一層薄坯殼，坯殼在進(jìn)一步冷卻和鑄軋運(yùn)動(dòng)的作用下，向中心靠近并交匯形成Kiss點(diǎn)。隨后完全固化的板坯在兩側(cè)軋輥的軋制力作用下嚙合在一起并軋制變形同時(shí)被推出輥縫得到板坯，長度不斷增加且溫度進(jìn)一步冷卻。

圖3 b）為沿軸線方向（即熔池長度方向）在不同位置的溫度場云圖，對(duì)比10組溫度場切片云圖可以發(fā)現(xiàn)，沿熔池長度方向，不同位置的溫度場分布規(guī)律基本相同，但整個(gè)鑄坯在不同縱向截面位置上的溫度場分布存在差異，尤其是出鋼孔的存在，對(duì)其附近的溫度場影響較大，對(duì)應(yīng)出鋼孔位置的鋼液低溫層厚度明顯減小。

1.4 溫度場與凝固組織的耦合模型模擬及結(jié)果

形核參數(shù)見表1。

基于沿結(jié)晶輥長度方向的凝固情況及組織相似，為簡化計(jì)算，便于分析，取一塊厚為1 mm的薄片區(qū)域作為模擬對(duì)象。由于下面帶坯在出輥處已經(jīng)凝固，組織基本不再改變，因此模擬區(qū)域如圖4所示。在Visual Viewer模塊，溫度模擬結(jié)果Kiss點(diǎn)高度如圖5所示，CAFE模型模擬出的熔池凝固組織如圖6所示，圖6中晶粒的顏色不同代表晶粒的取向不同。結(jié)合雙輥薄帶連鑄生產(chǎn)的工藝原理和固相率凝固結(jié)果，兩側(cè)彎月面先凝固，但由于鋼水的不斷注入，兩側(cè)凝固的只有薄薄一層。由于靠近輥面處冷速大，因而形成表面急冷等軸晶層；向內(nèi)在輥面法線方向，溫度梯度最大，因此在該方向上晶粒的生長速率最大，晶粒在該方向上生長為柱狀晶。此外，隨著高度下降，柱狀晶長度不斷增加，直到Kiss點(diǎn)，柱狀晶長度達(dá)到最大。在Kiss點(diǎn)后，由于兩側(cè)鑄軋輥的軋制作用，晶粒因變形由柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻频容S晶。但由于模擬軟件的限制，Kiss點(diǎn)后晶粒雖然也是等軸晶，但并不是由軋制引起的晶粒變化，而是因結(jié)晶輥表面與中心截面間距縮小，導(dǎo)致柱狀晶生長空間受限，造成枝晶半徑細(xì)化。因此Kiss點(diǎn)后等軸晶情況只可作為參考，研究工藝參數(shù)對(duì)晶粒尺寸影響，主要觀察和測量Kiss點(diǎn)的位置。

2 工藝參數(shù)對(duì)溫度場和凝固組織的影響

2.1 工藝參數(shù)對(duì)溫度場的影響

熔池溫度場的變化受多個(gè)因素的影響，結(jié)合設(shè)置的邊界條件，選取澆鑄溫度、拉坯速度、輥面換熱系數(shù)及熔池高度4個(gè)主要影響因素作為研究對(duì)象。

2.1.1 澆鑄溫度對(duì)溫度場及Kiss點(diǎn)位置的影響

為保證對(duì)影響規(guī)律研究的準(zhǔn)確性，設(shè)置5組不同的澆鑄溫度進(jìn)行模擬分析，分別為1 550，1 570，1 590，1 610，1 630 ℃。控制變量如下：拉坯速度為0.75 m/s，換熱系數(shù)為3 000 W/（m²·K），熔池高度為200 mm。

1）澆鑄溫度對(duì)溫度場的影響

為便于觀察，將結(jié)晶輥設(shè)為透明，選取軸線坯殼最薄的第四出鋼口截取剖面，結(jié)果如圖7所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，澆注溫度對(duì)溫度場的分布起著決定性作用。通過測量發(fā)現(xiàn)：溫度為1 550 ℃時(shí)，非紅色層厚1.75 mm；1 570 ℃時(shí)，非紅色層厚1.06 mm；1 590 ℃時(shí)，非紅色層厚0.79 mm；1 610 ℃時(shí)，非紅色層厚0.63 mm；1 630 ℃時(shí)，非紅色層厚0.49 mm。也就是說，隨著澆注溫度的升高，熔池中間紅色的部分越多，與輥面接觸的低溫區(qū)域越少。這是因?yàn)?，在相同水冷換熱條件下，澆鑄溫度越高，熔池?zé)崃吭礁撸鄬?duì)冷卻效果減弱。由此推測，當(dāng)澆鑄溫度高到一定程度時(shí)，紫色區(qū)域越來越少，甚至在輥縫處無法全部凝固，易出現(xiàn)“漏鋼”和鑄帶鼓包現(xiàn)象。

2）澆鑄溫度對(duì)Kiss點(diǎn)的影響

為更好、更直觀地說明澆鑄溫度對(duì)凝固情況的影響，并分析斷帶和鼓包的原因，需要測量固相率模擬結(jié)果中Kiss點(diǎn)的高度，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，隨著澆鑄溫度的升高，Kiss高度逐漸下降。這是因?yàn)椋S著澆鑄溫度的提高，澆鑄過程會(huì)帶來更多熱量，導(dǎo)致2個(gè)彎月面處的凝固坯殼厚度下降，進(jìn)而使其“焊合”位置降低。澆鑄溫度為1 570～1 630 ℃時(shí)，Kiss點(diǎn)位置高度較低，容易漏鋼或鼓包；澆鑄溫度為1 550 ℃與1 570 ℃時(shí)的Kiss點(diǎn)較高，需要的軋制力增大，容易出現(xiàn)卡帶或斷帶現(xiàn)象；澆鑄溫度為1 590～1 610 ℃時(shí)，Kiss點(diǎn)位置較為合理。

2.1.2 其他工藝參數(shù)對(duì)Kiss點(diǎn)位置的影響

由于熔池中絕大部分溫度高于液相線溫度，場中為紅色區(qū)域，溫度變化不明顯，因此拉坯速度、換熱系數(shù)和熔池高度的影響均采用Kiss點(diǎn)高度進(jìn)行表征。澆鑄溫度為1 590 ℃、換熱系數(shù)為3 000 W/（m²·K）、熔池高度為200 mm、拉坯速度為0.5，0.75，1.0，1.25 m/s時(shí)Kiss高度變化如圖9 a）所示。

由圖9 a）可知，隨著拉坯速度的增大，Kiss點(diǎn)逐漸下降，0.5 m/s的拉坯速度下，Kiss點(diǎn)的位置過高，容易發(fā)生卡帶或斷帶現(xiàn)象；1.25 m/s時(shí)Kiss點(diǎn)過低，容易“漏鋼”或鼓包；0.75 m/s和1.0 m/s拉坯速度下的Kiss點(diǎn)位置較為合理，且相差不大。因此，從提高生產(chǎn)能力的角度考慮，選擇1.0 m/s為最優(yōu)拉坯速度。

為了分析輥面換熱對(duì)凝固溫度的影響，在澆鑄溫度為1 590 ℃、拉坯速度為1.0 m/s、熔池高度為200 mm時(shí)，設(shè)置4組不同的換熱系數(shù)：1 000，2 000，3 000，4 000 W/（m²·K）。由圖9 b）可以看出，換熱系數(shù)為1 000 W/（m²·K）時(shí)，Kiss點(diǎn)的高度過低，“漏鋼”的風(fēng)險(xiǎn)很大；換熱系數(shù)提高到2 000 W/（m²·K）后，Kiss點(diǎn)的位置明顯提高，但換熱系數(shù)為4 000 W/（m²·K）時(shí)，Kiss點(diǎn)的位置卻過高。這是因?yàn)椋瑩Q熱系數(shù)增大，過冷度升高，彎月面兩側(cè)的凝固坯殼變厚，導(dǎo)致“焊合”點(diǎn)升高。在2 000 W/（m²·K）和3 000 W/（m²·K）的換熱系數(shù)下，Kiss點(diǎn)的位置相近，為避免多余的損耗，選擇2 000 W/（m²·K）為最優(yōu)換熱系數(shù)。

熔池高度對(duì)實(shí)際雙輥薄帶連鑄過程的影響很大，且是一個(gè)容易控制的工藝參數(shù)。本研究設(shè)置176，188，200 mm共3組不同熔池高度。澆鑄溫度為1 590 ℃、拉坯速度為1.0 m/s、換熱系數(shù)為2 000 W/（m²·K）時(shí)，Kiss高度變化如圖9 c）所示。由圖9 c）可知，隨著熔池高度的增大，鋼液與輥面接觸長度和時(shí)間增加，同時(shí)澆鑄的高溫金屬液對(duì)熔池影響降低，熔池凝固終點(diǎn)的位置（即Kiss點(diǎn)）逐漸升高。同樣，176 mm的熔池高度下，Kiss點(diǎn)的位置過低，容易發(fā)生“漏鋼”現(xiàn)象；188 mm和200 mm熔池高度下的Kiss點(diǎn)位置合理，且相差不大。綜合考慮，選擇188 mm為最優(yōu)熔池高度。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)凝固組織的影響

2.2.1 澆鑄溫度對(duì)凝固組織的影響

澆鑄溫度對(duì)凝固組織及其晶粒生長狀態(tài)有重要影響，基于CA-FE模型，研究不同澆鑄溫度對(duì)凝固組織的影響。設(shè)置1 570，1 590，1 610 ℃共3組澆鑄溫度，拉坯速度為1.0 m/s，換熱系數(shù)為2 000 W/（m²·K），熔池高度為200 mm，冷卻時(shí)間為1 s。

不同澆鑄溫度下熔池區(qū)的凝固組織形貌如圖10所示，經(jīng)測量Kiss點(diǎn)處柱狀晶長度分別為0.257 35，0.254 23和0.245 03 cm。分析模擬結(jié)果可知，隨著澆鑄溫度的升高，熔池中凝固組織的柱狀晶長度減小。這是由于澆鑄溫度提高，結(jié)晶輥產(chǎn)生的過冷度相對(duì)降低，導(dǎo)致熔池中彎月面處的形核率降低，如此便擴(kuò)大了等軸晶的生長空間，使晶粒粗化，尺寸增加。結(jié)合上述Kiss點(diǎn)隨澆鑄溫度的變化規(guī)律，對(duì)柱狀晶“變短”的原因解釋為：結(jié)晶輥表面與Kiss點(diǎn)間距縮小，導(dǎo)致柱狀晶生長空間受限，故枝晶半徑細(xì)化。綜合兩方面因素，可得出結(jié)論：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可通過提高澆鑄溫度減小柱狀晶長度，使組織晶粒細(xì)化，提高薄帶坯性能。但結(jié)合溫度場的分析可知，澆鑄溫度也不易過高，過高可能會(huì)出現(xiàn)“漏鋼”風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 拉坯速度對(duì)凝固組織的影響

設(shè)置0.5，0.75，1.0 m/s共3組不同的拉坯速度，澆鑄溫度為1 590 ℃，換熱系數(shù)為2 000 W/（m²·K），熔池高度為200 mm，冷卻時(shí)間為2.5 s。

組織形貌如圖11所示，柱狀晶長度分別為0.461 59，0.439 96和0.252 64 cm。由圖11可以看出，隨著拉坯速度的提高﹐熔池中溶液與結(jié)晶輥輥面的接觸時(shí)間變短，冷卻時(shí)間不足，兩側(cè)坯殼厚度降低，Kiss點(diǎn)高度下降，柱狀晶晶粒尺寸減小，晶粒得到細(xì)化。具體來說，由于拉坯速度的提高，熔池中鋼液的流動(dòng)速度增大，動(dòng)量增加，產(chǎn)生多余的沖擊流動(dòng)，如此便會(huì)把兩側(cè)彎月面上形成的晶核沖入熔池中，成為自由晶體的核心，不易形成凝固坯殼。另一方面，隨著拉坯速度的增大，柱狀晶的生長時(shí)間縮短，即柱狀晶粗大，過早轉(zhuǎn)化為等軸晶，使得柱狀晶的比重降低，等軸晶的比重增加。此外，隨著拉坯速度的增大，會(huì)得到更細(xì)小的晶粒。這是因?yàn)?，隨著拉坯速度的增大，對(duì)流強(qiáng)度增大，晶粒增殖效果變強(qiáng)，細(xì)化作用也更為明顯。

2.2.3 換熱系數(shù)對(duì)凝固組織的影響

雙輥薄帶連鑄中，熔池中凝固組織的散熱主要來源于結(jié)晶輥與鋼液的界面換熱，而已出輥的薄帶坯的散熱主要來源于環(huán)境的空冷，但此時(shí)的薄帶坯已完全凝固，換熱對(duì)此部分的凝固組織影響不大，故只研究換熱系數(shù)對(duì)熔池中凝固組織的影響。換熱程度決定了結(jié)晶輥前沿的過冷度，影響著晶粒的形核與長大的過程。

金屬液與結(jié)晶輥表面的換熱系數(shù)不僅與實(shí)際接觸面積以及兩者之間的距離有關(guān)，還與結(jié)晶輥表面的粗糙度、過熱度、接觸載荷等因素有關(guān)。參照文獻(xiàn)［15］設(shè)置不同的換熱系數(shù)為

2 000，3 000，4 000 W/（m²·K），澆鑄溫度為1 590 ℃，拉坯速度為1.0 m/s，熔池高度為200 mm，冷卻時(shí)間為2.5 s。結(jié)果如圖12所示，經(jīng)測量，柱狀晶長度分別為0.252 64，0.414 80，0.553 57 cm。

從圖12可以看出，輥面換熱系數(shù)的增大使之對(duì)熔池的冷卻強(qiáng)度增強(qiáng)，即過冷度提高，形核率增大，Kiss點(diǎn)位置變高，此時(shí)，柱狀晶有足夠的空間去長大延伸，枝晶粗化。當(dāng)彎月面的界面換熱系數(shù)較小時(shí)，Kiss點(diǎn)的位置較低，抑制了柱狀晶的生長空間，使長度減小，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。因此，調(diào)整選擇合適結(jié)晶輥的界面換熱系數(shù)可提高薄帶的性能。但在實(shí)際生產(chǎn)中，通過改變換熱系數(shù)的方法控制薄帶質(zhì)量較難實(shí)現(xiàn)，一般可通過改變澆鑄溫度、拉坯速度及熔池高度來控制薄帶質(zhì)量。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)某企業(yè)引進(jìn)的薄帶鑄軋生產(chǎn)線，采用ProCAST軟件的mile算法建立了非穩(wěn)態(tài)模型，模擬不同時(shí)刻熔池及板坯的溫度變化，分析了調(diào)試中出現(xiàn)斷帶和鑄帶鼓包等原因，并通過控制變量法，對(duì)不同工藝參數(shù)進(jìn)行分析，獲得了所研究工藝裝備下的最優(yōu)工藝參數(shù)，主要結(jié)論如下。

1）提高澆鑄溫度、拉坯速度，降低輥面換熱系數(shù)和熔池高度，均易造成凝固坯殼變薄、“焊合”位置降低、柱狀晶長度縮短等問題，增大了“漏鋼”和鑄帶鼓包的風(fēng)險(xiǎn)。

2）增加熔池高度、輥面換熱系數(shù)，降低澆鑄溫度和拉坯速度，易引起坯殼厚度和柱狀晶長度的增加，“焊合”位置提高，軋制變形增大，進(jìn)而會(huì)增大卡帶、斷帶等風(fēng)險(xiǎn)。

3）Q195鋼雙輥薄帶連鑄過程中的最優(yōu)參數(shù)如下：澆鑄溫度為1 590 ℃，拉坯速度為1.0 m/s，換熱系數(shù)為2 000 W/（m²·K），熔池高度為188 mm。

在最優(yōu)參數(shù)下，Q195鋼雙輥薄帶連鑄過程能夠有效防止鼓包和斷帶，且能達(dá)到細(xì)化晶粒和提高薄帶坯質(zhì)量的目的。但本研究在流場分析、自由液面波動(dòng)、側(cè)封板沖擊作用和鑄軋輥對(duì)薄帶軋制變形等方面的探討還欠深入，對(duì)模型還需進(jìn)行不斷改進(jìn)。

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