油井管37Mn2鋼凝固組織數(shù)學模擬研究

油井管37 強 （攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠） 摘 要：針對攀鋼提釩煉鋼廠生產油井管用鋼連鑄澆注周期與水溫降大、鑄機產能受限制等情況，以生產油井管鋼37二冷水量及配比不變的條件下，通過商業(yè)軟件 擬拉速、過熱度對連鑄坯凝固組織的影響，并根據(jù)數(shù)學模擬結果與大生產數(shù)據(jù)進行對比，驗證數(shù)學模型的可靠性，對優(yōu)化鋼水過熱度、拉速參數(shù)做出指導。.0 m/46%之間，提高拉速后能保證油井管鋼質量同時也能降低生產成本。 關鍵詞：圓坯；油井管鋼；等軸晶；數(shù)學模擬 0 引言 攀鋼提釩煉鋼廠3#方圓連鑄機自2009年投產以來，相繼開發(fā)出井管鋼 37機拉速在 .5 m/水過熱度在2550 ，平均過熱度為33 ，鑄機平均澆注周期為65 0 產組織不協(xié)調，導致鋼水溫降增大限制了3#方圓連鑄機的產能，為降低生產37采取提高連鑄機拉速措施。以生產的油井管鋼37二冷水量及配比不變的條件下，通過商業(yè)軟件擬對連鑄坯凝固組織的影響，并根據(jù)數(shù)學模擬結果與大生產數(shù)據(jù)進行對比，驗證數(shù)學模型的可靠性，對優(yōu)化鋼水過熱度、拉速參數(shù)做出指導。 1 攀鋼油井管生產工藝路線及連鑄 參數(shù) 攀鋼生產油井管37水提釩脫硫轉爐煉鋼坯連鑄。研究表明，連鑄圓坯中心等軸晶率 是導致油井管在穿軋過程中產生內折等缺陷的主要原因之一1，為滿足用戶的需求，攀鋼提釩煉鋼廠生產油井管 37坯等軸晶率均能達到40%以上。模擬研究鋼種成分見表1，連鑄設備參數(shù)見表2。 表1 模擬鋼種化學成分（質量分數(shù)） % C n P S V 2 連鑄設備參數(shù) 鑄機類型 流數(shù) 鑄機半徑/直方式 鑄流中心距離/速范圍/（m全弧形連鑄機 6機6流 10 000 連續(xù)矯直 1 300 03 工作拉速/（m機械長度(液面至最終拉矯輥) / m 冶金長度(液面至火焰切割機原點前1m) / m 35 2 連鑄圓坯凝固數(shù)學模型的建立 數(shù)學模型的假設 根據(jù)連鑄工藝及鑄坯傳熱特點，在數(shù)學模擬中作如下假設：沿鑄坯橫斷面的傳熱速率遠大于沿拉坯方向的傳熱速率，忽略拉坯方向的傳熱；考慮鑄坯與結晶器間氣縫的存在，結晶器傳熱采用平攀 鋼 技 術 23 均熱流密度；忽略結晶器振動對結晶器傳熱的影響；忽略鋼液流動對鋼液內部傳熱的影響；二冷區(qū)內各段傳熱均勻。 基于以上假設條件，可將薄片的傳熱看作而為非穩(wěn)態(tài)傳熱，可建立模型的傳熱控制方程，如式（1）所示。 (1) 式中，為密度；為溫度，為導熱系數(shù)；為凝固率。 凝固模型和運行參數(shù)的選擇 宏觀范圍內，基于熱流計算，忽略熔體內的對流，采用有限元法及熱焓法和隱式格式求解熱流方程；在微觀范圍內，考慮枝晶尖端動力學和晶粒范圍的溶質擴散，建立形核和生長模型。計算過程采用不同的時間步長計算熱流和結晶與形核。具體耦合過程見文獻2。 ）非均勻行核 用連續(xù)而非離散的分布函數(shù)dnd(T)來描述晶粒密度的變化，其中dnd(T)是由式（2）的高斯分布確定的。 )(212)d(（2）式中，為平均形核過冷度，K；T 為形核過冷度標準方差，K；正態(tài)分布從0到積分得到的最大形核密度。設定模擬鋼種凝固高斯參數(shù)為 : 面形核參數(shù)。 ，sn ， ，n,0102）枝晶尖端動力學生長系數(shù) 連鑄坯凝固模擬計算中，枝晶尖端生長模型采用計算： 3322)( (3)式中a2，為枝晶尖端總過冷度，K。將該鋼種主要成分分解成 7個二元據(jù)偽二元相圖計算液相線斜率 m，溶質平衡分配系數(shù) k4，自擴散系數(shù)，物性參數(shù)如表3所示。 表3 模擬鋼種組元物性參數(shù) 元素 含量/%m k D0/m211000000熱物性參數(shù)的處理 在模擬過程中，考慮較多的因素，進一步完善熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，使模擬更接近實際凝固過程是仿真研究的關鍵6。 傳熱過程所需的各物性參數(shù)隨溫度均非簡單的變化規(guī)律，見圖1所示。由圖1可知，在相變處24 2014年第37卷第5期 存在著突變，將此模型結果與凝固模型耦合，顯然比傳統(tǒng)凝固模型中將參數(shù)簡易化或常數(shù)化處理，更具科學性。 1 37 幾何造型與網(wǎng)格的劃分 基于薄片移動法7模擬圓坯37用 維造型軟件對所模擬的薄片進行幾何造型并生成造型文件，之后通過先后生成面網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格（本研究中將 200 格劃分結果如圖2所示。 2模擬計算區(qū)域網(wǎng)格劃分 對流換熱系數(shù)/(W)焓/(kJ T/ T/ 固相分數(shù)/%密度/(kg 攀 鋼 技 術 25表4 邊界條件的計算方法8階段 邊界條件 計算公式 結晶器 q 二冷區(qū) )( h=22空冷區(qū) )( =中；w為冷卻水密度，g/冷卻水比熱，J為結晶器冷卻水流量,s； T 為進出水溫差，K；R 為比水量，L/m/為鋼的密度，7800kg/m3，n為噴淋段的配水比，%；m；m;為黑體的輻射常數(shù)，0、。 3 數(shù)學模型的檢驗 在拉速1.4 m/熱度為30 時鑄坯表面溫度模擬和工業(yè)試驗結果的對比情況。選取火焰切割點前 20 次工業(yè)試驗測量結果最高測量值為 980，最低測量值為 920 ，平均值為 950 ，該區(qū)域表面溫度模擬結果平均值為965 ，平均相差近 15 。測量值比模擬值偏低，分析認為，粘附在鑄坯表面的氧化鐵皮或結晶器保護渣對紅外測溫槍是導致測定結果必然低于鑄坯表面真實溫度?？梢?，鑄坯表面溫度的模擬結果與生產實際是相吻合的。 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18007008009001000110012001300140015001600t,鑄坯表面溫度試驗與模擬結果比較 取鑄坯低倍試樣(稀鹽酸濃度為15%溶液腐蝕)用于與模擬的凝固組織進行比較，結果見圖4。 模擬結果 檢測結果1 檢測結果2 圖4 鑄坯凝固組織試驗與模擬結果比較 兩個試樣的等軸晶率分別為42%和46%，該條件下模擬結果的等軸晶率為42%，考慮模擬與工業(yè)試驗拉速的差別及實際生產中各冷卻段實際冷卻狀態(tài)與模擬中所應26 2014年第37卷第5期 用的模擬條件的差異，模擬結果較為精確。 4 數(shù)學模型的應用 鑄坯凝固坯殼 實際生產中除了保證連鑄坯內部組織合格外，還要保證在澆注過程凝固坯殼能夠承受住鋼水靜壓力，尤其是在鑄坯出結晶器過程中不被拉漏。隨著拉速的提高必然導致鑄坯坯殼變薄，容易造成鑄坯拉漏，選取過熱度 30 時不同拉速下鑄坯在結晶器出口處坯殼厚度模擬。 .0 m/熱度從2550 變化時，二冷制度不改變情況下模擬連鑄坯在結晶器出口處凝固率的變化見圖5。 （a：結晶器出口；b：0段末；c：1段末；d：2段末；e：三段末；f：矯直段中點） 圖5 凝固過程鑄坯凝固率變化 圖6為結晶器出口坯殼厚度與過熱度和拉速的關系。根據(jù)結晶器坯殼最小厚度 計算經驗公式（4），以拉速為 .0 m/固系數(shù) k 取 22 mm/，結晶器長度圖6 結晶器出口坯殼厚度與過熱度和拉速的關系 21100 （4） 從圖 6 的模擬結果可以看出，當拉速在 2.0 m/熱度大于34 后，結晶器出口坯殼厚度將小于最小坯殼厚度，生產過程中極易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)。為保證坯殼厚度，當拉速高于1.9 m/嚴格控制過熱度，以保證澆鑄安全。 鑄坯內部凝固組織模擬 20 25 30 35 40 45 技 術 27 過熱度/ 坯殼厚度/2.0 m/坯內部凝固組織變化如圖7所示。模擬計算結果顯示鑄坯凝固組織等軸晶比例從 41%46%，能夠滿足鋼種性能要求。 1.5 m/ m/ m/.8 m/ m/ m/7 不同拉速條件下的凝固組織模擬結果對比（T=30） 5 結論 1）在相同工藝參數(shù)下，數(shù)學模擬結果與工業(yè)試驗結果吻合度較好，所建立的模型可以用來模擬連鑄圓坯的凝固過程與凝固組織。 2）連鑄圓坯凝固過程模擬結果分析表明，當拉速為2.0 m/熱度大于34 后，結晶器出口坯殼厚度將小于最小坯殼厚度。生產過程中極易出現(xiàn)拉漏現(xiàn)象，為保證最小坯殼厚度，當拉速高于1.9 m/嚴格控制過熱度，以保證澆鑄安全。 3）在過熱度30 條件下，隨著拉速的升高連鑄坯凝固組織等軸晶比例從41%46%之間變化。 4）綜合考慮實際生產效果，連鑄澆注 37機拉速可以上調到2.0 m/水過熱度必須控制在33 以下。 參考文獻 1 張惠萍，陳洪琪，盧玲玲，006（6）：27. 2 A， 999,30(12):3153 3 ,. of J.