连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 张炯明周青海尹延斌吴星星刘华阳 Research and application of three-dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab ZHANG Jiong-ming.ZHOU Qing-hai.YIN Yan-bin,WU Xing-xing.LIU Hua-yang 引用本文： 张炯明，周青海，尹延斌，吴星星，刘华阳.连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用).工程科学学报，2021， 43(12:1666-1678.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.09.29.004 ZHANG Jiong-ming,ZHOU Qing-hai,YIN Yan-bin,WU Xing-xing,LIU Hua-yang.Research and application of three- dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab[J].Chinese Journal of Engineering. 2021,43(12:1666-1678.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.09.29.004 在线阅读View online::htps/ldoi.org/10.13374/.issn2095-9389.2021.09.29.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet 工程科学学报.2020,42(6：739htps:/loi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.26.001 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报.2017,39(7)：996htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.004 基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究 Study on crack initiation and propagation in rock mass during unloading based on XFEM 工程科学学报.2017,3910：1470 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.002 钴基高温合金GH5605铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 As-cast microstructure and redistribution of elements in high-temperature diffusion annealing in cobalt-base superalloy GH5605 工程科学学报.2019,41(3：359 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.009 含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite 工程科学学报.2020,42(6)：747 https::doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.27.002 基于双亚点阵模型对H13钢中初生碳氨化物的研究 Study on primary carbonitrides in H13 steel based on the two-sublattice model 工程科学学报.2017,39(1)61 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.01.008

连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 张炯明 周青海 尹延斌 吴星星 刘华阳 Research and application of three-dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab ZHANG Jiong-ming, ZHOU Qing-hai, YIN Yan-bin, WU Xing-xing, LIU Hua-yang 引用本文: 张炯明, 周青海, 尹延斌, 吴星星, 刘华阳. 连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1666-1678. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.004 ZHANG Jiong-ming, ZHOU Qing-hai, YIN Yan-bin, WU Xing-xing, LIU Hua-yang. Research and application of three￾dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1666-1678. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响 Effect of nozzle spray distance on the secondary cooling uniformity of continuous casting billet 工程科学学报. 2020, 42(6): 739 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报. 2017, 39(7): 996 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.004 基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究 Study on crack initiation and propagation in rock mass during unloading based on XFEM 工程科学学报. 2017, 39(10): 1470 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.002 钴基高温合金GH5605铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 As-cast microstructure and redistribution of elements in high-temperature diffusion annealing in cobalt-base superalloy GH5605 工程科学学报. 2019, 41(3): 359 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.009 含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为 Crack propagation behavior of ER8 wheel steel containing upper bainite 工程科学学报. 2020, 42(6): 747 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002 基于双亚点阵模型对H13钢中初生碳氮化物的研究 Study on primary carbonitrides in H13 steel based on the two-sublattice model 工程科学学报. 2017, 39(1): 61 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.008

工程科学学报.第43卷.第12期：1666-1678.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1666-1678,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.004;http://cje.ustb.edu.cn 连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 张炯明四，周青海，尹延斌，吴星星，刘华阳 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jmz2203@sina.com 摘要在现有工艺条件下，校验和完善二冷区铸坯凝固传热计算数学模型，开发三维二冷配水模型，解决目前设备状况下 冷却水分布不均匀对铸坯温度的影响，从而控制铸坯表面质量，特别是铸坯的角部裂纹，同时对板坯连铸二冷配水制度进行 改进和优化，使之满足高效连铸生产条件和改善铸坯质量的需要.提出压下参数计算公式，结合所开发三维二冷配水模型， 优化现有压下工艺，提出并应用精准可控单段压下、非稳态压下控制，集中解决连铸板坯中心偏析、中心疏松和缩孔等内部 质量问题.同时优化模型数据库，使之数据更加完备，模型计算更加准确，同时模型具备异钢种混浇过程二冷及压下控制功 能，能够进行凝固终点W形预测与控制，可进一步提高模型适用性和准确性.模型开发并成功在多家钢厂现场应用，有效改 善了铸坯裂纹和偏析等铸坯表面和内部的质量问题 关键词连铸板坯：二冷配水：精准压下：双目标温度：裂纹：偏析 分类号TF777.1 Research and application of three-dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab ZHANG Jiong-ming,ZHOU Qing-hai,YIN Yan-bin,WU Xing-xing,LIU Hua-yang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,Email:jmz2203@sina.com ABSTRACT The surface and corner cracks of continuous casting billet form during the continuous casting process,especially in medium-carbon steel.Surface defects of such billets are directly related to the secondary cooling process of continuous casting,while the center deviation of the billet,center shrinkage,and center loosening in medium-carbon steel,medium-carbon alloy steel,and high-carbon steel are especially prominent.Such quality defects are related to the secondary cooling and press-down process of continuous casting. These two defects are the main factors restricting continuous casting production.The secondary cooling of the continuous casting process has an important influence on the surface and internal quality of the slab,especially the temperature of the slab corners,which directly affects the surface quality of the slab.Under the existing process conditions,the mathematical model for calculating the solidification heat transfer of the slab in the secondary cooling zone is calibrated and improved,and a three-dimensional secondary cooling model is developed to solve the influence of uneven cooling due to water distribution on the temperature of the slab.This controls the surface quality of the slab,especially the comer cracks of the slab,and improves and optimizes the slab continuous casting secondary cooling system to improve the slab quality.An equation for calculating the soft reduction parameters is proposed,and the existing soft reduction process is optimized by combining the developed three-dimensional secondary cooling model with the proposed and applied controllable single-stage soft reduction and unsteady soft reduction control to solve the internal quality problems,such as central segregation,central porosity,and shrinkage of the continuous casting slab.At the same time,the model database is optimized to 收稿日期：2021-09-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51834002,52104320)

连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 张炯明苣，周青海，尹延斌，吴星星，刘华阳 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: jmz2203@sina.com 摘    要    在现有工艺条件下，校验和完善二冷区铸坯凝固传热计算数学模型，开发三维二冷配水模型，解决目前设备状况下 冷却水分布不均匀对铸坯温度的影响，从而控制铸坯表面质量，特别是铸坯的角部裂纹，同时对板坯连铸二冷配水制度进行 改进和优化，使之满足高效连铸生产条件和改善铸坯质量的需要. 提出压下参数计算公式，结合所开发三维二冷配水模型， 优化现有压下工艺，提出并应用精准可控单段压下、非稳态压下控制，集中解决连铸板坯中心偏析、中心疏松和缩孔等内部 质量问题. 同时优化模型数据库，使之数据更加完备，模型计算更加准确，同时模型具备异钢种混浇过程二冷及压下控制功 能，能够进行凝固终点 W 形预测与控制，可进一步提高模型适用性和准确性. 模型开发并成功在多家钢厂现场应用，有效改 善了铸坯裂纹和偏析等铸坯表面和内部的质量问题. 关键词    连铸板坯；二冷配水；精准压下；双目标温度；裂纹；偏析 分类号    TF777.1 Research and application of three-dimensional dynamic secondary cooling and accurate soft reduction for continuous casting slab ZHANG Jiong-ming苣 ，ZHOU Qing-hai，YIN Yan-bin，WU Xing-xing，LIU Hua-yang State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, Email: jmz2203@sina.com ABSTRACT    The surface and corner cracks of continuous casting billet form during the continuous casting process, especially in medium-carbon steel. Surface defects of such billets are directly related to the secondary cooling process of continuous casting, while the center deviation of the billet, center shrinkage, and center loosening in medium-carbon steel, medium-carbon alloy steel, and high-carbon steel are especially prominent. Such quality defects are related to the secondary cooling and press-down process of continuous casting. These two defects are the main factors restricting continuous casting production. The secondary cooling of the continuous casting process has an important influence on the surface and internal quality of the slab, especially the temperature of the slab corners, which directly affects the surface quality of the slab. Under the existing process conditions, the mathematical model for calculating the solidification heat transfer of the slab in the secondary cooling zone is calibrated and improved, and a three-dimensional secondary cooling model is developed to solve the influence of uneven cooling due to water distribution on the temperature of the slab. This controls the surface quality of the slab, especially the corner cracks of the slab, and improves and optimizes the slab continuous casting secondary cooling system to improve the slab quality. An equation for calculating the soft reduction parameters is proposed, and the existing soft reduction process is optimized by combining the developed three-dimensional secondary cooling model with the proposed and applied controllable single-stage soft reduction and unsteady soft reduction control to solve the internal quality problems, such as central segregation, central porosity, and shrinkage of the continuous casting slab. At the same time, the model database is optimized to 收稿日期: 2021−09−29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51834002，52104320） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1666−1678，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1666−1678, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.29.004; http://cje.ustb.edu.cn

张炯明等：连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 ·1667 make the data more complete and the model calculation more accurate.This model adds the technology of mixed casting of different grades of steel and the technology of predicting and controlling the W-shaped solidification to further improve the applicability and accuracy of the model.The model has been developed and successfully applied in several steel plants,and the result shows that the proposed model can improve the surface and internal quality of cast slabs effectively,such as cracks and segregation. KEY WORDS continuous casting slab;secondary cooling;accurat soft reduction;double-target temperature;crack;segregation 近十几年来中国钢产量飞速上升，去年中国 钢产量占全世界总产量的一半以上，连铸是钢铁 厂主要流程中的重要环节，连铸坯的质量也成为 影响钢材质量的重要因素.连铸坯表面横裂纹及 角部横裂纹在连铸过程中时有发生，特别是中碳 钢、中碳合金钢及微合金化钢，该类铸坯的表面缺 困1高强汽车板铸坯角横裂纹川 Comer crack of high-strength automotive steel 陷与连铸的二次冷却工艺及压下位置有直接关 系；而铸坯的中心偏析、中心缩孔及中心疏松在中 o6744-4s1 碳钢、中碳合金钢及高碳钢上表现得尤为突出，这 类质量缺陷与连铸二次冷却及压下工艺有非常大 的关系；目前这两种缺陷是制约连铸生产的主要 因素，严重影响企业的生产和经济效益.针对上述 图2微合金钢铸坯中心偏析刊 问题，本文从连铸坯的主要缺陷入手，弄清缺陷形 Fig.2 Central segregation of micro-alloyed steell 成的主要机理，提出相应的技术措施，减少上述铸 1.2连铸坯缺陷的形成机理 坯的缺陷，提高铸坯的质量 1.2.1连铸坯表面裂纹形成机理 1连铸板坯常见的主要缺陷及技术措施 连铸坯表面横裂纹包括表面横裂纹及角横裂 纹，这种裂纹具有多发性，主要发生在微合金钢、中 1.1连铸坯的主要缺陷 碳钢及有些合金钢上，很多企业采用铸坯下线，角部 连铸坯质量很大程度上影响着钢材产量及其 火焰清理后，再装入加热炉，这种工序严重影响了企 产品质量，连铸坯的缺陷时常会制约企业的生产， 业的生产经营]为了解决这一问题，目前相应开 典型的铸坯表面缺陷有表面裂纹（纵裂及横裂 发了倒角结晶器等技术6-)关于这种裂纹形成机理 纹)，内部缺陷有中心偏析和中心疏松等，如图1山 有很多研究工作9，研究多集中在析出物对单相奥 和图2所示.弄清表面横裂纹、角横裂纹、铸坯 氏体下部塑性的影响、对铁素体析出过程的影响、 中心偏析、中心疏松、中心缩孔的形成机理，采用 对奥氏体和铁素体两相区上部塑性的影响等.减少 相应的工艺措施，减少这些缺陷的发生率，是十分 这类裂纹的关键是弄清该钢种的高温力学性能及裂 重要的课题 纹开裂方式.实验钢种成分如表1所示 表1实验钢种化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steel grades(mass fraction) % Elements Mn Si Nb Ti Cu Alt N A32 0.161.11 0.0097 0.0067 0.242 0.0252 0.0039 0.00490.07 0.0319 0.0044 Q345EN 0.161.404 0.0076 0.0018 0.336 0.02296 0.0031 0.01230.050.0317 0.0033 图3为某厂两个微合金化钢种铸坯样断面收 间，断面收缩率基本在80%及以上，在950~1050℃ 缩率（简称RA,下同）随温度的变化曲线.从图3 范围内，钢的断面收缩率明显降低，在950℃时降 中可以看出，A32钢零塑性温度(ZDT)在1375℃ 为40.1%，在700~950℃之间断面收缩率基本在 左右，温度低于1375℃后，随温度的降低断面收 40%以下，其中775~825℃之间断面收缩率达到 缩率值迅速上升，1300℃时断面收缩率接近80%， 最小值约15%，温度低于775℃后断面收缩率逐 1250℃时即增加到92.5%，在1050~1300℃之 渐升高

make the data more complete and the model calculation more accurate. This model adds the technology of mixed casting of different grades of steel and the technology of predicting and controlling the W-shaped solidification to further improve the applicability and accuracy of the model. The model has been developed and successfully applied in several steel plants, and the result shows that the proposed model can improve the surface and internal quality of cast slabs effectively, such as cracks and segregation. KEY WORDS    continuous casting slab；secondary cooling；accurat soft reduction；double-target temperature；crack；segregation 近十几年来中国钢产量飞速上升，去年中国 钢产量占全世界总产量的一半以上，连铸是钢铁 厂主要流程中的重要环节，连铸坯的质量也成为 影响钢材质量的重要因素. 连铸坯表面横裂纹及 角部横裂纹在连铸过程中时有发生，特别是中碳 钢、中碳合金钢及微合金化钢，该类铸坯的表面缺 陷与连铸的二次冷却工艺及压下位置有直接关 系；而铸坯的中心偏析、中心缩孔及中心疏松在中 碳钢、中碳合金钢及高碳钢上表现得尤为突出，这 类质量缺陷与连铸二次冷却及压下工艺有非常大 的关系；目前这两种缺陷是制约连铸生产的主要 因素，严重影响企业的生产和经济效益. 针对上述 问题，本文从连铸坯的主要缺陷入手，弄清缺陷形 成的主要机理，提出相应的技术措施，减少上述铸 坯的缺陷，提高铸坯的质量. 1    连铸板坯常见的主要缺陷及技术措施 1.1    连铸坯的主要缺陷 连铸坯质量很大程度上影响着钢材产量及其 产品质量，连铸坯的缺陷时常会制约企业的生产， 典型的铸坯表面缺陷有表面裂纹（纵裂及横裂 纹），内部缺陷有中心偏析和中心疏松等，如图 1 [1] 和图 2 [2] 所示. 弄清表面横裂纹、角横裂纹、铸坯 中心偏析、中心疏松、中心缩孔的形成机理，采用 相应的工艺措施，减少这些缺陷的发生率，是十分 重要的课题. 图 1 高强汽车板铸坯角横裂纹[1] Fig.1 Corner crack of high-strength automotive steel [1] 图 2 微合金钢铸坯中心偏析[2] Fig.2 Central segregation of micro-alloyed steel[2] 1.2    连铸坯缺陷的形成机理 1.2.1 连铸坯表面裂纹形成机理 连铸坯表面横裂纹包括表面横裂纹及角横裂 纹，这种裂纹具有多发性，主要发生在微合金钢、中 碳钢及有些合金钢上，很多企业采用铸坯下线，角部 火焰清理后，再装入加热炉，这种工序严重影响了企 业的生产经营[3−5] . 为了解决这一问题，目前相应开 发了倒角结晶器等技术[6−8] . 关于这种裂纹形成机理 有很多研究工作[9−16] ，研究多集中在析出物对单相奥 氏体下部塑性的影响、对铁素体析出过程的影响、 对奥氏体和铁素体两相区上部塑性的影响等. 减少 这类裂纹的关键是弄清该钢种的高温力学性能及裂 纹开裂方式. 实验钢种成分如表 1 所示. 表 1 实验钢种化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steel grades (mass fraction) % Elements C Mn P S Si Nb V Ti Cu Alt N A32 0.16 1.11 0.0097 0.0067 0.242 0.0252 0.0039 0.0049 0.07 0.0319 0.0044 Q345EN 0.16 1.404 0.0076 0.0018 0.336 0.02296 0.0031 0.0123 0.05 0.0317 0.0033 图 3 为某厂两个微合金化钢种铸坯样断面收 缩率（简称 RA，下同）随温度的变化曲线. 从图 3 中可以看出，A32 钢零塑性温度（ZDT）在 1375 ℃ 左右，温度低于 1375 ℃ 后，随温度的降低断面收 缩率值迅速上升，1300 ℃ 时断面收缩率接近 80%， 1250 ℃ 时即增加 到 92.5%， 在 1050～ 1300 ℃ 之 间，断面收缩率基本在 80% 及以上，在 950～1050 ℃ 范围内，钢的断面收缩率明显降低，在 950 ℃ 时降 为 40.1%，在 700～950 ℃ 之间断面收缩率基本在 40% 以下，其中 775～825 ℃ 之间断面收缩率达到 最小值约 15%，温度低于 775 ℃ 后断面收缩率逐 渐升高. 张炯明等： 连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 · 1667 ·

1668 工程科学学报，第43卷，第12期 100 900℃ 850℃ A32 % ·-Q345EN 60 三40 20 100nm 100nm 0 图5不同温度铸坯试样的析出物 60070080090010001100120013001400 Fig.5 Precipitates at different temperature Temperture/C 图3微合金钢A32和Q345EN的RA变化结果 140 Fig.3 Results of RA of A32Q345EN 110 图4是铸坯表面冷却速率实测与模型计算结果， 90 现场实际测量了铸坯矫直前后边部（距角部 80 N 50mm)的温度，同时采用数学模型对铸坯边部（距 50 角部50、150和500mm)温度进行了计算，确定冷 Nb Cu 却速率约为2.5℃min,通过取Q345EN铸坯试 20 1 Nb 10 u 样10mm×10mm,在马弗炉里加热保温5min,然 01234567891011121314151617181920 后以2.5℃min降温到各个温度进行析出物检 Energy/keV 测.析出物采用萃取复型方法检测，对铸坯在各个 图6试样900℃时析出物的成分 温度的析出物进行了分析，由图5、图6可知，可以 Fig.6 Composition of precipitates at 900 C 看出900℃时，析出物尺寸较大，主要组成为铌、 区，先共析铁素体在原奥氏体晶界析出，形成铁素 钛的碳、氨化物，随后温度降低，850℃时析出物 体膜，此温度区间铁素体强度大约是奥氏体强度 尺寸小于900℃时析出物尺寸 的1/48拉伸测试时，变形应力作用主要集中在 1000色 奥氏体晶界的α铁素体网膜上，造成沿晶界破坏 Casting speed:1.0 m'min 据图7显示，750℃以后奥氏体晶界处的铁素体网 950 膜向晶粒内部发展，晶粒内部也发生共析反应，原 900 -Model cakculation of 50 me 奥氏体晶界处应力集中减少，钢的延塑性回升，同 时750℃、825℃断口金相组织显示，晶粒尺寸不 850 Meisurement of $mm 均匀，混晶严重，所以造成钢的延性变坏.由图8 800 可知，950℃时，拉断后同时存在沿晶断裂和穿晶 750 断裂，属于混合断裂；750~875℃时，断口呈典型 100 沿晶塑性断裂模式，晶界上布满浅韧窝.温度为 14 1618202224 26 Distance from meniscus/m 725℃时，断口仍然是沿晶断裂模式，但韧窝明显 困4，连铸坯表面冷却速率实测与模型计算结果 加深、加大，高温力学测试结果为合理设定目标 Fig.4 Results of the measured and modeled cooling rates on the surface 温度奠定了基础，可使连铸矫直过程避开脆性区 of the continuous casting slab 进行矫直，最终制定更加合理的二冷制度，使铸坯 此外，进行高温力学性能拉伸试验，经过有限 表面温度分布更加均匀 元模型计算，连铸坯角部的应变速率最大为 1.2.2连铸坯中心偏析形成机理 0.0004s1m,本次拉伸试样应变速率为0.001s 钢水凝固过程中，合金元素在固相中的溶解 试样拉断后，对A32断口金相组织及形貌进行测 度低于其在液相中的溶解度，凝固过程中合金元 定.825~900℃处于奥氏体低温区，变形时奥氏 素逐渐聚集到液相，因而最后凝固部分的合金元 体晶界发生滑移导致低塑性沿晶脆性断裂； 素含量高于其他部分，即铸坯中心位置合金元素 750~800℃时钢组织处于奥氏体和a铁素体两相 含量高于其他位置，最终形成中心偏析.钢的凝固

100 80 60 40 20 600 700 800 900 1000 Temperture/℃ 1100 1200 1300 1400 0 RA/ % A32 Q345EN 图 3 微合金钢 A32 和 Q345EN 的 RA 变化结果 Fig.3 Results of RA of A32 和 Q345EN 图 4 是铸坯表面冷却速率实测与模型计算结果， 现场实际测量了铸坯矫直前后边部 （距角部 50 mm）的温度，同时采用数学模型对铸坯边部（距 角部 50、150 和 500 mm）温度进行了计算，确定冷 却速率约为 2.5 ℃·min−1，通过取 Q345EN 铸坯试 样 10 mm×10 mm，在马弗炉里加热保温 5 min，然 后以 2.5 ℃·min−1 降温到各个温度进行析出物检 测. 析出物采用萃取复型方法检测，对铸坯在各个 温度的析出物进行了分析，由图 5、图 6 可知，可以 看出 900 ℃ 时，析出物尺寸较大，主要组成为铌、 钛的碳、氮化物，随后温度降低，850 ℃ 时析出物 尺寸小于 900 ℃ 时析出物尺寸. 12 14 16 18 20 Distance from meniscus/m Casting speed: 1.0 m·min−1 22 26 24 Temperature/ ℃ 1000 950 900 850 800 750 700 Export of the 7th cooling zone Export of the 8th cooling zone Export of the 9th cooling zone Model calculation of 50 mm Model calculation of 100 mm Model calculation of 150 mm Center temperature Measurement of 50 mm 图 4 连铸坯表面冷却速率实测与模型计算结果 Fig.4 Results of the measured and modeled cooling rates on the surface of the continuous casting slab 此外，进行高温力学性能拉伸试验，经过有限 元模型计算 ，连铸坯角部的应变速率最大为 0.0004 s −1 [17] ，本次拉伸试样应变速率为 0.001 s−1 . 试样拉断后，对 A32 断口金相组织及形貌进行测 定. 825～900 ℃ 处于奥氏体低温区，变形时奥氏 体 晶 界 发 生 滑 移 导 致 低 塑 性 沿 晶 脆 性 断 裂 ； 750～800 ℃ 时钢组织处于奥氏体和 α 铁素体两相 区，先共析铁素体在原奥氏体晶界析出，形成铁素 体膜，此温度区间铁素体强度大约是奥氏体强度 的 1/4[18] . 拉伸测试时，变形应力作用主要集中在 奥氏体晶界的 α 铁素体网膜上，造成沿晶界破坏. 据图 7 显示，750 ℃ 以后奥氏体晶界处的铁素体网 膜向晶粒内部发展，晶粒内部也发生共析反应，原 奥氏体晶界处应力集中减少，钢的延塑性回升，同 时 750 ℃、825 ℃ 断口金相组织显示，晶粒尺寸不 均匀，混晶严重，所以造成钢的延性变坏. 由图 8 可知， 950 ℃ 时，拉断后同时存在沿晶断裂和穿晶 断裂，属于混合断裂；750～875 ℃ 时，断口呈典型 沿晶塑性断裂模式，晶界上布满浅韧窝. 温度为 725 ℃ 时，断口仍然是沿晶断裂模式，但韧窝明显 加深、加大. 高温力学测试结果为合理设定目标 温度奠定了基础，可使连铸矫直过程避开脆性区 进行矫直，最终制定更加合理的二冷制度，使铸坯 表面温度分布更加均匀. 1.2.2 连铸坯中心偏析形成机理 钢水凝固过程中，合金元素在固相中的溶解 度低于其在液相中的溶解度，凝固过程中合金元 素逐渐聚集到液相，因而最后凝固部分的合金元 素含量高于其他部分，即铸坯中心位置合金元素 含量高于其他位置，最终形成中心偏析. 钢的凝固 900 ℃ 850 ℃ 100 nm 100 nm 图 5 不同温度铸坯试样的析出物 Fig.5 Precipitates at different temperature 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Intensity/(counts) Energy/keV 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920 N Cu Nb Nb Ti Ti Cu Cu C 图 6 试样 900℃ 时析出物的成分 Fig.6 Composition of precipitates at 900℃ · 1668 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张炯明等：连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 ·1669 509 1.3连铸板坯常规技术措施 1.3.1连铸二冷配水 铸坯出一冷后，需要继续冷却，在二次冷却区 继续对铸坯表面温度进行喷水，目前二冷配水有 两种方式，一种是静态水表配水920，水表中冷却 200m 200um 水量是拉速的二次函数，当拉速变化时，冷却水量 750℃ 立即发生变化，铸坯的热滞后明显，带来表面温度 的波动，其凝固组织不稳定，会出现凝固搭桥现 象，形成偏析.另一种是动态配水，国内外很多学 者进行了相关研究-2刈动态配水又分两类，第一 200m 类是等效拉速方法，计算机记录铸坯到达某一位 图7A32各温度下的断口金相组织 置经历的时间，将铸坯到弯月面距离除以该时间 Fig.7 A32 organization of A32 at different temperatures 得到过往拉速，再将过往拉速与即时拉速加权平 均得到等效拉速，二冷的水量是等效拉速的二次 950℃ 875℃ 函数.第二类动态配水是利用数学模型模拟浇注 过程，拉速发生变化时首先按等效拉速法给出冷 却水量进行控制，然后根据实际水量计算铸坯某 冷却区出口的表面温度，求出计算温度与该位置 200m 00m 设定温度的差，以此调整二冷各区的冷却水量，最 825℃ 750℃ 终达到一致.达涅利铸机很多采用等效拉速方法 进行配水，是一种简易的动态配水，这种控制对非 稳态铸坯表面温度的波动有一定的改善作用，但 还是存在一定的热滞后现象，还会造成非稳态铸 坯表面温度的波动 200um 200m 在第二类动态配水基础上，又发展了一种闭环 图8A32各温度下的断口形貌 动态配水，采用的是二维数学模型，避开脆性区矫 Fig.8 Fracture surface of A32 at different temperatures 直，然后根据钢种、锰硫质量比、压缩比、钢材用途 等确定冷却方式，给出每个钢类典型的冷却曲线. 组织由边部到中心分别为细等轴晶区、柱状晶区 有些具有幅切功能的铸机，边部可单独控制，边部 和和粗大等轴晶区.柱状晶由于传热的作用会形 的水量为模型计算出中部的水量乘以系数，这一系 成二次枝晶，在一次、二次枝晶间存在液相，液相 数凭经验而定，给出各铸坯宽度对应的系数表，该 所含的合金元素溶质成分高于固相的一次、二次 系数不能随铸机状况变化进行调整，给实际操作带 枝晶，形成微观偏析（枝晶偏析），在流动的作用 来很大困难，但目前多家钢厂均采用这种模式进行 下，这些微观未凝固的小液相区聚集在一起就形 配水，实际生产中，这种配水方式会产生很多困难 成宏观偏析，表现为中心偏析或1/4偏析 如某厂4号机投用这种配水方式时，对某一钢种调 12.3连铸坯的中心疏松、缩孔形成机理 整好边部系数后，当铸机状态发生改变导致铸坯出 连铸是钢水发生相变、液态变成固态、体积发 现表面裂纹时就需要重新调整边部系数，最终导致 生收缩的过程，而在固-液相线温度区间内，钢水 同一钢种可能出现多个边部系数.关于配水的另一 处于糊状区，既有液相、也有固相，钢水流动状态 个问题是不同季节的温度差异对于铸坯的冷却有 发生变化，当固相率很高时，钢水流动性很差，无 不同影响，铸机开始浇注和浇注一段时间后，铸机 法起到补缩作用，此时形成的缩孔保留在铸坯内， 本身的温度有较大变化，其对铸坯的冷却也有一定 有些微小缩孔称为疏松，钢水的最后凝固阶段在 影响，目前二冷配水没有考虑这一问题，而且这一 铸坯的中心，所以称为中心缩孔及中心疏松，通过 问题在北方钢厂表现的尤为突出 现场低倍检验结果的照片可以对中心缩孔及中心 1.3.2连铸轻压下技术 疏松进行评级 通过在连铸坯凝固末端附近施加压力（热应

组织由边部到中心分别为细等轴晶区、柱状晶区 和和粗大等轴晶区. 柱状晶由于传热的作用会形 成二次枝晶，在一次、二次枝晶间存在液相，液相 所含的合金元素溶质成分高于固相的一次、二次 枝晶，形成微观偏析（枝晶偏析），在流动的作用 下，这些微观未凝固的小液相区聚集在一起就形 成宏观偏析，表现为中心偏析或 1/4 偏析. 1.2.3 连铸坯的中心疏松、缩孔形成机理 连铸是钢水发生相变、液态变成固态、体积发 生收缩的过程，而在固−液相线温度区间内，钢水 处于糊状区，既有液相、也有固相，钢水流动状态 发生变化，当固相率很高时，钢水流动性很差，无 法起到补缩作用，此时形成的缩孔保留在铸坯内， 有些微小缩孔称为疏松，钢水的最后凝固阶段在 铸坯的中心，所以称为中心缩孔及中心疏松，通过 现场低倍检验结果的照片可以对中心缩孔及中心 疏松进行评级. 1.3    连铸板坯常规技术措施 1.3.1 连铸二冷配水 铸坯出一冷后，需要继续冷却，在二次冷却区 继续对铸坯表面温度进行喷水，目前二冷配水有 两种方式，一种是静态水表配水[19−20] ，水表中冷却 水量是拉速的二次函数，当拉速变化时，冷却水量 立即发生变化，铸坯的热滞后明显，带来表面温度 的波动，其凝固组织不稳定，会出现凝固搭桥现 象，形成偏析. 另一种是动态配水，国内外很多学 者进行了相关研究[21−24] . 动态配水又分两类，第一 类是等效拉速方法，计算机记录铸坯到达某一位 置经历的时间，将铸坯到弯月面距离除以该时间 得到过往拉速，再将过往拉速与即时拉速加权平 均得到等效拉速，二冷的水量是等效拉速的二次 函数. 第二类动态配水是利用数学模型模拟浇注 过程，拉速发生变化时首先按等效拉速法给出冷 却水量进行控制，然后根据实际水量计算铸坯某 冷却区出口的表面温度，求出计算温度与该位置 设定温度的差，以此调整二冷各区的冷却水量，最 终达到一致. 达涅利铸机很多采用等效拉速方法 进行配水，是一种简易的动态配水，这种控制对非 稳态铸坯表面温度的波动有一定的改善作用，但 还是存在一定的热滞后现象，还会造成非稳态铸 坯表面温度的波动. 在第二类动态配水基础上，又发展了一种闭环 动态配水，采用的是二维数学模型，避开脆性区矫 直，然后根据钢种、锰硫质量比、压缩比、钢材用途 等确定冷却方式，给出每个钢类典型的冷却曲线. 有些具有幅切功能的铸机，边部可单独控制，边部 的水量为模型计算出中部的水量乘以系数，这一系 数凭经验而定，给出各铸坯宽度对应的系数表，该 系数不能随铸机状况变化进行调整，给实际操作带 来很大困难，但目前多家钢厂均采用这种模式进行 配水，实际生产中，这种配水方式会产生很多困难. 如某厂 4 号机投用这种配水方式时，对某一钢种调 整好边部系数后，当铸机状态发生改变导致铸坯出 现表面裂纹时就需要重新调整边部系数，最终导致 同一钢种可能出现多个边部系数. 关于配水的另一 个问题是不同季节的温度差异对于铸坯的冷却有 不同影响，铸机开始浇注和浇注一段时间后，铸机 本身的温度有较大变化，其对铸坯的冷却也有一定 影响，目前二冷配水没有考虑这一问题，而且这一 问题在北方钢厂表现的尤为突出. 1.3.2 连铸轻压下技术 通过在连铸坯凝固末端附近施加压力（热应 950 ℃ 825 ℃ 875 ℃ 750 ℃ 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 图 7 A32 各温度下的断口金相组织 Fig.7 A32 organization of A32 at different temperatures 950 ℃ 875 ℃ 825 ℃ 750 ℃ 200 μm 200 μm 200 μm 200 μm 图 8 A32 各温度下的断口形貌 Fig.8 Fracture surface of A32 at different temperatures 张炯明等： 连铸板坯三维二冷动态配水与精准压下研究与应用 · 1669 ·