工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 吕明米小雨张朝晖支旭波冯璐 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel L Ming.MI Xiao-yu,ZHANG Zhao-hui,ZHI Xu-bo,FENG Lu 引用本文： 吕明，米小雨，张朝晖，支旭波，冯璐.连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响.工程科学学报，2020,42(S):102- 108.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 L Ming,MI Xiao-yu,ZHANG Zhao-hui,ZHI Xu-bo,FENG Lu.Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(S):102-108.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.03.20.s09 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.006 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.2017,397)：996 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.07.004 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报.2017,392：251 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.02.013 连铸坯脱氢退火数值模拟 Numerical simulation of dehydrogenation annealing in bloom 工程科学学报.2020,42(7)：862htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.16.003 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报.2018,40(9%：1065 https:/1oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.09.007 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报.2020,42(8)：939 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.10.15.001
连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 吕明 米小雨 张朝晖 支旭波 冯璐 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel L Ming, MI Xiao-yu, ZHANG Zhao-hui, ZHI Xu-bo, FENG Lu 引用本文: 吕明, 米小雨, 张朝晖, 支旭波, 冯璐. 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(S): 102- 108. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 L Ming, MI Xiao-yu, ZHANG Zhao-hui, ZHI Xu-bo, FENG Lu. Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(S): 102-108. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.03.20.s09 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006 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 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel 工程科学学报. 2017, 39(2): 251 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.013 连铸坯脱氢退火数值模拟 Numerical simulation of dehydrogenation annealing in bloom 工程科学学报. 2020, 42(7): 862 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.003 超低碳钢连铸坯钩状坯壳的演变与夹杂物的捕集 Hook evolution and inclusion entrapment of ultralow-carbon steel slabs 工程科学学报. 2018, 40(9): 1065 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.007 长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展 Research progress on the role of ladle shroud in protecting molten steel during teeming in continuous-casting tundishes 工程科学学报. 2020, 42(8): 939 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001
工程科学学报.第42卷，增刊1：102-108.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:102-108,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09;http://cje.ustb.edu.cn 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 吕明)，米小雨)，张朝晖)区，支旭波2，冯璐) 1)西安建筑科技大学治金工程学院，西安7100552)陕钢集团产业创新研究院有限公司.汉中7242003)西安建筑科技大学华清学院， 西安710043 ☒通信作者，E-mail:zhzhhui67@126.com 摘要高碳钢连铸生产技术工艺优化是当前连铸技术研究的主要内容之一，针对国内某钢厂SWRH82B高碳钢生产过程 中出现碳偏析、网状渗碳体组织缺陷的问题.采用数值模拟与实验相结合的方法，利用Fut软件建立了八机八流连铸机凝 固传热模型，数值模拟计算凝固传热特征：研究了八机八流连铸机在不同浇注速度、过热度和末端电磁搅拌参数条件下对 SWRH82B高碳钢铸坯碳偏析和夹杂物的影响；分析了SWRH82B高碳钢连铸过程中的主要要素与组织性能之间的关系.研 究结果表明：铸坯中心碳偏析是网状渗碳体主要诱导因素，通过调整过热度和浇注速度有利于促进钢液成分的均匀化，降低 夹杂物含量：当过热度降低至25℃，浇注速度提高至2mmi,铸坯中心平均碳偏析指数由1.17降低为1.11，索氏体化率达 到89%，网状渗碳体级别由四级下降到一级，基本消除C类夹杂物；通过设置末端电磁搅拌参数为电流370A、频率7Hz时， 碳偏析指数最低值下降到1.04，通过优化连铸生产工艺参数，解决了企业SWRH82B高碳钢生产过程中的缺陷，为高碳钢的 高质量生产提供理论与实践支撑. 关键词高碳钢：连铸：网状渗碳体：中心偏析：数值模拟 分类号TF777.3 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high- carbon steel LU Ming,MI Xiao-yu,ZHANG Zhao-hui,ZHI Xu-bo2),FENG Lu) 1)School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China 2)Shaanxi Iron and Steel Group Industrial Innovation Research Institute Co.Ltd.,Hanzhong 724200,China 3)School of Hua Qing,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710043,China Corresponding author,E-mail:zhzhhui67@126.com ABSTRACT Optimization of the continuous-casting production technology for high-carbon steel is one of the most important areas of research related to the steelmaking process.This article aims to address the problems of carbon segregation and reticulated cementite defects in the production process of SWRH82B high-carbon steel in a Chinese steel plant.In this study,Fluent software was used to perform a numerical simulation combined with experimentation to establish a heat-transfer model for the solidification of an eight-strand continuous caster.We numerically calculated the heat-transfer characteristics of the solidification and studied the effect of different parameters on the carbon segregation and inclusions of SWRH82B high-carbon steel,including casting speed,degree of superheating. and final-electromagnetic stirring of the eight-strand continuous caster.We also analyzed the relationship between the main elements during the continuous-casting process of the SWRH82B high-carbon steel and its microstructure and properties.The results indicate that carbon segregation in the center of the billet was the main cause of reticulated cementite.The degree of superheating and casting speed were then optimized,which promoted the homogenization of the components of liquid steel and reduced the inclusion content.When the 收稿日期：2020-03-20
连铸工艺参数对 SWRH82B 高碳钢碳偏析的影响 吕 明1)，米小雨1)，张朝晖1) 苣，支旭波2)，冯 璐3) 1) 西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 710055 2) 陕钢集团产业创新研究院有限公司，汉中 724200 3) 西安建筑科技大学华清学院， 西安 710043 苣通信作者，E-mail：zhzhhui67@126.com 摘 要 高碳钢连铸生产技术工艺优化是当前连铸技术研究的主要内容之一. 针对国内某钢厂 SWRH82B 高碳钢生产过程 中出现碳偏析、网状渗碳体组织缺陷的问题，采用数值模拟与实验相结合的方法，利用 Fluent 软件建立了八机八流连铸机凝 固传热模型，数值模拟计算凝固传热特征；研究了八机八流连铸机在不同浇注速度、过热度和末端电磁搅拌参数条件下对 SWRH82B 高碳钢铸坯碳偏析和夹杂物的影响；分析了 SWRH82B 高碳钢连铸过程中的主要要素与组织性能之间的关系. 研 究结果表明：铸坯中心碳偏析是网状渗碳体主要诱导因素，通过调整过热度和浇注速度有利于促进钢液成分的均匀化，降低 夹杂物含量；当过热度降低至 25 ℃，浇注速度提高至 2 m·min−1，铸坯中心平均碳偏析指数由 1.17 降低为 1.11，索氏体化率达 到 89%，网状渗碳体级别由四级下降到一级，基本消除 C 类夹杂物；通过设置末端电磁搅拌参数为电流 370 A、频率 7 Hz 时， 碳偏析指数最低值下降到 1.04. 通过优化连铸生产工艺参数，解决了企业 SWRH82B 高碳钢生产过程中的缺陷，为高碳钢的 高质量生产提供理论与实践支撑. 关键词 高碳钢；连铸；网状渗碳体；中心偏析；数值模拟 分类号 TF777.3 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B highcarbon steel LÜ Ming1) ，MI Xiao-yu1) ，ZHANG Zhao-hui1) 苣 ，ZHI Xu-bo2) ，FENG Lu3) 1) School of Metallurgical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China 2) Shaanxi Iron and Steel Group Industrial Innovation Research Institute Co. Ltd., Hanzhong 724200, China 3) School of Hua Qing, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710043, China 苣 Corresponding author, E-mail: zhzhhui67@126.com ABSTRACT Optimization of the continuous-casting production technology for high-carbon steel is one of the most important areas of research related to the steelmaking process. This article aims to address the problems of carbon segregation and reticulated cementite defects in the production process of SWRH82B high-carbon steel in a Chinese steel plant. In this study, Fluent software was used to perform a numerical simulation combined with experimentation to establish a heat-transfer model for the solidification of an eight-strand continuous caster. We numerically calculated the heat-transfer characteristics of the solidification and studied the effect of different parameters on the carbon segregation and inclusions of SWRH82B high-carbon steel, including casting speed, degree of superheating, and final-electromagnetic stirring of the eight-strand continuous caster. We also analyzed the relationship between the main elements during the continuous-casting process of the SWRH82B high-carbon steel and its microstructure and properties. The results indicate that carbon segregation in the center of the billet was the main cause of reticulated cementite. The degree of superheating and casting speed were then optimized, which promoted the homogenization of the components of liquid steel and reduced the inclusion content. When the 收稿日期: 2020−03−20 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：102−108，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 102−108, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09; http://cje.ustb.edu.cn
吕明等：连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 ·103· degree of superheating was reduced to 25 C and the casting speed was increased to 2 m'min,the carbon segregation index of the billet was reduced from 1.17 to 1.11,the sorbite rate was 89%,the cementite network grade decreased from 4 to 1,and the C inclusions were substantially eliminated.When the end electromagnetic stirring current was set to 370 A and the frequency to 7 Hz,the carbon segregation index decreased to its lowest value of 1.04.The defects occurring in the production process of SWRH82B high-carbon steel were addressed by optimizing the continuous-casting process parameters,which provides theoretical and practical support for the high- quality production of high-carbon steel. KEY WORDS high-carbon steel;continuous casting:cementite network;center segregation;numerical simulation SWRH82B高碳钢主要用于制造高强度低松弛 果表明过热度为(20吐5)℃，拉速为2.5mmin条件 预应力钢丝和钢绞线，广泛运用于水泥制品、桥 下，铸坯质量显著提高：苏旺等w通过建立l60mm× 梁、高层建筑、高速公路、核电站等领域-)预应 l60mm方坯连铸凝固末端电磁搅拌(Solidified 力钢饺线拉拔生产过程中应变量大，为避免拉拔过 end electromagnetic stirring,F-EMS)过程的数学模 程中发生脆断，对盘条原始成分均匀性、纯洁度、 型，研究了电流强度对凝固前沿钢液最大搅拌速 组织均匀性和非金属夹杂物的数量提出较高的要 度的影响规律，结果表明电流为380A,频率为6Hz, 求：同时82B高碳钢小方坯碳质量分数高达0.82%， 铸坯中心碳偏析为1.04 连铸过程中，两相区宽且凝固时间长，冷却缓慢，铸 本文根据国内某钢厂生产SWRH82B过程中 坯中心碳偏析严重，易形成沿品界析出的网状渗碳 碳偏析严重、网状渗碳体组织缺陷的问题，通过建 体问在拉伸受力过程中，网状渗碳体使晶粒分裂， 立八机八流中间包凝固传热模型，数值模拟计算 削弱品粒之间的结合力，铸坯容易沿品界断裂，因 凝固传热特征，研究过热度、浇注速度及末端电磁 此应在连铸过程中减少铸坯非金属夹杂物数量、提 搅拌参数对铸坯碳偏析的影响，优化连铸生产工 高钢水的洁净度和改善铸坯中心碳偏析68】 艺参数，为SWRH82B高碳钢盘条高质量生产提供 目前已有较多有关抑制高碳钢的网状渗碳体 理论与实践支撑 的研究，如通过添加Al、Cr、Co等合金元素，抑制 1SWRH82B高碳钢生产工艺分析 共析渗碳体的形成，且有细化珠光体的效果，但合 金成本较高，不利于低成本大规模生产例：通过施 某钢厂生产SWRH82B高碳钢的工艺路线为 加强磁场处理技术，减少共析渗碳体数量，增加珠 l20t转炉一→钢包精炼炉(Ladle furnace,.LF)→l50mm× 光体间距层，但技术的不成熟性限制了该方法在 150mm方坯连铸→加热→轧制.轧制工艺开轧温 工业生产中的应用0在动态的连铸过程中，钢水 度控制在(980±30)℃，进精轧前温度(920±10)℃， 流动及传热的过程复杂而不稳定山，传统实验方 进入减定径机组前温度(900士10)℃，吐丝温度 法受工业限制很难对凝固过程进行实验研究，因 (865±15)℃.表1是连铸机主要性能参数，表2为 此采用数值模拟技术研究连铸凝固过程成为重要 SWRH82B高碳钢盘条成分 研究方法.Zeng等利用Procast软件对82B方坯 针对82B试样缺陷分别选取不同批次试样， 连铸过程中凝固组织宏观偏析进行数学模拟，结 对铸坯成分、夹杂物、铸坯偏析进行理化分析.经 果表明低拉速有利于改善碳偏析：张志祥等1利 失效15d后抗拉强度控制在1200MPa以上，断后 用Procast软件对37Mn5钢连铸过程进行数值模 伸长率17%以上，断面收缩率35%以上，检测结 拟，从铸坯表面温度、坯壳厚度、液芯厚度三方面 果符合企业指标，说明企业轧钢工艺符合产品力 研究了拉速和过热度对铸坯质量的影响，模拟结 学要求.其力学性能见表3 表1.连铸机主要参数 Table 1 Main parameters of continuous-casting machine Caster type Flow number Radius/m Metallurgical length /m Flow spacing/mm Arc 8 10 30.6 1250 Lengths/mm Casting speeds/(mmin) Electromagnetic stirring Straightening method Slab cooling mode 6000-12000 3.2 F-EMS Continuous straightening Water-cooling air-vapor cooling
degree of superheating was reduced to 25 ℃ and the casting speed was increased to 2 m·min−1, the carbon segregation index of the billet was reduced from 1.17 to 1.11, the sorbite rate was 89%, the cementite network grade decreased from 4 to 1, and the C inclusions were substantially eliminated. When the end electromagnetic stirring current was set to 370 A and the frequency to 7 Hz, the carbon segregation index decreased to its lowest value of 1.04. The defects occurring in the production process of SWRH82B high-carbon steel were addressed by optimizing the continuous-casting process parameters, which provides theoretical and practical support for the highquality production of high-carbon steel. KEY WORDS high-carbon steel；continuous casting；cementite network；center segregation；numerical simulation SWRH82B 高碳钢主要用于制造高强度低松弛 预应力钢丝和钢绞线，广泛运用于水泥制品、桥 梁、高层建筑、高速公路、核电站等领域[1−3] . 预应 力钢绞线拉拔生产过程中应变量大，为避免拉拔过 程中发生脆断，对盘条原始成分均匀性、纯洁度、 组织均匀性和非金属夹杂物的数量提出较高的要 求[4] ；同时 82B 高碳钢小方坯碳质量分数高达 0.82%， 连铸过程中，两相区宽且凝固时间长，冷却缓慢，铸 坯中心碳偏析严重，易形成沿晶界析出的网状渗碳 体[5] . 在拉伸受力过程中，网状渗碳体使晶粒分裂， 削弱晶粒之间的结合力，铸坯容易沿晶界断裂，因 此应在连铸过程中减少铸坯非金属夹杂物数量、提 高钢水的洁净度和改善铸坯中心碳偏析[6−8] . 目前已有较多有关抑制高碳钢的网状渗碳体 的研究，如通过添加 Al、Cr、Co 等合金元素，抑制 共析渗碳体的形成，且有细化珠光体的效果，但合 金成本较高，不利于低成本大规模生产[9] ；通过施 加强磁场处理技术，减少共析渗碳体数量，增加珠 光体间距层，但技术的不成熟性限制了该方法在 工业生产中的应用[10] . 在动态的连铸过程中，钢水 流动及传热的过程复杂而不稳定[11] ，传统实验方 法受工业限制很难对凝固过程进行实验研究，因 此采用数值模拟技术研究连铸凝固过程成为重要 研究方法. Zeng 等[12] 利用 Procast 软件对 82B 方坯 连铸过程中凝固组织宏观偏析进行数学模拟，结 果表明低拉速有利于改善碳偏析；张志祥等[13] 利 用 Procast 软件对 37Mn5 钢连铸过程进行数值模 拟，从铸坯表面温度、坯壳厚度、液芯厚度三方面 研究了拉速和过热度对铸坯质量的影响，模拟结 果表明过热度为 (20±5) ℃，拉速为 2.5 m∙min−1 条件 下，铸坯质量显著提高；苏旺等[14] 通过建立 160 mm× 160 mm 方坯连铸凝固末端电磁搅拌 （ Solidified end electromagnetic stirring, F-EMS）过程的数学模 型，研究了电流强度对凝固前沿钢液最大搅拌速 度的影响规律，结果表明电流为 380 A，频率为 6 Hz， 铸坯中心碳偏析为 1.04. 本文根据国内某钢厂生产 SWRH82B 过程中 碳偏析严重、网状渗碳体组织缺陷的问题，通过建 立八机八流中间包凝固传热模型，数值模拟计算 凝固传热特征，研究过热度、浇注速度及末端电磁 搅拌参数对铸坯碳偏析的影响，优化连铸生产工 艺参数，为 SWRH82B 高碳钢盘条高质量生产提供 理论与实践支撑. 1 SWRH82B 高碳钢生产工艺分析 某钢厂生产 SWRH82B 高碳钢的工艺路线为 120 t 转炉→钢包精炼炉(Ladle furnace, LF)→150 mm× 150 mm 方坯连铸→加热→轧制. 轧制工艺开轧温 度控制在 (980±30) ℃，进精轧前温度 (920±10) ℃， 进入减定径机组前温 度 (900±10) ℃ ，吐丝温 度 (865±15) ℃. 表 1 是连铸机主要性能参数，表 2 为 SWRH82B 高碳钢盘条成分. 针对 82B 试样缺陷分别选取不同批次试样， 对铸坯成分、夹杂物、铸坯偏析进行理化分析. 经 失效 15 d 后抗拉强度控制在 1200 MPa 以上，断后 伸长率 17% 以上，断面收缩率 35% 以上，检测结 果符合企业指标，说明企业轧钢工艺符合产品力 学要求. 其力学性能见表 3. 表 1 连铸机主要参数 Table 1 Main parameters of continuous-casting machine Caster type Flow number Radius / m Metallurgical length / m Flow spacing / mm Arc 8 10 30.6 1250 Lengths / mm Casting speeds / (m∙min−1) Electromagnetic stirring Straightening method Slab cooling mode 6000‒12000 3.2 F-EMS Continuous straightening Water-cooling + air-vapor cooling 吕 明等： 连铸工艺参数对 SWRH82B 高碳钢碳偏析的影响 · 103 ·
104 工程科学学报.第42卷，增刊1 表282B盘条化学成分（质量分数） 由图1(a)可知，盘条中间部位存在硅酸盐非 Table 2 Chemical composition of 82B wire rods % 金属夹杂物，夹杂物为C类细2.5级；由图1(b)可 C Si Mn P Cr 知盘条中心组织为铁素体+珠光体+索氏体，索氏 0.82 0.23 0.75 0.005 0.016 0.258 体体积分数在88%~89%，索氏体保持良好，即说 明轧线工艺控制良好；由图1(c)可知试样中心存 表382B试样的力学性能 在四级网状渗碳体.选取存在网状渗碳体的试样， Table3 Mechanical properties of 82B samples 按照图2的方法进行取样，采取横身切片钻孔的 Sample Tensile strength/Elongation after Area reduction/ 方法，用碳硫分析仪对试样进行化验分析，碳偏 MPa fracture/% 9 析指数按式(1)计算，铸坯中心平均碳偏析指数高 Sample 1 1200 18 41 达1.17，偏析指数见表4. Sample2 1230 17 33 4w5(C) Sample3 1220 19 37 碳偏析指数= (1) w1(C)+w2(C)+w3(C)+w4(C) Sample4 1200 18 34 式中：w1(C)~w(C)为钻孔取样点1~5（图2）的碳 Sample5 1210 17 36 质量分数. a (b) (c) Silicate 100μm 20m 20m 图1SWRH82B盘条试样显微组织.(a)非金属夹杂物：(b)索氏体：(c)网状渗碳体 Fig.1 Microstructures of the SWRH82B wire-rod samples:(a)non-metallic inclusion;(b)sorbate;(c)cementite network 表4碳偏析指数 Table 4 Carbon segregation index Sample Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Segregation index 1.15 1.17 1.18 1.17 1.16 5 (2)数值模拟过程中忽略渣系和包壁厚度； (3)数值模拟过程辐射散热转化为钢液导热 散热方式； (4)钢液密度、黏度等物理参数均为常数； (5)假设初始阶段钢液夹杂物均匀分布，且在 钢液内的体积不变 图2钻孔取样分布 2.2控制方程 Fig.2 Drill-hole sampling distribution 钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流 2数值模拟 动过程，可以用连续性方程、动量方程(Navier- Stokes)和能量方程作为控制模型，运用-e多相 2.1模型假设 方程的湍流模型和VOF界面处理模型8-四，从而 对连铸过程八机八流中间包数学模型进行以 直观观察钢液速度、密度、温度场云图 下假设67， 2.2.1连续性方程 (1)钢液流动视为黏性不可压缩流体的稳态 a(pvi) =0 (2) 流动；
由图 1（a）可知，盘条中间部位存在硅酸盐非 金属夹杂物，夹杂物为 C 类细 2.5 级；由图 1（b）可 知盘条中心组织为铁素体+珠光体+索氏体，索氏 体体积分数在 88%～89%，索氏体保持良好，即说 明轧线工艺控制良好；由图 1（c）可知试样中心存 在四级网状渗碳体. 选取存在网状渗碳体的试样， 按照图 2 的方法进行取样，采取横身切片钻孔的 方法，用碳硫分析仪对试样进行化验分析[15] ，碳偏 析指数按式（1）计算，铸坯中心平均碳偏析指数高 达 1.17，偏析指数见表 4. 碳偏析指数= 4w5 (C) w1 (C)+w2 (C)+w3 (C)+w4 (C) （1） 式中：w1 (C)～w5 (C) 为钻孔取样点 1～5（图 2）的碳 质量分数. 2 数值模拟 2.1 模型假设 对连铸过程八机八流中间包数学模型进行以 下假设[16−17] ： （1）钢液流动视为黏性不可压缩流体的稳态 流动； （2）数值模拟过程中忽略渣系和包壁厚度； （3）数值模拟过程辐射散热转化为钢液导热 散热方式； （4）钢液密度、黏度等物理参数均为常数； （5）假设初始阶段钢液夹杂物均匀分布，且在 钢液内的体积不变. 2.2 控制方程 钢液在中间包内的流动是一个复杂的湍流流 动过程 ，可以用连续性方程、动量方程（ NavierStokes）和能量方程作为控制模型，运用 κ–ε 多相 方程的湍流模型和 VOF 界面处理模型[18−22] ，从而 直观观察钢液速度、密度、温度场云图. 2.2.1 连续性方程 ∂(ρvi) ∂xi = 0 （2） 表 2 82B 盘条化学成分（质量分数） Table 2 Chemical composition of 82B wire rods % C Si Mn S P Cr 0.82 0.23 0.75 0.005 0.016 0.258 表 3 82B 试样的力学性能 Table 3 Mechanical properties of 82B samples Sample Tensile strength / MPa Elongation after fracture / % Area reduction / % Sample 1 1200 18 41 Sample 2 1230 17 33 Sample 3 1220 19 37 Sample 4 1200 18 34 Sample 5 1210 17 36 表 4 碳偏析指数 Table 4 Carbon segregation index Sample Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Segregation index 1.15 1.17 1.18 1.17 1.16 100 μm 20 μm 20 μm (a) Silicate 441 μm 227 μm (b) (c) 图 1 SWRH82B 盘条试样显微组织. （a）非金属夹杂物；（b）索氏体；（c）网状渗碳体 Fig.1 Microstructures of the SWRH82B wire-rod samples: (a) non-metallic inclusion; (b) sorbate; (c) cementite network 5 1 4 2 3 图 2 钻孔取样分布 Fig.2 Drill-hole sampling distribution · 104 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1
吕明等：连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 105· 2.2.2动量方程(Navier-Stokes) 上的速度分量 2.3几何模型网格划分 a(pvivj)ap,a (3) 图3为八机八流中间包实体图与模拟图，实体 图与模拟图按照1000：1比例进行建模，八机八流 式中：p为流体密度，kmm3:、,为流体速度矢 中间包通过有限元法基于Gambit软件进行网格划 量，ms;i,j为坐标轴方向；P为压力，Pa;4er为湍 分，最终划分成若干小体积后以小网格为单位进 流有效黏性系数，Pas,由动力黏度山与湍流黏度 行迭代计算.中间包的网格数主要取决于对网格 山求和得到，见式(5)： 数量和单个网格尺寸的设定，网格总数为4.2×10 N =pC (4) (b) pCws (5) 式中：K为湍动能，m2s2;e为湍动能耗散率；C为 经验常数，取值0.09. 2.2.3湍动能r方程 钢液液面的波动剧烈，模拟过程选择湍流模 图3八机八流中间包.(a)实体图：(b)模拟图 型，K方程是精确的方程，ε方程是由经验公式导出 Fig.3 8-machine 8-strand tundish:(a)photograph;(b)simulation 的方程 diagram pvik-Het.Ok 3数值模拟结果分析 =Gx-p8 (6) 本文主要从过热度、中间包浇注拉速、电磁搅 式中：σx为K的湍流普朗常数，取值1.0；Gx为速度 拌参数三个方面对降低82B成分偏析和夹杂物进 梯度产生的湍动能，由下式确定： 行分析. ovj ovi dvj Gx=xiaxj0x (7) 3.1浇注速度对碳偏析含量的影响 当过热度为25℃，中间包浇注速度分别为 2.2.4湍动能耗散率s方程 1.0、2.0和2.5mmin,对中间包温度场、夹杂物体 C18Gx-C2p82 (8) 积分数和流场的影响见图4所示（横坐标表示距 e dxi 中间包底部垂直距离).从图4(a)、图4(b)可知， 式中：σe为ε的湍流普朗常数，取值1.3.以上公式 不同浇注速度的中间包温度场和钢液中夹杂物含 中Ci、C2、Cuok、oe均为经验常数，采用Spalding 量基本不变，中间包入口位置温度最低且夹杂物 和Launder提出的k-e的双方称模型推荐值，见 含量最高，但是在2.0mmin时，距离中间包底部 表5 0.85m处夹杂物含量低于1.0mmin和2.5mmin 表5标准-心双方程模型中的经验系数 时的夹杂物含量.由图4(c)可知，以2.0mmin经 过一段时间的浇注后，中间包内钢液速度变化量最 Table 5 Empirical coefficient values in the standard k-c dual- equation model 大，中间包注入速度的大小直接影响液面上升的 C C C2 e 快慢，注入速度越大钢液中夹杂物的去除率越高 0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 32过热度对碳偏析含量的影响 基于高碳钢凝固传热特征，控制中间包钢水 2.2.5能量方程 浇注速度与过热度变得尤为重要21，在高碳钢生 产实践中，采用相对低的过热度与高浇注速度，促 进钢液内夹杂物上浮排除，钢液组分更均匀化，成 (9) 分更纯净化，更有利于铸坯连铸凝固；过热度加上 浇注速度和钢水在结晶器的停留时间的综合作 式中：Kr称为湍流热扩散系数；Cp为定压热容， 用，对坯壳厚度影响极大，中间包钢水过热度愈 Jkg.℃；T为温度，K;4、以、w为沿x、y、z方向 低，铸坯断面上产生的细等轴晶区愈大，偏析所占
2.2.2 动量方程（Navier-Stokes） ∂ ( ρvivj ) ∂x j = − ∂P ∂xi + ∂ ∂xj [ µeff ( ∂vi ∂x j + ∂v j ∂xi )] （3） 式中：ρ 为流体密度，km∙m−3 ；vi、vj 为流体速度矢 量，m∙s−1 ；i，j 为坐标轴方向；P 为压力，Pa；μeff 为湍 流有效黏性系数，Pa·s，由动力黏度 μj 与湍流黏度 μt 求和得到，见式（5）： µt = ρCµ κ 2 ε （4） µeff = µj +µt = µj +ρCµ κ 2 ε （5） 式中：κ 为湍动能，m Cµ 2 ∙s−2 ；ε 为湍动能耗散率； 为 经验常数，取值 0.09. 2.2.3 湍动能 κ 方程 钢液液面的波动剧烈，模拟过程选择湍流模 型，κ 方程是精确的方程，ε 方程是由经验公式导出 的方程. ∂ ∂xi [ ρviκ− µeff σκ · ∂κ ∂xi ] = Gκ −ρε （6） 式中：σκ为 κ 的湍流普朗常数，取值 1.0；Gκ 为速度 梯度产生的湍动能，由下式确定： Gκ = µt · ∂vj ∂xi · [ ∂vi ∂xj + ∂v j ∂xi ] （7） 2.2.4 湍动能耗散率ε方程 ∂ ∂xi ( ρvi − µeff σe · ∂ε ∂xi ) = ( C1εGκ −C2ρε2 ) κ （8） σe ε σκ σe 式中： 为 的湍流普朗常数，取值 1.3. 以上公式 中 C1、C2、Cμ、 、 均为经验常数，采用 Spalding 和 Launder 提出的 κ– ε 的双方称模型推荐值，见 表 5. 2.2.5 能量方程 PCp ( u ∂T ∂x +v ∂T ∂y +w ∂T ∂z ) = ∂ ∂x ( Keff ∂T ∂x ) + ∂ ∂y ( Keff ∂T ∂y ) + ∂ ∂z ( Keff ∂T ∂z ) （9） 式中：Keff 称为湍流热扩散系数； Cp 为定压热容， J·kg−1 ·℃−1 ；T 为温度，K；u、v、w 为沿 x、y、z 方向 上的速度分量. 2.3 几何模型网格划分 图 3 为八机八流中间包实体图与模拟图，实体 图与模拟图按照 1000∶1 比例进行建模，八机八流 中间包通过有限元法基于 Gambit 软件进行网格划 分，最终划分成若干小体积后以小网格为单位进 行迭代计算. 中间包的网格数主要取决于对网格 数量和单个网格尺寸的设定，网格总数为 4.2×105 . 3 数值模拟结果分析 本文主要从过热度、中间包浇注拉速、电磁搅 拌参数三个方面对降低 82B 成分偏析和夹杂物进 行分析. 3.1 浇注速度对碳偏析含量的影响 当过热度为 25 ℃ ，中间包浇注速度分别为 1.0、2.0 和 2.5 m∙min−1，对中间包温度场、夹杂物体 积分数和流场的影响见图 4 所示（横坐标表示距 中间包底部垂直距离）. 从图 4（a）、图 4（b）可知， 不同浇注速度的中间包温度场和钢液中夹杂物含 量基本不变，中间包入口位置温度最低且夹杂物 含量最高，但是在 2.0 m∙min−1 时，距离中间包底部 0.85 m 处夹杂物含量低于 1.0 m∙min−1 和 2.5 m∙min−1 时的夹杂物含量. 由图 4（c）可知，以 2.0 m∙min−1 经 过一段时间的浇注后，中间包内钢液速度变化量最 大，中间包注入速度的大小直接影响液面上升的 快慢，注入速度越大钢液中夹杂物的去除率越高. 3.2 过热度对碳偏析含量的影响 基于高碳钢凝固传热特征，控制中间包钢水 浇注速度与过热度变得尤为重要[23] ，在高碳钢生 产实践中，采用相对低的过热度与高浇注速度，促 进钢液内夹杂物上浮排除，钢液组分更均匀化，成 分更纯净化，更有利于铸坯连铸凝固；过热度加上 浇注速度和钢水在结晶器的停留时间的综合作 用，对坯壳厚度影响极大，中间包钢水过热度愈 低，铸坯断面上产生的细等轴晶区愈大，偏析所占 表 5 标准 κ–ε 双方程模型中的经验系数 Table 5 Empirical coefficient values in the standard κ– ε dualequation model Cμ C1 C2 σκ σe 0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 (a) (b) X Y Z 图 3 八机八流中间包. （a）实体图；（b）模拟图 Fig.3 8-machine 8-strand tundish: (a) photograph; (b) simulation diagram 吕 明等： 连铸工艺参数对 SWRH82B 高碳钢碳偏析的影响 · 105 ·