冶金工業——精彩回顧
連鑄鋼凝固冷卻精益控制劉青 教授北京科技大學
演講大綱：
針對鋼水連鑄凝固過程產生裂紋和偏析等缺陷，探討建立基於澆注鋼種特性的熱物性引數資料庫，採用數值模擬、物理模擬和工業試驗相結合的方法，開展鋼水凝固過程的多物理場耦合研究，研製二冷“縱-橫”均勻冷卻及動態控制技術，系統最佳化連鑄過程冷卻水量的配置，從而提高連鑄坯質量，實現高品質鋼的高效連鑄生產。
內容：
一、引言&背景
二、鋼的精準熱物性引數
三、結晶器鋼液行為多場耦合
四、連鑄二次冷卻控制
五、連鑄坯凝固組織控制
六、連鑄坯裂紋和偏析控制
一、引言&背景
精準化—整合化—綠色化—智慧化是鋼鐵行業發展的趨勢
根據世界鋼鐵統計，2019年世界粗鋼產量為18。39億噸；
中國粗鋼產量為9。96億噸，約佔54。16%；
連鑄鋼產量約佔粗鋼總產量的99。45%；
我國鋼鐵行業連鑄比達到了99%以上，超過世界連鑄比水平［1-2］。
裂紋缺陷
近年來，對於連鑄坯不同型別裂紋缺陷產生機理的研究取得不少成果，並透過對鋼種成分、過熱度、保護渣效能、結晶器錐度、浸入式水口深度、拉速、二冷制度等方面的調控改善連鑄坯質量［3-4。但是，工程化應用還有很長的路，影響智慧化的程序。
目前，連鑄生產已經不再侷限於高質量，而是逐步向高拉速、高質量及高作業率邁進。
偏析
近年來，國內對鋼中夾雜物的控制技術與水平與國外相差並不大，然而，鋼基體成分如：碳、硫、磷、錳、銀、釩、鉻、鉬等元素及化合物分佈均勻性方面仍落後於先進國家。
隨著鑄坯凝固末端電磁攪拌和輕壓下技術的不斷完善，大多數鋼種的宏觀偏析已得到較好控制；相比而言，現有工藝技術手段對點狀偏析改善效果極為有限，開發高階鋼材點狀偏析澆鑄控制技術已逐漸引起國內外鋼廠的高度關注5l。
二、鋼的精準熱物性引數
鋼水連鑄過程是包含凝固、傳熱和變形的複雜過程，其內在規律尚不能完全由實測得到，應用相關數學方法對其進行模擬是一種有效的方法。由於連鑄過程中鋼液溫度變化範圍較大，物性引數隨之也有變化，並且對於不同的鋼種，物性引數一般會有很大的差異。是否採用與連鑄工藝條件相近的材料（鋼）物性引數，特別是高溫下鋼的熱物性引數，是影響連鑄凝固過程數值模擬精度的一個重要因素。
基於以上原因，有必要針對鋼在連鑄過程中的熱物理效能進行研究，實現熱物性引數的精準化。為連鑄凝固冷卻精益控制奠定物性特徵的資料基礎。
由於連鑄過程中鋼液溫度變化範圍較大，性引數隨之也有變化，且對於不同的鋼種，物性引數也有很大的差異。採取與連鑄工藝條件相近的鋼（材料）物性引數，特別是高溫下鋼的熱物性引數，是影響連鑄凝固過程數值模擬精度的一個重要因素。
三、結晶器鋼液行為多場耦合
結晶器內鋼液的流動、凝固及傳熱過程複雜並難以直接測量。因此，透過建立多物理場耦合數學模型研究鋼液凝固過程對高品質鋼連鑄具有重要意義。
結晶器鋼液行為多場耦合-- CSP結晶器
結晶器鋼液行為多場耦合-方坯結晶器
四、連鑄二次冷卻控制
連鑄二次冷卻過程與鑄機產量和鑄還質量密不可分，連鑄的優質高產在很大程度上取決於二次冷卻的強度、冷卻工藝、冷卻水量分配與控制等。若鑄坯在二冷區內經受的冷卻強度不當或不均勻冷卻，則會誘發併產生各種缺陷。
冷卻強度不均勻，會導致鑄還表面溫度呈現週期性的回升，引起坯殼膨脹，當施加到凝固前沿的張應力超過鋼所能承受的強度時，則會產生中間裂紋；同時，溫度的週期性變化又會導致凝固坯殼發生反覆相變，誘發鑄還皮下裂紋的形成；若在矯直點處鑄坯表面溫度處於第三脆性溫度區，則在矯直力的作用下會在鑄坯振痕波谷處出現表面橫裂紋。
若二次冷卻強度過弱，會導致鑄還表面溫度較高而鋼的高溫強度較低，在鋼水靜壓力的作用下，凝固坯殼會發生蠕變而產生鼓肚現象。當冷卻強度過大時，會促使柱狀晶發達而易形成“搭橋”結構，使中心偏析和疏鬆加劇。
基於上述原因，迫切需要精益控制連鑄坯二次冷卻過程，為提高連鑄坯質量奠定堅實基礎。
五、連鑄坯凝固組織控制6.連鑄坯裂紋和偏析控制
連鑄坯凝固組織對其力學效能具有重要的影響，並直接影響到其軋製和鍛壓工藝效能，從某種意義上說，連鑄坯的凝固組織結構決定了其力學效能。在實際連鑄生產過程中，結晶器內氣隙的形成、及二冷區水量的非均勻分配會導致鑄坯的“縱-橫”非均勻凝固冷卻，這一現象與裂紋、偏析等典型鑄坯質量缺陷的產生密切相關。因此，研究非均勻冷卻條件下連鑄坯的凝固組織演變規律，探索實際連鑄過程的凝固結構控制策略，對生產高質量連鑄壞具有極強的現實意義。
運用鑄造模擬軟體PROCASRT，透過宏/微觀耦合，採用元胞自動機-有限元法（CA-FE）對目標鋼種連鑄還凝固組織進行模擬。在模擬中採用兩套網格，即宏觀單元網格+微觀元胞網格，其中宏觀單元網格是用於溫度場的計算，微觀元胞網格用於形核及枝晶生長模型的計算。
六、連鑄坯裂紋和偏析控制
