IF鋼連鑄坯鉤狀坯殼的形成與演變過程

肖鵬程1,2)，朱立光1,2)*，劉增勛1,2)，趙茂國1,2)

1) 華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063009  2）河北省高品質鋼連鑄工程技術研究中心，河北 唐山 063009

摘  要  IF鋼連鑄坯表層坯殼捕集夾雜物的行為對冷軋產品的表面質量危害較大。數值模擬分析了鉤狀坯殼的形成和演變過程。結果表明，模擬得到的鉤狀坯殼形貌與鑄坯表層和漏鋼坯殼的金相特征較為接近。在受沖刷作用影響較小的條件下，凝固鉤在彎月面中形成以后，要經歷熔化、變粗、生長、湮沒等逐步演變的過程。數值模型預測澆注溫度1550-1565℃、拉速1.1-1.7m·min^-1條件下最終存留在坯殼中的凝固鉤深度約為1.8-2.9mm，這與實際觀察到的鉤狀坯殼最深的尺寸基本一致。

關鍵詞  超低碳鋼; 連鑄; 振痕; 鉤狀坯殼；數值模擬

Hook evolution and inclusion entrapment of Ultra-low carbon steel slab

XIAO Peng-cheng^1,2), ZHU Liguang^{1,2) *}, LIU Zengxun^1,2) , ZHAO Maoguo^1,2)

1) College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, Hebei, China

2) Hebei Engineering Research Center of High Quality Steel Continuous Casting, Tangshan 063000, Hebei, China.

ABSTRACT  Avoiding inclusion entrapment into the solidifying shell is very important to improve the quality of continuous casting (CC) slab of ultra-low carbon steel. Therefore, the hook formation and evolution during the initial solidification process of a CC slab were studied through numerical modelling. The results demonstrated that following formation, the hook was not immediately buried in the shell, whereas it sustained several stages such as melting, coarsening, growth and burying. It was predicted that the final hook depth, as buried in the shell, is about 1.8-2.9mm when the casting temperature at 1550-1565℃ and the casting speed is1.1-1.7m min^-1. This is basically the same as the deepest size of the hooks observed in the metallographic experiment.

KEY WORDS  ultra-low carbon steel; continuous casting; oscillation marks; solidified hooks

超低碳鋼系列冷軋鋼板一般應用于汽車、家電覆蓋件及電池殼等領域，其表面質量要求極為嚴格^[1,2]。特別是電動汽車電池殼用鋼領域，為避免電池服役過程發生漏液、爆炸等重大事故，下游客戶一般要求其表面達到雙面O5級別。研究表明，多數冷軋產品表面質量缺陷的與連鑄坯表層潔凈度有關^[2,3]。由于超低碳鋼連鑄坯皮下鉤狀坯殼（hook，又稱凝固鉤）的存在，超低碳鋼連鑄坯表層夾雜物含量明顯高于鑄坯內部 ^[4-6]。為此，生產企業需要對連鑄坯進行表面修磨或火焰清理（俗稱“扒皮”），這嚴重影響了制造成本和生產效率。

早在上世紀七十年代，Emi等^[7]學者發現了連鑄坯皮下的鉤狀坯殼的存在。1981年，Tomono等^[8]提出彎月面凝固與鋼液溢流的鉤狀坯殼形成機理。2002年，Fredriksson等^[9]發現凝固坯殼、鋼液和保護渣的三相交接點在表面張力和重力作用下會達到平衡，鋼液的彎月面形狀滿足Bikerman方程。2006~2007年，Thomas教授團隊^[10,11]通過數值模擬綜合分析了初始凝固過程中坯殼受到的熱應力、機械壓力、鋼液靜壓力等多重作用下，用組圖和動畫的形式，形象地揭示了凝固鉤的形成過程。對于彎月面處鋼液溢流的發生時間，傳統的連鑄坯初始凝固過程分析認為發生在負滑脫階段^{[12, 13]}。近年來楊文等^[14]學者研究后認為，鋼液溢流行為發生在正滑脫后期和負滑脫前期兩個階段。

總體看來，前人們經過多年的探索、爭論，目前對鉤狀坯殼的形成過程已經有了較為深入的認識。但是，對于凝固鉤形成以后隨著坯殼下行過程中的演變行為，當前研究尚顯不足。有學者認為凝固鉤形成以后下行一個振動周期即埋沒進入坯殼^[11]。然而實際上一個振痕間距僅為10 mm左右，而金相分析連鑄坯表層鉤狀坯殼的深度一般為2~4 mm^[15]，通過分析結晶器銅板的熱流密度知，坯殼很難在如此短的距離即形成埋沒凝固鉤所需的的坯殼厚度。此外，觀察低碳鋼連鑄的漏鋼坯殼通常會發現，在頂端彎月面以下幾十毫米范圍內其內腔并非自上而下光滑均勻的，而是伴隨了坯殼外部的振痕在內腔呈現規律性的隆起形狀。因此，凝固鉤形成以后隨坯殼下移的必然有一個演變的過程，該過程導致的坯殼內腔的不均勻性變化。這對凝固前沿的鋼液微觀流場以及夾雜物的運動行為都有較大的影響，當前研究對這一領域的認識尚不夠全面。

對于夾雜物在凝固前沿的受力分析，Thomas等^[16]在2008年研究了結晶器出口附近坯殼凝固前沿附近夾雜物的受力特點。苑鵬等^[17]在2016年分析了馬蘭格尼力對不同尺寸夾雜物的作用規律。但是對于具體的凝固鉤表面不同位置，由于前人未能確定坯殼復雜的內腔形狀以及夾雜物受力參數，其捕集夾雜物的作用規律尚鮮有報道。本文通過數值模擬，計算了坯殼在初始凝固過程中的鉤狀坯殼在不同高度處的尺寸分布及演變特征。根據模擬結果制作了物理模型，在線觀察了凝固鉤捕集夾雜物的具體過程，并對凝固鉤附近不同區域的夾雜物進行了受力分析。

1 研究方法

1.1 鉤狀坯殼形狀演變的數值模擬

以某鋼廠BOF-RH-CC流程下生產的超低碳鋼連鑄板坯初生坯殼為研究對象。連鑄機斷面尺寸為200×1090mm，水口插入深度140mm，結晶器振動形式為正弦振動，鋼液成分及溫度和拉速等信息見表1。基于二維切片法，建立彎月面及以下靠近坯殼表面區域的縱向二維薄片數值模型，其高度為163.5mm（20個振痕間距高度），寬度為10mm。模型形狀及在結晶器內的位置示意如圖1所示。

表1鋼液成分、溫度和拉速

Table 1 Composition, temperatures and casting speed information of molten steel.

超低碳鋼連鑄坯坯殼內的鉤狀結構形成機理十分復雜。坯殼在彎月面初始凝固過程中受到結晶器、渣圈、渣膜、下部坯殼、內部液態鋼液等多方面的傳熱和應力的綜合作用。本模型基于彎月面凝固與溢流的凝固鉤形成原理^[8]建立數值模擬模型。為簡化計算，確立如下假設條件，

（1）模型建立時坯殼外部的振痕已經存在，彎月面形狀符合Bikerman方程^[9]（式1~式3）。

式中， x 是垂直窄面方向的長度，m； z 為與窄面方向平行的長度，m; a_sf 是毛細常數，m; δ_sf 為鋼液和結晶器保護渣之間的界面張力，1.3 N·m^-1; ρ_s 是鋼液密度，取7200 kg·m^-3; ρ_f保護渣密度，取2800 kg·m^-3; g 重力加速度，取9.8 m·s^-2。

（2）采用有效導熱系數等效兩相區和液芯的傳熱，把鑄坯傳熱簡化為導熱過程。

（3）由于彎月面形狀的確定，保護渣渣道壓力變化對凝固鉤的影響忽略。

（4）由于模型主要分析彎月面以下區域，鋼液流動較慢，因此忽略鋼液流動對坯殼的沖刷作用。

（5）溢流行為設定為僅在負滑脫階段發生。

模型的初始條件與邊界條件設定如下，

（1) 整個模型各節點的初始溫度為澆注溫度。

（2）模型的右邊界、下邊界、彎月面以上均施加絕熱邊界條件。

3) 根據Thomas 等人^[16]工業測量和計算的結果，模型左側邊界的熱流變化如圖2所示。

2 鉤狀坯殼的形成與演變過程

2.1 溫度分布計算結果與驗證

坯殼上部的溫度分布如圖4(a)所示。由圖可見，鉤狀坯殼在彎月面初始凝固過程中形成，隨著坯殼的下行，逐步湮沒在坯殼中，最終形成了圖4(b)金相實驗中觀測到的凝固鉤形貌。由于計算條件和模型建立方法的不同，本模型計算的坯殼內腔結構與傳統的連鑄坯傳熱計算結果明顯不同。在傳統的結晶器傳熱模型計算結果中，由于忽略了結晶器往復振動過程中彎月面區域傳熱行為的周期性變化，坯殼厚度變化多為由上到下均勻增加趨勢，難以反映出坯殼初始凝固過程中內腔形狀的變化特征。

為驗證模型計算得到的初生坯殼內腔形狀的合理性，將某鋼廠生產低碳鋼發生漏鋼事故后殘留在結晶器內的坯殼進行了金相分析，如圖4(c)所示。由于漏鋼事故發生過程中鋼液流動復雜，一部分坯殼被后續凝固的冷鋼覆蓋，但是可以通過金相觀察排除。將漏鋼后的坯殼磨平、拋光后酸浸腐蝕后，可以大致推測出漏鋼前坯殼的形貌。由圖4可見，由于漏鋼發生時鋼液流動，坯殼內部存在一部分重新凝固的鋼殼，與原有坯殼的凝固組織呈明顯的分層狀態。除去重熔部分，可以明顯的看出，坯殼厚度在初始凝固鉤過程中是不均勻的，在其內部呈現周期性的隆起。這種隆起的位置與坯殼外部的振痕位置對應，即為凝固鉤在離開彎月面向下運行過程中的形貌。對比圖4(a)的計算結果和圖4(c)可見，兩種形貌極為相似，證明本模型對初始凝固過程中的坯殼內腔形貌的預測有更為合理。

為了驗證模型計算坯殼厚度的可靠性，將坯殼計算結果與文獻[16,19]進行對比，結果如圖5所示。由圖可見，本模型無凝固鉤區域的坯殼厚度與另外兩個文獻的計算結果較為吻合。此外，圖5還給出了凝固鉤深度的預測結果。由圖可見，在彎月面以下大約50mm范圍內，凝固鉤的深度明顯高于坯殼厚度。這就形成了凝固鉤深入到彎月面以內的鉤狀結構。隨著坯殼下行，兩者差異越來越小，最終達到一致，此時形成的凝固鉤深度為2.5mm，該尺寸與圖4(b)中測量到的凝固鉤深度較為接近，也與文獻^[14,15]實測的鉤狀坯殼深度相吻合。

2.2 鉤狀坯殼的形成與演變過程

圖6(a)~(e)給出了在澆注溫度1555℃、拉速1.3m/min的情況下，初生坯殼在3個振動周期內的坯殼形貌，據此可以形象地觀察到初生坯殼在脫離彎月面以后的演變過程。由圖可見，凝固鉤在彎月面中初始形成后，不會直接湮沒進坯殼內，而是要經歷熔化、變粗、生長、湮沒等過程。同時圖中的曲線還標記出了a~e點對應的結晶器和連鑄坯的運動狀態。

1）當坯殼與結晶器處于a點的運動位置，鋼液在彎月面處凝固形成了一定的坯殼厚度。此時彎月面處的鋼液經歷了一段時間正滑脫的冷卻過程，形成了一個細長的曲線型初生坯殼，這個坯殼也是溢流發生后的凝固鉤起始源。需要指出的是，在實際凝固過程中，這個初生坯殼的形狀是經過渣圈擠壓力、渣道壓力、鋼液靜壓力等多重作用的共同結果，本模型已依據彎月面凝固溢流原理對此過程進行了簡化。

2）在坯殼經歷了a點以后，繼續向下運動的過程中，鋼液開始溢流，初生凝固鉤上方被溢流的鋼液覆蓋，到達b點時的形貌如圖6（b）所示。在此過程中，凝固鉤尖端較細的部分被鋼液熔化，同時根部周圍的鋼液也在初生凝固鉤表面凝固，使之變粗。

3）鋼坯殼到達c點時，負滑脫時期結束，鋼液溢流也隨之停止，此時的鉤狀坯殼進一步變短、變粗。

4）當坯殼繼續下行到達d點，與a點一樣，彎月面處的坯殼再次經歷了一個凝固的過程，此時，在a點形成的鉤狀坯殼已經到達彎月面下方一個振動周期的高度處，其形狀進一步縮短、變粗，但是沒有完全消除埋沒到坯殼中。

5）當坯殼向下運行兩個振動周期，坯殼的形狀如圖4(e)所示。與a點相比，e點的鉤狀坯殼尖端逐步被熔化，但是可以看出坯殼內腔還是不均勻的。上述尺寸演變行為將會對凝固前沿的鋼液流動方向造成顯著影響，進而影響到夾雜物的運動行為。這些影響將會在后文分析。

2.3 鉤狀坯殼最大尺寸預測

金相實驗研究表明，在不同的澆注溫度和拉速下，鉤狀坯殼深度不同。圖7是利用模型分析得到的鉤狀坯殼深度的預測結果。由圖可見，拉速為1.1 m·min^-1時，澆注溫度從1550 ̊C增加到1565 ̊C，鉤狀坯殼的深度從2.9 mm降低到1.8 mm；在澆注溫度1550 ̊C的條件下，拉速從1.1 m·min^-1增加到1.7 m·min^-1，鉤狀坯殼的深度從2.9 mm降低到2.2 mm。

為了驗證模型的準確性，將金相實驗對鉤狀坯殼深度的檢測結果標記在了圖7中進行對比。由圖可見，模型的預測結果與金相實驗檢測到的鉤狀坯殼深度的最大值基本吻合。由于在實際生產中，鉤狀坯殼的演變過程還要受到鋼液流動、液面波動等因素的影響，因此多數情況下鉤狀坯殼的最終深度會變淺，并在一定范圍內呈現波動性。模型的預測結果與金相實驗結果的對比表明，本模型預測了鋼液沖刷作用不明顯的條件下的鉤狀坯殼的最終尺寸。從“短板效應”的角度考慮，這些尺寸最深的鉤狀坯殼對連鑄坯表層潔凈度影響最大，需要重點研究和控制。

3 結論

（1）沖刷作用較小的情形下，鋼液在彎月面形成初生凝固鉤后隨坯殼下行的過程中，會經歷熔化、變粗、生長、湮沒等過程。拉速1.3m·min^-1條件下最終湮沒存留在坯殼中的凝固鉤深度約為2.5mm。模擬計算揭示了凝固鉤的演變過程，其形貌特征與普通鑄坯表層和漏鋼坯殼的金相形貌特征較為吻合。

（2）初生凝固鉤下表面最容易捕獲夾雜物。第2道及以后的凝固鉤，仍然存在捕集夾雜物的行為，但幾率減小。凝固鉤的存在不僅增大了夾雜物上浮過程中遭遇的坯殼攔截面積，還對附近的鋼液的流動構成了攔截和擾動。這使得夾雜物上浮過程容易在凝固鉤附近發生回旋運動，增大了夾雜物與凝固前沿相伴運行的行程，使夾雜物被坯殼表層捕獲的幾率加大。

（3）拉速為1.1 m·min^-1時，澆注溫度從1550 ̊C增加到1565 ̊C，鉤狀坯殼的深度從2.9 mm降低到1.8 mm；在澆注溫度1550 ̊C的條件下，拉速從1.1 m·min^-1增加到1.7 m·min^-1，鉤狀坯殼的深度從2.9 mm降低到2.2 mm。

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