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高碳钢连铸方坯作为生产轴承、弹簧和帘线等特殊用钢产品的基料,其质量尤其是内部质量将直接影响成材率和产品质量。为此,本文选择高碳钢方坯的内部质量控制作为研究内容。本文以国内某钢厂160mm×160mm高碳钢方坯连铸机为研究对象,考虑到十流浇铸条件下钢液在中间包内停留时间不均匀而导致各流过热度和方坯内部夹杂物水平差异,且高碳钢方坯因自身凝固特性而产生中心偏析,从而不利于获得优异内部质量方坯的现实,从中间包内钢液流动特性和方坯中心偏析两个方面入手,研究开发了高品质高碳钢方坯连铸生产工艺技术。首先,采用物理模拟和数学模拟相结合的方法,研究不同控流装置及操作参数下中间包内流场的流动特性,从而提出合理的中间包控流装置及操作参数；其次,建立方坯连铸凝固传热数学模型,结合方坯表面红外测温试验、射钉试验和凝固枝晶腐蚀实验结果,研究方坯表面温度、坯壳厚度和冷却强度分布规律,并预测不同浇铸条件下凝固末端电磁搅拌(F-EMS)位置的液芯厚度,同时优化了高碳钢方坯拉速和二次冷却强度；再次,建立了凝固末端电磁搅拌数学模型,结合二次冷却制度研究结果,考察了不同凝固末端电磁搅拌工艺条件下,液芯流场和电磁场变化规律,优化了凝固末端电磁搅拌工艺参数。同时通过工业试验,考察不同优化方案的冶金效果。本文提出了适合改善高碳钢方坯洁净度的中间包控流装置和操作参数和中心质量的低拉速+二次冷却区强冷+凝固末端电磁搅拌的工艺路线和技术参数。本文得到以下主要结论：(1)通过对钢厂采用的中间包控流装置进行数学和物理模拟的研究表明,此控流装置下中间包内的活塞区体积分数偏小,死区体积分数较大,且钢水实际停留时间较短,这不利于夹杂物的去除,因此,中间包内的控流装置有待于进一步优化。通过分析中间包流动控制的文献报道和实验室已积累的成果,并结合生产实际,共设计了四种不同形状的抑湍器以及两种不同形状的多孔挡墙,对不同组合下的控流方案进行了数学物理模拟,综合考虑活塞区与死区体积分数之比和多流一致性,采用3号抑湍器和2号挡墙的控流方案10(如图1)的中间包流场最为合理。浸入深度为250mm,熔池深度为800mm,拉坯速度为2.0m/min为该形状下十流中间包的最优操作参数。优化后的各流水口平均温差由原来的8℃降低至4℃C,优化后的中间包各流夹杂物的平均个数由原来的2.44个/mm2降至1.42个/mm2,且大于21μm的夹杂物由原来的15.2×10-3个/mm2降至6.2×10-3个/mm2。(2)通过采用现场红外测温、方坯射钉试验和枝晶腐蚀实验,结合方坯连铸凝固传热数学模型,研究方坯连铸二次冷却的均匀性和二次冷却制度对凝固传热与凝固末端电磁搅拌位置处液芯厚度的影响规律。强冷条件(比水量为1.03-1.06L/kg)和1.90m/min、 1.99m/min和2.05m/min拉速条件下,70钢方坯射钉位置处(距弯月面11.786m)坯壳厚度实测值为67mm、65mm和62mm,凝固末端电磁搅拌入口与出口的液芯厚度分别为72.2mm与64.4mn、74.8mm与67.6mm和75.0mm与68.0mm, SWRH82B钢在拉速1.81m/min、1.90m/min和2.01m/min条件下射钉位置处(距弯月面11.476m)的坯壳厚度分别为64.0mm、61.0mm和55.0mm,凝固末端电磁搅拌入口与出口的液芯厚度分别为73.0mm与65.2mm、75.4mm与68.2mm和81.8mm与75.2mm。结合工业试验结果,70钢方坯在拉速1.80m/min条件下凝固末端电磁搅拌位置处合理的液芯厚度为63.9-55.0mm。同时在凝固末端电磁搅拌电流和频率分别为340A和6Hz,拉速和比水量分别为1.81m/min1.03L/kg试验条件下,SWRH82B方坯柱状晶沿与表面呈一定角度方向生长,表面方坯表面冷却不均匀性。自表面至中心,糊状区冷却速率从50.2℃/s降至0.7℃/s左右,从而形成2.0mm表层细小等轴晶区和28.0mm柱状晶区厚度,同时柱状晶一次枝晶间距从136.3μm急剧升至415.91μm,然而中心等轴晶二次枝晶间距保持在180.0μm至280.0μm范围内。弱冷条件(比水量为0.44～-0.46L/kg)下,60钢和70钢空冷区回温高达105.1℃和109.1℃,增加内裂纹产生的几率。(3)通过建立方坯凝固末端电磁搅拌电磁场和流场数学模型,结合磁感应强度实测结果,研究了凝固末端电磁搅拌器处的电磁场和流场分布,考察了不同工艺参数对流场的影响。方坯内的磁感应强度随着电流强度的增加而增大,使方坯糊状区钢液呈漩涡状流动,在搅拌器中心靠下处达到最大,随着电磁参数的增加,糊状区的搅拌强度增大；电流频率固定在6Hz时,60钢最大切向速度由300A的11.2cm/s增大到400A的18.2cm/s；电流恒定在320A时,搅拌频率增加1Hz,最大切向速度增加1.7cm/s；拉速从1.8m/min增加到2.0m/min,横向最大搅拌速度增加7.16cm/s,过热度增加20℃,方坯横截面温度变化较小,凝固末端最大搅拌速度增加2.64cm/s。70钢方坯凝固末端频率为6Hz时,最大切向速度由360A的13.4cm/s增大到420A的17.7cm/s,电流为400A时,频率增加1Hz,最大切向速度增加2.23cm/s; SWRH82B钢方坯凝固末端频率为6Hz时,最大切向速度由360A的12.4cm/s增大到440A的17.6cm/s；电流为420A时,频率增加1Hz,最大切向速度增加2.23cm/s; 60、70、SWRH82B方坯的最佳末端电磁搅拌参数分别为380A/6Hz、400A/6Hz和420A/6Hz。(4)现场试验结结果表明,采用1.9m/min拉速,380A/6Hz的末端电磁搅拌可使60方坯中心碳偏析指数基本保持在1.05以下；采用1.8m/min拉速,400A/6Hz的末端电磁搅拌,可使70钢方坯中心碳偏析指数基本保持在1.08以下；采用1.8m/min拉速,420A/6Hz的末端电磁搅拌,可使SWRH82B钢方坯中心碳偏析指数维持在1.07至1.15之间。同时,拉速对中心偏析的改善作用强于过热度。合理改善高碳钢方坯内部质量的工艺路线为采用适当低拉速+二次冷却强冷(1.0L/kg)+合理的凝固末端电磁搅拌参数。