汽車板鋼中非金屬夾雜物控制關(guān)鍵技術(shù)
汽車板要求優(yōu)異的深沖性能,主要是 IF 鋼,也稱超低碳鋼,在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。對于 IF 鋼,要獲得成品鋼材的高延展性、高塑性應(yīng)變比以及優(yōu)良的表面性能,要求鋼中 C、N、O 含量盡可能低。由于鋁具備強脫氧能力,IF鋼生產(chǎn)過程采用Al 脫氧,在很短時間內(nèi)鋼中溶解氧即可以降低到 1×10-6 ~3×10 -6 ,同時生成 Al 2 O 3 夾雜。目前 IF 鋼生產(chǎn)過程遇到的與夾雜物有關(guān)的問題主要包括:(1)鋼水可澆性差,易發(fā)生浸入式水口堵塞;(2)由鑄坯內(nèi)大型夾雜物引起的冷軋薄板表面長條線狀缺陷等。其中針對可澆性問題,主要是要盡可能地減少夾雜物的生成并促進夾雜物的去除,針對表面缺陷問題,主要是促進夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)的上浮去除,減少夾雜物被凝固坯殼捕捉。因此,開發(fā)了汽車板中非金屬夾雜物控制關(guān)鍵技術(shù),為提升國內(nèi)鋼鐵企業(yè)汽車板的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量做出了貢獻。(1)RH 精煉能力提升技術(shù)。RH 真空精煉是汽車板鋼中非金屬夾雜物去除的主要場所,RH 精煉能力的提升有利于增加夾雜物的去除效率。而 RH 循環(huán)流量的增加是提升其精煉能力的主要手段。以往的研究主要集中于增大提升氣體流量或者增大真空度來增加 RH 循環(huán)流量,但能夠?qū)崿F(xiàn)的增幅有限。本項目創(chuàng)造性地設(shè)計了一種圓形上升管-橢圓下降管的 RH 新型真空槽裝置,并應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)實踐。將RH 反應(yīng)器的下降管替換為橢圓形,在不必增加鋼包內(nèi)徑的前提下增大了下降管的截面積,起到增大循環(huán)流量并延長鋼包使用壽命的效果。該技術(shù)可解決 RH 精煉效率提升的瓶頸問題,能夠大幅提升 RH 真空精煉的效率和能力。圖 1 所示的工業(yè)試驗結(jié)果顯示了采用此技術(shù)時夾雜物最少。(2)超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤預(yù)測和控制技術(shù)。以往對汽車板鋼澆鑄過程凝固坯殼對夾雜物的捕獲現(xiàn)象研究較少,而通過研究發(fā)現(xiàn)澆鑄過程鋼中夾雜物和氣泡容易被鑄坯表層凝固鉤結(jié)構(gòu)所捕獲。凝固鉤是在結(jié)晶器內(nèi)彎月面凝固后形成的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)向結(jié)晶器內(nèi)部延伸,很容易捕獲結(jié)晶器內(nèi)上浮的氣泡和夾雜物,從而引起鑄坯的表層缺陷。尤其是超低碳鋼凝固過程中的糊狀區(qū)較窄,更容易形成大尺寸的凝固鉤結(jié)構(gòu),因此對超低碳鋼鑄坯表層的凝固鉤結(jié)構(gòu)的控制尤為重要。本項目通過對不同澆鑄參數(shù)下的鑄坯凝固鉤進行對比,研究了不同澆鑄參數(shù)對凝固鉤深度的影響,并通過建立結(jié)晶器初始凝固模型,開發(fā)了超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤的預(yù)測和控制技術(shù)。通過該技術(shù)的實施可以實現(xiàn)不同澆鑄工藝條件下凝固鉤深度和長度的預(yù)測,并采取針對性的措施對其進行控制。一方面有利于預(yù)測汽車板鑄坯的扒皮深度,另一方面通過控制措施(較高拉速、較高澆鑄溫度和較低的結(jié)晶器一冷水流量、采用電磁制動等)的實施有效減小凝固鉤的尺寸,如圖 2 實施,減少其對大尺寸夾雜物和氣泡的捕獲,從而提升汽車板表面質(zhì)量。(3)超低碳鋼連鑄一冷優(yōu)化模型。結(jié)晶器是連鑄機的心臟,具有極高的冷卻效率。結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動和冷卻速率對結(jié)晶器內(nèi)的凝固坯殼生產(chǎn)和夾雜物的運動、去除和捕獲具有重要影響,尤其是對超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤尺寸及其對夾雜物和氣泡的捕獲影響顯著。本項目對超低碳鋼連鑄一冷優(yōu)化模型進行了開發(fā)。首先建立結(jié)晶器內(nèi)的流動及坯殼凝固模型,綜合考慮了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動、鋼液及坯殼的傳熱、坯殼與銅板間的縫隙傳熱、銅板及冷卻水的傳熱。模型首先通過Fluent 軟件進行結(jié)晶器內(nèi)的流場和溫度場模擬,然后將得到的固相線處的熱流密度導(dǎo)出,作為凝固模型的參數(shù)輸入到凝固模型中進行計算。運用模型對結(jié)晶器的傳熱進行了計算,模擬了一系列結(jié)晶器寬度、拉速及澆鑄過熱度的結(jié)果,并將計算的結(jié)晶器水流量進行綜合統(tǒng)計,得到了適合現(xiàn)場調(diào)水的臨界水流量水表。在模型計算過程中,模型不但考慮了鋼液流動、鋼液及坯殼的傳熱、縫隙傳熱、銅板及冷卻水傳熱,還對冷卻水核沸等額外瞬間增大的熱阻的現(xiàn)象進行了警示。圖3 所示為模型計算得到的不同拉速、結(jié)晶器寬度下的臨界水流量,能夠為超低碳鋼澆鑄過程結(jié)晶器一冷水量優(yōu)化提供指導(dǎo),一冷水并不是越大越好,在保證安全的情況下適當(dāng)?shù)亟档鸵焕渌磕軌蛴行p小凝固鉤尺寸和鑄坯表層夾雜物的數(shù)量。
北京科技大學(xué)
2021-04-13