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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(duì)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(qiáng)脫氧能力，IF鋼生產(chǎn)過程采用Al 脫氧，在很短時(shí)間內(nèi)鋼中溶解氧即可以降低到 1×10-6 ~3×10 -6 ，同時(shí)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(duì)可澆性問題，主要是要盡可能地減少夾雜物的生成并促進(jìn)夾雜物的去除，針對(duì)表面缺陷問題，主要是促進(jìn)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(xiàn)。（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(chǎng)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(xiàng)目創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)結(jié)果顯示了采用此技術(shù)時(shí)夾雜物最少。（2）超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤預(yù)測(cè)和控制技術(shù)。以往對(duì)汽車板鋼澆鑄過程凝固坯殼對(duì)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(duì)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(xiàng)目通過對(duì)不同澆鑄參數(shù)下的鑄坯凝固鉤進(jìn)行對(duì)比，研究了不同澆鑄參數(shù)對(duì)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(cè)和控制技術(shù)。通過該技術(shù)的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)不同澆鑄工藝條件下凝固鉤深度和長度的預(yù)測(cè)，并采取針對(duì)性的措施對(duì)其進(jìn)行控制。一方面有利于預(yù)測(cè)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(dòng)等）的實(shí)施有效減小凝固鉤的尺寸，如圖 2 實(shí)施，減少其對(duì)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(jī)的心臟，具有極高的冷卻效率。結(jié)晶器內(nèi)的鋼液流動(dòng)和冷卻速率對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的凝固坯殼生產(chǎn)和夾雜物的運(yùn)動(dòng)、去除和捕獲具有重要影響，尤其是對(duì)超低碳鋼鑄坯表層凝固鉤尺寸及其對(duì)夾雜物和氣泡的捕獲影響顯著。本項(xiàng)目對(duì)超低碳鋼連鑄一冷優(yōu)化模型進(jìn)行了開發(fā)。首先建立結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)及坯殼凝固模型，綜合考慮了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)、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(jìn)行結(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(jìn)行計(jì)算。運(yùn)用模型對(duì)結(jié)晶器的傳熱進(jìn)行了計(jì)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(jì)算的結(jié)晶器水流量進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，得到了適合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)水的臨界水流量水表。在模型計(jì)算過程中，模型不但考慮了鋼液流動(dòng)、鋼液及坯殼的傳熱、縫隙傳熱、銅板及冷卻水傳熱，還對(duì)冷卻水核沸等額外瞬間增大的熱阻的現(xiàn)象進(jìn)行了警示。圖3 所示為模型計(jì)算得到的不同拉速、結(jié)晶器寬度下的臨界水流量，能夠?yàn)槌吞间摑茶T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

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