高溫擴散下連鑄坯中心碳成分變化預測模型

李輝成，徐必靖，任振海，陳占領，朱富強，鄒 晉

(1.江蘇常州中天鋼鐵集團，江蘇 常州 213011； 2.江西省科學院 應用物理研究所，江西 南昌 330096)

連鑄坯偏析程度會直接影響軋制后棒材的成分、組織均勻性和力學性能，最終影響終端產品的使用性能，因此鑄坯均質化一直是影響棒材質量的瓶頸問題[1]。行業(yè)對連鑄坯均質化主要通過控制鑄坯的連鑄工藝參數(shù)，如過熱度、拉速、比水量等；采用物理場處理，如電磁攪拌(E-EMS/S-EMS/F-EMS)、脈沖磁致振蕩(PMO)、輕壓下等干預手段控制鑄坯成分偏析程度[5-7]。

對一些偏析要求比較嚴格的鋼種，如軸承鋼、齒輪鋼等，現(xiàn)有的連鑄控制手段已不能滿足成分偏析控制要求，在生產流程中常用補充手段，如軋制前工序的加熱爐高溫擴散處理[8-10]。由于軋制生產連續(xù)性，鑄坯在加熱爐內一直處于高溫狀態(tài)，其內部的成分動態(tài)變化情況無法檢測或者獲取。現(xiàn)有的加熱工藝制定主要是根據(jù)實際操作經驗或行業(yè)經驗來確定，缺乏具體的量化指標參考，如加熱時間、加熱溫度因素與鑄坯內部成分變化的量化關系。本文以Fick第二定律為基礎，通過二階偏微分方程求解，并結合初始條件和邊界條件，簡化求解方形鑄坯橫斷面一維擴散方程式，建立連鑄坯中的碳高溫擴散預測模型。然后，通過160 mm×160 mm高碳GCr15的中心碳成分在不同高溫擴散下的變化進行驗證。

1 高溫擴散模型

連鑄坯中碳擴散適用于Fick第二定律，即

(1)

為了便于計算，假設碳擴散為一維方向擴散，鑄坯碳成分由中心到邊側成線性分布，邊側無脫碳，初始條件和邊界條件為：

t=0時，C=C(x,0)

t>0時，x=0,?C/?x=0

t>0時，x=L,?C/?x=0

采用分離變量法，由二階偏微分方程求得解為：

(2)

2 試驗驗證

將軸承鋼鑄坯(規(guī)格為160 mm×160 mm)放入加熱爐，然后按照表1要求進行高溫擴散。擴散后按圖1在鑄坯上鉆屑取樣，利用碳硫分析儀進行碳成分檢測。與未高溫擴散鑄坯橫斷面特定位置的碳成分作對比，并作為模型計算基礎數(shù)據(jù)，擴散常數(shù)見表2。通過不同擴散工藝條件下鑄坯橫截面中心位置的碳含量，驗證預測模型計算值。

表1 高溫擴散試驗參數(shù)

表2 GCr15中碳擴散系數(shù)[11]

圖1 取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling location

2.1 預測模型和試驗結果

以對比樣取樣位置的碳成分作為預測模型計算的基礎數(shù)據(jù)。根據(jù)對稱性，模型計算中擴散距離為方坯尺寸的一半，即80 mm，擴散溫度和時間見表1，擴散系數(shù)見表2，由預測模型，可計算1#鑄坯中心碳含量隨擴散時間變化情況，結果如圖2所示。從圖中可以看出，對比樣連鑄坯的中心碳含量為1.15%。在設定溫度條件下，隨著擴散時間的延長，中心碳含量呈近似指數(shù)式降低，在擴散4 h后可達到模型基礎數(shù)據(jù)中的平均碳含量，模型擴散時間結果與實際生產的比較接近。但模型碳含量計算結果與試驗測量值存在較大的偏差，見圖3。

圖2 1150 ℃和1180 ℃下鑄坯中心碳含量隨擴散時間變化(預測模型)Fig.2 The variation of carbon content in the center of the billet with the diffusion time under 1150℃ and 1180℃(prediction model)

圖3 不同擴散工藝下鑄坯中心碳含量模型計算值與試驗檢測值Fig.3 Calculated model value and tested value of carbon content in the center of billet under different diffusion processes

2.2 模型偏差分析與修正

2)模型假設認為鑄坯中心到邊側的碳成分呈線性分布，但實際鑄坯的中心一定區(qū)域碳成分不呈線性分布，可將碳成分線性分布修正為非線性分布。

3)模型構建是一維模型，而實際試驗情況是二維擴散，故模型與實際擴散方式存在差異，從而導致計算結果與試驗結果偏差較大。

3 結論

1)通過試驗檢測與預測模型計算對鑄坯中心碳含量在不同高溫擴散工藝下的變化情況進行對比，發(fā)現(xiàn)經過高溫擴散后鑄坯中心碳偏析情況可得到顯著改善，模型計算擴散時間與生產工藝較吻合，但碳擴散結果與試驗檢測結果存在一定偏差。

2)對模型預測與試驗檢測結果產生偏差的原因進行分析，并提出模型下一步優(yōu)化和修正方向，為軋鋼制定軸承鋼高溫擴散工藝提供理論支持。