王亚栋等：小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 565 Simulated results 附近高浓度溶质钢液，导致严重的中心偏析和凝 90 ◆-Measured results Chilled layer. Loose side 固中心附近的负偏析，模拟结果显示，铸坯中心附 Columnar zone 近的负偏析偏离凝固中心较远，这是因为模型未 60 考虑凝固收缩导致.内弧侧的溶质浓度整体高于 Mixed zone 外弧侧，这主要是因为溶质浮力引起的热对流导 致高溶质浓度钢液向内弧侧流动导致. 1 Equiaxed zone 3模拟结果 为了研究不同连铸参数对铸坯宏观偏析的影 -30 响规律，本研究分别模拟了不同过热度、二冷水量 和拉坯速度条件下的宏观偏析.钢中同时存在C、 Si、Mn、P、S、Cr等易偏析元素，连铸凝固过程中 Fixed side 易偏析元素均存在不同程度的偏析现象，易偏析 06 0.7 0.80.91.0 1.11.2 Degree of segregation 元素的偏析规律基本一致227，因此，为表征铸坯 的宏观偏析程度，本文选用碳偏析度作为铸坯偏 图4检测得到的碳含量与模拟结果对比 Fig.4 Comparison between the calculated and measured results of the 析程度的标准 carbon content 拉速1.4mmin,正常二冷水量条件下，本文 7、西 (13) 分别模拟了过热度15、25和35℃工况铸坯横断 1m0 面的宏观偏析情况.图5为铸坯横断面碳元素的 检测结果显示，铸坯表层为负偏析，这是由于 分布云图，图6为铸坯横断面中垂线上碳元素宏 结晶器电磁搅拌导致钢液冲刷凝固前沿，将凝固 观偏析的定量结果.可以看出，随着过热度的增 前沿的富集溶质带至中间钢液，进而导致铸坯表 加，枝品转变处正偏析有所增加.铸坯中心偏析明 层的负偏析.随着连铸凝固的进行，碳含量逐渐增 显增强，铸坯中心碳偏析度从1.06增加至1.15.中 加，在距铸坯表面1/4处出现较严重的正偏析，如 心偏析的增强主要是因为在相同冷却条件下提高 图4所示，该位置与连铸坯柱状晶向等轴晶的转 浇铸温度，铸坯凝固时间延长，溶质元素有更长的 变位置相吻合，此位置的正偏析主要是由于枝晶 时间扩散，使得更多的溶质元素扩散至后期凝固 转变导致4-2，枝晶转变处枝晶变得更加粗大且 的钢液，进而加剧了铸坯的中心偏析.可以看出， 交错排布，阻碍了选分结晶产生的溶质进一步流 过热度在不超过25℃时，铸坯中心偏析和枝晶转 动，进而在枝品转变处产生正偏析.随后碳含量逐 变处偏析可以控制在一个比较低的水平.因此，将 渐降低，在凝固中心附近出现负偏析，在凝固中心 过热度控制在25℃以内，可以保证铸坯的宏观碳 处为严重的正偏析，碳偏析度可达1.16，这主要是 偏析度控制在1.10范围内 因为在凝固末端，钢液凝固收缩形成的负压抽吸 模拟结果显示，铸坯内弧侧的偏析程度要强 Loose side Mass fraction of C/ ■0.2600 0.2527 0.2453 0.2380 0.2307 0.2233 0.2160 0.2087 0.2013 0.1940 0.1867 0.1793 0.1720 0.1647 15℃ 25℃ 35℃ 0.1573 0.1500 图5过热度对铸坯宏观偏析的影响 Fig.5 Effect of superheat on the macrosegregation of the billetri = mi m0 （13） 检测结果显示，铸坯表层为负偏析，这是由于 结晶器电磁搅拌导致钢液冲刷凝固前沿，将凝固 前沿的富集溶质带至中间钢液，进而导致铸坯表 层的负偏析. 随着连铸凝固的进行，碳含量逐渐增 加，在距铸坯表面 1/4 处出现较严重的正偏析，如 图 4 所示，该位置与连铸坯柱状晶向等轴晶的转 变位置相吻合，此位置的正偏析主要是由于枝晶 转变导致[24−25] ，枝晶转变处枝晶变得更加粗大且 交错排布，阻碍了选分结晶产生的溶质进一步流 动，进而在枝晶转变处产生正偏析. 随后碳含量逐 渐降低，在凝固中心附近出现负偏析，在凝固中心 处为严重的正偏析，碳偏析度可达 1.16，这主要是 因为在凝固末端，钢液凝固收缩形成的负压抽吸 附近高浓度溶质钢液，导致严重的中心偏析和凝 固中心附近的负偏析. 模拟结果显示，铸坯中心附 近的负偏析偏离凝固中心较远，这是因为模型未 考虑凝固收缩导致. 内弧侧的溶质浓度整体高于 外弧侧，这主要是因为溶质浮力引起的热对流导 致高溶质浓度钢液向内弧侧流动导致. 3    模拟结果 为了研究不同连铸参数对铸坯宏观偏析的影 响规律，本研究分别模拟了不同过热度、二冷水量 和拉坯速度条件下的宏观偏析. 钢中同时存在 C、 Si、Mn、P、S、Cr 等易偏析元素，连铸凝固过程中 易偏析元素均存在不同程度的偏析现象，易偏析 元素的偏析规律基本一致[25−27] ，因此，为表征铸坯 的宏观偏析程度，本文选用碳偏析度作为铸坯偏 析程度的标准. 拉速 1.4 m·min−1，正常二冷水量条件下，本文 分别模拟了过热度 15、25 和 35 ℃ 工况铸坯横断 面的宏观偏析情况. 图 5 为铸坯横断面碳元素的 分布云图，图 6 为铸坯横断面中垂线上碳元素宏 观偏析的定量结果. 可以看出，随着过热度的增 加，枝晶转变处正偏析有所增加，铸坯中心偏析明 显增强，铸坯中心碳偏析度从 1.06 增加至 1.15. 中 心偏析的增强主要是因为在相同冷却条件下提高 浇铸温度，铸坯凝固时间延长，溶质元素有更长的 时间扩散，使得更多的溶质元素扩散至后期凝固 的钢液，进而加剧了铸坯的中心偏析. 可以看出， 过热度在不超过 25 ℃ 时，铸坯中心偏析和枝晶转 变处偏析可以控制在一个比较低的水平. 因此，将 过热度控制在 25 ℃ 以内，可以保证铸坯的宏观碳 偏析度控制在 1.10 范围内. 模拟结果显示，铸坯内弧侧的偏析程度要强 Simulated results Chilled layer Columnar zone Mixed zone Equiaxed zone Measured results Distance from billet center/mm 90 60 30 −30 −60 0.6 0.7 0.8 Degree of segregation Fixed side Loose side 0.9 1.0 1.1 1.2 −90 0 165 mm 图 4    检测得到的碳含量与模拟结果对比 Fig.4    Comparison between the calculated and measured results of the carbon content Loose side 15 ℃ 25 ℃ 35 ℃ Mass fraction of C/% 0.2600 0.2527 0.2453 0.2380 0.2307 0.2233 0.2160 0.2087 0.2013 0.1940 0.1867 0.1793 0.1720 0.1647 0.1573 0.1500 图 5    过热度对铸坯宏观偏析的影响 Fig.5    Effect of superheat on the macrosegregation of the billet 王亚栋等： 小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟 · 565 ·