高碳钢连铸方坯凝固末端区域拉坯方向碳元素分布特征的定量描述与影响规律

There is always obvious carbon segregation in final solidification zone for high-carbon continuous casting bloom, and this kind of nonuniform will have a great influence on the quality stability of the high quality rod-wire steel product. As to this phenomenon, two-dimensional transverse section of bloom (perpendicular to the casting direction) is often analyzed. However, the characteristics of carbon element distribution along casting direction isn’t found and quantitatively described although some works about vertical section (along casting direction) have been done. Nowadays, due to the product using features and higher quality requirement, the nonuniform along casting direction is more and more important. Therefore, under steady-state condition, the characteristics of carbon element distribution reflecting the nonuniform along casting direction (periodicity and extremum value, et al.) in final solidification zone of high-carbon continuous-casting bloom will be investigated in this project in order to study the macrosegregation based on a new dimension. Firstly, according to the unique time continuity of the solidification process in internal region of continuous casting bloom, the time-domain method and the frequency-domain method in time-series analysis technologies will both be introduced to quantitatively describe the element distribution characteristics. Then, for studying influence factors of distribution characteristics more systematically and extracting the corresponding solidifying features in internal zone of bloom from this angle, the generalized similarity principle is used to integrally develop a relation quantitative model （dimensionless number equation） between distribution characteristics and solidification process parameters based on different actual blooms and hot model results. On the whole, by this project, a theoretical basis will be supplied for improving the element uniform along casting direction in internal region of bloom, establishing related metallurgical control standards and three-dimensional segregation characteristics study in the future.

高碳钢连铸方坯凝固末端区域易发生严重的碳偏析，这种成分不均匀会直接影响高端棒线类钢铁产品的质量稳定性。对此，前人习惯从横断面（垂直于拉坯方向）二维去研究；即使从拉坯方向上分析，已有工作并没有定量描述出相应碳元素的分布特征；但由于产品使用特点以及质量要求提高，拉坯方向的不均匀性问题愈加突出。因此，本项目以稳态条件下高碳钢连铸方坯凝固末端区域拉坯方向上显著反映其不均匀性的碳元素分布特征（周期性与极值等）为研究对象，尝试从另一个维度对宏观偏析展开研究。首先，根据铸坯内部拉坯方向凝固过程具有时间连续性的独有特点，综合引入时间序列分析技术中频域法与时域法来定量描述分布特征；然后基于不同实际与模拟结果，利用广义相似原理整体构建的无量纲准数方程来系统研究分布特征的影响因素，并以此角度进一步提炼铸坯内部的凝固特点。期盼能为以后拉坯方向均匀性的提高与冶金控制标准的建立以及偏析三维特征研究提供相应的理论基础。

高碳钢连铸方坯凝固末端区域易发生严重的碳偏析，这种成分不均匀会直接影响高端棒线类钢铁产品的质量稳定性。对此，前人习惯从横断面（垂直于拉坯方向）二维去研究；即使从拉坯方向上分析，已有工作并没有定量描述出相应碳元素的分布特征；但由于产品使用特点以及质量要求提高，拉坯方向的不均匀性问题愈加突出。本项目将以有效定量表达拉坯方向碳元素分布波动特征与分析其影响因素及对应凝固特点为主要内容。通过对不同工艺下70#、82B以及H13、GCr15等高碳钢连铸方坯内部拉坯方向偏析元素分布特征的分析，利用均方差等常规数理统计方法，并基于时间序列分析技术中的自回归移动平均（ARMA）模型法构建拓展模型，从固有周期与阻尼率等方面有效实现了对凝固末端拉坯方向碳元素分布波动特征（周期与极值等）的定量描述。通过结合实际连铸坯与热态模拟结果，基于不同高碳钢连铸方坯不同位置碳元素波动特征的计算与组织特征及对应凝固参量，利用广义相似原理等方法，发现连铸坯从外往里，波动周期整体上呈现一个先减小后增加再减小的趋势（最大值/最小值为3.5），而波动阻尼率呈先增大后不变再减小的趋势（最大值/最小值为5.6）；冷却强度增加使柱状晶区偏析元素的波动程度增加（周期降低0.48倍/单位比水量），但使等轴晶区对应的波动程度降低（周期增加0.29倍/单位比水量）；同时，所获得的无量纲准数影响方程表明，柱状晶区的周期与极值特征分别主要受枝晶间距（平均影响指数0.92）和温度梯度（平均影响指数0.83）影响，而等轴晶区的周期与极值特征分别主要受凝固过程液相流动(V形偏析) （平均影响指数0.85）和局部冷却速率（平均影响指数1.31）影响；并且凝固溶质分配系数小的合金元素波动特征更为明显。另外，同一数据形式下，不同位置周期值的变化趋势一样，但同一尺度不同数据形式下的周期值的变化趋势不一样；同一尺度下，不同位置极值的变化趋势一样，但同一数据形式不同尺度下的极值的变化趋势不一样。综合而言，通过本项目的研究，对高碳钢连铸方坯拉坯方向元素的分布特征与影响规律以及对应复杂凝固行为增加了新的认识，能为偏析元素分布均匀性的精细控制以及类似质量波动问题的定量分析提供新的理论参考。