袁志剛，李建超，王寶峰

(1.秦皇島首鋼長(zhǎng)白結(jié)晶器有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066311;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

連鑄φ600 mm大圓坯結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)

袁志剛1，李建超2，王寶峰3

(1.秦皇島首鋼長(zhǎng)白結(jié)晶器有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066311;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器錐度對(duì)提高連鑄機(jī)的產(chǎn)量，改善鑄坯的質(zhì)量，延長(zhǎng)結(jié)晶器的壽命都起著決定性的作用。采用有限元方法計(jì)算了φ600 mm大圓坯連鑄過(guò)程鑄坯的溫度收縮、結(jié)晶器內(nèi)溫度分布及變形，并通過(guò)結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸計(jì)算出圓坯結(jié)晶器錐度。結(jié)果表明：鑄坯尺寸越大，結(jié)晶器長(zhǎng)度應(yīng)適量減?。蝗绻捎秒p錐度，從彎月面到彎月面以下200 mm，結(jié)晶器錐度為2.33%/m，從彎月面下200 mm到結(jié)晶器出口錐度為0.78%/m；如果采用連續(xù)變化的錐度，錐度從最大的2.89%/m到最小值0.14%/m呈線性連續(xù)變化。

連鑄；結(jié)晶器；錐度；有限元法

0 前言

連鑄過(guò)程中，隨著坯殼在結(jié)晶器內(nèi)形成和增厚，坯殼斷面要逐漸收縮。為了改善結(jié)晶器的傳熱，結(jié)晶器設(shè)計(jì)向下的錐度。過(guò)大的錐度會(huì)造成結(jié)晶器對(duì)坯殼的擠壓，導(dǎo)致角部凹陷，坯殼與結(jié)晶器之間摩擦增加，加劇結(jié)晶器的磨損，還會(huì)出現(xiàn)表面增銅。在角部區(qū)域由于氣隙的作用會(huì)形成熱點(diǎn)，造成坯殼減薄和裂紋。錐度小會(huì)使氣隙增大，熱流減小，坯殼減薄，容易發(fā)生漏鋼。伴隨著高速連鑄技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展了雙錐度、三錐度、四錐度及連續(xù)變化錐度等多錐度的結(jié)晶器，多錐度結(jié)晶器在縱向形狀上更符合結(jié)晶坯殼的實(shí)際規(guī)律[1-12]。結(jié)晶器作為連鑄機(jī)的“心臟”，結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系到連鑄機(jī)產(chǎn)量和連鑄坯質(zhì)量。本文采用有限元方法計(jì)算了Φ600 mm大圓坯連鑄過(guò)程鑄坯的溫度及收縮、結(jié)晶器內(nèi)溫度分布及結(jié)晶器變形。通過(guò)結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸，設(shè)計(jì)出圓坯結(jié)晶器錐度。

1 結(jié)晶器的錐度設(shè)計(jì)方法

結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)原則是：在連鑄過(guò)程中，高溫變形下的結(jié)晶器壁面應(yīng)和收縮的坯殼表面貼合在一起。圓坯連鑄普遍采用的是管式結(jié)晶器，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圓坯連鑄來(lái)說(shuō)，結(jié)晶器變形對(duì)結(jié)晶器錐度的影響占20%[13-14]，因此需要考慮結(jié)晶器不均勻變形對(duì)錐度設(shè)計(jì)的影響。管式結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)計(jì)算程序如圖1所示，結(jié)晶器錐度計(jì)算公式為

(1)

式中，Δ為錐度；Mt為結(jié)晶器上部?jī)?nèi)徑；Mb為結(jié)晶器下部?jī)?nèi)徑；Mt為結(jié)晶器上部到下部之間的距離。

圖1 管式結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)計(jì)算程序圖Fig.1 Mold taper design process diagram

1.1 鋼坯在結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)和收縮計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的結(jié)晶器冷卻水出入口溫度差，計(jì)算鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的平均熱流密度；根據(jù)鋼的熱物理參數(shù)，如線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等，計(jì)算鑄流在結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)和收縮情況。

1.2 工作狀態(tài)下結(jié)晶器內(nèi)溫度計(jì)算

根據(jù)結(jié)晶器熱流密度，采用二維穩(wěn)態(tài)傳熱的有限元數(shù)學(xué)模型，沿銅管的縱斷面方向截取二維斷面作為研究對(duì)象，計(jì)算工作狀態(tài)時(shí)結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布。

1.3 結(jié)晶器變形計(jì)算

根據(jù)鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)收縮及結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)原則，確定熱狀態(tài)下結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸，以結(jié)晶器溫度作為初始條件，計(jì)算結(jié)晶器冷卻到室溫時(shí)的內(nèi)腔尺寸，根據(jù)此結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸計(jì)算結(jié)晶器的錐度。

2 計(jì)算的工藝參數(shù)及邊界處理

2.1 計(jì)算的工藝參數(shù)

計(jì)算的工藝條件見(jiàn)表1。

表1 工藝參數(shù)

2.2 鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的溫度及變形計(jì)算

由于圓坯斷面具有對(duì)稱性，因此計(jì)算時(shí)采用斷面的1/4進(jìn)行分析，在計(jì)算過(guò)程忽略拉坯方向上的縱向傳熱，計(jì)算中不考慮偏析和保護(hù)渣的影響；采用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的二維切片法建立非穩(wěn)態(tài)模型，研究該薄片從彎月面開始，以拉坯的速度往下移動(dòng)過(guò)程中熱和力學(xué)耦合過(guò)程。

力學(xué)初始條件：彎月面處液態(tài)鋼水流動(dòng)性好，與結(jié)晶器銅板緊密接觸，忽略鋼水靜壓力。

溫度場(chǎng)初始條件：開始進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)，初始溫度即為澆鑄溫度，即t=T0，其中T0為澆鑄溫度。

邊界條件：

(1)對(duì)稱面。

(2)

(2)鑄坯表面。

(3)

式中，k為鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；φx(t)為鑄坯的表面熱流，W/m2。

2.3 結(jié)晶器工作狀態(tài)溫度計(jì)算

在從結(jié)晶器從冷狀態(tài)加熱到結(jié)晶器工作狀態(tài)中，銅管的形狀對(duì)其變形影響不大。通過(guò)計(jì)算結(jié)晶器由室溫到工作時(shí)這個(gè)過(guò)程中結(jié)晶器溫度變化，得到工作狀態(tài)下結(jié)晶器的溫度分布。

(1) 初始條件：t=0時(shí)，結(jié)晶器銅板初始溫度為室溫，即T=Tc(Tc為環(huán)境溫度20 ℃)；

(2) 結(jié)晶器溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件：

結(jié)晶器外表面：

(4)

式中，A為結(jié)晶器外表面面積；hf為銅壁和冷卻水界面的對(duì)流換熱系數(shù)；Tw為結(jié)晶器外表面溫度，℃；Tb為結(jié)晶器冷卻水平均溫度，℃。

結(jié)晶器內(nèi)表面熱流：

(5)

式中，qs為鑄坯與結(jié)晶器銅管界面熱流，W/m2。

2.4 結(jié)晶器變形計(jì)算

根據(jù)結(jié)晶器設(shè)計(jì)的基本原則，以在結(jié)晶器變形后的鑄坯尺寸作為結(jié)晶器工作時(shí)內(nèi)腔尺寸來(lái)建立模型，計(jì)算模型在自然冷卻到室溫時(shí)結(jié)晶器的變形，根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸及形狀，計(jì)算結(jié)晶器的錐度。

初始溫度條件：結(jié)晶器工作狀態(tài)下的溫度；

溫度計(jì)算邊界條件：自然冷卻到室溫20 ℃；

結(jié)晶器壁約束條件：結(jié)晶器銅管上端固定，下端允許自由膨脹。

3 結(jié)晶器錐度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)結(jié)晶器銅管錐度過(guò)程中，關(guān)鍵要確定結(jié)晶器銅管的長(zhǎng)度及錐度。

3.1 大圓坯結(jié)晶器長(zhǎng)度的確定

對(duì)于大規(guī)格圓坯連鑄，由于拉速比較低，根據(jù)小規(guī)格鑄坯結(jié)晶器長(zhǎng)度來(lái)確定其長(zhǎng)度是不合適的。 一般來(lái)說(shuō)，鑄坯尺寸越大，拉速越低，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，雖然熱流密度也降低，但連鑄過(guò)程對(duì)結(jié)晶器長(zhǎng)度要求還是變短了。圖2為結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度為800mm和760mm情況下鑄坯出結(jié)晶器時(shí)斷面溫度的分布，從圖2可以看出銅管長(zhǎng)度為800mm時(shí)，鑄坯斷面的表面的溫度低于了950 ℃，鑄坯出結(jié)晶器后，在足輥區(qū)受到二次冷卻水的冷卻作用，但其冷卻強(qiáng)度不及結(jié)晶器，鑄坯表面溫度回升，如果出結(jié)晶器后鑄坯表面溫度太低，溫度回升比較大，鑄坯表面在熱應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生裂紋，因此，Φ600mm大圓坯結(jié)晶器長(zhǎng)度為760mm比較合適。

在大鑄坯結(jié)晶器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中，有人認(rèn)為銅管太短，鑄坯容易漏鋼，這種觀點(diǎn)是不正確的。鑄坯漏鋼和很多因素有關(guān)，如果鑄坯出結(jié)晶器時(shí)，鑄坯的坯殼厚度比較均勻，鑄坯漏鋼的幾率大大降低。

圖2 鑄坯出結(jié)晶器時(shí)表面溫度分布Fig.2 Surface temperature distribution of bloom at mold exit

3.2 圓坯結(jié)晶器雙錐度設(shè)計(jì)

圖3為鑄坯坯殼在結(jié)晶器內(nèi)生長(zhǎng)規(guī)律分布圖，從圖中可以看出，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)剛開始凝固時(shí)，坯殼生長(zhǎng)速度較快，是因?yàn)槟坛跗冢鳉ぽ^薄，熱阻比較小，傳熱比較小的原因。由于高碳鋼的固相線溫度比較低，φ600mm鑄坯出結(jié)晶器時(shí)坯殼厚度為19.5mm，如果坯殼在鑄坯周長(zhǎng)方向上坯殼厚度比較均勻，不會(huì)發(fā)生漏鋼現(xiàn)象。

圖3 鑄坯坯殼生長(zhǎng)規(guī)律Fig. 3 The growth law of bloom shell

圖4為Φ600mm鑄坯結(jié)晶器內(nèi)部半徑收縮量與高度的關(guān)系圖，從圖中可以看出，結(jié)晶器在工作狀態(tài)和室溫下內(nèi)腔尺寸有很大的差別，所以設(shè)計(jì)結(jié)晶器錐度時(shí)必須考慮銅管的變形。連鑄高碳鋼時(shí)，φ600mm鑄坯結(jié)晶器內(nèi)徑表面曲線基本可以劃分為兩個(gè)部分：從彎月面到彎月面以下200mm為一個(gè)部分，錐度為2.33%/m；從彎月面下200mm到結(jié)晶器出口為另一個(gè)部分，錐度為0.78%/m。從圖4熱斷面結(jié)晶器斷面曲線可以看出，在連鑄過(guò)程中，鋼液收到結(jié)晶器的冷卻作用，靠近結(jié)晶器部分開始凝固成坯殼，靠近結(jié)晶上部，坯殼比較薄，熱阻比較小，因此鋼液凝固速度比較快，坯殼收縮速度比較快。隨著坯殼向下移動(dòng)，坯殼越來(lái)越厚，熱阻也變大，坯殼生長(zhǎng)速度變慢，坯殼收縮速度也變慢，因此對(duì)于雙錐度結(jié)晶器來(lái)說(shuō)，上部錐度較大，下部錐度較小。

圖4 鑄坯結(jié)晶器內(nèi)部半徑收縮量與高度的關(guān)系Fig.4 The relationship between mold inner radius shrinkage and its height of bloom

3.3 圓坯結(jié)晶器連續(xù)錐度設(shè)計(jì)

隨著結(jié)晶器制造技術(shù)的提高，連續(xù)變化錐度結(jié)晶器在工業(yè)中也得到了大量的應(yīng)用。根據(jù)前面計(jì)算銅管內(nèi)壁冷狀態(tài)的結(jié)晶器曲線，采用數(shù)據(jù)擬合的方式，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)壁的曲線進(jìn)行擬合成二次曲線，二次曲線方程為y=622.2-18.3x+11.64x2。結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸隨結(jié)晶器長(zhǎng)度的變化規(guī)律如圖5所示。比較圖5和圖4中的冷狀態(tài)下結(jié)晶器室溫下曲線，不難發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)腔二次曲線和鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)收縮更趨于一致，這樣的結(jié)晶器在工作狀態(tài)更能夠和鑄坯坯殼貼合一起，提高了結(jié)晶器的傳熱效率，并能夠提高連鑄坯的質(zhì)量。

以25mm為間距可以得到結(jié)晶器沿結(jié)晶器銅管長(zhǎng)度方向連續(xù)變化規(guī)律，如圖6所示。錐度從最大的2.89%/m到出口處的最小值0.14%/m，在整個(gè)結(jié)晶器長(zhǎng)度方向呈近似線性降低，這符合鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的凝固規(guī)律。

圖5 結(jié)晶器內(nèi)徑尺寸變化規(guī)律Fig.5 Variation of inner diameter of mould

圖6 連續(xù)變化錐度結(jié)晶器的錐度變化規(guī)律Fig. 6 The variation law of the mould taper

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于φ600mm大圓坯，由于拉速比較低，結(jié)晶器長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，結(jié)晶器長(zhǎng)度采用760mm。

(2) 如果結(jié)晶器設(shè)計(jì)成雙錐度，φ600鑄坯結(jié)晶器內(nèi)徑表面曲線基本可以劃分為兩個(gè)部分：從彎月面到彎月面以下200mm為一個(gè)部分，錐度為2.33%/m；從彎月面下200mm到結(jié)晶器出口為另一個(gè)部分，錐度為0.78%/m。

(3) 如果結(jié)晶器設(shè)計(jì)成連續(xù)變化的錐度，結(jié)晶器內(nèi)腔曲線形狀為二次曲線，錐度從最大的2.89%/m到出口處的最小值0.14%/m呈線性連續(xù)變化。

[1]B.G.Thomas,M.DziubaG.DiGresiaStudyofCCNarrow-FaceTaperDesign-Influenceofthecastingspeedandsteelcomposition[C]. 14th.IASSteelmakingConference, 2003,SanNicolas,Argentina.

[2]ChowC,SamarasekeraIV,WalkerBN,LockhartG.Highspeedcontinuouscastingofsteelbillets,Part2:Mouldheattransferandmoulddesign[J].IronmakingandSteelmaking, 2002, 29(1):61-69.

[3]ChowC，SamarasekeraIV.HighSpeedContinuousCastingofSteelBillets.Part1:GeneralOverview[J].IronmakingandSteelmaking, 2002，29( 1) : 53-60.

[4]HuespeAE，CardonaA，F(xiàn)achinottiV.Thermome-chanicalModelofAContinuousCastingProcess[J].ComputMethodsAppl.Mech.Engery. 2000,182: 439-455.

[5]B.Wang,B.N.Walker,I.V.Samarasekera.Shellgrowth,surfacequalityandmouldtaperdesignforhigh-speedcastingofstainlesssteelbillets[J].CanadianMetallurgicalQuarterly. 2000, 4(39): 441-454.

[6] 李建超,王寶峰. 連鑄結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)[J].鞍鋼技術(shù)，2014(2)：1-6.

[7] 王寶峰，丁國(guó). 奧氏體不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器錐度的優(yōu)化[J]. 特殊鋼，2005， 26(2)：38-40.

[8] 申文軍，王寶峰. 寬厚板坯連鑄結(jié)晶器錐度的優(yōu)化[J]. 連鑄，2013(3)：7-11.

[9] 申文軍. 寬厚板坯連鑄結(jié)晶器錐度研究[D]．包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2013.

[10]陶紅標(biāo)，呂曉軍. 薄板坯連鑄結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 鋼鐵，2012，47(1)：28-33.

[11]羅偉. 異型坯連鑄過(guò)程中結(jié)晶器銅板及鑄坯熱力行為數(shù)值模擬研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2012.

[12]李建超，王寶峰.方坯及圓坯結(jié)晶器錐度的測(cè)量及分析[J].連鑄，2007(4)：27-30.

[13]王建剛．小方坯連鑄結(jié)晶器銅管錐度研究[D]．包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009.

[14]李豐德. 圓坯連鑄結(jié)晶器錐度研究[D]．包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009.

Mould taper design ofΦ600 mm bloom for continuous casting

YUAN Zhi-gang1, LI Jian-chao2, WANG Bao-feng3

(1. Qinhuangdao Shougang Changbai Mould Ltd.，Qinhuandao 066311, China；2. School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China;3.School of Material and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

The taper of mould plays an important role in raising output, improving the billet quality and prolonging the mould lifespan in the course of continuous casting. In this article，temperature and shrinkage of bloom with diameter of 600mm, mould temperature distribution and mould distortion are computed. The results show that the larger the size of bloom is, the smaller the length of mold should be. If the double taper is used, the taper is 2.33%/m from the meniscus to the position below meniscus 200mm and the taper of the rest is 0.78%/m. If the mold taper is designed to be a continuous variation, the taper from the maximum of the 2.89%/m to the minimum value of 0.14%/m is linear.

continuous casting；mould；taper；finite element method

2016-01-04；

2016-02-08

袁志剛(1967-)，男，秦皇島首鋼長(zhǎng)白結(jié)晶器有限責(zé)任公司工程師，研究方向：冶金設(shè)備。

TF777

A

1001-196X(2016)06-0060-05