劉桂秋 朱永泉 王志通

摘 要：文章以45鋼小方坯為研究對(duì)象，建立連鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)鑄坯表面溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合。通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，為優(yōu)化二次冷卻制度、提高鑄坯質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：小方坯;數(shù)值模擬;二冷一區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：TF777.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）01-004-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.002

在連鑄坯生產(chǎn)過(guò)程中，連鑄坯的質(zhì)量與二冷配水有著密切關(guān)系。連鑄坯在二冷區(qū)間承受著熱應(yīng)力、熱應(yīng)變、機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，一旦這些應(yīng)力、應(yīng)變超過(guò)了鋼種所能承受的極限值，鑄坯就會(huì)產(chǎn)生裂紋等缺陷。此外，二冷配水還影響著鑄坯鑄態(tài)組織的形成和結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而影響著鑄坯的中心疏松和殘余縮孔等低倍缺陷，對(duì)于高合金的鋼種來(lái)說(shuō)更是如此。在二次冷卻過(guò)程中，當(dāng)鑄坯表面回溫過(guò)大時(shí)，在凝固前沿產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生內(nèi)裂紋;當(dāng)鑄坯表面快速冷卻時(shí)，在鑄坯表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致表面裂紋和已有裂紋的擴(kuò)展[1]。因而，在二冷過(guò)程中應(yīng)避免鑄坯表面溫度回溫過(guò)大和大幅度下降，一般要求在鑄坯的拉坯方向上，其冷卻速率不超過(guò)200℃/m，溫度回升速率不超過(guò)100℃/m。

為提高鑄坯質(zhì)量，文章以大型有限元軟件ANSYS為平臺(tái)建立了連鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)45鋼小方坯凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬。通過(guò)理論計(jì)算和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，二冷一區(qū)鑄坯表面存在回溫幅度過(guò)大的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步計(jì)算二冷一區(qū)鑄坯在不同冷卻條件時(shí)其表面的溫度變化情況，為優(yōu)化鑄坯二冷配水方式奠定理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 假設(shè)

忽略鑄坯拉坯方向的傳熱。

忽略鋼水流動(dòng)對(duì)傳熱的影響。

1.2 連鑄坯傳熱控制方程

說(shuō)明：C為比熱，ρ為密度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，qv為內(nèi)熱源[2]。

結(jié)晶器中熱流：

說(shuō)明：q為熱流密度（J/（m2·s），A、B為常數(shù)。

二冷區(qū)內(nèi)熱流：

說(shuō)明：h為對(duì)流換熱系數(shù)，w/（m2·℃），Tb為鑄坯表面溫度，Tw為冷卻水溫度。

空冷區(qū)內(nèi)熱流：

說(shuō)明：T0為環(huán)境溫度，ε為鑄坯表面黑度系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67*10-8W/（m2·K4·s）。

1.3 參數(shù)

文章針對(duì)45鋼（160*160小方坯）進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬所用的澆注工藝參數(shù)如表1所示，二冷一區(qū)參數(shù)如表2所示。

對(duì)于同一型號(hào)的噴嘴，在噴嘴距鑄坯表面垂直距離固定的條件下，噴嘴的噴射角度決定了噴淋水在鑄坯表面噴射圓面積的大小。文章噴嘴噴射直徑R通過(guò)噴嘴的噴射角度θ和噴嘴距鑄坯表面垂直距離d的關(guān)系式計(jì)算得到，如圖1所示。噴嘴噴射直徑的計(jì)算公式如式1所示。

2 現(xiàn)行參數(shù)模擬

該節(jié)針對(duì)現(xiàn)行工藝條件下的參數(shù)進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，溫度場(chǎng)數(shù)值模擬所需的二冷參數(shù)和拉速如表3所示，二冷一區(qū)在去掉足輥前后水嘴覆蓋簡(jiǎn)圖如圖2所示?，F(xiàn)行工藝條件下，鑄坯表面和中心位置冷卻曲線如圖3所示。

通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，二冷一區(qū)兩排噴嘴之間存在未能直接噴水覆蓋區(qū)：

在二冷一區(qū)（內(nèi)弧側(cè)）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長(zhǎng)度：

l=130-tan（45/2）*85*2=59mm

在二冷一區(qū)（側(cè)面）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長(zhǎng)度：

l=150-tan（45/2）*85*2=79mm

在二冷一區(qū)（外弧側(cè)）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長(zhǎng)度：

l=160-tan（45/2）*85*2=89mm

通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，由于去掉二冷一區(qū)的足輥后，在二冷一區(qū)沿拉坯方向上兩排噴嘴間存在較大的未噴水區(qū)，且未噴水區(qū)沒(méi)有足輥的導(dǎo)熱和足輥上方蓄水的傳熱，導(dǎo)致在未能?chē)娝鋮s區(qū)域（足輥對(duì)應(yīng)位置）處的鑄坯表面的冷卻速度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)回溫。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，二冷一區(qū)鑄坯表面的最大回溫達(dá)到122℃。而鑄坯表面溫度回升應(yīng)控制在100℃/m，若回溫太高會(huì)使鑄坯發(fā)生再加熱的情況，易導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生張應(yīng)力，形成裂紋，同時(shí)鋼水的重熔也會(huì)對(duì)偏析有影響[3]。

與此同時(shí)，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)強(qiáng)冷，溫度劇烈下降，當(dāng)結(jié)晶器出口與二冷一區(qū)間出現(xiàn)空冷區(qū)時(shí)，鑄坯表面會(huì)有回溫。因此，建議二冷一區(qū)的第一排噴嘴采取上傾布置，使鑄坯在出結(jié)晶器后就能得到噴水冷卻。

3 提高二冷一區(qū)水量模擬

為了驗(yàn)證提高二冷一區(qū)冷卻水量對(duì)鑄坯表面回溫的影響，該節(jié)在現(xiàn)有噴嘴布置情況下，將二冷一區(qū)的水量分配比由原工藝的25%提高到30%。提高二冷一區(qū)水量后，各區(qū)水量分配表如表4所示，鑄坯表面和中心位置冷卻曲線如圖4所示。

通過(guò)數(shù)值模擬可知，在現(xiàn)有噴嘴布置情況下，當(dāng)二冷一區(qū)水量分配比例由25%提高到30%后，二冷一區(qū)最大回溫達(dá)到131℃。提高二冷一區(qū)水量后，鑄坯表面最大回溫較未提高水量前升高9℃。因此，僅提高二冷一區(qū)水量會(huì)加劇鑄坯表面回溫幅度。

4 二冷一區(qū)全覆蓋冷卻模擬

為了減少二冷一區(qū)鑄坯表面回溫幅度，首先假定二冷一區(qū)（足輥區(qū)）為全覆蓋，全覆蓋簡(jiǎn)圖如圖5所示。然后，通過(guò)數(shù)值模擬，計(jì)算鑄坯表面和中心位置冷卻曲線，如圖6所示。

從模擬結(jié)果可知，當(dāng)二冷一區(qū)采用全覆蓋均勻冷卻時(shí)，二冷一區(qū)內(nèi)鑄坯表面回溫較小，鑄坯表面溫度緩慢波動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)行工藝條件，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的溫度場(chǎng)結(jié)果可知：由于二冷一區(qū)噴嘴噴出的水量集中在較小區(qū)域，導(dǎo)致噴水區(qū)域的鑄坯表面冷卻很強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致在隨后的未噴水區(qū)回溫幅度過(guò)大。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工藝條件下，僅增加二冷一區(qū)水量會(huì)加大鑄坯表面的回溫幅度。

模擬二冷一區(qū)鑄坯表面進(jìn)行全覆蓋冷卻時(shí)，鑄坯表面回溫較小，沒(méi)有出現(xiàn)較大的溫度波動(dòng)。

因此，二冷一區(qū)在沒(méi)有足輥支撐冷卻的工藝條件下，為能實(shí)現(xiàn)二冷一區(qū)內(nèi)鑄坯表面均勻冷卻，需優(yōu)化二冷一區(qū)水嘴布置以實(shí)現(xiàn)冷卻水在拉坯方向的全覆蓋，或者恢復(fù)二冷一區(qū)足輥設(shè)置?；謴?fù)足輥后，在加強(qiáng)足輥位置冷卻的同時(shí)，還可以阻止鑄坯變形對(duì)拉坯阻力的影響，提高對(duì)中精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 張炯明.連鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型的研究[J].連鑄，2004（5）：16-25.

[2] 劉欣.150mm×150mm方坯連鑄二次冷卻工藝的優(yōu)化[J].特殊鋼，2005（6）：52-53.

[3] 王現(xiàn)輝.軸承鋼連鑄鋼水凝固與二冷配水優(yōu)化的研究[D].唐山：河北理工大學(xué)，2005.