AH32鋼板坯連鑄凝固傳熱過程數(shù)值模擬

趙建偉，張樹才，李可斌，張江濤，劉福斌，李花兵

(1．山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術(shù)中心，太原030003;2．東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

船舶工作環(huán)境惡劣，船體外殼要承受海水的化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和海洋生物、微生物的腐蝕，還要承受較大的風(fēng)浪沖擊和交變負(fù)荷作用，再加上船舶加工成型復(fù)雜等原因，對(duì)船體結(jié)構(gòu)用鋼要求嚴(yán)格［1～3］．連鑄坯質(zhì)量主要受過熱度、拉速與冷卻條件的控制［4～6］，而數(shù)學(xué)模擬方法是優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)進(jìn)而提高鑄坯質(zhì)量的有效手段;通過研究鑄坯凝固過程的規(guī)律和工藝控制措施，可以提高鑄機(jī)生產(chǎn)能力，改善和控制鑄坯質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)過程的動(dòng)態(tài)控制［7～12］．

本文針對(duì)AH32 鋼板坯連鑄過程，建立了垂直拉坯方向傳熱的二維切片跟蹤鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，利用有限元軟件ANSYS 對(duì)板坯連鑄凝固過程進(jìn)行模擬，為連鑄工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)．

1 模型的建立

1.1 板坯凝固傳熱方程

鑄坯自結(jié)晶器內(nèi)鋼水彎月面處以一定的拉速移動(dòng)，熱量從鑄坯中心向坯殼表面?zhèn)鬟f，由于鑄坯軸向傳熱比徑向傳熱小得多，故可忽略沿z 方向的傳熱．基于鑄坯在凝固過程中的對(duì)稱性，取1/4斷面處為研究對(duì)象．如圖1所示，設(shè)厚為dx，寬為dy，高為dz 的鑄坯微元體，應(yīng)用二維切片跟蹤法得到方坯的傳熱方程如下［13］:

式中:λ 為鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為鋼的比熱容，ρ為鋼的密度．

圖1 連鑄凝固示意圖Fig.1 Schematic diagram of solidification during continuous-casting

1.2 假設(shè)條件

根據(jù)連鑄工藝及鑄坯傳熱特點(diǎn)作如下假設(shè)［14～16］:鑄坯密度不隨溫度變化;不考慮鑄坯軸向傳熱，僅考慮切片寬度和厚度方向的傳熱;在鑄坯凝固過程中凝固潛熱的釋放呈線性變化;將鑄坯沿拉坯方向離散成若干個(gè)切片;在計(jì)算過程中，只考慮鑄坯斷面的1/4;在連鑄機(jī)的同一個(gè)冷卻區(qū)內(nèi)冷卻強(qiáng)度保持恒定．

1.3 初始條件

凝固開始即時(shí)間=0 時(shí)，結(jié)晶器彎月面溫度T(x，y):

T(x，y)=T0

式中:T0為澆注溫度，1 543 ℃．

1.4 邊界條件

(1)結(jié)晶器:

結(jié)晶器溫度邊界條件采用第二類邊界條件［17］:

式中:A 和B 是與結(jié)晶器冷卻效果相關(guān)的參數(shù)，A=2.2752 ×106W/m2，B 的取值可根據(jù)結(jié)晶器四個(gè)側(cè)面的冷卻水流量和進(jìn)出口水溫差計(jì)算出的平均熱流確定;vcast為拉速．

(2)在二冷段［18，19］:

1)對(duì)于鑄坯寬面:

采用綜合對(duì)流換熱系數(shù)來(lái)考慮噴淋水、輥道及其輻射換熱，鑄坯表面的綜合對(duì)流換熱系數(shù)hi為:

式中:βr表示修正系數(shù)，hspray為噴淋水與鋼的對(duì)流換熱系數(shù)，σ 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)(5.67 ×10－8W/(m2·K4))，ε 為鑄坯表面的黑度(取0.8)，Tcondition為環(huán)境溫度．

2)對(duì)于鑄坯窄面:

鑄坯表面與周圍環(huán)境間的自然對(duì)流換熱:

式中:Tsurface為表面溫度．

3)鑄坯表面的輻射散熱:

2 連鑄過程模擬條件

連鑄機(jī)基本工藝參數(shù)如表1所示．本計(jì)算所模擬的厚板坯連鑄機(jī)為直弧型連鑄機(jī)，結(jié)晶器長(zhǎng)0.9 mm，二冷段長(zhǎng)30 m，二冷區(qū)共10 個(gè)扇形段，其中，1 至8 為弧形段，9、10 為矯直段，所用總水量2 453.5 L/min;合金成分如表2所示．

表1 連鑄機(jī)工藝參數(shù)Table 1 Parameters of continuous caster

表2 AH32 的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Composition of AH32 (mass fraction) %

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

利用此模型對(duì)AH32 鋼在拉速為1.1 m/min的連鑄過程進(jìn)行模擬，得出其凝固進(jìn)程曲線．圖2是凝固殼厚度的計(jì)算值同射釘測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，兩者基本吻合．

從圖2 可以看出在結(jié)晶器內(nèi)，坯殼生長(zhǎng)速度較快，其主要原因是結(jié)晶器內(nèi)，坯殼薄且向外傳熱熱流密度較大，坯殼凝固快;隨著坯殼的變厚，坯殼的傳熱成為控制性環(huán)節(jié)，兩相區(qū)沿結(jié)晶器長(zhǎng)度方向逐漸增加，而液芯的厚度逐漸減小;在凝固后期，固/液界面處凝固潛熱釋放總量隨著液芯減少而減少，導(dǎo)致坯殼厚度的增長(zhǎng)速率有一定程度的提升．

在結(jié)晶器出口坯殼厚度為19.4 mm，在距彎月面21.05 m 位置坯殼厚度達(dá)到半個(gè)鑄坯厚度(110 mm)，即完全凝固．射釘測(cè)試結(jié)果是在距結(jié)晶器液面20.86 m 的位置，絕對(duì)誤差為0.19 m．

圖2 拉速1.1 m/min 時(shí)坯殼厚度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.2 Calculated and measured shell thickness when casting speed is 1.1 m/min

4 模擬結(jié)果及其分析

4.1 鑄坯拉速對(duì)鑄坯表面溫度的影響

圖3 為過熱度15 ℃，拉速分別為1.0 m/min、1.1 m/min 時(shí)的鑄坯表面溫度變化情況．

圖3 拉速對(duì)鑄坯表面溫度的影響Fig.3 Effect of casting speed on surface temperature of casting product

從圖3 可以看出，在過熱度相同條件下，隨著拉速的提高，鑄坯表面溫度顯著升高．在冷卻水總量相同時(shí)，拉速提高，比水量降低，導(dǎo)致鑄坯表面溫度升高．AH32 鋼在920～1050 ℃范圍內(nèi)有較好的高溫塑性．模擬結(jié)果表明，當(dāng)拉速為1.1 m/min時(shí)，鑄坯表面溫度基本上處于該溫度范圍內(nèi)，有利于在彎曲和矯直時(shí)防止鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生．另外，拉速較高有利于生產(chǎn)率的提高．

4.2 過熱度對(duì)鑄坯坯殼生長(zhǎng)的影響

圖4 和圖5 表示AH32 鋼拉速為1.1 m/min時(shí)，不同過熱度下，鑄坯坯殼厚度隨距液面距離的變化．由圖可以看出，過熱度從15 ℃增加到25 ℃時(shí)，鑄坯的凝固液芯長(zhǎng)度由21.05 m 增加到22.02 m，可見，過熱度的加大延長(zhǎng)了鑄坯的凝固時(shí)間．

過熱度提高到25 ℃使鑄坯的總體溫度提高1～2 ℃，使整個(gè)凝固過程稍有延長(zhǎng);根據(jù)鑄坯中心等軸晶形核理論，結(jié)晶器熔池的溫度過高會(huì)融化從彎月面等處漂流來(lái)的晶核，抑制了中心等軸晶的發(fā)育．

圖4 拉速為1.1 m/min、過熱度為15 ℃時(shí)鑄坯溫度場(chǎng)和坯殼厚度隨距液面距離的變化Fig.4 Temperature field of casting product and shell thickness，when casting speed is 1.1 m/min and superheat degree is 15 ℃

圖5 拉速為1.1 m/min、過熱度為25 ℃時(shí)鑄坯溫度場(chǎng)和坯殼厚度隨距液面距離的變化Fig.5 Temperature field of casting product and shell thickness，when casting speed is 1.1m/min and superheat degree is 25 ℃

5 結(jié) 論

(1)本文應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)AH32 鋼2 270 mm×220 mm 板坯連鑄過程進(jìn)行了模擬，建立了二維切片跟蹤模型并計(jì)算連鑄機(jī)內(nèi)所有切片在連鑄板坯寬度和厚度方向的溫度分布，采用工業(yè)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該模型可以較為準(zhǔn)確地模擬連鑄板坯凝固過程．

(2)模擬結(jié)果表明，船板鋼在拉速1.1 m/min條件下，過熱度為15 ℃時(shí)，凝固末端位置在距結(jié)晶器液面21.05 m 的位置，過熱度為25 ℃時(shí)，凝固末端位置在距結(jié)晶器液面22.02 m 的位置．

(3)計(jì)算出坯殼厚度的變化曲線，為制定合理的二冷制度，確定動(dòng)態(tài)輕壓下的壓下位置提供可靠的依據(jù)．

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