連鑄φ600 mm大圓坯結(jié)晶器錐度設(shè)計

袁志剛，李建超，王寶峰

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

連鑄φ600 mm大圓坯結(jié)晶器錐度設(shè)計

袁志剛1，李建超2，王寶峰3

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

在連鑄過程中，結(jié)晶器錐度對提高連鑄機的產(chǎn)量，改善鑄坯的質(zhì)量，延長結(jié)晶器的壽命都起著決定性的作用。采用有限元方法計算了φ600 mm大圓坯連鑄過程鑄坯的溫度收縮、結(jié)晶器內(nèi)溫度分布及變形，并通過結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸計算出圓坯結(jié)晶器錐度。結(jié)果表明：鑄坯尺寸越大，結(jié)晶器長度應(yīng)適量減??；如果采用雙錐度，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)計向下的錐度。過大的錐度會造成結(jié)晶器對坯殼的擠壓，導致角部凹陷，坯殼與結(jié)晶器之間摩擦增加，加劇結(jié)晶器的磨損，還會出現(xiàn)表面增銅。在角部區(qū)域由于氣隙的作用會形成熱點，造成坯殼減薄和裂紋。錐度小會使氣隙增大，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)晶坯殼的實際規(guī)律[1-12]。結(jié)晶器作為連鑄機的“心臟”，結(jié)晶器錐度設(shè)計是否合理直接關(guān)系到連鑄機產(chǎn)量和連鑄坯質(zhì)量。本文采用有限元方法計算了Φ600 mm大圓坯連鑄過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。通過結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸，設(shè)計出圓坯結(jié)晶器錐度。

1 結(jié)晶器的錐度設(shè)計方法

結(jié)晶器錐度設(shè)計原則是：在連鑄過程中，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)，對于圓坯連鑄來說，結(jié)晶器變形對結(jié)晶器錐度的影響占20%[13-14]，因此需要考慮結(jié)晶器不均勻變形對錐度設(shè)計的影響。管式結(jié)晶器錐度設(shè)計計算程序如圖1所示，結(jié)晶器錐度計算公式為

(1)

式中，Δ為錐度；Mt為結(jié)晶器上部內(nèi)徑；Mb為結(jié)晶器下部內(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)計計算程序圖Fig.1 Mold taper design process diagram

1.1 鋼坯在結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長和收縮計算

根據(jù)現(xiàn)場采集的結(jié)晶器冷卻水出入口溫度差，計算鑄坯在結(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)、導熱系數(shù)、比熱等，計算鑄流在結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長和收縮情況。

1.2 工作狀態(tài)下結(jié)晶器內(nèi)溫度計算

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)學模型，沿銅管的縱斷面方向截取二維斷面作為研究對象，計算工作狀態(tài)時結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布。

1.3 結(jié)晶器變形計算

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，計算結(jié)晶器冷卻到室溫時的內(nèi)腔尺寸，根據(jù)此結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸計算結(jié)晶器的錐度。

2 計算的工藝參數(shù)及邊界處理

2.1 計算的工藝參數(shù)

計算的工藝條件見表1。

表1 工藝參數(shù)

2.2 鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的溫度及變形計算

由于圓坯斷面具有對稱性，因此計算時采用斷面的1/4進行分析，在計算過程忽略拉坯方向上的縱向傳熱，計算中不考慮偏析和保護渣的影響；采用運動坐標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過程中熱和力學耦合過程。

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

溫度場初始條件：開始進入結(jié)晶器時，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)對稱面。

(2)

(2)鑄坯表面。

(3)

式中，k為鋼的導熱系數(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，銅管的形狀對其變形影響不大。通過計算結(jié)晶器由室溫到工作時這個過程中結(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，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)晶器溫度場計算的邊界條件：

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)晶器變形計算

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

在設(shè)計結(jié)晶器銅管錐度過程中，關(guān)鍵要確定結(jié)晶器銅管的長度及錐度。

3.1 大圓坯結(jié)晶器長度的確定

對于大規(guī)格圓坯連鑄，由于拉速比較低，根據(jù)小規(guī)格鑄坯結(jié)晶器長度來確定其長度是不合適的。 一般來說，鑄坯尺寸越大，拉速越低，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)停留時間越長，雖然熱流密度也降低，但連鑄過程對結(jié)晶器長度要求還是變短了。圖2為結(jié)晶器銅管長度為800mm和760mm情況下鑄坯出結(jié)晶器時斷面溫度的分布，從圖2可以看出銅管長度為800mm時，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)晶器長度為760mm比較合適。

在大鑄坯結(jié)晶器長度設(shè)計過程中，有人認為銅管太短，鑄坯容易漏鋼，這種觀點是不正確的。鑄坯漏鋼和很多因素有關(guān)，如果鑄坯出結(jié)晶器時，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

圖3為鑄坯坯殼在結(jié)晶器內(nèi)生長規(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，坯殼生長速度較快，是因為凝固初期，坯殼較薄，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)晶器時坯殼厚度為19.5mm，如果坯殼在鑄坯周長方向上坯殼厚度比較均勻，不會發(fā)生漏鋼現(xiàn)象。

圖3 鑄坯坯殼生長規(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)計結(jié)晶器錐度時必須考慮銅管的變形。連鑄高碳鋼時，φ600mm鑄坯結(jié)晶器內(nèi)徑表面曲線基本可以劃分為兩個部分：從彎月面到彎月面以下200mm為一個部分，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，坯殼越來越厚，熱阻也變大，坯殼生長速度變慢，坯殼收縮速度也變慢，因此對于雙錐度結(jié)晶器來說，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

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，對結(jié)晶器內(nèi)壁的曲線進行擬合成二次曲線，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，在整個結(jié)晶器長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) 對于φ600mm大圓坯，由于拉速比較低，結(jié)晶器長度不能太長，結(jié)晶器長度采用760mm。

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

(3) 如果結(jié)晶器設(shè)計成連續(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。

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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，秦皇島首鋼長白結(jié)晶器有限責任公司工程師，研究方向：冶金設(shè)備。

TF777

A

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