新型結(jié)晶器基本參數(shù)研究及其內(nèi)鋼液行為仿真

周　超　任素波　張興中　劉晶晶　白明華

1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，0660042.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，秦皇島，066003

新型結(jié)晶器基本參數(shù)研究及其內(nèi)鋼液行為仿真

周超1,2任素波1張興中1劉晶晶1白明華1

1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，0660042.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，秦皇島，066003

摘要：為降低立式連鑄機(jī)的高度，減小設(shè)備尺寸,依據(jù)經(jīng)驗公式計算特大方坯連鑄機(jī)拉坯速度及液相穴深度。根據(jù)計算結(jié)果及可行性分析，認(rèn)為拉坯速度為0.2 m/min較為適合?；诮Y(jié)晶器傳熱學(xué)理論分析，提出了一種新型結(jié)晶器，即回字形結(jié)晶器。模擬分析了在結(jié)晶器內(nèi)部設(shè)置內(nèi)冷卻器及偏轉(zhuǎn)水口的作用，分析結(jié)果表明回字形結(jié)晶器可以提高傳熱效率，減少中心偏析，形成水平旋流以利于均勻鋼水成分及坯殼生長，降低鋼水沖擊深度，達(dá)到電磁攪拌的冶金效果。經(jīng)計算證明，采用回字形結(jié)晶器可以降低鑄坯液相穴深度，從而降低鑄機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)費用。

關(guān)鍵詞：特大方坯連鑄；結(jié)晶器；內(nèi)冷卻器；液相穴計算

0引言

鑄坯成形過程(即鑄坯換熱過程)中，外部冷卻條件的復(fù)雜性及坯殼自身熱物性的非線性，使得鑄坯換熱過程十分復(fù)雜。鑄坯冷卻條件不合理，就會出現(xiàn)鼓肚變形甚至造成漏鋼等事故。冷卻條件直觀表現(xiàn)于鑄坯溫度場分布，因此溫度場研究對于防止事故發(fā)生及二冷區(qū)配水都極為重要[1]。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的“心臟”，其流場溫度場對鑄坯質(zhì)量有重要影響。

采用大方坯生產(chǎn)的軋制重軌、硬線盤條、無縫鋼管、大中型H型鋼、棒材、鍛材等產(chǎn)品，雖然質(zhì)量較好，但是隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，普通尺寸規(guī)格的特殊鋼材難以滿足市場的一些特殊需要，如在橋梁、隧道建造行業(yè)，亟需一些大斷面尺寸的鋼材來滿足其基礎(chǔ)建設(shè)的需要。特大方坯不但可以用于軋制生產(chǎn)普通規(guī)格的特殊鋼材，而且還能滿足橋梁、隧道建造行業(yè)的需求，此外還可用來生產(chǎn)更大規(guī)格的高質(zhì)量鍛材、齒輪鋼、軸承鋼。

目前，對于特大方坯研究較少，依據(jù)其主要特點，筆者提出了一種新型結(jié)晶器——回字形結(jié)晶器，分析了回字形結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)特點，計算了其基本參數(shù)(包含拉坯速度和液相穴深度)。

1特大方坯拉坯速度和液相穴深度計算

1.1特大方坯拉坯速度的確定

由經(jīng)驗公式法，根據(jù)鑄坯斷面確定拉坯速度[2]：

(1)

式中，K1為斷面形狀系數(shù)，m2/min; l為鑄坯斷面周長，m; F為鑄坯斷面面積，m2。

將表1數(shù)據(jù)代入式(1)計算拉坯速度為0.314～0.428 m/min，以其作為實際生產(chǎn)的拉坯速度進(jìn)行液相穴深度計算。

表1　鑄坯斷面形狀系數(shù)的經(jīng)驗值

1.2液相穴深度的基本理論

液相穴深度L是指鑄坯從結(jié)晶器液面開始到鑄坯中心液相凝固終點的長度，對立式連鑄機(jī)來說，它直接影響鑄機(jī)的總長度和高度。

由鑄坯全部凝固時間τ與鑄坯邊長D的關(guān)系得

(2)

L=vcτ

(3)

聯(lián)立式(2)、式(3)兩式，可得

(4)

式中，K2為綜合凝固系數(shù)，mm/min0.5。

鑄坯的綜合凝固系數(shù)受到鑄坯冷卻強(qiáng)度的影響，一般情況下其取值范圍為24～30 mm/min0.5，代入液相穴深度計算公式式(4)，可求得液相穴深度為 42.7～91 m。

由于700 mm×700 mm特大方坯采用立式連鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，若采用由經(jīng)驗公式計算所得的值進(jìn)行實際生產(chǎn)應(yīng)用，則液相穴長度太長，在實際生產(chǎn)中幾乎不能實現(xiàn)，因此，本文將700 mm×700 mm特大方坯的拉坯速度暫取為0.2 m/min，代入式(4)，計算得連鑄機(jī)的液相穴深度為27.2～42.5 m。與以經(jīng)驗公式計算而得到的液相穴深度相比，其液相穴深度明顯降低，從而使得連鑄機(jī)高度明顯降低。但是，即使鑄坯液相穴深度為27.2 m，此時鑄機(jī)高度依舊較高，其基礎(chǔ)建設(shè)費用依然高昂。若要進(jìn)一步降低鑄機(jī)高度，則需要進(jìn)一步研究鑄坯的凝固傳熱，如：提高結(jié)晶器的傳熱效率來提高鑄坯的凝固系數(shù)。

2結(jié)晶器傳熱分析

結(jié)晶器傳熱示意圖見圖1。結(jié)晶器中的傳熱過程主要包括：鋼液的對流傳熱、凝固殼的傳導(dǎo)傳熱、渣膜的導(dǎo)熱、氣隙的輻射和對流換熱、銅板的導(dǎo)熱及冷卻水與銅板的對流換熱等[3]。其傳熱熱阻主要由結(jié)晶器與保護(hù)膜間的接觸熱阻、氣隙的導(dǎo)熱熱阻、渣膜的導(dǎo)熱熱阻和鑄坯與保護(hù)渣間的接觸熱阻等幾部分組成。研究表明，結(jié)晶器傳熱的熱阻主要來自于氣隙熱阻，其值約占總熱阻的71%～90%[4]。那么如何減小鋼水在結(jié)晶器內(nèi)因為凝固收縮而產(chǎn)生的氣隙，提高結(jié)晶器的傳熱效率，成為結(jié)晶器研究的一項關(guān)鍵技術(shù)。

圖1　結(jié)晶器傳熱示意圖

已有的結(jié)晶器技術(shù)成果包括：德馬克公司拋物線錐度結(jié)晶器[5]、康卡斯特公司CCT結(jié)晶器[6]、達(dá)涅利公司DANAM結(jié)晶器[7]、奧鋼聯(lián)公司DIAMOND結(jié)晶器[8]、連續(xù)錐度曲線結(jié)晶器[9]，以上幾種結(jié)晶器，其設(shè)計理念基本都是基于減少或消除氣隙，而將結(jié)晶器銅板設(shè)計成具有一定的倒錐度，連續(xù)錐度或高次曲面的形式，通過這種方式來補(bǔ)償鋼水在結(jié)晶器內(nèi)凝固收縮所產(chǎn)生的氣隙，使鑄坯與結(jié)晶器壁間的氣隙最小來提高結(jié)晶器的傳熱效率。

3新型結(jié)晶器

1.浸入式偏轉(zhuǎn)水口　2.內(nèi)冷卻器壁　3.結(jié)晶器壁圖2　回字形結(jié)晶器簡圖

氣隙一般穩(wěn)定均勻分布于結(jié)晶器的中下部。假如在結(jié)晶器上部內(nèi)置一個冷卻器，可以降低或避免因氣隙而形成的熱阻，從而提高結(jié)晶器傳熱效率。為提高傳熱效率，筆者根據(jù)大方坯連鑄生產(chǎn)的特點，基于結(jié)晶器的傳熱學(xué)分析，針對700 mm×700 mm特大方坯提出一種新型結(jié)晶器——回字形結(jié)晶器，即在700 mm×700 mm特大方坯結(jié)晶器內(nèi)部設(shè)置一個方形內(nèi)冷卻器，內(nèi)冷卻器的截面尺寸為：230 mm×230 mm，高200 mm; 并且布置偏轉(zhuǎn)水口。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。

3.1新型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)理論分析

在相同的冷卻條件下，在結(jié)晶器內(nèi)部放置內(nèi)冷卻器可以提高結(jié)晶器的傳熱效率，提高連鑄坯的凝固速度，進(jìn)而提高拉坯速度。在拉坯速度不變的情況下，坯殼厚度的增加可以降低拉漏率。并且在結(jié)晶器內(nèi)部布置有一定偏轉(zhuǎn)角度的水口，可以在結(jié)晶器內(nèi)部形成水平旋流，降低鋼水的沖擊深度，起到電磁制動的作用，并有利于夾雜物、氣泡的上浮，改善鑄坯質(zhì)量。

由連鑄結(jié)晶理論中的“落雨理論”可知，內(nèi)冷卻器周圍凝固的固相在后續(xù)澆注鋼水的強(qiáng)烈沖刷下，其表面重熔且隨澆注鋼水進(jìn)入結(jié)晶器，此結(jié)晶核心同澆注的液態(tài)金屬同成分、同結(jié)構(gòu)，而喂鐵絲、加鐵砂方式會帶進(jìn)新的氧化物，相比之下，此結(jié)晶核心是更理想的外來結(jié)晶核心。當(dāng)液態(tài)金屬溫度小于或等于動力學(xué)過冷度(一般為0.1 ℃)時，就可以開始凝固，故內(nèi)冷結(jié)晶器有利于鑄坯中心等軸晶率的提高，細(xì)化中心組織[10]。

3.2液相穴深度計算

沿結(jié)晶器高度方向熱流密度q的計算公式如下[11]：

(5)

其中，系數(shù)B與結(jié)晶器的冷卻條件有關(guān)，經(jīng)計算得B=0.11，t為鑄坯在結(jié)晶器停留時間,s。運用計算所得平均熱流密度值，結(jié)合FLUENT軟件仿真可得，出結(jié)晶器時鑄坯坯殼厚度為62mm，由凝固定律公式，可反推凝固系數(shù)公式如下：

(6)

式中，δ為凝固坯殼厚度，mm。

將數(shù)據(jù)代入式(6)計算得K2=32mm/min0.5;由液相穴深度計算公式式(4)，代入數(shù)據(jù)計算得L=23.9 m。

由以上計算可知700 mm×700 mm特大方坯采用回字形結(jié)晶器進(jìn)行澆注時，其液相穴深度明顯小于用經(jīng)驗公式求得的液相穴深度值，從而降低了特大方坯連鑄機(jī)的高度。

3.3模型建立

根據(jù)假設(shè)條件與邊界條件建立的數(shù)學(xué)模型如圖3所示?？刂品匠滩捎胟-ε湍流模型[12]。回字形結(jié)晶器有效長度為750 mm，為得到充分發(fā)展的流場，將模型取為1500 mm，浸入式水口的直徑為67 mm，浸入深度為180 mm。由建立的數(shù)學(xué)模型可知，結(jié)晶器水口處的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且在實際鋼水的流動情況下，水口處的流場也較其他處復(fù)雜。因此，在水口處進(jìn)行分塊處理，用TGRID進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。其他部分用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格單元總數(shù)為398 231個，節(jié)點數(shù)為373 296個。材料的物性參數(shù)如表1所示。

圖3　數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格劃分

澆注溫度(K)1808液相線溫度(K)1795固相線溫度(K)1740比熱容(J/(kg·K))680熱導(dǎo)率(W/(m·K))28.8密度(kg/m3)7600黏度(kg/(m·s))0.0062連鑄坯斷面(mm×mm)700×700水口直徑(mm)67拉坯速度(m/min)0.2

4模擬結(jié)果分析

4.1結(jié)晶器內(nèi)流場分析

在慣性流的作用下，鋼水的流動速度逐漸增大，其在水口出口處的速度達(dá)到最大; 在結(jié)晶器壁的影響下形成了大量的漩渦，大的渦流將能量傳遞下去，小的渦流則將消耗鋼水內(nèi)能，降低鋼水的過熱度。圖4a、圖4b分別為無內(nèi)冷卻器結(jié)晶器和回字形結(jié)晶器內(nèi)鋼液流線圖。由圖4a可以看出，鋼液從結(jié)晶器水口流出后，一股流體向上形成較小的漩渦，另一股流體向下形成較大的漩渦。向上的流體易使液面波動過快，液面波動幅度過大，形成卷渣，影響鑄坯質(zhì)量。與圖4a相比，圖4b的上回流區(qū)域的液面活躍度減小，不容易形成卷渣，漩渦出現(xiàn)的頻率加大，流體之間對流換熱較快，易形成均勻的溫度場。

(a)無內(nèi)冷卻器結(jié)晶器(b)回字結(jié)晶器圖4　兩種結(jié)晶器鋼液流線圖

由圖5可以看出，無冷卻器采用偏轉(zhuǎn)水口時，在結(jié)晶器截面上形成一個水平旋流，并在截面中心形成了一個很大的漩渦。水平旋流可以降低高溫鋼水的沖擊深度，有利于鋼水中夾雜物的上浮; 減少鋼水對初始凝固坯殼的沖擊，有利于初始凝固坯殼的形成。由圖6可以看出，回字形結(jié)晶器的截面上形成水平旋流，但并沒有形成很大的漩渦，相反，形成若干小的渦流，這有利于降低高溫鋼水的動能，從而降低鋼水的沖擊深度; 其水平旋流有利于均勻結(jié)晶器內(nèi)鋼水的成分及溫度，降低溫度梯度，有利于初始凝固坯殼的均勻生長。

圖5　無內(nèi)冷卻器時彎月面下300 mm鋼液流場

圖6　回字形結(jié)晶器彎月面下300 mm鋼液流場

4.2結(jié)晶器內(nèi)溫度場分析

圖7a、圖7b分別為無內(nèi)冷卻器結(jié)晶器(采用四孔偏轉(zhuǎn)水口)和回字形結(jié)晶器內(nèi)溫度場分布情況。由圖7a可以看出，由于采用了偏轉(zhuǎn)的方式來布置水口，故從水口流出的高溫鋼水沒有直接作用到結(jié)晶器壁上而形成“熱點”，將有利于初始凝固坯殼的生長。但由于偏轉(zhuǎn)水口形成的漩渦的影響，高溫鋼水主要分布在結(jié)晶器的四周，使其中心的溫度低于周圍溫度，而使得整個結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布不均。由圖7b可以看出，結(jié)晶器同內(nèi)部的溫度分布均勻，降低了溫度梯度，從而可降低鑄坯裂紋、中心偏析等缺陷產(chǎn)生的可能性，可以達(dá)到電磁攪拌的冶金效果。

(a)無內(nèi)冷卻器結(jié)晶器(b)回字形結(jié)晶器圖7　兩種結(jié)晶器內(nèi)鑄坯溫度場

5結(jié)論

(1)回字形結(jié)晶器設(shè)置內(nèi)冷卻器可以提高結(jié)晶器的傳熱效率、鑄坯中心等軸晶率，細(xì)化中心組織，提高鑄坯質(zhì)量；

(2)結(jié)晶器內(nèi)形成的水平旋流可以降低鋼水的沖擊深度，有利于夾雜物的上浮，均勻鋼水成分，達(dá)到M-EMS冶金效果；

(3)采用回字形結(jié)晶器，提高了綜合凝固系數(shù)，降低了大方坯連鑄機(jī)的高度，從而降低了連鑄機(jī)的基礎(chǔ)建設(shè)費用。

參考文獻(xiàn)：

[1]許志強(qiáng), 王洪艷. 連鑄坯凝固過程溫度模擬系統(tǒng)的開發(fā)和研究[J]. 燕山大學(xué)學(xué)報，2004，28(4):283-286.Xu Zhiqiang,Wang Hongyan. Solidification Process Research of Continuous Casting Slab[J].Journal of Yanshan University，2004，28(4):283-286.

[2]陳家祥. 連續(xù)鑄鋼手冊[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1990.

[3]蔡開科. 澆注與凝固[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1992.

[4]區(qū)勇銘，王志堅，林照斌. 高效連鑄方坯結(jié)晶器的改進(jìn)[J]. 連鑄，1999(4):17-20.

Ou Yongming,Wang Zhijian,Lin Zhaobin.Improvement of Billets for High Efficency Contiuous Casting[J]. Continuous Casting，1999(4)：17-20.

[5]Brimacombe J K. Empowerment with Knowledge toward the Intelligent Mold for the Continuous Casting of Steel Billets[J]. Metall. Trans. B, 1993，24(6):917-935.

[6]胡忠仁. 小方坯高速連鑄結(jié)晶器技術(shù)探討[J]. 連鑄，1998(5)：27-30.

Hu Zhongren.Disscussion of High-speed Casting Mould Technology For Billet[J]. Continuous Casting，1998(5)：27-30.

[7]Gensini G,Pavlicevic M,Matijasevic B. High Speed Casting with a New Mould[J]. MPT International,1995,18(6)：52-57.

[8]Fuchshuber J. Modern High Speed Casting Technology for Billet Casting[J]. Electric Furnace Conference Proceedings, 1997,34:349-355.

[9]區(qū)勇銘，王志堅，林照斌. 高效連鑄方坯結(jié)晶器的改進(jìn)[J]. 煉鋼，1999，15(3)：15-17.

Ou Yongming,Wang Zhijian,Lin Zhaobin. Improvement in Mould of Highly Efficient Billet Concaster[J]. Steelmaking, 1999,15(3):15-17.

[10]崔小朝，晉艷娟，張柱，等. 板坯連鑄內(nèi)外復(fù)合冷卻流場和溫度場耦合數(shù)值模擬[J]. 鋼鐵研究學(xué)報，2007，19(8):14-18.

Cui Xiaochao, JinYanjuan, Zhang Zhu,et al. Numerical Simulation of Inner-Outer Cooling Flow Field and Temperature Field for Slab Continuous Casting[J]. Journal of Iron and Steel Research，2007，19(8):14-18.

[11]Chandra S. Mould-strand Interaction in Continuous Casting of Steel Billets Part 3: Mould Heat Transfer and Taper[J]. Iron Making and Steel Making, 1993,20(2):104-112.

[12]張興中，黃文，孫立明，等.特大圓坯澆鑄水口及結(jié)晶器內(nèi)流場的研究[J]. 中國機(jī)械工程，2013,24(23):3216-3219.

Zhang Xingzhong，Huang Wen，Sun Liming，et al. Research on Nozzle and Flow Field in Mould for Continuous Casting Super-large Round Billet[J]. China Mechanical Engineering，2013,24(23)：3216-3219.

(編輯王旻玥)

Basic Parameters in a New Bloom Crystallizer and Simulation on Its Inner Liquid Steel Behavior

Zhou Chao1,2Ren Subo1Zhang Xingzhong1Liu Jingjing1Bai Minghua1

1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Agricultural University of Hebei,Qinhuangdao,Hebei,066003

Abstract：In order to reduce the height of vertical continuous casting machine and diminish the equipment dimension, the casting speed and liquid core depth were calculated according to empirical formulas.Based on calculation and feasibility analysis，the appropriate casting speed is as 0.2 m/min. A new crystallizer depended on thermo analysis was put forward，which was a crystallizer technology with an inner cooling apparatus.The function of setting inner cooling and deflected nozzle were analyzed, which indicated that the crystallizer with an inner cooling apparatus could improve heat transfer efficiency, reduce center segregation, form level swirling flow ,uniform steel component and growing of the shell, reduce the impact depth, achieve the metallurgical effect of electromagnetic stirring. Calculation results show that the crystallizer with an inner cooling apparatus may reduce the liquid core depth and infrastructure fee of caster.

Key words：super-large size square billet continuous casting；crystallizer；inner cooling apparatus；liquid phase point calculation

收稿日期：2015-10-16

基金項目：河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2014203261)；國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心開放課題(NECSR-201309)；燕山大學(xué)青年教師自主研究計劃資助項目(15LGA001)

中圖分類號：TF777.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.022

作者簡介：周超，男，1986年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院助教。主要研究方向為冶金設(shè)備設(shè)計及仿真。任素波(通信作者)，男，1980年生。燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心副教授。張興中，男，1965年生。燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導(dǎo)師。劉晶晶，男，1986年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。白明華，男，1950年生。燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導(dǎo)師。