大型鋼錠表面夾雜物分布模擬研究

藺　瑞

(清華大學材料學院，北京100084)

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試驗研究

大型鋼錠表面夾雜物分布模擬研究

藺瑞

(清華大學材料學院，北京100084)

采用基于熱焓-多孔介質(zhì)法、湍流模型、動量和質(zhì)量守恒方程建立了36 t大型鋼錠錠模內(nèi)鋼液流動、傳熱和凝固的數(shù)學模型。采用Lagrange方法通過跟蹤單個夾雜物在鋼液中的運動，探明表面夾雜物在大型鋼錠中的規(guī)律性分布，討論了不同冒口保溫條件對夾雜物的去除效果。結(jié)果表明，凝固早期，鋼液流動強烈，夾雜物容易被先凝固的固相區(qū)域捕捉。隨著凝固過程的進行，鋼液流動減弱，夾雜物以上浮運動為主。加強冒口處保溫可大大提高夾雜物的去除率。

大型鋼錠;凝固;表面夾雜物;數(shù)值模擬

我國鑄鋼件產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一，成為鑄造大國，但在生產(chǎn)技術及生產(chǎn)率方面與發(fā)達國家還有較大差距，還不是鑄造強國[1,2]。近年來在核電、石油化工、船舶、冶金等領域?qū)Υ笮丸T鋼件均有一定量需求，但其固有的縮孔、疏松、夾雜和偏析等質(zhì)量缺陷大大制約了其質(zhì)量和有效利用率，而且鋼錠質(zhì)量越大，這些缺陷越嚴重。其中夾雜物對鋼材質(zhì)量帶來的危害越來越受到重視，它會嚴重降低鋼的疲勞性能，造成鋼產(chǎn)品表面缺陷，降低鋼的抗腐蝕性能等等[3,4]。這方面的實驗面臨成本過高、周期長、操作困難等不足，而且得到的數(shù)據(jù)有限。隨著計算機硬件技術及軟件的迅猛發(fā)展，快速、信息量大、成本較低成為不可替代的優(yōu)勢，因此越來越多的科研人員采用數(shù)值模擬的方法研究大型鋼錠的凝固過程。

張立峰等[5]描述了夾雜物的種類、測量方法，指出大型夾雜物的主要來源及運動行為。Ragnarsson等人[6]從實驗和數(shù)值模擬的角度研究了底注法充型過程中流體流動方式對于夾雜物去除的影響。但目前對其在鑄鋼錠凝固過程中的運動、分布的認識卻不夠清晰。鋼錠凝固過程中夾雜物的運動方式對于進一步理解其在鋼錠中的分布及采取優(yōu)化工藝提高去除率至關重要，而這部分的研究工作尚不多見。本工作通過計算流體動力學的方法研究鋼錠在凝固過程中鋼液流動對于夾雜物運動的影響，對夾雜物在鋼錠中的分布及去除率進行討論，以期為實際生產(chǎn)中優(yōu)化工藝，提高大型鋼錠的質(zhì)量和利用率提供一定技術參考。

1　研究對象

以36 t鋼錠為研究對象，平均直徑約1.4 m，高約3 m。錠模和保溫冒口分別為鑄鐵和耐火磚。其結(jié)構示意圖和計算模型熱物性參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1　36 t鋼錠結(jié)構示意圖Figure 1　The structure diagram of 36 t steel ingot表1　模型熱物性參數(shù)Table 1　Thermophysical parameters of model

鋼錠錠模保溫材料保溫磚ρ/kg·m-3k/W·m-1·K-1Cp/J·kg-1·K-1μ/kg·m-1·s-1β/(1/K)7000417850.00560.000273007.9460--1000.041200--29001.651200--

2　數(shù)學模型

2.1基本假設

鋼錠的凝固過程是一個溫度不斷降低、液相不斷減少的非穩(wěn)態(tài)散熱過程，包括鋼液、錠模(保溫磚和保溫材料)和空氣之間傳導傳熱、對流傳熱和輻射傳熱等熱量傳遞的基本方式。考慮計算的準確性、合理性以及計算時間等問題，對實際模型進行合理簡化和假設如下：

(1)充型瞬間完成，初始鋼液溫度均勻且為澆注溫度；

(2)假設鋼液初始速度為0，整個凝固過程鋼液流動為非穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體的流動；

(3)鋼液和鋼包爐襯的物性參數(shù)不隨溫度變化，均視為常數(shù)；

(4)認為夾雜物形狀為球形，不考慮之間的相互作用；

(5)不考慮凝固組織的影響，固-液共存區(qū)域中當固相率大于0.67時，金屬液體不存在流動。

2.2控制方程

連續(xù)性方程為：

(1)

動量守恒方程：

(2)

k-ε湍流雙方程：

(3)

(4)

描述鋼錠凝固過程的非穩(wěn)態(tài)導熱控制方程為：

(5)

式中，ρ為密度；CP為定壓比熱容；T為溫度；t為時間；λ為熱導率；Q為源項；x、y、z為坐標。

熱源項表示凝固過程潛熱的釋放。

(6)

式中，L為凝固潛熱；fS為固相率。

夾雜物顆粒的受力平衡方程為：

(7)

(8)

曳力系數(shù)CD表達如下：

(9)

對于球形顆粒，α1、α2、α3為常數(shù)。

F為附加質(zhì)量力，在這里存在溫度梯度，受到熱涌力作用。

2.3初始條件

充型后鋼液及保溫材料初始溫度為1 830 K，保溫磚初始溫度為1 000 K，錠模初始溫度為500 K，環(huán)境初始溫度為300 K。鋼錠固相線溫度為1 427℃，液相線溫度為1 495℃。只考慮初始存在于鋼液中的夾雜物，而且夾雜物初始均勻懸浮于鋼液內(nèi)部。傳統(tǒng)保溫冒口材料為絕熱板，換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)。

3　結(jié)果分析與討論

圖2為計算鋼錠凝固過程中凝固時刻分別為2 min、26 min、2 h和10 h得到的溫度場和鋼液速度場。

由圖2可知，鋼液溫度首先從底部和側(cè)表面開始下降，這是由于冒口保溫磚和保溫材料的保溫作用，使得與錠模接觸的鋼液散熱較快，溫度下降較大。因此凝固最先發(fā)生在鋼錠底部和側(cè)表面。另外，凝固早期，較低溫度的錠模使得鋼液內(nèi)部溫度梯度較大，由此產(chǎn)生的鋼液流動較強烈，在凝固2 min時，鋼液流速達到0.03 m·s-1。而且此時鋼液內(nèi)部沿錠模內(nèi)表面向下流動，到底部后沿中心軸線整體向上運動，形成關于中心軸線幾乎對稱的兩個循環(huán)流。隨著凝固過程的進行，錠模溫度不斷升高，造成溫度梯度不斷縮小，鋼液流場逐漸減弱，流速不斷減小，而且流動也逐漸變得紊亂、無序。到凝固10 h時，鋼液流速約為0.000 4 m·s-1。

圖3為凝固過程不同時刻鋼錠中的固相分布。可以看出，凝固首先發(fā)生在鋼錠底部和側(cè)表面的中下部，由圖2的溫度等值線分布也可以理解，這些區(qū)域的溫降最大，此處的鋼液溫度最先降低到固相線。另外，從四個時刻的固相分布也可以看出，凝固早期，由于錠模溫度較低，造成溫度梯度和冷卻速度很大，因此凝固速度很大。隨著凝固的進行，溫度梯度逐漸降低，凝固速度逐漸變慢。大約凝固10 h時，冒口附近出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，固液相交界面形狀由“U”型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型，此后鋼液面面積不斷縮小，直至凝固結(jié)束。

為了研究鋼液流場和凝固固相形狀對于夾雜物運動及去除效果的影響。改變冒口處的保溫條件，換熱系數(shù)由100 W/(m2·K)減小到60 W/(m2·K)。改進冒口后不同凝固時刻固相分布如圖4所示。

圖2　不同凝固時刻的溫度等值線和鋼液速度場Figure 2　The temperature contour line and velocity filed of molten steel at different times during solidification

圖3　不同凝固時刻固相分數(shù)分布云圖Figure 3　The distribution of phase fraction at different times during solidification

圖4　加強冒口保溫不同凝固時刻固相分數(shù)分布云圖Figure 4　Distribution of phase fraction at different times during solidification with strengthen insulated riser

(a)傳統(tǒng)冒口

(b)改進冒口圖5　不同保溫冒口凝固過程中夾雜物分布的計算結(jié)果Figure 5　Calculated inclusion distribution at different times during solidification with different insulated risers

與改進前相比，共同點都是固相最先出現(xiàn)在鋼錠底部和側(cè)表面，但側(cè)表面更偏向鋼錠底部，而且隨著凝固過程的進行，底部和側(cè)表面的固相分數(shù)逐漸增多。不同點是在凝固后期由于冒口處的保溫效果更好，使得冒口區(qū)域的鋼液溫度較高，比如在凝固10 h時，冒口側(cè)壁區(qū)域仍是液相，沒有凝固發(fā)生，說明此時鋼液的粘度較小，流動性較好，這樣的凝固方式更有利于夾雜物的上浮去除。

圖5是兩種冒口條件下鋼錠凝固過程夾雜物的分布情況。

首先，在凝固剛開始時，夾雜物在鋼液中是均勻分布的。凝固開始的早期，由于一方面鋼液溫度梯度較大，流動較強烈，夾雜物隨之在鋼錠內(nèi)進行高速運動；另一方面周圍溫度較低，造成冷卻速度和凝固速度較大。所以快速凝固的固相可以較容易捕捉到高速運動的夾雜物顆粒，鋼錠底部的鋼液過早形成粘稠區(qū)域，其中的鋼液流速較低。

因此在凝固的開始階段，部分夾雜物被鋼錠側(cè)表面先凝固的固相區(qū)捕捉，主要集中在錠身表層，這在實際生產(chǎn)中是一種普遍存在的現(xiàn)象，被稱為“外露夾雜”，它是一種表面夾雜。隨著凝固過程的進行，溫度梯度減小，鋼液流速大大減小(數(shù)量級不同)，加之凝固變慢，凝固時間變長，而夾雜物的密度遠小于鋼液密度，此時夾雜物以上浮運動為主，而且有充足的時間，因此以該凝固速度產(chǎn)生的固相無法捕捉到上浮運動的夾雜物，最終夾雜物上浮排出，幾乎不會出現(xiàn)在鋼錠芯部。加強冒口保溫后，凝固后期冒口處鋼液溫度較高，流動性較好，更有利于夾雜物的上浮、去除。在整個凝固過程中，夾雜物的去除率是不斷增加的。這種表面夾雜的計算結(jié)果與Hans P F等人[7]的檢測結(jié)果是一致的，如圖6所示。

與改進前冒口相比，改進冒口處的保溫條件后，凝固結(jié)束，鋼錠內(nèi)的夾雜物數(shù)量減少了。表2和圖7表示不同凝固時刻夾雜物的統(tǒng)計情況。

凝固時間2min26min2h10h傳統(tǒng)冒口夾雜物數(shù)量夾雜物去除率(%)430138610.2332524.4221450.23改進冒口夾雜物數(shù)量夾雜物去除率(%)4301.233422.3226837.6713169.53

圖7　不同保溫冒口夾雜物去除率Figure 7　Removal efficiency of inclusions with different insulated risers

可知，36 t鋼錠在凝固10 h的時候，改進冒口前，夾雜物的去除率約為50%；而改進冒口后，

夾雜物的去除率明顯提高，將近70%。可見加強冒口保溫后，在凝固后期，冒口處的良好保溫，使得附近區(qū)域的鋼液溫度較高，粘度較低，流動性較好，同時保持熔池表面積較大，熔池深度較淺，從而為液相中的夾雜物上浮去除提供充足的時間來完成。

4　結(jié)論

根據(jù)36 t鋼錠凝固過程中鋼液流場和夾雜物分布的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)在凝固早期，由于鋼液的快速凝固和夾雜物隨鋼液的流動速度較大，夾雜物容易被錠身側(cè)表面所捕捉；

(2)在凝固后期，由于鋼液流動速度和凝固速度減小，夾雜物以上浮運動為主，更容易上浮排出；

(3)夾雜物去除率隨著凝固過程的進行不斷增大；

(4)凝固方式對夾雜物的分布和去除率有明顯影響。加強冒口保溫，有利于提高夾雜物的去除率。

[1]金楊, 安紅萍, 馬平，等. 大型鋼錠凝固特性的初步研究[J].大型鑄鍛件, 2011(1): 5-8.

[2]熊守美, 許慶彥, 康進武. 鑄造過程模擬仿真技術[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2007.

[3]Sobolev Y V，Batov Y M，Afanas′ev S Y，et al. Nonmetallic inclusions in important steels[J]. Russian Metallurgy，2011(6): 568-575.

[4]楊樹峰，李京社，朱立光，等.鋼中鋁鎂尖晶石夾雜物研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煉鋼，2010, 26(1): 74-78.

[5]Zhang L，Thomas B G. State of the art in the control of inclusions during steel ingot casting[J]. Metallurgical and Materials Transactions B，2006, 37(5): 733-761.

[6]Ragnarsson L.Flow pattern in ingot during mould filling and its impact on inclusion removal[J]. Ironmaking and Steelmaking，2010，37(5): 347-352.

[7]Hans P F，Johann H，Andreas B，et al. Optimization of ingot casting-the road to highest quality[C]. International Conference on Ingot Casting, Rolling and Forging，2012: 1-5.

編輯杜青泉

Simulation Research on Distribution of Surface Inclusions in Heavy Steel Ingot

Lin Rui

By adopting the enthalpy porosity medium method, the turbulence model and the momentum and mass conservation equation, a mathematical model for fluid flow, heat conduction and solidification of molten steel in 36 t heavy steel ingot has been built. By tracking the movement of single inclusion in the molten steel with Lagrange method, the regular distribution of surface inclusions in the heavy steel ingot has been proved, and the removal efficiency of inclusions with different insulation conditions for riser has been discussed. The results show that the inclusion is easy to be captured by the solid phase region which formed firstly due to the strong flow of molten steel. Along with the solidification process, the flow of molten steel become weak, the movements of inclusion are mainly the floating motion. By strengthening the thermal insulation on the riser, the removal efficiency of inclusions can be improved greatly.

heavy ingot; solidification; surface inclusion; numerical simulation

A

2016—03—22

藺瑞(1981—)，男，助理研究員。

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