真空熔煉過程中定向?qū)Я餮b置內(nèi)鋼液運動現(xiàn)象的研究

，王倩

(1．錦州天宇電爐有限公司，遼寧 錦州 121011；2.錦州七七七微電子有限責任公司，遼寧 錦州 121001)

真空感應熔煉技術起源于1920年，首次用于鎳鉻合金的熔煉。第二次世界大戰(zhàn)后，歐美等西方國家的真空感應熔煉技術已達到實用化程度。我國的真空感應熔煉技術自20世紀60年代開始研發(fā)，并于1962年成功研發(fā)了國內(nèi)首臺10 kg真空熔煉爐，填補了國內(nèi)空白。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的迅猛發(fā)展，人們對于金屬材料的耐溫、耐磨、抗疲勞，潔凈度等性能提出了更高的要求[1]，尤其是對超低碳鋼、超低硫鋼等潔凈鋼、低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼以及特殊金屬材料的需求不斷增加，傳統(tǒng)冶煉方法已經(jīng)不能滿足用戶的特殊要求。故而諸多學者致力于特殊金屬或合金材料熔煉過程的研究，成果豐碩[2-9]。

金屬材料的真空熔煉過程可分為真空熔化與真空凝固。定向?qū)Я餮b置是連接這兩個過程的“橋梁”，是使熔融的液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬過程的核心裝置，是熔融的鋼液由熔煉室流入鑄錠室的關鍵設備。圖1為坩堝澆鑄鋼液以及鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動示意圖。鋼液在此裝置內(nèi)的運動狀態(tài)，對于金屬材料的整體性能影響頗大。但很多學者過多關注熔化過程和凝固過程，對此卻鮮有研究。

圖1 坩堝澆鑄鋼液以及鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動示意圖

本文以國內(nèi)常見的四種定向?qū)Я餮b置為研究對象，建立三維幾何模型，通過構建數(shù)學模型，利用數(shù)值模擬的方法對其四種定向?qū)Я餮b置內(nèi)鋼液的運動現(xiàn)象、溫降情況和對耐火材料侵蝕作用進行分析和研究，以此掌握鋼液的運動規(guī)律，尋求控制溫降和提高耐火材料壽命的有效方法，為優(yōu)化定向?qū)Я餮b置提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學模型

1.1 控制方程

鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的運動、溫度變化以及耐火材料受到的切應力作用均符合流體力學和傳熱學的基本原理[10-13]，因此構建如下數(shù)學模型:

1)連續(xù)方程

(1)

2)動量方程

(2)

3)能量方程

(3)

式中：cp為比熱容，J/(kg·K);T為溫度，K;k為流體的傳熱系數(shù)，W/m2·K;ST為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分， W/m3。

1.2 網(wǎng)格化

經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證后，最終確定四種模型的單元體數(shù)量分別為45 456，97 680，73 312和67 328。具體的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 定向?qū)Я餮b置的網(wǎng)格化

1.3 模型幾何尺寸與流體介質(zhì)的物性參數(shù)設置

本文選取鋼液作為流體介質(zhì)，其模型的幾何尺寸及鋼液在1 833K時的關鍵參數(shù)見表1。

表1 模型幾何尺寸及鋼液的關鍵參數(shù)

1.4 基本假設

鋼液向定向?qū)Я餮b置內(nèi)傾倒過程中，因受坩堝內(nèi)鋼液量和傾轉(zhuǎn)角度的影響，鋼液進入定向?qū)Я餮b置的位置(傾倒點)是發(fā)生變化的。本文簡化計算模型，僅考慮鋼液的傾倒點在其中軸線上，且無變化。

鋼液被認為不可壓縮流體；在傾倒過程中鋼液的平均速度為定值，與傾轉(zhuǎn)角度無關。

1.5 邊界條件設置

依據(jù)熔煉工藝以及相關設計，假設坩堝傾倒鋼液過程中，鋼液進入定向?qū)Я餮b置的平均速度為0.25 m/s，鋼液進口溫度為1 833 K。鋼液在定向?qū)Я餮b置的出口為無壓力出口，這與實際真空熔煉、真空澆鑄過程相符合；定向?qū)Я餮b置的壁面與鋼液流動過程是相對無滑移的，但壁面采用粗糙度設置，這與實際設備情況相適應。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 分析鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的運動現(xiàn)象

圖3表示四種定向?qū)Я餮b置內(nèi)沿鋼液流動方向橫截面上鋼液速度分布。鋼液垂直進入定向?qū)Я餮b置內(nèi)，在重力的作用下，鋼液直接沖擊底壁面，而后向四周擴散，受到側(cè)壁面的阻礙作用，形成明顯對稱的撞壁環(huán)流，這在圖3中可以清晰觀察到。由于對稱環(huán)流的相互作用，致使兩側(cè)鋼液向定向?qū)Я餮b置中心位置涌入，而后向定向流動裝置出口方向流動。

在圖3(a)中，大量的鋼液在對稱環(huán)流作用下，涌向定向?qū)Я餮b置的中心位置，致使中心區(qū)域速度較兩側(cè)壁面處的鋼液流速大，而后隨著鋼液的流動，使得鋼液速度逐漸均勻，最終在出口附近逐漸減小。在圖3(b)中，大量鋼液受到對稱環(huán)流和漸縮式“縮口”的共同作用，涌向定向?qū)Я餮b置中心位置的趨勢明顯增強。由于鋼液流動通道的縮小，使得有效流動的橫截面積減小，鋼液流動速度提高，和圖3(a)相比，速度分布相對較為均勻，最終在出口附近逐漸減小。在圖3(c)和圖3(d)中，鋼液在進口位置形成較為明顯的撞壁環(huán)流，并且受撞壁環(huán)流和漸縮式“縮口”的影響，鋼液涌向定向?qū)Я餮b置中心位置，而后速度相對穩(wěn)定的向出口流動，漸擴式“擴口”，有效降低了鋼液的流動速度，緩沖區(qū)的設置起到了穩(wěn)定鋼液流動狀態(tài)的作用，這樣有利于凝固過程。

圖3 四種定向?qū)Я餮b置橫截面鋼液速度分布

圖4反映了熔融的鋼液在四種定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動軌跡。從圖4(a)可以觀察到，鋼液垂直進入定向?qū)Я餮b置時，鋼液直接沖擊裝置底壁面，并向外擴散，形成“彈射”，一部分鋼液受到端部側(cè)壁面的阻擋，形成撞壁環(huán)流，這部分鋼液在卷吸作用下，一部分被垂直進入裝置內(nèi)的鋼液卷吸，再次形成撞壁環(huán)流，另一部分鋼液則與“彈射”的鋼液匯合，一起向出口流動，鋼液相互卷吸、相互匯合、相互作用、相互影響，使其流動狀態(tài)復雜多變，擾動作用非常明顯，跡線曲折。隨著流動距離的增加，流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

從圖4(b)可以清晰觀察到，鋼液不僅在進口處形成撞壁環(huán)流，還受到漸縮式“縮口”的影響，致使大量鋼液在縮口位置相互匯合，相互碰撞，使得鋼液流動狀態(tài)極其復雜，且極不穩(wěn)定，加之流動區(qū)域橫截面積減小，鋼液的流動速度增加。隨著流動距離的增加，流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖4(c)和圖4(d)中鋼液的流動狀態(tài)與圖4(b)基本一致，僅僅是在出口位置不同，因為圖4(c)和圖4(d)在出口位置設置漸擴式“擴口”，并設置緩沖區(qū)，可以有效減緩鋼液的流動速度，使得鋼液的流動狀態(tài)逐漸穩(wěn)定和平緩，這對于鋼液的凝固過程十分有利，更有利于鋼錠中合金的均勻化。

2.2 分析鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的溫度分布現(xiàn)象

一般而言，在真空熔煉過程中，熔煉溫度需要高于熔化溫度30～50 ℃，有些工藝要求甚至更高，這樣可以防止熔融的鋼液在流動過程中出現(xiàn)過冷現(xiàn)象和發(fā)生“粘鋼”。表2是鋼液在四種常見定向?qū)Я餮b置出口處的平均溫度統(tǒng)計。通過對比可以看出，鋼液出口溫度相對于進口下降約15～20 K。這主要是因為鋼液在流動過程中，發(fā)生傳熱，熱量不斷損失，致使鋼液溫度略有降低。

表2表明模型一的出口平均溫度相對較低，主要是因為鋼液的流動速度相對較慢，鋼液的傳熱時間相對較長，熱損失大，造成鋼液平均出口溫度較低；模型二的出口平均溫度是四種模型中最高的，主要是因為漸縮式“縮口”后的流動區(qū)域橫截面積減小，鋼液流速增加，鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動時間縮短，使得鋼液熱損失減少，提高鋼液出口平均溫度；模型三和模型四的出口平均溫度基本一致，相對模型一而言，出口平均溫度稍高，但低于模型二的出口平均溫度。模型三和模型四在出口附近設置緩沖區(qū)，鋼液涌入緩沖區(qū)后，速度明顯減緩，流動狀態(tài)趨于平緩，雖然有利于凝固過程，但受傳熱等因素的影響，會使緩沖區(qū)內(nèi)的鋼液溫度降低。

圖4 四種定向?qū)Я餮b置內(nèi)鋼液流動軌跡

表2 鋼液在四種常見定向?qū)Я餮b置出口處的平均溫度 K

圖5是鋼液在四種常見定向?qū)Я餮b置出口處的溫度分布情況。通過四個模型的對比可觀察出溫度明顯降低且分布并不均勻，這與鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動狀態(tài)關系密切。

圖5 鋼液在定向?qū)Я餮b置出口處的溫度分布

圖5的模型一相對模型二、三、四而言，溫度分布較為均勻，這與流動狀態(tài)相對穩(wěn)定有關?？傮w而言，溫度梯度變化劇烈的區(qū)域位于近壁面位置，耐火材料相對于鋼液的溫度較低，發(fā)生明顯的傳熱現(xiàn)象[14]。

圖6可以準確顯示鋼液在出口截面沿徑向方向上的溫度分布情況。鋼液在出口徑向的溫度分布呈現(xiàn)不對稱性。模型一中鋼液流動相對較緩，且沒有強烈擾動現(xiàn)象，出口位置徑向溫差較小，但鋼液流動速度較慢，溫度下降較大。模型二中因漸縮式“縮口”結(jié)構和流動區(qū)域截面積減小的共同影響，使得鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)擾動劇烈，流速較快，因此，溫度分布相對不均勻，出口位置徑向溫差較大。模型三和模型四中因設置漸縮式“縮口”、漸擴式“擴口”以及緩沖區(qū)，使得鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動相對更加復雜，“縮口”結(jié)構既可以提高鋼液的流動速度，也可以增加鋼液的擾動；“擴口”結(jié)構可以減緩鋼液的流動速度，緩沖區(qū)的設置使得鋼液的擾動得到有效抑制，起到穩(wěn)定鋼液流動狀態(tài)的作用。因此，模型三和模型四相對模型二而言，鋼液在出口位置徑向溫差相對較小。

圖6 鋼液在定向?qū)Я餮b置出口沿徑向方向的溫度分布曲線

2.3 分析鋼液流動狀態(tài)對耐火材料的侵蝕作用

定向?qū)Я餮b置在冶煉潔凈鋼、合金鋼的過程中，起到了關鍵的作用。鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)流動時，處于高溫低壓環(huán)境中，因此對其耐火材料有著十分苛刻的要求。耐火材料的使用壽命一直是制約定向?qū)Я餮b置長期連續(xù)使用的關鍵因素。定向?qū)Я餮b置的耐火材料侵蝕原因和解決措施一直是金屬材料企業(yè)關注的熱點。同時，這也是很多學者研究的重要課題[15-16]。

定向?qū)Я餮b置內(nèi)耐火材料受到侵蝕的原因很多，普遍認為有以下三點原因：

(1)溫度波動大導致熱應力作用；

(2)金屬材料冶煉過程中，化學元素的侵蝕作用；

(3)外部機械力的作用。

真空熔煉過程一般都是周期性的。工作期間溫度約為1 700 ℃，相對非工作期間的溫度較高。這種周期性的冷熱變化容易使耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，從而使定向?qū)Я餮b置內(nèi)部的工作面上出現(xiàn)裂紋。同時，在傾倒鋼液過程中，鋼液沖擊定向?qū)Я餮b置內(nèi)底壁面，會有細小液滴飛濺，飛濺的鋼液在壁面形成冷鋼，在裂紋中的鋼液也會隨著溫度的降低發(fā)生凝固現(xiàn)象，這些都會使耐火材料內(nèi)產(chǎn)生不連續(xù)的應力，造成耐火材料剝落。另外，坩堝傾倒過程中，鋼液在重力的作用下，直接沖擊定向?qū)Я餮b置內(nèi)底壁面，從而使鋼液向四周飛濺，形成撞壁環(huán)流，對定向?qū)Я餮b置的側(cè)壁面有侵蝕作用，同時鋼液向出口流動的過程中對周圍的壁面也有侵蝕作用。

圖7表示鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)流動時，對其壁面的切應力分布情況。其中A、B、C、D、E、F分別表示定向?qū)Я餮b置的側(cè)壁面1、頂壁面、側(cè)壁面2、底壁面、進口端壁面和出口端壁面。圖7中顯示切應力相對集中的位置分別位于鋼液的進口位置和出口位置。但幾何結(jié)構不同的定向?qū)Я餮b置，切應力分布也有差別。

圖7中模型一的壁面切應力主要集中于靠近進口端壁面的底壁面，主要是因為鋼液垂直進入定向?qū)Я餮b置內(nèi)，對底壁面有一定的沖擊作用，同時受到壁面的阻擋，形成環(huán)流。鋼液在卷吸作用下，形成多次環(huán)流，對底壁面的切應力作用增強。因鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)的流動相對和緩，速度相對較慢，因此對出口附近的耐火材料侵蝕作用相對比較均勻。

圖7中模型二的壁面切應力主要集中于鋼液進口的底壁面周圍、進口端壁面底部以及側(cè)壁面底部，與模型一相比，壁面切應力明顯增強。鋼液垂直進入定向?qū)Я餮b置內(nèi)，底壁面不僅受到鋼液的垂直沖擊和撞壁環(huán)流的共同作用，而且因為漸縮式“縮口”的特殊結(jié)構，致使鋼液在縮口位置的流動極其復雜，甚至發(fā)生多次強烈卷吸現(xiàn)象，對耐火材料的侵蝕作用非常顯著。因縮口對鋼液的流動有擾流作用，鋼液的流動極不穩(wěn)定，因此在流動過程中，側(cè)壁面的切應力作用明顯，且延伸至接近出口位置，壁面切應力的位置與鋼液的流動方向一致。

圖7中模型三和模型四的壁面切應力相對集中的位置與模型二基本一致。漸擴式“擴口”和緩沖區(qū)的設置有效降低了鋼液在進口處對壁面的切應力作用，鋼液對出口耐火材料的侵蝕作用呈現(xiàn)不對稱性。模型三相對模型四而言，進口附近的壁面受到壁面切應力作用明顯。而模型四相對模型三，切應力作用明顯的位置則位于側(cè)壁面上，且向出口附近延伸。

3 結(jié) 論

本文通過構建四種常見的定向?qū)Я餮b置的數(shù)學模型，利用數(shù)值模擬方法進行詳細研究，結(jié)果表明：

(1)鋼液在垂直進入定向?qū)Я餮b置時，鋼液沖擊底面，并向四周擴散，與周圍的壁面形成環(huán)流。在卷吸、重力、黏性力等共同作用下，鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)流動狀態(tài)極不穩(wěn)定，漸擴式“擴口”和緩沖區(qū)的設置可以有效改善鋼液在出口處的流動狀態(tài)，起到穩(wěn)定鋼液流動的作用，有利于凝固過程。

(2)鋼液在四種定向?qū)Я餮b置出口的溫度分布呈現(xiàn)不均勻性，這與其流動狀態(tài)關系密切。經(jīng)研究，出口的平均溫度分別為1 813.4，1 817.2，1 815.7和1 815.3 K。

(3)鋼液對定向?qū)Я餮b置耐火材料的侵蝕作用不盡相同，但總體趨勢和相對集中的位置基本一致，主要集中于鋼液進口和出口附近。漸縮式“縮口”的結(jié)構會加劇鋼液對耐火材料的侵蝕作用，影響耐火材料的使用壽命，同時漸擴式“擴口”的結(jié)構和緩沖區(qū)的設計可以有效降低出口側(cè)壁耐火材料的侵蝕作用，但出口位置的耐火材料侵蝕呈現(xiàn)不對稱性。

圖7 鋼液在定向?qū)Я餮b置內(nèi)流動時對其壁面的切應力分布