方坯高效連鑄新型結(jié)晶器傳熱分析與應(yīng)用

李富帥 謝長川 郭春光 錢亮 倪賽珍

(1：中冶南方連鑄技術(shù)工程股份有限公司 湖北武漢430073；2：陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司 廣東陽春529600)

1 前言

高效連鑄的基本原理就是在結(jié)晶器內(nèi)形成具有足夠厚度且均勻的坯殼，通過有效的二冷水配置，快速而均勻的凝固，且鑄流順暢，較小的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)高拉速生產(chǎn)。近年來，圍繞高速連鑄條件下如何實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的強(qiáng)化均勻冷卻，冶金科技工作者開展了許多研究工作[1～4]，如增大結(jié)晶器長度、提高結(jié)晶器水量和水縫內(nèi)水的流速、采用連續(xù)錐度、改油潤滑為保護(hù)渣潤滑、調(diào)整結(jié)晶器圓角半徑、電磁攪拌等。結(jié)晶器的冷卻涉及許多理論問題，只有對發(fā)生在結(jié)晶器內(nèi)的物理化學(xué)現(xiàn)象有正確的理解，才能根據(jù)具體工藝條件，如鋼種、拉速、結(jié)晶器狀況等進(jìn)行設(shè)計(jì)，有針對性地提出解決問題的方法[5]。本文將主要針對“強(qiáng)化均勻冷卻”這一基本理念，提出的方坯高效連鑄結(jié)晶器有效結(jié)構(gòu)形式，并通過數(shù)值模擬的方法，對新結(jié)構(gòu)形式的結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)晶器銅管進(jìn)行對比和分析，提出高效連鑄結(jié)晶器的設(shè)計(jì)方法。

2 傳熱模型

對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)晶器，主要是通過結(jié)晶器銅管與其外部的結(jié)晶器水套形成3～5mm寬的水縫，鋼水在銅管外部冷卻水的作用下，沿結(jié)晶器內(nèi)壁結(jié)晶凝固，形成坯殼并發(fā)生凝固收縮。這種形式的結(jié)晶器存在兩個(gè)難以解決的問題：一方面由于銅管的弧形結(jié)構(gòu)，使得在加工制造銅管及水套時(shí)很難保證水縫的均勻性；另一方面，結(jié)晶器內(nèi)角部區(qū)域的金屬受到相鄰兩面銅管的冷卻，比邊部冷卻強(qiáng)度大，導(dǎo)致角部金屬與邊部金屬溫度、坯殼厚度及收縮不均勻。因此，作者提出在結(jié)晶器銅管表面根據(jù)傳熱學(xué)的原理，設(shè)計(jì)布置出不同深度及寬度的凹槽的方法，以解決傳統(tǒng)結(jié)晶器中所存在的難題。

2.1 傳熱模型描述

對于結(jié)晶器內(nèi)坯殼的凝固機(jī)制，許多冶金科技工作者給出了不同的假設(shè)模型，但都強(qiáng)調(diào)了在彎月面位置的凝固對整個(gè)鑄坯凝固的重要性[8～13]。本文假設(shè)在彎月面處的金屬液，由于過熱度的存在，不會馬上凝固，而是通過結(jié)晶器銅管的冷卻，降溫至固相線溫度以下開始凝固形殼。分別建立傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)晶器傳熱模型(如圖1所示)以及高效連鑄結(jié)晶器傳熱模型(如圖2所示)，進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析，研究其1秒內(nèi)的熱傳輸行為。對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)晶器，其冷卻主要依靠冷卻水快速通過結(jié)晶器銅管外壁與結(jié)晶器水套之間所形成的4mm水縫，將熱量帶走；而高效連鑄結(jié)晶器表面刻有不同寬度及深度的凹槽，使得冷卻水快速通過這些規(guī)劃好的凹槽，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)晶器銅管的冷卻。其水槽的位置、寬度及深度等參數(shù)，則依靠有限元計(jì)算，合理布置，優(yōu)化目標(biāo)是使得銅管內(nèi)壁與鑄坯之間實(shí)現(xiàn)均勻換熱。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)晶器數(shù)學(xué)模型

圖2 高效結(jié)晶器數(shù)學(xué)模型

2.2 傳熱模型假設(shè)及邊界條件

為了簡化計(jì)算模型，做以下假設(shè)：

1)結(jié)晶器中存在著鋼液的強(qiáng)烈對流，對流運(yùn)動控制著液穴中的傳熱過程。然而，由于本模型中不包含流體計(jì)算，將忽略結(jié)晶器中的鋼液流動。

2)將合金的凝固溫度視為常數(shù)，凝固開始的溫度為液相線溫度，凝固結(jié)束的溫度為固相線溫度，由合金成分確定，本實(shí)例中取固相線溫Ts0=1477(℃)，鑄坯液相線溫度Tsl=1516(℃)。

3)忽略拉坯方向上的導(dǎo)熱，又由于小方坯的對稱性，將傳熱模型簡化1/4非穩(wěn)態(tài)模型。

4)銅管與冷卻水的換熱采用對流換熱，換熱系數(shù)的計(jì)算如表1所示。

表1 傳統(tǒng)結(jié)晶器與高效結(jié)晶器冷卻水與銅管間換熱系數(shù)的計(jì)算

5)鑄坯拉速按4m/min計(jì)算，鑄坯冷態(tài)的斷面公稱尺寸為155mm×155mm，而結(jié)晶器出口位置內(nèi)腔尺寸為159mm×159mm。

6)由于本模型主要為了計(jì)算冷卻方式對鑄坯傳熱均勻性的影響，因此為了簡化模型，將兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器模型中的保護(hù)渣都設(shè)為1mm厚，通過調(diào)整保護(hù)渣的導(dǎo)熱系數(shù)，使得計(jì)算得到的銅管溫度與現(xiàn)場實(shí)測的彎月面位置的銅管溫度相當(dāng)，便以此參數(shù)作為后面固定的計(jì)算參數(shù)。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

瞬態(tài)溫度場計(jì)算結(jié)果如圖3～圖8所示。其中圖3及圖4為傳統(tǒng)結(jié)晶器及高效結(jié)晶器內(nèi)1秒后鑄坯角部的溫度場分布?？梢钥闯觯瑢τ趥鹘y(tǒng)結(jié)晶器，由于存在角部的二維冷卻問題，1秒后鑄坯角部溫度比邊部溫度低86℃；對于高效結(jié)晶器，由于優(yōu)化設(shè)計(jì)銅管表面凹槽的參數(shù)，使得鑄坯與銅管換熱更加均勻，1秒后鑄坯角部溫度比中部溫度低64℃。圖8為將鑄坯表面溫度提取出來進(jìn)行比較的結(jié)果?？梢钥闯?，高效結(jié)晶器使得鑄坯坯殼凝固更加均勻。

圖3 傳統(tǒng)結(jié)晶器坯殼角部溫度場分布

圖4 高效結(jié)晶器坯殼角部溫度場分布

圖5 傳統(tǒng)結(jié)晶器銅管溫度場分布

圖6 高效結(jié)晶器銅管溫度場分布

圖7 結(jié)晶器銅管熱面溫度分布比較

圖8 鑄坯表面溫度分布比較

圖5及圖6為傳統(tǒng)結(jié)晶器及高效結(jié)晶器內(nèi)1秒后結(jié)晶器銅管的溫度場分布。可以看出：對于傳統(tǒng)結(jié)晶器，結(jié)晶器銅管最高溫度為363.8℃，而結(jié)晶器銅管熱面角部溫度比中部溫度低108.5℃；對于高效結(jié)晶器，由于減小了銅管熱面與冷卻水之間的距離，使得結(jié)晶器銅管最高溫度大幅度降低，最高溫度只有260.5℃，同時(shí)，由于合理的水槽參數(shù)，使得結(jié)晶器銅管熱面溫度非常均勻，結(jié)晶器銅管熱面角部溫度與中部溫度只相差4.8℃，從而大大減小了銅管的熱變形。圖7為將結(jié)晶器銅管熱面溫度提取出來進(jìn)行比較的結(jié)果。

瞬態(tài)熱流分布計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示，對于傳統(tǒng)結(jié)晶器，結(jié)晶器熱面的平均熱流密度約為5.1Mw；而對于高效結(jié)晶器，結(jié)晶器熱面的平均熱流密度為5.5Mw，平均熱流密度提高了7.8%。關(guān)于高效結(jié)晶器的強(qiáng)化冷卻效果，進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)跟蹤。圖11為根據(jù)冷卻水溫差及水流量記錄的兩種不同結(jié)晶器冷卻效果，可以看出，高效結(jié)晶器有效地提高了結(jié)晶器的換熱強(qiáng)度。需要說明的一點(diǎn)是，有限元計(jì)算中得到的平均熱流密度為彎月面附近的換熱數(shù)據(jù)，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的平均熱流密度為整個(gè)結(jié)晶器銅管的平均熱流密度。

圖9 傳統(tǒng)結(jié)晶器銅管熱流分布

圖10 高效結(jié)晶器銅管熱流分布

圖11 高效結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)晶器平均熱流密度實(shí)測結(jié)果比較

坯殼表面一點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖12所示，可以看出高效結(jié)晶器具有更高的冷卻效率，傳統(tǒng)結(jié)晶器大約在0.56秒后開始凝固，而高效結(jié)晶器在0.5秒后便開始凝固，因此高效結(jié)晶器更有利于鋼液快速而均勻地形殼。

圖12 坯殼表面一點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

3 應(yīng)用實(shí)踐

鑒于本文所提出的高效結(jié)晶器結(jié)構(gòu)形式能夠很好地實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)化均勻冷卻”這一理念，作者通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造了新型高效結(jié)晶器并應(yīng)用于某鋼廠155mm方斷面的連鑄機(jī)，取得良好效果，最高拉速達(dá)到了4.46m/min，鑄坯質(zhì)量企業(yè)評級：中心疏松1，無一般疏松，中心偏析1.5，中心裂紋0.5，非中心裂紋0.5。高效結(jié)晶器目前平均過鋼量只有8000噸左右，雖然高于傳統(tǒng)結(jié)晶器的標(biāo)準(zhǔn)，但遠(yuǎn)低于其理論值。即便如此，高效結(jié)晶器的應(yīng)用仍然為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該廠全面應(yīng)用該技術(shù)，普碳鋼穩(wěn)定生產(chǎn)拉速達(dá)到4m/min，全年鋼產(chǎn)量提高了14%。圖13為現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例。

4 結(jié)論

1)通過數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，高效結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)晶器相比，可以很好地解決角部二維傳熱問題，使得形成的坯殼溫度更加均勻，從而減少熱應(yīng)力；

2)高效結(jié)晶器具有更高的冷卻效率，與普通結(jié)晶器相比，冷卻效率提高7.8%左右。因此，在彎月面能夠更早地使得鋼液凝固，有利于形成穩(wěn)定坯殼；

3)高效結(jié)晶器由于減小了熱面與冷卻水之間地距離，因此大大降低了銅管的最高溫度，減小了結(jié)晶器銅管在生產(chǎn)使用過程中的變形，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性；

4)高效結(jié)晶器成功應(yīng)用于某鋼廠155mm方斷面的鑄機(jī)上，穩(wěn)定生產(chǎn)拉速達(dá)到4m/min，最大拉速達(dá)到4.46m/min。