大型板坯電渣重熔結(jié)晶器的設計及優(yōu)化

冮俊峰 裴蘭科 趙雷 徐曉林 盧艷青

(鞍鋼鑄鋼有限公司,遼寧 鞍山 114000)

電渣重熔屬于二次精煉方法,也稱電渣精煉。它能進一步提純鋼或合金,改善錠坯的凝固組織,獲得高質(zhì)量的金屬產(chǎn)品[1-7]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,對核電、水電、鍋爐和船舶等領域用鋼的需求量不斷增加,對大單重(≥20 t)特厚板(≥100 mm)提出了更高的要求。電渣板坯以其優(yōu)異的冶金質(zhì)量和滿足軋制大壓縮比的要求,成為制備大單重特厚板的先進方法。

目前,國內(nèi)電渣板坯生產(chǎn)廠家極少,大型板坯電渣爐結(jié)晶器設計和制造尚無成熟經(jīng)驗借鑒。鞍鋼鑄鋼有限公司(以下簡稱鞍鋼鑄鋼)瞄準電渣板坯生產(chǎn)的瓶頸問題,突破了關(guān)鍵大型板坯結(jié)晶器的核心技術(shù),實現(xiàn)了裝備升級,并成功地應用于高品質(zhì)基礎性關(guān)鍵材料的生產(chǎn),擺脫了對進口產(chǎn)品的依賴,提升了品牌形象和國際市場競爭力,促進了冶金技術(shù)的自主創(chuàng)新發(fā)展。

1 產(chǎn)品設計方案

1.1 錠型

產(chǎn)品具有大單重(≥20 t)特厚板(≥100 mm)的特點要求,結(jié)合5500 mm厚板軋機的生產(chǎn)模式,選擇最大不超過45 t、厚度不超過1000 mm的電渣重熔板坯產(chǎn)品。和大型圓形電渣錠相比,電渣板坯組織致密、成分均勻,采用較小的壓縮比進行直軋可獲得大單重特厚板,其流程短、質(zhì)量好、成材率高、成本相對較低。

1.2 爐型

采用單相、單電極、同軸導電模式,錠坯凝固前沿溫度梯度較大,其表面及內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)于單相雙電極串聯(lián)和三相三電極模式,且設備制造容易,費用較低,工藝操作方便,穩(wěn)定性好。

1.3 電極

(1)低合金鋼:由于連鑄板坯具有氧含量較低、質(zhì)量均勻、成材率高、表面易于機械化修磨處理等優(yōu)點,因此,低合金鋼電極常采用連鑄板坯,單根或多根拼接。

(2)高合金鋼:由于高合金鋼的合金成分高,鋼的液相線與固相線溫度區(qū)間變化較大,其凝固特性不同于普碳鋼,對脆性區(qū)間溫度范圍影響較大,鋼的裂紋敏感性增強,因此,高合金鋼電極常采用模鑄鑄錠,單根或多根拼接。

1.4 結(jié)晶器

固定式結(jié)晶器比抽錠式的結(jié)構(gòu)復雜,造價高昂,但成型質(zhì)量好,生產(chǎn)過程穩(wěn)定。為適應不同規(guī)格的電極和產(chǎn)品需求,結(jié)晶器厚度方向設計為連續(xù)可調(diào)模式,調(diào)節(jié)區(qū)間為300～1100 mm,最大尺寸為1100 mm×2000 mm×3500 mm。

綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)實際等多種因素,選用單相、單電極、同軸導電和固定式大型板坯結(jié)晶器的電渣重熔系統(tǒng)。為了獲得良好的電渣板坯質(zhì)量,降低成本,縮短研發(fā)周期,需對系統(tǒng)進行模擬仿真,進而對結(jié)晶器進行優(yōu)化設計。

2 電渣重熔系統(tǒng)的數(shù)值模擬

本文以60 t電渣爐的板坯結(jié)晶器為研究對象,應用Maxwell軟件,對電渣重熔過程進行模擬。為簡化計算,模型選用1/4實體。鋼種為316H,電極尺寸500 mm×1650 mm×6000 mm,錠坯尺寸700 mm×2000 mm×3500 mm,選用CaO-CaF2-Al2O3三元渣系,渣層厚度220 mm,有關(guān)熔渣、錠坯等物性參數(shù)參考相關(guān)文獻[1]取值。模擬取得以下結(jié)果。

2.1 電場模擬

(1)通體電場分布

通體電流面密度分布及中心縱截面電流分布如圖1所示。由圖可見,電流集中分布在電極(圖1上部)表面和電渣錠坯(圖1下部)表面。電極和錠坯角部的電流密度最大,中心位置較小,集膚效應明顯。由于渣的導電性相對較小,所以渣池區(qū)域(圖1中間部分)電流分布的集膚效應小?？傮w上,電流密度分布相對均勻且數(shù)值較小,但受電極電流影響,電極附近處電流密度較大,但越靠近渣池外側(cè),電流密度越小,越靠近渣池中心,電流密度也越小。

(a)通體電流面密度3D分布 (b)中心縱截面電流分布圖1 電流分布Figure 1 Current distribution

(2)通體熱損耗

通體熱損耗在中心截面上的分布如圖2所示。由圖可以看出,由于電渣的電導率要小于電極和鑄坯,因此電流的焦耳熱主要集中于渣池區(qū),且遠遠大于電極區(qū)和鋼錠區(qū),而電極下部及電極角部附近的渣池區(qū)溫度相對高,電導率較小而且電流密度大,該區(qū)域的焦耳熱強度要遠遠大于渣池區(qū)的其他部分,這也是自耗電極熔化的主要熱源區(qū),最大值出現(xiàn)在電極與渣池的連接處。

圖2 熱損耗分布Figure 2 Heat loss distribution

2.2 流場模擬

渣池及鋼液熔池中心截面速度矢量分布如圖3所示。圖中左側(cè)為熔池中心側(cè),右側(cè)為結(jié)晶器壁面?zhèn)取Ｔ谠睾弯撘喝鄢刂?都有熔體的流動存在。渣池中的熔體受向內(nèi)電磁壓力作用的同時,還受到從電極滴落的熔融鋼液的影響。熔融液滴從電極向下滴落穿過渣池過程中,受洛倫茲力作用在渣池內(nèi)形成擾動,渣池內(nèi)的流動由重力、洛倫茲力和浮升力共同作用,形成幾個渦流區(qū),并且有一定的速度。渣中流體主要從壁面附近向斜下方流動,在1/4寬度處改而向斜上方流動,在中心軸線處轉(zhuǎn)而向下流動,且速度最大;而鋼液熔池中流體主要受到電磁壓力作用,在渣-金界面處附近由壁面流向中心,速度也最大,在熔池中心線處流動轉(zhuǎn)而向下并最終形成一個逆時針的渦流,鋼錠凝固區(qū)附近鋼液流速變小。

圖3 中心截面速度矢量分布Figure 3 Velocity vector distribution at center section

2.3 板坯與結(jié)晶器溫度場模擬

2.3.1 板坯溫度場

(1)中心截面溫度場及液相率分布

中心截面的溫度場及液相率分布如圖4所示。由圖4可以看出,由于焦耳熱主要集中在渣池區(qū)(橫線以上部分),因此渣池區(qū)溫度最高。鋼液區(qū)內(nèi)(橫線以下部分),隨著位置向下及向右,溫度逐漸降低,直至出現(xiàn)固液共存區(qū),最后是完全凝固區(qū)。固相區(qū)的溫度梯度較小。通體溫度最大值出現(xiàn)的區(qū)域與圖2的焦耳熱最大值出現(xiàn)的區(qū)域并不重合,溫度最大值出現(xiàn)在渣池中心區(qū)域。其主要原因:一是渣池內(nèi)的電流密度分布不均勻和熔渣的流動使渣池內(nèi)的溫度分布相對不均勻;二是電極下方渣池區(qū)域金屬熔滴在滴落中會吸收附近熔渣的熱量,滴落的金屬熔滴有向內(nèi)運動的趨勢,使渣中的高溫區(qū)向內(nèi)移動,并且電極從固相變?yōu)橐合噙^程中會吸收大量的潛熱,使電極角部附近溫度降低;三是截面的右側(cè)(渣池側(cè)面)受水冷結(jié)晶器的強制冷卻作用,與結(jié)晶器壁面的熱交換強度較大。另外,截面右側(cè)區(qū)域(電極中心)溫度高的原因也有可能是模擬計算忽略了電極向上的傳熱。在下一步的計算中應考慮其影響,但相關(guān)文獻中有該部位溫度最高的報道。

熔池底部較為平坦,有利于電渣重熔的進行。在錠坯凝固區(qū)域,溫度自上而下均勻下降,固相區(qū)的溫度梯度很小。熔池中部橫向溫度相差不大,邊緣部位溫度梯度較大。渣區(qū)溫度基本為1755 K以上,液態(tài)金屬區(qū)溫度約為1724～1758 K,凝固金屬區(qū)溫度為1688 K以下。

(2)橫截面溫度場及液相率分布

板坯不同高度橫截面上的溫度分布及液相率分布如圖5所示。設液面水平高度為0 mm。

由圖可以看出,角部溫度最低,最先出現(xiàn)固相區(qū),隨著橫截面的高度下降,角部的固相區(qū)逐漸擴大,錠坯內(nèi)部溫度梯度變大,橫截面的液相區(qū)逐漸減少。

2.3.2 結(jié)晶器溫度場

為了優(yōu)化設計結(jié)晶器,必須要計算結(jié)晶器內(nèi)的溫度分布及應力應變大小?，F(xiàn)給出計算所得結(jié)晶器內(nèi)壁的溫度分布,如圖6所示。

由于計算采用的是1/4模型,所以圖中顯示的結(jié)晶器寬度為實際的一半。圖中右側(cè)分別都是結(jié)晶器的中心側(cè)?？梢钥吹?窄面?zhèn)鹊臏囟纫哂趯捗鎮(zhèn)鹊?。這是因為窄面?zhèn)扔械膬蓚€角部離的更近,在其寬度方向上的電流的焦耳熱密度要高于寬面的。溫度分布總體呈鋸齒狀,在冷卻水槽的中間溫度低,而水槽的兩側(cè)溫度高,溫度從上到下也大致呈線性分布。寬面的中心處溫度較高,這是因為該處的冷卻水槽的分布密度要低于其他部位的,冷卻強度低。

2.4 結(jié)晶器應力場數(shù)值模擬

利用模擬計算得到的錠坯溫度場分布作為結(jié)晶器應力應變計算的初始數(shù)據(jù),利用ANSYS進行應力分析,求解應力應變,得到結(jié)晶器內(nèi)的應力分布以及結(jié)構(gòu)彈性變形,為結(jié)晶器設計提供依據(jù)。在計算模型中,將結(jié)晶器寬面和窄面的底面和兩側(cè)面,以及冷面沿法線方向的位移設置為0。

2.4.1 結(jié)晶器寬面內(nèi)壁面處的熱應力分布及總體熱變形

結(jié)晶器寬面銅板內(nèi)壁面處的熱應力分布及總體熱變形分別如圖7所示。圖7中左側(cè)是結(jié)晶器的寬面中心側(cè)。

由圖7可以看出,中心側(cè)熱應力稍大,這是由于中心側(cè)的溫度高一些,溫度梯度大。最大應力在百兆帕量級。最大總體變形量為0.33 mm,遠小于0.02%。

2.4.2 結(jié)晶器窄面內(nèi)壁面處的熱應力分布及總體熱變形

結(jié)晶器窄面內(nèi)壁面處熱應力分布及總體熱變形如圖8所示。最大應力在百兆帕量級。最大總體熱變形量在0.35 mm左右,也是遠小于0.02%。

(a)窄面銅板內(nèi)壁處的熱應力 (b)總體熱變形圖8 結(jié)晶器窄面內(nèi)壁處的熱應力及總體熱變形Figure 8 Thermal stress and overall thermal deformation on the inner wall of a narrow surface of crystallizer

2.4.3 結(jié)晶器小結(jié)

由圖7和圖8可以看出,結(jié)晶器采用圓形直通水道的設計具有合理性,其熱應力小于銅板的許用應力,熱變形在允許范圍內(nèi)。采用背板等結(jié)構(gòu)設計合理,能有效約束變形,并分散應力。采用分段連接方式,銅板間存在低溫區(qū),溫差在可接受的范圍,連接處的變形和熱應力小于許可值。

2.5 模擬小結(jié)

以電渣重熔系統(tǒng)電極、渣池、錠坯和結(jié)晶器為研究對象,利用Maxwell軟件模擬了電渣重熔過程,分析了相關(guān)的電場、流場、溫度場及應力場分布,本研究所建立的數(shù)學模型可以用來預測電渣重熔過程及結(jié)晶器的設計與優(yōu)化。

3 結(jié)晶器的優(yōu)化與改進

根據(jù)模擬結(jié)果及實踐經(jīng)驗,對電渣重熔結(jié)晶器進行了改進與優(yōu)化,圖9為新型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 新型結(jié)晶器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 9 Structure diagram of new crystallizer

新結(jié)晶器具有如下特點:

(1)模塊組合

結(jié)晶器銅板采用多模塊組合式結(jié)構(gòu),各模塊根據(jù)需要獨立配水,冷卻水流量流速調(diào)整方便。各模塊備件相同,相對獨立,便于更換及組裝,提高了生產(chǎn)效率,大幅度降低了備件數(shù)量和成本。

(2)深孔直冷

銅板內(nèi)部為圓形大深孔直通冷卻通道,冷卻面積大,冷卻強度高。水道尺寸和排布合理,冷卻均勻性好,其密封性可靠。

(3)同軸導電

采用單相單電極同軸導電結(jié)構(gòu),熔煉框架上設有底水箱,周邊設有4根導電銅柱,電流沿電極方向進入,經(jīng)結(jié)晶器底部至結(jié)晶器外套回流,電流產(chǎn)生的磁場相互抵消,金屬熔池淺平,有利于錠坯組織成分均勻,減小了偏析,降低了電耗。

(4)框架支撐

背板采用不銹鋼框架式支撐結(jié)構(gòu)及螺栓陣列緊固,能有效約束變形,并分散應力,減少了銅板的鼓肚和變形。

(5)厚度可調(diào)

多模塊銅板進行組合,可生產(chǎn)多規(guī)格系列產(chǎn)品,可適應市場對坯型規(guī)格的要求變化,大大地節(jié)省了投資和生產(chǎn)成本。寬度700 mm的結(jié)晶器調(diào)寬范圍為300～1000 mm,寬度350 mm的結(jié)晶器調(diào)寬范圍為250～450 mm。

(6)自動開合

電動自動開合結(jié)晶器進行脫模,效率高,縮短了生產(chǎn)準備和后續(xù)處理時間,延長了結(jié)晶器壽命。

4 生產(chǎn)及應用

鞍鋼鑄鋼自主設計的單相單電極同軸固定式結(jié)晶器板坯電渣爐為國內(nèi)首臺套生產(chǎn)大單重、大厚度電渣板坯裝備。從投產(chǎn)運行情況來看,其具有結(jié)晶器冷卻強度大、穩(wěn)定性好、可精確控制和調(diào)節(jié)熔煉工藝特點,保證了冶金質(zhì)量。

(1)生產(chǎn)的電渣板坯均勻致密,無渣溝和裂紋,表面及內(nèi)部質(zhì)量良好,完全滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。生產(chǎn)的電渣板坯見圖10。

圖10 40 t的316H電渣板坯產(chǎn)品及表面質(zhì)量Figure 10 The products and surface quality of 316H electroslag slab for 40 t

(2)結(jié)晶器已申報專利,專利名稱:一種內(nèi)冷式冷卻模塊及可調(diào)規(guī)格結(jié)晶器;專利號:ZL202023102098.1。結(jié)晶器設計合理、穩(wěn)定可靠,壽命從28爐次大幅提高到目前800次以上,設計壽命可達1200次以上,經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)語

在數(shù)值模擬的基礎上,對40 t大型電渣板坯結(jié)晶器進行了設計與優(yōu)化。實踐表明,固定式結(jié)晶器具備良好的導熱性,成型質(zhì)量好,壽命高;結(jié)合單相單電極同軸導電的結(jié)構(gòu)設計,生產(chǎn)的大型電渣板坯成分均勻、組織致密,完全滿足質(zhì)量要求。該關(guān)鍵技術(shù)具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán),可推廣使用。