錐度及高徑比對(duì)大型鋼錠質(zhì)量的影響

趙亞楠 卜恒勇 郭建政 何 毅

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

錐度及高徑比對(duì)大型鋼錠質(zhì)量的影響

趙亞楠 卜恒勇 郭建政 何 毅

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過(guò)ProCAST軟件系統(tǒng)模擬研究了96 t大型鋼錠錠身高徑比和錐度對(duì)鋼錠凝固過(guò)程及質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，隨著鋼錠高徑比的增大，一次縮孔位置明顯上移，軸向縮松明顯增多，鋼錠中下部的夾雜可上浮時(shí)間縮短；錐度對(duì)鋼錠質(zhì)量的影響有限。

大型鋼錠；凝固過(guò)程；數(shù)值模擬

影響鋼錠鑄造質(zhì)量的因素有很多，大致可分為兩個(gè)方面：一方面是工藝因素，包括澆注溫度[1]、澆注速度、澆注方式、保溫劑使用與否及使用量等；另一個(gè)方面為模具因素，主要包括底盤、側(cè)模和冒口的尺寸。目前我國(guó)使用的大型鋼錠模型多為幾十年前研究設(shè)計(jì)的，因此有必要對(duì)現(xiàn)有的鋼錠模尺寸進(jìn)行研究?jī)?yōu)化。

A. Kermanpur、M. Heidarzadeh等人對(duì)小噸位的鋼錠開(kāi)展了一系列的優(yōu)化工作[2-3]。Jiaqi Wang等人主要對(duì)100 t鋼錠的冒口部分進(jìn)行了模型優(yōu)化[4]。本文以96 t鋼錠為研究對(duì)象，選擇5種不同的高徑比、錐度(見(jiàn)表1)，通過(guò)模擬計(jì)算，分析鋼錠的高徑比、錐度對(duì)鋼錠凝固過(guò)程的影響趨勢(shì)，提出96 t鋼錠模的優(yōu)化思路。96 t鋼錠示意圖見(jiàn)圖1。

1 鋼錠模設(shè)計(jì)及前處理設(shè)置

1.1 鋼錠模尺寸

本文以96 t鋼錠為原型，通過(guò)保持鋼錠的冒口、錠身和水口的體積不變，根據(jù)設(shè)定的高徑比和錐度，計(jì)算得到錠身的上下直徑，建立相應(yīng)的三維模型。

表1 96 t鋼錠主要優(yōu)化參數(shù)

圖1 96 t鋼錠示意圖

選擇10個(gè)錐度、高徑比不同的鋼錠模型(見(jiàn)表2)，進(jìn)行凝固模擬計(jì)算，研究分析鋼錠模的高徑比和錐度對(duì)鋼錠凝固過(guò)程的影響。

1.2 材料物性參數(shù)

材料物性參數(shù)主要包括鋼錠、鋼錠模、保溫磚的密度、熱導(dǎo)率、焓、液相線溫度和固相線溫度。對(duì)常用鋼種進(jìn)行了物性參數(shù)的實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與軟件計(jì)算得出的結(jié)果相差不大。因此，本鋼錠的物性參數(shù)直接根據(jù)鋼液的合金成分(見(jiàn)表3)計(jì)算得出。保溫磚的物性參數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的。所有物性參數(shù)均為隨溫度變化的曲線，提高計(jì)算的可信度。

表2 10個(gè)鋼錠模型的錐度和高徑比

表3 70Cr3Mo鋼錠合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在計(jì)算過(guò)程中往往忽略鋼錠內(nèi)部的流動(dòng)。由于鋼錠凝固時(shí)間長(zhǎng)，鋼液流動(dòng)有利于熱量的散失，不考慮流動(dòng)可能會(huì)造成計(jì)算誤差。經(jīng)研究分析，增大鋼液液相線以上的導(dǎo)熱系數(shù)可以近似鋼液內(nèi)部流動(dòng)對(duì)傳熱的影響，既能保證計(jì)算精度，又能提高工作效率。

1.3 初始條件及邊界條件

對(duì)于大型鋼錠來(lái)說(shuō)，鋼錠的充型時(shí)間和完全凝固時(shí)間相比要小得多，因此，鋼液的初始溫度可簡(jiǎn)化為鋼液的澆注溫度，70Cr3Mo鋼錠的澆注溫度設(shè)為1550℃。其余模型的初始溫度均為20℃。

在大型鋼錠的模擬計(jì)算中，直接將鋼液頂部視為絕熱情況[2-6]。本計(jì)算并未直接在鋼錠頂部添加發(fā)熱劑，而是在鋼液的自由表面設(shè)置合理的熱流密度和換熱系數(shù)來(lái)取代發(fā)熱劑的作用。

鋼錠與金屬鋼錠模之間的界面換熱系數(shù)隨溫度變化，其他界面換熱系數(shù)均設(shè)為500 W/(m2·K)。

2 鋼錠模的高徑比對(duì)鋼錠凝固過(guò)程的影響

2.1 鋼錠模的高徑比對(duì)鋼錠凝固時(shí)間的影響

完全凝固時(shí)間隨著高徑比的增大逐漸減少，隨后又發(fā)生增長(zhǎng)，見(jiàn)圖2。隨著高徑比的增大，側(cè)模的冷卻能力提高，冒口處的保溫效果亦逐漸增強(qiáng)。鋼錠的高徑比越大，錠身的表面積增大[2]，直徑減小，這些均有利于鋼錠的冷卻。但當(dāng)高徑比繼續(xù)增大時(shí)，冒口直徑變小、高度增高，導(dǎo)致保溫磚的保溫作用更明顯，高徑比增大過(guò)程中，由“冒口上方的冷卻占主導(dǎo)地位”向“保溫磚的保溫作用占主導(dǎo)地位”轉(zhuǎn)變，使冒口處鋼液的凝固速度變慢，所以凝固時(shí)間會(huì)重新增長(zhǎng)。

圖2 鋼錠完全凝固時(shí)間分布圖

圖3 鋼錠高徑比對(duì)鋼錠錠身上部完全凝固時(shí)間的影響

隨著高徑比的增大，側(cè)模的冷卻能力提高，冒口處的保溫效果亦逐漸增強(qiáng)，因此，鋼錠最后凝固部位由錠身向冒口方向移動(dòng)。不考慮冒口部分，就錠身來(lái)看，凝固時(shí)間隨高徑比的增大而減少，見(jiàn)圖3。這是因?yàn)楦邚奖仍龃?，?cè)模的表面積增大，冷卻能力提高，錠身的凝固速度加快。

在鋼錠凝固的不同時(shí)刻，量取鋼錠中部凝固的坯殼厚度，由于5個(gè)鋼錠的直徑均有較大差異，但徑向凝固速度可以用鋼錠凝固的坯殼厚度與鋼錠半徑之比來(lái)表示[2]。鋼錠高徑比對(duì)鋼錠徑向凝固速率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，鋼錠高度中部的徑向凝固速度隨高徑比的增大而增大[2]，

圖4 鋼錠高徑比對(duì)鋼錠徑向凝固速率的影響

因此，提高高徑比不利于降低鋼錠中心軸向生成孔隙的概率[3]。在凝固前期，鋼液與側(cè)模的溫度差使鋼液迅速凝固，隨后凝固速度趨于穩(wěn)定。凝固后期，大部分鋼液均已達(dá)到固相線溫度，致使凝固速度重新加快。

夾雜可上浮時(shí)間與鋼錠的高徑比之間沒(méi)有規(guī)律，見(jiàn)圖5。case5的夾雜上浮時(shí)間最長(zhǎng)，為2.4 h；case25夾雜可上浮時(shí)間最短，為1.7 h；可上浮時(shí)間的變化幅度最大約為42 min。對(duì)于鋼錠中下部(指鋼錠高度的0.65以下)的夾雜，隨著鋼錠高徑比的增大，夾雜的可上浮時(shí)間減小。鋼錠中上部的夾雜可上浮時(shí)間與高徑比之間的關(guān)系不規(guī)律，鋼錠錠身頂端夾雜最小上浮時(shí)間為100 min，最大為138 min，相差38 min(見(jiàn)圖6)；鋼錠高徑比越小，越有利于夾雜的上浮。

圖5 夾雜可上浮時(shí)間分布圖

圖6 高徑比對(duì)鋼錠頂部夾雜上浮時(shí)間的影響

2.2 鋼錠模的高徑比對(duì)鋼錠縮孔縮松和夾雜物 上浮距離的影響

隨著鋼錠高徑比的增大，二次縮孔的位置明顯上移，形狀由細(xì)長(zhǎng)變?yōu)榻蛐?；軸向縮松下移，形狀變長(zhǎng)，見(jiàn)圖7。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，高徑比增大，側(cè)模的冷卻能力增強(qiáng)，使最后凝固部位上移，二次縮孔上移；同時(shí)，側(cè)模冷卻能力增強(qiáng)，有利于樹(shù)枝晶的形成，枝晶交疊橋接，使鋼液補(bǔ)縮困難，更易產(chǎn)生軸向縮松。

假設(shè)鋼錠內(nèi)部夾雜物為球體，并且其在上浮過(guò)程中不發(fā)生反應(yīng)、聚集、吸附等物理現(xiàn)象[7]，鋼錠模高徑比對(duì)夾雜上浮距離的影響如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，高徑比增大不利于夾雜物的上浮。

3 鋼錠模的錐度對(duì)鋼錠凝固過(guò)程的影響

3.1 鋼錠模的錐度對(duì)鋼錠凝固時(shí)間的影響

鋼錠的完全凝固時(shí)間(見(jiàn)圖9)和夾雜可上浮時(shí)間(見(jiàn)10)受鋼錠錐度(高徑比為0.8)的影響不大，最大相差36 min，占2.5%。

夾雜可上浮時(shí)間最大相差約24 min，這是由于5個(gè)鋼錠的側(cè)模表面積、高度區(qū)別不大造成的。錐度對(duì)鋼錠底部夾雜的可上浮時(shí)間影響不大，從中上部開(kāi)始出現(xiàn)明顯的區(qū)別。

3.2 鋼錠模的錐度對(duì)鋼錠縮孔縮松、夾雜可上浮距離的影響

隨著錐度的增大，二次縮孔的位置下移，見(jiàn)圖11。由于鋼錠高徑比小，直徑較大，鋼錠的側(cè)模冷卻能力低于底模的冷卻能力，致使二次縮孔出現(xiàn)在錠身部位。

假設(shè)鋼錠內(nèi)部夾雜物為球體，并且其在上浮過(guò)程中不發(fā)生反應(yīng)、聚集、吸附等物理現(xiàn)象[7]，鋼錠錐度和夾雜物直徑對(duì)夾雜上浮距離的影響如圖12所示。鋼錠模的高徑比為0.8時(shí)，錐度對(duì)不同尺寸的夾雜上浮距離影響均不大，隨著夾雜粒徑的增大，夾雜可上浮區(qū)域增大。

圖7 鋼錠的二次縮孔和軸向縮松的分布情況

圖8 高徑比對(duì)夾雜上浮距離的影響

圖9 鋼錠完全凝固時(shí)間分布圖

圖10 夾雜可上浮時(shí)間分布圖

圖11 鋼錠的二次縮孔和疏松的分布情況

4 鋼錠的評(píng)價(jià)方法

4.1 鋼錠的評(píng)價(jià)量化公式

為了更清晰直觀的表現(xiàn)鋼錠模質(zhì)量與鋼錠模高徑比、錐度的關(guān)系，把二次縮孔、軸向縮松、夾雜上浮距離作為評(píng)價(jià)鋼錠優(yōu)劣的三大標(biāo)準(zhǔn)，將鋼錠質(zhì)量量化為I值，并建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量化公式如下：

I=aH1/H+bH2/H+cdRf/R+ceHf/H

式中，a、b、c、d、e為加權(quán)系數(shù)；H為錠身高度；R為錠身中部鋼錠的半徑；H1為二次縮孔與錠身頂端的距離(二次縮孔在帽口內(nèi)取負(fù)值，在錠身內(nèi)取正值)；H2為縮松高度；Rf為鋼錠中心部位夾雜不可完全上浮區(qū)域的徑向距離；Hf為底部夾雜的上浮距離。

圖12 鋼錠錐度和夾雜物直徑對(duì)夾雜上浮距離的影響

圖13 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量化公式中參數(shù)量示意圖

由評(píng)價(jià)公式可以明確，I值越小，獲得的鋼錠質(zhì)量越好，鋼錠模的高徑比、錐度越優(yōu)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量化公式中參數(shù)量示意圖如圖13所示。

4.2 回歸分析

按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)量化公式，對(duì)25個(gè)鋼錠進(jìn)行尺寸測(cè)量，并根據(jù)三大因素對(duì)鋼錠質(zhì)量的重要程度，確定加權(quán)系數(shù)a、b、c、d、e分別為0.7、0.15、0.15、0.9、0.1，并計(jì)算出I值。

經(jīng)過(guò)回歸分析，相關(guān)系數(shù)為98.6%，校正測(cè)定系數(shù)為84.5%，說(shuō)明鋼錠質(zhì)量與鋼錠模的高徑比、錐度有較強(qiáng)的相關(guān)性，從方差分析表可見(jiàn)，p值=0.000<0.0005，所以回歸方程效果良好。獲得的回歸方程如下：

I=-3.835-0.42A+0.23B+1.6907AB+0.3528A2+0.00952B2-0.01269AB2-0.01269A2B+4.582A1/2+1.91B1/2-1.6572A1/2B-2.417AB1/2

式中，A為鋼錠的錐度；B為鋼錠的高徑比。

代入A、B的值，得到曲線圖，見(jiàn)圖14。

相同的錐度下，I值隨著高徑比的增大，呈現(xiàn)先減小后增大隨后又減小的趨勢(shì)。且錐度大的變化幅度要比錐度小的變化幅度大。高徑比小于0.9時(shí)，隨著錐度的增大，I值增大，鋼錠質(zhì)量變差；當(dāng)高徑比大于0.9時(shí)，鋼錠質(zhì)量與錐度之間的關(guān)系不規(guī)律。

圖14 I值與鋼錠模錐度和高徑比之間的關(guān)系

造成這一現(xiàn)象的原因可能是，高徑比較小時(shí)，盡管沒(méi)有軸向縮松，但二次縮孔位于錠身內(nèi)部，導(dǎo)致I值較大；隨著高徑比的增大，二次縮孔逐漸向帽口內(nèi)移動(dòng)，使I值減??；繼續(xù)增大高徑比，夾雜上浮情況變差，致使I值升高；當(dāng)高徑比繼續(xù)增大時(shí)，二次縮孔距離錠身頂端的距離增大，且二次縮孔所占權(quán)重較大，足以彌補(bǔ)夾雜上浮項(xiàng)的增大，促使I值減小。

5 結(jié)論

系統(tǒng)研究了鋼錠錐度和高徑比對(duì)鋼錠凝固及縮孔縮松的影響，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于模鑄大型鋼錠來(lái)說(shuō)，隨著高徑比的增大，二次縮孔的位置明顯上移，形狀由細(xì)長(zhǎng)變?yōu)榻蛐?；縮松的位置明顯下移，形狀更細(xì)長(zhǎng)；夾雜可完全上浮的區(qū)域上移，不利于夾雜的上浮。

(2)隨著錐度的增大，二次縮孔的位置有下移的趨勢(shì)，但影響不大?？s松變短變細(xì)。但是對(duì)夾雜上浮影響不大。

(3)考慮縮孔縮松、高徑比不宜過(guò)小，但考慮到夾雜可上浮，高徑比不宜過(guò)大。當(dāng)鋼錠的高徑比為1.2，錐度為11.5時(shí)，鋼錠的質(zhì)量最優(yōu)。

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編輯 杜青泉

Effect of Taper and Slenderness Ratio on Heavy Ingot Quality

Zhao Yanan，Bu Hengyong，Guo Jianzheng，He Yi

The effect of slenderness ratio and taper on quality and solidification process of 96t ingot moulds have been simulated studied by using the software package ProCAST. The results show that with the increment of slenderness ratio of ingot, the position of shrinkage porosity moves up and the macroporosity in longitudinal direction increases. Meanwhile, the inclusion floating time from the middle and bottom part of ingot decreases. The taper has almost little effect on the quality of ingot.

heavy ingot, solidification process, numerical simulation

2017—03—23

趙亞楠(1986—)，女，工程師，主要從事鑄造CAE方面的研究工作。

TG244

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