連鑄矯直區(qū)不同角部形狀板坯表面溫度的數(shù)值模擬

孟德弟 王明林 張 慧 袁守謙

(1.西安建筑科技大學(xué)冶金學(xué)院，陜西西安 710055；2.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京 100081)

連鑄矯直區(qū)不同角部形狀板坯表面溫度的數(shù)值模擬

孟德弟1,2王明林2張 慧2袁守謙1

(1.西安建筑科技大學(xué)冶金學(xué)院，陜西西安 710055；2.鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心，北京 100081)

倒角結(jié)晶器是避免連鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生、改善角部質(zhì)量的新技術(shù)。通過ANSYS數(shù)值模擬，計算了不同角部形狀的板坯在連鑄矯直區(qū)的溫度分布情況，分析了倒角角度、倒角面長度對板坯角部溫度及其熱塑性的影響。結(jié)果表明，倒角鑄坯在提高角部溫度和溫度均勻性方面效果明顯，鑄坯角部熱塑性隨著溫度的升高而改善。具有較高角部溫度的倒角鑄坯基本避開了鋼的脆性區(qū)間，從而防止了角部橫裂紋的產(chǎn)生。倒角結(jié)晶器技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好效果。

倒角坯 角部形狀 溫度場 角橫裂 數(shù)值模擬

角部橫裂紋一直是困擾各大鋼廠板坯質(zhì)量的重大難題，對橫裂紋的處理一般采用冷坯離線火切的方法，這不僅造成了能源、材料、人力的大量浪費(fèi)，也打斷了煉鋼——連鑄——軋鋼的高效化生產(chǎn)節(jié)奏，使熱裝熱送成為不可能。鑄坯角部橫裂紋的形成原因一般認(rèn)為是由于矯直段處于鋼的脆性區(qū)間700～850 ℃。針對這一原因分別形成了兩種應(yīng)對措施[1- 4]：一是在二冷段采用弱冷措施，從而提高角部溫度至900 ℃以上，以避開脆性區(qū)間；二是在二冷段采用強(qiáng)冷措施，使角部溫度降到600 ℃以下，從而避開脆性區(qū)。

常規(guī)鑄坯角部為直角二維傳熱，通過使用倒角結(jié)晶器，改變了鑄坯的角部形狀，弱化了角部二維散熱，從而提高了角部溫度以避開脆性區(qū)間，達(dá)到解決角部橫裂紋缺陷的目的[5- 6]。

1 研究方法

1.1 基本假設(shè)和模型的建立

基本假設(shè)：結(jié)晶器上部鋼液與保護(hù)渣按絕熱處理；結(jié)晶器內(nèi)部和二冷區(qū)按對流傳熱處理；忽略鋼液內(nèi)部對流對傳熱的影響；忽略結(jié)晶器振動液面波動對傳熱的影響；拉速恒定在0.93 m/min。

溫度場模擬采用ANSYS軟件建立二維模型，由于傳熱的對稱性，為簡化模型，選用1/2斷面進(jìn)行建模。鑄坯模型尺寸642.5 mm×260.0 mm(如圖1所示)，倒角面與窄面角度分別為22°、30°、38°、45°、60°，倒角面長度為20、40、60、80 mm，另加直角坯作為對比。所有21種工況，僅角部形狀不同，其他條件均完全相同，矯直段鑄坯角部形狀均遺傳自上工段，由結(jié)晶器角部形狀決定，即鑄坯截面形狀和倒角結(jié)晶器形狀是一致的。

圖1 鑄坯1/2截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of 1/2 cross- section of slab

不同于直角坯，倒角坯角部有兩個鈍角，靠近寬面的角稱之為寬面角，靠近窄面的角稱之為窄面角。寬面角的角度為寬面和倒角面所形成的鈍角，窄面角的角度為窄面和倒角面之間形成的鈍角，寬面角與窄面角的角度之和為270°。

1.2 初始條件

為了提高計算結(jié)果與實際工況的一致性，使其更具有現(xiàn)實指導(dǎo)價值，計算初始條件均來自國內(nèi)某鋼廠現(xiàn)場實測值：(a)鋼液的初始溫度為1 559 ℃；(b)結(jié)晶器入口和出口水溫分別為27.5、34.6 ℃；(c)二冷水溫取值為27.2 ℃。

1.3 邊界條件

結(jié)晶器單位時間內(nèi)傳遞的熱量[7]，記為平均熱流Q(單位：W)：

Q=cρSv(T出-T進(jìn))

(1)

式中：c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3；v為結(jié)晶器內(nèi)水的流速，m/s；S為結(jié)晶器水孔面積，；T進(jìn)為進(jìn)水口平均水溫，27.5 ℃；T出為出水口平均水溫，34.6 ℃。

二冷區(qū)水直接噴到鑄坯表面，依據(jù)牛頓冷卻定律[8- 9]，平均熱流密度q(單位：W/m2)可表示為：

q=h(T坯-T水)

(2)

式中：h為對流換熱系數(shù)，由噴嘴大小及噴水速度決定，W/(m2·℃)；T坯為鑄坯表面溫度，℃；T水為二冷水平均溫度，27.2 ℃。

2 計算結(jié)果及分析討論

2.1 倒角長度對溫度的影響

提取鑄坯表面從距鑄坯寬面中心500 mm處至窄面中心的溫度分布情況。計算得到相同倒角角度情況下倒角面長度對鑄坯溫度的影響，如圖2所示。

從圖2中可以看出，4種倒角面長度的鑄坯由寬面角至窄面角溫度曲線的走勢大致相同。這表明當(dāng)?shù)菇墙嵌裙潭〞r，倒角面長度僅影響溫度數(shù)值的波動幅度，對溫度走勢的影響不大。所有倒角坯角部溫度均比直角坯角部溫度高，且隨著倒角面長度的增加，角部溫度不斷提高。相同倒角角度下，隨著倒角面長度的增加，寬面角溫度也隨之升高，但溫度增量卻逐漸減小(見圖4)，窄面角溫度也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖2 倒角長度對鑄坯表面角部溫度的影響Fig.2 Influence of chamfer length on the surface temperature of the corner of the slab

直角坯角部以二維散熱方式冷卻，倒角坯角部由于存在兩個鈍角，角部的冷卻開始接近于一維散熱，其冷卻速度得到降低，故有利于提高角部溫度。由上述計算結(jié)果可知，隨著倒角面長度的增加，角部溫度也隨之升高，倒角面上的溫度與寬面和窄面上的溫度差不斷減小，角部溫度的變化曲線也更平滑，即角部附近溫度分布越均勻。

2.2 倒角角度對溫度的影響

為了研究倒角角度對鑄坯角部溫度的影響，對相同倒角面長度不同倒角角度的鑄坯的傳熱行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中距鑄坯寬面中心500 mm處至窄面中心的溫度分布，如圖3所示。

從圖3中可以看出，倒角坯在寬面角和窄面角分別出現(xiàn)兩個溫度低谷。在由寬面角至窄面角的區(qū)域，溫度先上升后下降，呈開口向下拋物線趨勢，期間出現(xiàn)一個溫度峰值。對于相同倒角面長度不同倒角角度的鑄坯，此溫度峰值相差較小，隨著倒角角度的增大，峰值的位置逐漸右移，即逐漸向?qū)捗娼强拷?2°、30°和38°倒角鑄坯的溫度最低點在寬面角，45°倒角鑄坯的寬面角和窄面角溫度大致相等，60°倒角鑄坯的溫度最低點出現(xiàn)在窄面角。在倒角角度逐漸增大的過程中，寬面角溫度逐漸升高，窄面角溫度逐漸降低，最低溫度點逐漸由寬面角轉(zhuǎn)移至窄面角?？梢姷菇墙嵌葘﹁T坯溫度變化曲線形狀的影響較大。

在傳熱過程中，倒角坯的寬面角或窄面角的角度越小，越趨向于二維傳熱，散熱速度就快，溫降也就越大；寬面角或窄面角的角度越大，越趨向于一維傳熱，散熱速度就慢，溫降也就越小。在倒角角度逐漸由22°向60°增大的過程中，寬面角角度逐漸增大，越趨于一維傳熱，散熱速度逐漸減慢，角部溫度隨之提高；同時，窄面角角度逐漸減小，越趨于二維傳熱，散熱速度逐漸增大，角部溫度隨之降低。在倒角角度逐漸增大的過程中，角部最大散熱速度位置逐漸由寬面角轉(zhuǎn)移至窄面角。

倒角角度為45°時，寬面角角度等于窄面角角度，兩角的散熱速度相等，寬面角和窄面角處溫差最小，溫度分布較為均勻。隨著倒角角度的增大或減小，寬面角和窄面角之間的溫差均有增大的趨勢。

2.3 角部形狀對鑄坯熱塑性的影響

圖4顯示了不同角部形狀鑄坯角部溫度的分布情況?？梢娭苯氰T坯角部溫度約為800 ℃，正處于鋼的第三脆性溫度區(qū)間，如圖5所示。此時在奧氏體晶界上開始形成鐵素體， 這將導(dǎo)致在奧氏體晶粒周圍形成鐵素體膜，在轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，鐵素體比奧氏體軟。這樣當(dāng)變形開始時，應(yīng)變就集中在晶界的鐵素體內(nèi)。延展性斷裂，即第二相微粒上空隙的形核， 以及這些空隙的生長便在鐵素體膜內(nèi)繼續(xù)，導(dǎo)致鋼的塑性變差，這時在鑄坯發(fā)生矯直變形的過程中，容易造成材料破壞，產(chǎn)生裂紋[10]。而倒角坯的角部溫度普遍高于850 ℃，比常規(guī)鑄坯高50 ℃以上，已基本避開了鋼的第三脆性溫度區(qū)間，鑄坯角部熱塑性較好，可以有效抵抗在矯直大變形的作用下產(chǎn)生的可能使材料發(fā)生破壞的應(yīng)力。所以利用倒角結(jié)晶器生產(chǎn)倒角鑄坯，有利于提高角部溫度從而達(dá)到避免角橫裂產(chǎn)生的目的。

圖3 倒角角度對鑄坯表面角部溫度的影響Fig.3 Influence of chamfer angle on the surface temperature of the corner of the slab

圖4 不同角部形狀角部溫度變化Fig.4 Variations of corner temperature for different corner shapes

圖5 鑄坯斷面收縮率隨溫度變化Fig.5 Reduction in area of slab as a function of temperature

3 工業(yè)試驗

在國內(nèi)某鋼廠進(jìn)行了倒角角度22°、30°，倒角面長度65 mm的倒角結(jié)晶器工業(yè)試驗。實際測得在矯直段內(nèi)，倒角角度22°、倒角長度65 mm的倒角鑄坯，其寬面角溫度比常規(guī)直角鑄坯角部高60 ℃；倒角角度30°，倒角長度65 mm的倒角鑄坯，其寬面角溫度比常規(guī)直角鑄坯角部高120 ℃。由圖6可以看出，在矯直段常規(guī)直角鑄坯的溫度更低，角部已呈現(xiàn)暗黑色，而倒角鑄坯角部仍保持較高溫度,呈現(xiàn)亮白色。經(jīng)檢查，鑄坯冷卻后倒角鑄坯角部無橫裂紋出現(xiàn)。

圖6 直角鑄坯(a)和倒角鑄坯(b)矯直工業(yè)試驗Fig.6 Straightening commercial experiment of rectangular slab (a) and chamfered slab (b)

在模擬計算中，由圖4可以得到：倒角面長度為65 mm時，22°倒角鑄坯的寬面角溫度為885 ℃，比常規(guī)鑄坯溫度高85 ℃；30°倒角鑄坯的寬面角溫度為920 ℃，比常規(guī)鑄坯溫度高120 ℃。這與實際生產(chǎn)情況基本相符。

4 結(jié)論

(1)倒角面長度對鑄坯溫度影響較大，隨著倒角面長度的增加，角部溫度逐漸提高。

(2)倒角角度對鑄坯溫度分布趨勢的影響較大，隨著倒角角度的增大，寬面角溫度逐漸升高，窄面角溫度逐漸降低，角部溫度最低位置逐漸由寬面角轉(zhuǎn)移至窄面角。

(3)倒角鑄坯比直角鑄坯的角部溫度分布更均勻，倒角面越長，倒角角度越接近45°，角部溫度分布越均勻。

(4)倒角坯對提高角部溫度具有明顯效果，倒角鑄坯角部溫度普遍高于常規(guī)直角鑄坯溫度50 ℃以上，基本避開鋼的第三脆性溫度區(qū)間，避免了角部橫裂紋的產(chǎn)生。

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收修改稿日期：2016- 12- 05

NumericalSimulationofSurfaceTemperatureofContinuousCastingSlabwithDifferentCornerShapeduringStraightening

Meng Dedi1,2Wang Minglin2Zhang Hui2Yuan Shouqian1

(1. College of Metallurgy， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an Shanxi 710055，China； 2. National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology， Iron and Steel Research Institute， Beijing 100089， China)

Chamfered mold is a new technology that can avoid the generation of corner transverse crack and improve quality of the corner. The temperature distribution of the slab corner of different corner shape in straightening zone during continuous casting was calculated by using ANSYS software, and the influence of chamfer angle and chamfer length on the temperature variation and the hot ductility of slab corner were summarized. The results showed that the chamfered slab can significantly improve the corner temperature and temperature uniformity, and the hot ductility of slab corner was improved with the temperature increasing. The brittle interval of steel can be basically avoid by chamfered slab at a higher corner temperature, thus preventing the generation of transverse corner cracks. The technology of chamfered mold achieved good results in production applications.

chamfered slab，corner shape，temperature field，transverse corner crack，numerical simulation

國家自然科學(xué)基金(No.51204059)

孟德弟，男，主要從事連鑄過程數(shù)值模擬和表面缺陷解決相關(guān)研究，Email：mdding@126.com