冒口高度對60t扁鋼錠質(zhì)量影響的數(shù)學(xué)模擬研究

肖卿鶴1  李勝利1  回梓嫣1  艾新港1  沙明紅1  張連望1

（遼寧科技大學(xué)  材料與冶金學(xué)院）

摘  要：冒口高度對鋼錠凝固過程中的疏松、縮孔等缺陷有一定影響。本文建立了60t扁鋼錠凝固過程的數(shù)學(xué)模型，研究冒口高度對鋼錠的組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷的影響，確定鋼錠縮孔缺陷和凝固速度隨冒口高度的變化規(guī)律。綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)等因素，建議60t扁鋼錠的冒口高度為540mm。

關(guān)鍵字: 扁鋼錠；冒口；數(shù)值模擬；疏松；縮孔

Mathematical Simulation Research on the Influence of Quality of 60t Flat Ingots with Riser Height

Abstract: Riser height has a certain influence on the porosity, shrinkage and other defects in the solidification process of steel ingots. A mathematical model for solidification process of 60t ingot is established in this paper. The influence of riser height on the structure and internal defects of ingot is studied, and the variation rule of ingot shrinkage defect and solidification speed with riser height is determined. Considering factors such as actual production, it is recommended that the riser height of the 60t flat steel ingot be 540mm.

Keyword: flat ingot; riser; number simulation; porosity; shrinkage

隨著近些年連鑄、近終形鑄軋、薄板坯連鑄連軋等冶金技術(shù)不斷進(jìn)步，一些鋼廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全部連鑄化，但是仍然有些鋼種不能進(jìn)行連鑄方式生產(chǎn)，尤其一些高附加值特殊鋼及大規(guī)格型材，只能使用模鑄方式生產(chǎn)[1-3]。鋼錠的質(zhì)量不僅與工藝因素有關(guān)，如澆注溫度、澆鑄速度、澆鑄方式、保溫劑使用以及使用量等[4]；更與鋼錠幾何因素有關(guān)[5]。鋼錠幾何因素包含冒口尺寸、高徑比及錐度等。在生產(chǎn)中，疏松和縮孔依舊是模鑄鋼錠的主要缺陷，對鋼錠模與冒口形狀及尺寸等工藝參數(shù)和發(fā)熱材料進(jìn)行優(yōu)化尤為重要，而數(shù)值模擬技術(shù)為傳統(tǒng)的鋼錠模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了便利手段[6-10]。綜上所述，為了降低鋼錠凝固缺陷，提高凝固效率，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)綜合研究了60t扁鋼錠的冒口高度對凝固過程影響規(guī)律，優(yōu)化了先有的生產(chǎn)模式。

1 材料的熱物性參數(shù)

1.1 模具鋼42CrMo4熱物性參數(shù)

選用42CrMo4鋼種進(jìn)行模擬計(jì)算。42CrMo4鋼具有較高淬透性、高強(qiáng)度的特性。模具鋼42CrMo4的固相線為1425℃，液相線為1494℃，其鋼種化學(xué)成分如（表1）所示[11]。

表1 鋼42CrMo4的成分（%）

Tab. 1 Composition of steel(42CrMo4) (%)

1.2 鋼錠模鑄鐵的熱物性參數(shù)

此次模擬計(jì)算選用灰口鑄鐵HT200為鋼錠模材料，這種鑄鐵導(dǎo)熱性好，性價(jià)比高。經(jīng)過查閱相關(guān)資料，可以知道此鑄鐵的成分如下[12]。如表2所示。

表2 鑄鐵成份（%）

Tab. 2 Cast iron components(%)

1.3 初始條件和邊界條件

初始條件的確定即是計(jì)算零時(shí)刻鑄件內(nèi)部溫度、鑄型內(nèi)部溫度的確定[7]。

本文假設(shè)在邊界處的換熱系數(shù)的選取情況如表3所示[13~15]，并給出了計(jì)算零時(shí)刻鑄件內(nèi)部溫度、鑄型內(nèi)部溫度。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際情況，具體的初始條件和邊界條件的值見表4.

表3 界面換熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)

Tab 3 Coefficient of interface heat transfer

表4 初始溫度（℃）

Tab.4 The initial temperature(℃)

2 模型建立

本研究建立的模型如圖1所示，模型尺寸如表5所示。

表5 模型尺寸

Tab.5 model size

3.模擬結(jié)果分析

3.1 冒口高度對凝固過程的影響

本節(jié)控制其他參數(shù)不變，調(diào)整冒口高度分別為340mm、540mm、740mm的情況下，研究不同高度對鋼錠凝固的凝固和缺陷的影響。

從圖3中可以看出，凝固剛開始時(shí)，冒口高度為340mm和540mm對于固液界面前沿形狀沒有發(fā)生很大的變化。剛開始鋼液與鑄模存在較大溫度梯度在內(nèi)壁形成凝固層，隨著時(shí)間推移，逐漸由外向內(nèi)推進(jìn)，逐層凝固。當(dāng)冒口高度增加到740mm時(shí)相同時(shí)間內(nèi)，鋼錠底部已經(jīng)凝固的部分大于之前兩個(gè)高度的凝固部分，趨近于同時(shí)凝固。在鋼錠凝固時(shí)，鋼液的界面形狀十分重要，它決定著鋼錠內(nèi)部質(zhì)量和外部裂紋的出現(xiàn)與否。在鋼錠處于最后凝固期時(shí)，冒口高度340mm的最后凝固區(qū)域已經(jīng)深入到鋼錠本體，冒口區(qū)域的液面已經(jīng)凹陷，這種情況對鋼錠內(nèi)部的補(bǔ)縮很不利，致使能夠完成后鋼錠上部形成縮孔，影響鋼錠質(zhì)量。當(dāng)冒口高度為540mm和740mm時(shí)，凝固過程中固液界面前沿變化不大。

3.2 冒口高度對疏松、縮孔缺陷的影響

圖4可以看出，當(dāng)冒口高度為340mm時(shí)，鋼錠內(nèi)部疏松鋼錠本體高度不到一半就開始出現(xiàn)，一致延續(xù)到鋼錠上部，接近冒口位置，缺陷長度大約為1651.3mm;當(dāng)冒口高度為540 mm時(shí)，從圖中可以看出，鋼錠內(nèi)部缺陷明顯小于冒口高度為340mm的長度，在鋼錠內(nèi)部的缺陷長度約為1570mm左右。當(dāng)冒口高度為740mm時(shí)，鋼錠內(nèi)部的缺陷相比之前有所減小，起始位置較為靠上，整體長度減小。如后兩者，在冒口底部與鋼錠上部之間沒有縮孔出現(xiàn)，這是因?yàn)槊翱诟叨茸銐颍�冒口區(qū)域的鋼液可以滿足補(bǔ)縮凝固前沿的需要。

3.3 冒口高度對凝固速度的影響

圖5可以看出，在距離底部2250mm的位置，冒口高度340 mm和540 mm的鋼錠凝固速度趨于一致，這個(gè)時(shí)間由于凝固的鋼液不是很多，冒口還不能對距離較遠(yuǎn)的底部起到作用。冒口高度為540 mm時(shí)，鋼錠凝固速度在距離底部1225到1700 mm之間小于冒口高度為340 mm和540 mm的凝固速度，冒口高度為540mm的模型在1700到2250 mm之間的高度時(shí)凝固速度較之前快很多，這是因?yàn)榇藭r(shí)的位置距離冒口很近，鋼液接收到冒口提供的熱量，加快了凝固速度。

3.4 冒口高度的綜合選擇

分析凝固時(shí)間可以看出，冒口高度340mm的最后凝固區(qū)域已經(jīng)深入到鋼錠本體，冒口區(qū)域的液面已經(jīng)凹陷，這種 情況對鋼錠內(nèi)部補(bǔ)縮很不利，鋼錠上部易形成縮孔，影響鋼錠質(zhì)量。分析縮孔長度可以得出當(dāng)冒口高度為540mm和740mm時(shí)，凝固過程中的固液界面前沿變化不大。當(dāng)冒口高度為340mm時(shí)，鋼錠內(nèi)部疏松在鋼錠本體高度不到一半就開始出現(xiàn)，延續(xù)到鋼錠上部，接近冒口位置，缺陷長度大約為1651.3mm; 當(dāng)冒口高度為540 mm時(shí)，鋼錠內(nèi)部缺陷明顯小于冒口高度為340mm的長度，約為1570左右。當(dāng)冒口高度為740mm時(shí)，鋼錠內(nèi)部的缺陷相比之前有所減小，冒口高度為540mm和740mm在冒口底部與鋼錠上部之間均沒有出現(xiàn)縮孔，綜合實(shí)際生產(chǎn)等因素，選擇冒口高度為540mm即可保證生產(chǎn)率又可以保證鋼錠質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過本文研究可以得出：

（1）在本文研究范圍內(nèi)，冒口高度為340mm的液面凹陷較大，疏松缺陷約為1651.3mm；冒口高度在從540mm到750mm范圍內(nèi)，疏松缺陷變化不大，長度在1570mm左右。

（2）結(jié)合成材率和生產(chǎn)效率等因素考慮本文建議60t扁鋼錠的冒口高度為540mm。

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