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       利用模鑄扁鋼錠生產(chǎn)中厚板的工藝與連鑄坯相比，具有便于冶煉特種鋼、適合生產(chǎn)小批量鋼材以及實(shí)現(xiàn)較大軋制壓縮比等優(yōu)勢。模鑄扁錠通常需要初軋開坯方可進(jìn)行軋制，而超大寬厚比扁鋼錠形狀接近成品板坯，可不經(jīng)粗軋直接精軋，降低生產(chǎn)成本。超大寬厚比扁鋼錠窄面間距大而寬面間距小，傳統(tǒng)的單水口澆鑄鋼液循環(huán)范圍無法到達(dá)窄面，而離水口近的寬面受鋼液沖刷，易出現(xiàn)卷渣、疏松縮孔、偏析及微裂紋等問題，嚴(yán)重影響鋼錠質(zhì)量及后續(xù)的軋制過程。企業(yè)存在實(shí)際需求，但超大寬厚比扁鋼錠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在生產(chǎn)中并沒有過多的經(jīng)驗(yàn)積累，缺少對超大寬厚比扁錠開展穩(wěn)定澆鑄并保證凝固質(zhì)量的研究。

 

     1993年，李晶等首次在國內(nèi)提出扁錠多水口澆鑄技術(shù)，研究表明，在大寬厚比鋼錠澆鑄過程中，采用多水口澆鑄有利于減少澆注和凝固時(shí)的缺陷。近年來，普遍用數(shù)值模擬方法研究鋼錠澆鑄過程的流場和溫度場，并用于缺陷控制和工藝參數(shù)確定。周同軍等使用有限元軟件模擬大鋼錠澆鑄時(shí)的溫度場趨勢和疏松分布，證明其錠型設(shè)計(jì)的合理性。黃仁和等使用上鑄法對大寬厚比扁錠澆鑄過程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)雙水口澆鑄的攪拌能力和夾雜物去除率均高于單水口澆鑄。張興彬等研究上鑄大寬厚比扁錠的流場和溫度場，發(fā)現(xiàn)雙水口澆鑄扁錠時(shí)，充型液面平穩(wěn)，凝固時(shí)等溫線較單水口澆鑄更為平直。目前，針對澆鑄大寬厚比扁錠的研究主要采用上鑄法鑄錠，關(guān)于多水口下鑄大寬厚比扁錠的研究極少。鑒于此，本文使用ProCAST 軟件，以水口數(shù)量為變量，采用下鑄法對超大寬厚比鋼錠充型和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，預(yù)測缺陷產(chǎn)生的可能性，為超大寬厚比鋼錠的設(shè)計(jì)和工藝操作提供參考。

 

1、 鋼錠和錠模的設(shè)計(jì)

 

1.1 鋼錠設(shè)計(jì)   

 

      國內(nèi)某中小型鋼鐵企業(yè)缺少連鑄設(shè)備，采用模鑄扁錠生產(chǎn)中厚板，為了降低成本，簡化生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)可直接軋制的超大寬厚比扁錠生產(chǎn)中厚板。     

 

      超大寬厚比扁錠采用上大下小錠型，冒容比取16.7%。冒部重3.51t，本體重17.49t。鋼錠的錐度取0.67%，主要滿足脫模需要，同時(shí)保證平面板形矩形化，減少切損。為了滿足實(shí)際需求，鋼錠錠身橫截面設(shè)計(jì)為矩形，高為1500mm，大頭寬6010mm、厚260mm，小頭寬5990mm、厚240mm。鋼錠本體平均寬厚比24，高厚比6。鋼錠采用大面預(yù)起拱措施，大面起拱高度為20mm，拱頂寬1000mm，以此防止鋼錠模受熱后向內(nèi)膨脹，引起裂紋。

 

1.2 錠模設(shè)計(jì) 

 

      錠模采用分體式設(shè)計(jì)，即錠身與錠尾底板被制作成兩部分。直筒模錠身大面厚度取215mm，小面厚260mm。錠模底板厚160mm，鋼錠水口分布于底板處，其中單水口模型的水口位于底板中心，雙水口模型的兩個水口位于鋼錠寬面方向的三等分點(diǎn)處，三水口模型的水口位置選取鋼錠寬面方向的中點(diǎn)和三等分點(diǎn)?？紤]到澆鑄時(shí)單位時(shí)間內(nèi)注入各模型的鋼液總流量和初速度應(yīng)相同，控制三種模型水口的總橫截面積相等，單、雙和三水口直徑分別選用100mm、71mm和58mm。單水口錠模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

2、 計(jì)算參數(shù) 

 

2.1 網(wǎng)格劃分   

 

      使用UG12.0 軟件進(jìn)行三維建模，分別建立單、雙和三水口超大寬厚比鋼錠模型，并將建立的模型導(dǎo)入ProCAST軟件中的MESH模塊，采用四面體單元依次進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格劃分，綜合考慮計(jì)算精度和效率，單元尺寸設(shè)定為20mm。水口處結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且鋼液流速較快，故進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。最終單水口、雙水口和三水口有限元模型劃分的體網(wǎng)格總數(shù)分別為63萬、70萬和88萬，如圖2所示。

 

 

2.2 鋼錠和錠模的熱物性參數(shù) 

 

     假定澆鑄鋼種為Q235A，實(shí)際化學(xué)成分為：ω（C）=0.2%，ω（Si）=0.3%，ω（Mn）=0.4%，ω（S）=0.04%，ω（P）=0.04%，ω（Cr）=0.03%，ω（Ni）=0.03%，ω（Cu）=0.03%。其黏度、固相率、密度等熱物性參數(shù)通過調(diào)用ProCast 軟件的材料數(shù)據(jù)庫獲得。鋼錠模材料為鑄鐵，化學(xué)成分：ω（C）=3.6%～4.1%，ω（Si）=0.6%～1.1%，ω（Mn）=0.7%～1.0%，ω（S）≤0.06%，ω（P）≤0.06%。

 

2.3 初始條件和傳熱邊界的設(shè)定

 

     一般下鑄法注速控制在0.5～3t/min或鋼液上升速度為100～300mm之間。澆注時(shí)采用先快后慢的注速控制，初始注速為2.7t/min，液面上升到冒口線時(shí)，注速下降至2.2t/min，并保持該注速充填冒口。這種過冒口線降低注速的方式是為了防止模冒接口處積渣引起噴濺，且較長的冒部充填時(shí)間利于本體的補(bǔ)縮效果。全錠平均注速為2.63t/min，平均液面上升速度為281mm/min。    

 

     選取過熱溫度43℃，澆注溫度為1560℃。錠模、分體式底板中的耐火磚、絕熱板、底板初始溫度均設(shè)置為80℃，環(huán)境溫度為20℃。本文對換熱系數(shù)做等效熱代替，假設(shè)各部分換熱系數(shù)為常數(shù)，邊界換熱系數(shù)：錠模/鋼錠500W/（m2·K），錠模/絕熱板50W/（m2·K），耐火磚/鋼錠100W/（m2·K），錠模/耐火磚100W/（m2·K），模具外表面/環(huán)境20W/（m2· K），鋼錠/絕熱板50W/（m2·K）。

 

3、 計(jì)算結(jié)果和分析 

 

3.1 模型驗(yàn)證   

 

     根據(jù)鋼錠凝固的平方根定律，鋼錠凝固層厚度（S/mm）與凝固時(shí)間（t /min）的平方根成正比，即S =K(t2/1) ，其中K為凝固系數(shù)，本文取K=20。數(shù)值模擬及理論計(jì)算的凝殼厚度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。數(shù)值模擬的凝殼厚度與理論計(jì)算結(jié)果趨勢一致，兩者相差在15%以下，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

 

3.2 澆注過程的流場    

 

    三種水口模型澆注5min時(shí)的流動情況如圖4所示。單水口上方存在單個注流，該注流從水口延伸至液面后改變方向分成左右兩個流股，其中部分鋼液向下回流，形成水平長度約2820mm的對流循環(huán)，另一部分鋼液水平流至錠模窄面處。雙水口模型中存在兩個注流，4個穩(wěn)定的對流循環(huán)區(qū)分布在注流周圍，其中兩注流之間的循環(huán)范圍較小，注流外側(cè)的對流范圍較大，對流循環(huán)總長約5020mm。三水口充型時(shí)，存在三個較細(xì)的注流和6個對流循環(huán)區(qū)，位于注流間的對流循環(huán)范圍極小，此時(shí)對流循環(huán)的總長約4080mm。多水口模型的對流循環(huán)范圍明顯大于單水口模型，擴(kuò)大了鋼液循環(huán)流動范圍，加快鋼液面更新速度，利于鋼中氣體排出，減少氣孔、裂紋以及柱狀晶的生成，起到攪拌鋼液、細(xì)化晶粒的作用。

      圖5為鋼液的流速云圖。單水口模型內(nèi)注流以較大流速到達(dá)液面，此時(shí)液面處的最大流速為0.40m/s。液面處鋼液以較大流速沖刷覆蓋保護(hù)渣和錠模寬面內(nèi)壁，保護(hù)渣易被卷入并滯留在對流循環(huán)中心，產(chǎn)生卷氣、夾雜和結(jié)疤現(xiàn)象。雙水口和三水口模型中，液面最大流速分別為0.26m/s和0.23m/s，顯然多水口模型中液面的流速更小。

 

      這是由于在澆注速度相等的條件下，進(jìn)入多水口錠模中的鋼液被分成二或三股動能更小的細(xì)注流，細(xì)注流的發(fā)展易受鋼液重力的抑制，導(dǎo)致注流的流速快速降低，這種低速的上升流股不易造成液面凸起或湍流，能起到減少鋼液飛濺、夾雜和結(jié)疤的作用。多水口澆鑄時(shí)存在多個細(xì)注流，由此產(chǎn)生的大循環(huán)范圍與平穩(wěn)的液面均有利于減少氣孔、夾雜的形成，提高鋼錠的質(zhì)量。

 

3.3 凝固過程的溫度場   

 

     圖6為三種模型澆鑄第40min時(shí)的溫度場。單水口模型寬面中部的溫度明顯高于兩側(cè)溫度，鋼錠下部和兩側(cè)溫度較低，呈現(xiàn)出平緩的“U”形溫度梯度。雙水口模型寬面中部的溫度明顯高于兩側(cè)，高溫區(qū)呈“W”形分布，在兩水口之間出現(xiàn)三角形低溫區(qū)域，此三角形的底約1750mm、高約625mm。不斷注入的鋼液在水口上方形成兩個錐形高溫區(qū)，而兩水口之間得不到高溫鋼液的補(bǔ)充，也不在對流循環(huán)范圍內(nèi)，被兩側(cè)的錠?？焖倮鋮s，溫度降低。三水口模型寬面中部溫度趨于均勻，水口間未形成低溫區(qū)域，這是由于鋼錠中部能持續(xù)得到中間水口的高溫鋼液補(bǔ)充。

 

     三種模型窄面的固相率如圖7所示。從補(bǔ)縮效果角度分析，雙水口模型中部的低溫區(qū)域阻礙冒口對下部鋼液的補(bǔ)縮，易產(chǎn)生疏松縮孔等缺陷，而單水口和三水口模型補(bǔ)縮通道通暢，凝固方向?yàn)樽韵露?、從四周向中間進(jìn)行，補(bǔ)縮效果良好，不易形成疏松或縮孔缺陷。

 

     鋼錠的凝固時(shí)間是生產(chǎn)節(jié)奏和效率的重要指標(biāo)。單、雙和三水口模型本體凝固時(shí)間分別為71、69、67min，全凝時(shí)間分別為137、130、141min。21t超大寬厚比鋼錠的全凝時(shí)間較短，這是由于大寬厚比使得鋼錠寬面冷卻能力增加，鋼錠冷卻強(qiáng)度增強(qiáng)，厚度方向的凝固速度加快。三個模型的最大全凝時(shí)間差僅為7min，表明水口數(shù)量對鋼錠全凝時(shí)間基本沒有影響。

 

3.4 鋼錠內(nèi)部缺陷結(jié)果對比   

 

     疏松和縮孔缺陷是鋼錠內(nèi)部的主要問題。疏松表現(xiàn)為微小間隙或空洞，產(chǎn)生的原因在于鑄件凝固后期，錠模內(nèi)的鋼液凝固導(dǎo)致冒口和鋼錠本體間的補(bǔ)縮通道阻塞，在一些凝固較為緩慢的區(qū)域，枝晶數(shù)量不斷增多，構(gòu)成連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)，并形成許多封閉熔池，封閉熔池中的鋼液繼續(xù)凝固導(dǎo)致體積收縮，形成疏松缺陷?？s孔指的是鋼液因凝固收縮而產(chǎn)生的形狀不規(guī)則的空隙和孔洞缺陷。其主要原因是錠模頂部保溫效果差，導(dǎo)致錠模上部鋼液溫度快速下降，上部鋼液凝固形成固相層阻礙鋼液向下補(bǔ)縮。錠模下部鋼液由于凝固收縮體積減小，且無法得到來自上部的鋼液補(bǔ)充，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部出現(xiàn)較大的空洞，形成倒錐形縮孔缺陷。

 

     圖8為鋼錠內(nèi)部疏松縮孔的模擬結(jié)果。在單水口模型中，大型縮孔只出現(xiàn)在冒口部位，冒口下方的鋼錠本體存在小型疏松和縮孔，鋼錠本體內(nèi)孔隙率大于3.7%的疏松縮孔體積為211cm3。這是由于隨著凝固的進(jìn)行，冒口中貯存的液態(tài)鋼液不斷向下補(bǔ)縮，本體中鋼液凝固收縮形成的空隙受到來自冒口處的鋼液補(bǔ)充，形成較小的疏松，這些小的疏松能通過后續(xù)軋制工藝壓合，對產(chǎn)品不產(chǎn)生影響。雙水口鋼錠的冒口下方出現(xiàn)集中的小型縮孔，是由于雙水口間的低溫區(qū)內(nèi)提前凝固成固相，阻礙上方鋼液向下補(bǔ)縮，形成集中的縮孔缺陷?？s孔聚集在鋼錠中部，距鋼錠底部550mm至840mm處，雙水口鋼錠本體內(nèi)疏松縮孔總體積為287cm3。三水口鋼錠內(nèi)部疏松縮孔分布均勻，未出現(xiàn)大型的疏松或縮孔，本體內(nèi)疏松和縮孔的總體積為181cm3，比單水口鋼錠減少14.2%，比雙水口鋼錠減少36.9%。這是由于三水口模型充型時(shí)流場穩(wěn)定，凝固過程中補(bǔ)縮通道通暢，只形成能被壓合的小型疏松縮孔。三種模型的冒口內(nèi)部均存在由于鋼液向下補(bǔ)縮而形成的大型縮孔，后續(xù)切除冒口后，該處的大型縮孔對鋼錠本體質(zhì)量沒有影響。模擬結(jié)果表明，三水口澆鑄的鋼錠質(zhì)量優(yōu)于單、雙水口澆鑄的鋼錠。

 

4、 結(jié)論 

 

    （1）多水口澆鑄時(shí)存在多個細(xì)注流，鋼液循環(huán)范圍遠(yuǎn)大于單水口澆鑄，鋼液面更新速度快。澆注300s時(shí)單、雙和三水口模型液面最大流速分別為0.40m/s、0.26m/s 和0.23m/s，多水口澆鑄的液面處流速小。

 

   （2）雙水口鑄錠40min時(shí)，兩水口間出現(xiàn)底約1750mm、高約625mm的三角形低溫區(qū)域，該低溫區(qū)阻礙鋼錠補(bǔ)縮通道，影響冒口的補(bǔ)縮效果。單水口和三水口模型凝固時(shí)未產(chǎn)生三角形低溫區(qū)，二者補(bǔ)縮效果優(yōu)于雙水口澆鑄。

 

    （3）21t超大寬厚比鋼錠冷卻速度較快，平均全凝時(shí)間為136min，利于提高生產(chǎn)節(jié)奏，從而大幅度提高生產(chǎn)效率。水口數(shù)量對鋼錠全凝時(shí)間影響較小。

 

   （4）三水口鋼錠的疏松縮孔體積比單水口鋼錠減少14.2%，比雙水口鋼錠減少36.9%，水口分布為二、三等分點(diǎn)的三水口澆鑄方案能減少鋼錠內(nèi)部的疏松縮孔缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，可選用三水口工藝澆鑄超大寬厚比鋼錠。