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        連鑄圓坯結(jié)晶器錐度優(yōu)化設(shè)計研究

        2014-12-22 06:20:10劉建敏董亮朱新華劉增勛朱立光
        河南冶金 2014年2期
        關(guān)鍵詞:坯殼壁間錐度

        劉建敏 董亮 朱新華 劉增勛 朱立光

        (1.中鋼集團石家莊設(shè)計院, 2.唐山國豐鋼鐵有限公司; 3.河北聯(lián)合大學)

        0 引言

        在連鑄生產(chǎn)過程中,為了保證坯殼與結(jié)晶器壁的良好接觸,在設(shè)計結(jié)晶器時應(yīng)盡可能確定合適的錐度。錐度過大,坯殼與結(jié)晶器的摩擦增加,引起結(jié)晶器液面波動,加劇結(jié)晶器的磨損,甚至造成粘結(jié)漏鋼。錐度過小,坯殼與結(jié)晶器壁間氣隙增大,熱流減小坯殼變薄;坯殼生長不均勻性增加,導致縱裂紋甚至發(fā)生漏鋼。在結(jié)晶器錐度優(yōu)化研究中,數(shù)值模擬得到廣泛應(yīng)用[1-3]。通過建立熱力耦合模型,分析無錐度結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布狀態(tài),基于最小氣隙原理,對結(jié)晶器錐度進行一次性優(yōu)化。

        優(yōu)化錐度改善了結(jié)晶器與坯殼的接觸狀態(tài),結(jié)晶器熱流升高。同時,由于結(jié)晶器內(nèi)坯殼溫度降低,表面收縮也相應(yīng)增加,坯殼與結(jié)晶器之間將會重新形成氣隙,削弱了結(jié)晶器錐度的優(yōu)化效果。本次研究建立圓坯結(jié)晶器內(nèi)坯殼熱力耦合模型,利用有限元軟件ANSYS 對結(jié)晶器內(nèi)坯殼變形進行分析。根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)坯殼氣隙分布狀態(tài),基于最小氣隙原理,通過多次優(yōu)化確定結(jié)晶器內(nèi)腔形狀。

        1 數(shù)學模型

        1.1 模型建立

        基于圓坯軸對稱性以及前人研究經(jīng)驗[3-6]對結(jié)晶器傳熱進行適當簡化:①忽略圓周方向傳熱和變形,建立二維軸對稱熱力耦合模型;②物理模型采用結(jié)晶器內(nèi)鑄坯沿軸向1/2 縱切片;③鋼的物性參數(shù)僅與溫度有關(guān),忽略各向異性;④假設(shè)坯殼與結(jié)晶器間的氣隙完全被保護渣填充;⑤采用彈塑性模型,服從Von Mises 屈服準則,遵循Prandtl-Reuss 增量理論。

        通過以上簡化,鑄坯在結(jié)晶器傳熱簡化為二維非穩(wěn)態(tài)導熱過程,采用柱坐標系導熱方程進行描述:

        式中:c——熱容,J/( kg·℃) ;

        ρ——密度,kg/m3; Τ——溫度,℃;

        τ——時間,s; qv——內(nèi)熱源,W/m3;

        λ——導熱系數(shù),W/( m·℃) ;

        r、z——徑向坐標和高度坐標,m。

        彈塑性模型增量關(guān)系的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)學表達式:

        式中:εp——塑性應(yīng)變;

        H'——應(yīng)力- 塑性應(yīng)變曲線的斜率;

        采用細化表面網(wǎng)格、MAP 劃分方式和拉坯方向均勻網(wǎng)格,使有限元網(wǎng)格符合坯殼的傳熱和變形規(guī)律。建立的圓坯的有限元模型如圖1 所示。

        圖1 有限元網(wǎng)格劃分示意圖

        1.2 初始條件和邊界條件

        采用澆注溫度作為初始溫度,在模型上下邊界施加絕熱邊界條件。鑄坯表面?zhèn)鳠岵捎镁C合傳熱系數(shù),坯殼表面與結(jié)晶器內(nèi)壁間的總熱阻為結(jié)晶器內(nèi)壁與保護渣界面熱阻、氣隙熱阻、保護渣熱阻以及鑄坯與保護渣界面熱阻之和; 冷卻水與銅壁間為對流傳熱。結(jié)晶器內(nèi)鋼液與冷卻水之間傳熱過程的總熱阻可以表示為:

        式中:h——鋼液與冷卻水間綜合傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

        h1——鋼液與坯殼間的傳熱系數(shù),W/(m2·℃);

        em——坯殼厚度,m;

        λm——鋼導熱系數(shù),W/( m·℃) ;

        h0——坯殼與結(jié)晶器銅壁間的等效傳熱系數(shù),W/( m2·℃) ;

        eCu——結(jié)晶器銅壁厚度,m;

        λCu——銅導熱系數(shù),W/( m·℃) ;

        hw——結(jié)晶器銅壁與冷卻水間的傳熱系數(shù),W/( m2·℃) 。

        在凝固前沿固相率為0.7 的界面上施加鋼水靜壓力。把結(jié)晶器壁處理成剛體,通過控制剛體的移動來約束鑄坯表面位移。當坯殼表面未穿透結(jié)晶器銅壁,表面采用自由邊界;若表面膨脹較大穿透結(jié)晶器壁,則按結(jié)晶器錐度對表面進行位移約束[4]。

        1.3 分析方法

        采用有限元軟件ANSYS,對二維非穩(wěn)態(tài)溫度場以及坯殼應(yīng)力進行數(shù)值模擬分析。利用ANSYS 提供的多載步法,實現(xiàn)應(yīng)力遺傳分析[5]。根據(jù)應(yīng)力分析得到的氣隙分布,對鑄坯表面的綜合傳熱系數(shù)進行不斷修正。為簡化模型運算,假設(shè)鑄坯模型靜止,通過結(jié)晶器向上移動來模擬拉坯過程。具體計算過程如圖2 所示。

        圖2 模型分析過程

        首先,分析無錐度時結(jié)晶器內(nèi)坯殼與銅壁間的氣隙分布,根據(jù)最小氣隙原則設(shè)計結(jié)晶器錐度; 其次,以設(shè)計錐度為坯殼變形邊界條件重新進行模擬計算,利用得到的氣隙分布狀態(tài)對錐度進行優(yōu)化;然后,以優(yōu)化結(jié)果為邊界條件,重新分析坯殼與結(jié)晶器壁間氣隙與壓力分布。如此不斷優(yōu)化,當氣隙或壓力達到一定要求時,完成錐度優(yōu)化設(shè)計。

        2 優(yōu)化過程

        采用某廠圓坯連鑄的工藝參數(shù)進行分析: 鋼種Q195,圓坯直徑Φ310 mm;結(jié)晶器銅壁厚度18 mm,總長度900 mm,有效長度820 mm;澆注溫度1555 ℃,拉速0.8 m/min; 結(jié)晶器冷卻水溫度30 ℃,冷卻水速度8.4 m/s。

        2.1 錐度初步設(shè)計

        首先模擬在無錐度結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凝固過程,分析坯殼自由收縮性。采用無錐度結(jié)晶器澆注Q195 鋼時,坯殼表面徑向收縮量沿拉坯方向分布,如圖3 所示。

        圖3 無錐度結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布

        由圖3 可以看出,隨著離開彎月面距離的增加,坯殼表面收縮量逐漸變大。在結(jié)晶器出口處,鑄坯收縮達到最大值0.96 mm。根據(jù)氣隙分布,對結(jié)晶器錐度進行設(shè)計,得到的結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸,如圖4 所示。

        圖4 結(jié)晶器內(nèi)腔初步設(shè)計曲線

        由圖4 可以看出,結(jié)晶器內(nèi)腔呈拋物線狀。在結(jié)晶器上部坯殼收縮較快,在結(jié)晶器中下部收縮逐漸減緩。初步設(shè)計的結(jié)晶器總錐度為0.73 % /m。

        2.2 第一次錐度優(yōu)化

        以初步設(shè)計錐度為坯殼變形的邊界條件,在相同的工藝條件下重新模擬熱力耦合分析,得到的沿拉坯方向氣隙分布,如圖5 所示。

        圖5 設(shè)計結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布

        由圖5 可以看出,采用設(shè)計錐度后,雖然消除了無錐度時的氣隙,但是由于結(jié)晶器傳熱狀態(tài)改善,坯殼溫度下降收縮增加,氣隙又重新形成。與無錐度結(jié)晶器相比,氣隙寬度大幅度降低,最大氣隙寬度由0.96 mm 降低到0.47 mm。同時,從彎月面附近至結(jié)晶器出口,坯殼與結(jié)晶器壁間存在貫通氣隙,坯殼與結(jié)晶器壁間壓力為零。由于氣隙較寬,不能滿足傳熱要求,需要對結(jié)晶器錐度進行優(yōu)化。

        根據(jù)最小氣隙原則,在結(jié)晶器初步設(shè)計錐度基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布狀態(tài),對結(jié)晶器錐度進行第一次優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示。

        圖6 第一次結(jié)晶器內(nèi)腔優(yōu)化曲線

        由圖6 可以看出,第一次優(yōu)化后的結(jié)晶器內(nèi)腔也呈拋物線狀,總錐度提高到1.08 % /m。

        2.3 第二次錐度優(yōu)化

        同樣,在相同的工藝條件下,采用第一次優(yōu)化錐度重新對坯殼變形情況進行模擬計算,分析氣隙和壓力分布狀態(tài)。氣隙分布狀態(tài)如圖7 所示。

        圖7 第一次優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布

        由圖7 可以看出,采用第一次優(yōu)化錐度后,結(jié)晶器內(nèi)氣隙寬度整體下降,氣隙最大寬度由0.47 mm下降到0.25 mm。但是,在整個結(jié)晶器內(nèi)仍然存在較寬的氣隙,對結(jié)晶器傳熱仍存在一定制約,應(yīng)對結(jié)晶器錐度進行第二次優(yōu)化。

        根據(jù)氣隙分布情況對第一次優(yōu)化錐度結(jié)果進行再次優(yōu)化,結(jié)晶器總錐度達到1.88 % /m,結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸如圖8 所示。

        圖8 第二次結(jié)晶器內(nèi)腔優(yōu)化曲線

        3 結(jié)果與分析

        采用第二次結(jié)晶器錐度優(yōu)化結(jié)果重新進行鑄坯熱力模擬分析,得到的結(jié)晶器與坯殼間氣隙沿拉坯方向的分布,如圖9 所示。

        圖9 第二次優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)氣隙分布

        由圖9 可以看出,采用第二次結(jié)晶器錐度優(yōu)化結(jié)果進行鑄坯熱力模擬分析時,氣隙出現(xiàn)較大波動,隨著鑄坯的下行氣隙不斷消失、生成。這是由于在彎月面附近,冷卻速度快,鋼液很快凝固形成初生坯殼,隨著溫度降低,坯殼內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力,使得坯殼脫離結(jié)晶器內(nèi)壁。

        而坯殼與銅壁的分離導致兩者界面上產(chǎn)生氣隙,氣隙熱阻極大,坯殼生長減慢,同時液相過熱和凝固潛熱的繼續(xù)導出會使坯殼溫度回升,導致坯殼強度變差。隨著鑄坯向下移動,逐步增大的鋼水靜壓力將已脫離銅板的坯殼又壓回結(jié)晶器銅壁,氣隙消失,坯殼與銅壁重新接觸。上述過程不斷反復,直到坯殼出結(jié)晶器為止。

        與采用第一次優(yōu)化后結(jié)晶器錐度模擬計算結(jié)果不同,此次氣隙最大寬度值為0.021 mm,能夠滿足澆注要求。但是在結(jié)晶器內(nèi)未出現(xiàn)氣隙處,坯殼可能對結(jié)晶器壁產(chǎn)生較大摩損,所以還需要考慮坯殼與結(jié)晶器壁間摩擦力的變化。

        根據(jù)物理學原理,摩擦力與壓力成正比。因此,可以利用坯殼與結(jié)晶器壁間的壓力來描述坯殼與結(jié)晶器壁間摩擦力的變化。結(jié)晶器內(nèi)坯殼與結(jié)晶器壁間壓力沿拉坯方向的變化如圖10 所示。

        圖10 坯殼與結(jié)晶器壁間的壓力變化

        由圖10 可以看出,沿拉坯方向,坯殼與結(jié)晶器壁間壓力時有時無,但壓力值呈增大趨勢,這與分析得到的氣隙分布規(guī)律基本一致。

        4 結(jié)論

        基于圓坯軸對稱性,建立了二維縱向切片圓坯熱力耦合模型,利用有限元分析軟件ANSYS 實現(xiàn)了結(jié)晶器內(nèi)圓坯傳熱和變形分析。經(jīng)過三次熱力耦合分析,對結(jié)晶器錐度進行優(yōu)化。優(yōu)化錐度曲線呈拋物線形,總錐度1.88 % /m,在Q195 澆注條件下最大氣隙為0.021 mm。優(yōu)化錐度得到的結(jié)晶器內(nèi)坯殼與結(jié)晶器壁間氣隙、壓力分布合理,能夠滿足澆注要求。確立的優(yōu)化方法和分析模型對圓坯結(jié)晶器錐度設(shè)計具有一定指導意義。

        [1]張炯明,張立,楊會濤,等. 板坯結(jié)晶器鋼水凝固的數(shù)值模擬[J].北京科技大學學報,2004,26(2) :130 -134.

        [2]劉從港,周書才,楊治立.方坯連鑄結(jié)晶器凝固傳熱的有限元數(shù)值模擬[J].冶金能源,2009,28(4) :21 -24.

        [3]李豐德,王寶峰,李建超,等. 圓坯連鑄結(jié)晶器錐度的優(yōu)化設(shè)計[J].連鑄,2009,(5) :1 -5.

        [4]郭旺,劉增勛,朱立光,等.結(jié)晶器磨損對鑄坯傳熱的影響[J].鋼鐵釩鈦,2013,34(3) :63 -66.

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        [6]王碩明,朱立光,劉增勛. 方坯高速連鑄結(jié)晶器錐度優(yōu)化研究[J].煉鋼,2006,22(3) :57 -60.

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