金　楊　稅遠(yuǎn)強　段紅玲(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

?

真空澆注過程控制技術(shù)研究

金楊稅遠(yuǎn)強段紅玲
(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

摘要:通過理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際相結(jié)合的方式，對兌鋼過程、真空澆注過程控制進行了分析研究，建立了數(shù)學(xué)模型，用于現(xiàn)場澆注過程的精確控制，并在生產(chǎn)實踐中得到了很好的驗證。

關(guān)鍵詞:真空澆注;過程控制;數(shù)學(xué)模型;數(shù)值模擬

隨著國家核電和石化工業(yè)的發(fā)展，用于鍛件產(chǎn)品的超大型鋼錠的需求也逐漸增多，比如CAP1400百萬千瓦級常規(guī)島發(fā)電機轉(zhuǎn)子就需要650 t鋼錠進行鍛造，此類產(chǎn)品的性能和無損檢測要求極高，也在客觀上增加了大型鋼錠生產(chǎn)的難度［1～3］。為適應(yīng)市場的需求，我公司近年來鋼錠的等級由200 t級逐漸提升至600 t級，而隨著產(chǎn)品自身質(zhì)量要求的提升，對于鋼錠澆注過程控制的要求也在不斷提升。本文通過理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實際相結(jié)合的方式，對兌鋼過程、真空澆注過程控制進行了分析和研究，建立了數(shù)學(xué)模型，用于現(xiàn)場指導(dǎo)，并取得了較理想的成果。

1　真空澆注過程數(shù)學(xué)模型的建立

超大型鋼錠的澆注過程一般需要多包澆注，若鋼包銜接不及時則有可能導(dǎo)致斷澆，或者將中間包的頂渣沖入鋼水內(nèi)被水口處的鋼流吸入鋼錠模內(nèi)形成夾雜物。為此，就需要精確掌握中間包的澆注速度和澆注時間，并以此控制大包的銜接。本文將真空澆注過程簡化為鋼水在真空條件下由水口流出的過程，利用伯努利方程對真空澆注過程進行描述［4］如下:

通過換算及簡化，可以得出:

鋼水通過水口處的質(zhì)量流量為:

式中A2為水口的截面積，τ為澆注時間。

當(dāng)流出鋼水量為dM時，中間包內(nèi)鋼液面下降dH，則有

依據(jù)式( 2)～式( 4)可以推導(dǎo)出:

當(dāng)前工藝條件下，除了流盡前一段時間為層流狀態(tài)，其余全為紊流狀態(tài)，此時β2= 1，依據(jù)Re和A1/A2值，取K = 0．075，計算得出CD= 0．96。將實際數(shù)據(jù)帶入式( 2)、式( 5)可得:

τ= 3．92×( 13．48 + 9．81H)1－14．37 ( 6)

2式中τ為澆注時間，單位為min; u－為澆注速度，單位為m/s; H為鋼液面高度。

使用公式對現(xiàn)場A、B、C三種錠型澆注時間的實際值與理論值進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1　不同鋼錠實際澆注時間與理論計算澆注時間比較結(jié)果Table 1　Compared results of actual pouring time and theoretical calculated pouring time for different ingots

考慮到澆注控流等影響，可以說，公式對澆注時間的判斷符合現(xiàn)場實際過程，澆注速度也均在工藝要求范圍之內(nèi)，因而可以說，式( 6)和式( 7)可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

2　澆注終了時間的控制

中間包澆注將近流空時，為防止水口處真空抽力將鋼液面上的鋼渣抽入鋼錠模中，需要提前關(guān)閉水口，結(jié)束澆注。為精確掌握結(jié)束澆注的時間，防止下渣，對不同水口直徑的中間包臨近終了時的鋼液流動進行了數(shù)值模擬計算。

2．1計算模型及條件

以現(xiàn)場實際中間包為幾何模型，簡化后建立數(shù)學(xué)模型，利用CFD計算軟件fluent進行數(shù)值模擬計算。為節(jié)省計算時間，僅對中間包包底部進行計算，由于計算中最關(guān)心的是下渣時刻前后的流動特性，而之前的流動變化很緩慢，因此只要下渣前有一段時間讓流動充分發(fā)展，則下渣的情況則是真實可靠的。圖1、圖2即為計算用幾何模型和網(wǎng)格。原點取在中間包底面中心處，Z軸正方向為豎直向上，計算網(wǎng)格采用六面體及四面體結(jié)合的網(wǎng)格，在包底及水口處細(xì)化網(wǎng)格以提高計算的精確性。計算中材料物性參數(shù)［5］見表2，不同水口直徑計算用節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)格數(shù)量見表3。

利用CFD軟件自帶的非穩(wěn)態(tài)模型、k-ε湍流模型以及VOF多相流模型對澆注過程進行模擬計算研究。計算中假設(shè)中間包內(nèi)由鋼水和鋼渣組成，其高度各不相同，鋼渣之上部分為空氣，在澆注過程中水口始終處于全開狀態(tài)，計算中未考慮鋼水對水口的沖刷。計算邊界條件是壓力入口為本地大氣壓強，出口條件為工藝要求的真空度。

2．2計算結(jié)果

圖3～圖9分別為不同直徑水口的下渣時刻前后鋼—渣的組分濃度云圖。下渣時刻中間包內(nèi)鋼液高度見表4。

根據(jù)表4結(jié)果并結(jié)合計算中保存的動畫，可得出，在當(dāng)前工藝條件下，水口直徑的逐漸增大，下渣時的液面高度逐漸下降，可以理解為隨著水口截面增加，則水口的抽力逐漸減小所致。為防止下渣，在澆注終了階段，應(yīng)保持中間包內(nèi)存在至少80 mm高度的鋼水富余量。

表2　鋼液和鋼渣的物性參數(shù)Table 2　Physical parameters of molten steel and slag

表3　不同水口直徑計算用節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)格數(shù)量Table 3　Number of nodes and grids used for calculation of different types of gate

圖1　計算用幾何模型Figure 1　Geometric modeling used for calculation

圖2　計算用網(wǎng)格Figure 2　 Grids used for calculation

圖3　下渣前鋼渣的組分濃度云圖( I類水口)Figure 3　Composition concentration nephogram of slag before roughing slag ( I type gate)

圖4　初下渣時鋼渣的組分濃度云圖( I類水口)Figure 4　 Composition concentration nephogram of slag at the beginning of roughing slag ( I type gate)

圖5　下渣前鋼渣的組分濃度云圖(Ⅱ類水口)Figure 5　Composition concentration nephogram of slag before roughing slag ( II type gate)

圖6　初下渣時鋼渣的組分濃度云圖(Ⅱ類水口)Figure 6　 Composition concentration nephogram of slag at the beginning of roughing slag ( II type gate)

圖7　下渣前鋼渣的組分濃度云圖(Ⅲ類水口)Figure 7　Composition concentration nephogram of slag before roughing slag ( III type gate)

圖8　初下渣時鋼渣的組分濃度云圖(Ⅲ類水口)Figure 8　Composition concentration nephogram of slag at the beginning of roughing slag ( III type gate)

圖9　計算用網(wǎng)格模型Figure 9　 Grid model used for calculation

表4　下渣時刻中間包內(nèi)鋼液高度Table 4　The height of molten steel in the tundish at the moment of roughing slag

圖10　流場穩(wěn)定時渣、鋼組分云圖( H =2．7 m)Figure 10　Composition nephogram of slag and molten steel when the flow field is stable ( H =2．7 m)

圖11　流場穩(wěn)定時渣、鋼組分云圖( H =1．5 m)Figure 1　Composition nephogram of slag and molten steel when the flow field is stable( H =1．5 m)

圖12　流場穩(wěn)定時渣、鋼組分云圖( H =1．1 m)Figure 12　Composition nephogram of slag and molten steel when the flow field is stable( H =1．1 m)

圖13　流場穩(wěn)定時渣、鋼組分云圖( H =0．8 m)Figure 13　Composition nephogram of slag and molten steel when the flow field is stable( H =0．8 m)

3　多包合澆過程，中間包最低鋼液面的控制

在澆注超大型鋼錠時，一般需要多包合澆，此時頂部鋼流的沖擊、底部水口處的抽力以及包底包壁的反射等共同對鋼液產(chǎn)生流動作用，鋼液的流動較為復(fù)雜，頂渣卷入的幾率較大，此時就需要鋼液有一定的深度，使得頂渣卷入后有充分的時間上浮，而不是被水口抽走，進入鋼錠模中形成夾雜物。為確定大包兌入時中間包的極限鋼液面高度。按現(xiàn)場實際工況使用FLUENT軟件進行模擬計算，計算邊界條件是速度入口為大包兌入的速度，壓力出口條件為工藝要求的真空度。計算模型及網(wǎng)格如圖9所示。

3．1計算結(jié)果

圖10～圖13分別為不同水口直徑的下渣時刻前后鋼—渣的組分濃度云圖。

從以上不同高度鋼液面流動穩(wěn)定時的鋼、渣組分云圖和保存的動畫可以看出:

( 1)鋼液面深度由0．8 m增加至1．5 m時，鋼液沖擊對渣面的影響逐漸增大，渣面中間的亮面逐漸增大。而當(dāng)鋼液面深度由1．5 m增加至2．7 m時，亮面呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢，觀察動畫中渣面波動的規(guī)律與此相同。其原因應(yīng)該是大包鋼流對液面沖擊力、水口抽力、中間包包壁包底反射等共同作用的結(jié)果，隨著液面高度的變化，以上各作用力不斷變化，反映出如上規(guī)律。

( 2)從減輕渣面波動，減少鋼液二次氧化以及鋼液卷渣幾率等方面考慮，多包澆注換包時，中間包內(nèi)鋼液面極限高度應(yīng)為0．8 m，但是存在較大的下渣風(fēng)險，鋼液面在1．5 m時頂渣進入鋼錠模的幾率較小。根據(jù)以上結(jié)論，結(jié)合式( 6)、式( 7)，可以確定現(xiàn)場多包澆注時允許最大間隔時間為8 min。

利用以上結(jié)論在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中進行實踐，2014年以來車間冶煉的超大型真空鋼錠的現(xiàn)場過程控制以及后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量均取得了令人滿意的結(jié)果。

4　結(jié)論

( 1)通過理論計算并結(jié)合現(xiàn)場實際，建立了符合現(xiàn)場實際的澆注過程數(shù)學(xué)模型:

( 2)在當(dāng)前工藝下，在澆注末期應(yīng)在中間包內(nèi)保持80 mm高度的鋼水富余量以防止鋼渣流入。

(3)對大包兌鋼時中間包內(nèi)的鋼渣卷混情況進行模擬計算，得出多包合澆過程匯總，允許最大換包時間不得超過8 min，否則鋼渣進入鋼錠模內(nèi)的風(fēng)險較大。

參考文獻(xiàn)

［1］高建軍，巴鈞濤．超大型鋼錠制造技術(shù)研究［J］．大型鑄鍛件，2013( 2) :7－10．

［2］Yasuto Ikeda，Koji Morinaka，Tomohiro Muraoka．Recent Technological Progress on Large Ingots for Rotor Forgings［J］．18th international Forgemasters Meeting Proceedings．2011: 166－169．

［3］Yasuto Ikeda，et al．JCFC改進的真空鑄造技術(shù)的開發(fā)．二重內(nèi)部資料．

［4］高家誠．傳輸原理［M］．重慶大學(xué)內(nèi)部教材．

［5］田陸，王杉．基于Fluent的鋼水連鑄下渣振動的初步研究．第十五屆全國煉鋼年會論文集，2008:779－784．

編輯李韋螢

Research on Vacuum Pouring Process Controlling Technology

Jin Yang，Shui Yuanqiang，Duan Hongling

Abstract:By combining the theoretical calculation and the numerical simulation with the actual conditions on site，the process control of mixing molten steel and vacuum pouring have been analyzed and studied．A mathematical model used for precise control of site pouring process has been established and verified during the production practice．

Key words:vacuum pouring; process control; mathematical model; numerical simulation

收稿日期:2014—10—31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號:TF775+．4