藺　瑞

(清華大學(xué)材料學(xué)院，北京100084)

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試驗(yàn)研究

大型鋼錠表面夾雜物分布模擬研究

藺瑞

(清華大學(xué)材料學(xué)院，北京100084)

采用基于熱焓-多孔介質(zhì)法、湍流模型、動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程建立了36 t大型鋼錠錠模內(nèi)鋼液流動(dòng)、傳熱和凝固的數(shù)學(xué)模型。采用Lagrange方法通過跟蹤單個(gè)夾雜物在鋼液中的運(yùn)動(dòng)，探明表面夾雜物在大型鋼錠中的規(guī)律性分布，討論了不同冒口保溫條件對(duì)夾雜物的去除效果。結(jié)果表明，凝固早期，鋼液流動(dòng)強(qiáng)烈，夾雜物容易被先凝固的固相區(qū)域捕捉。隨著凝固過程的進(jìn)行，鋼液流動(dòng)減弱，夾雜物以上浮運(yùn)動(dòng)為主。加強(qiáng)冒口處保溫可大大提高夾雜物的去除率。

大型鋼錠;凝固;表面夾雜物;數(shù)值模擬

我國(guó)鑄鋼件產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一，成為鑄造大國(guó)，但在生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)率方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，還不是鑄造強(qiáng)國(guó)[1,2]。近年來在核電、石油化工、船舶、冶金等領(lǐng)域?qū)Υ笮丸T鋼件均有一定量需求，但其固有的縮孔、疏松、夾雜和偏析等質(zhì)量缺陷大大制約了其質(zhì)量和有效利用率，而且鋼錠質(zhì)量越大，這些缺陷越嚴(yán)重。其中夾雜物對(duì)鋼材質(zhì)量帶來的危害越來越受到重視，它會(huì)嚴(yán)重降低鋼的疲勞性能，造成鋼產(chǎn)品表面缺陷，降低鋼的抗腐蝕性能等等[3,4]。這方面的實(shí)驗(yàn)面臨成本過高、周期長(zhǎng)、操作困難等不足，而且得到的數(shù)據(jù)有限。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及軟件的迅猛發(fā)展，快速、信息量大、成本較低成為不可替代的優(yōu)勢(shì)，因此越來越多的科研人員采用數(shù)值模擬的方法研究大型鋼錠的凝固過程。

張立峰等[5]描述了夾雜物的種類、測(cè)量方法，指出大型夾雜物的主要來源及運(yùn)動(dòng)行為。Ragnarsson等人[6]從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的角度研究了底注法充型過程中流體流動(dòng)方式對(duì)于夾雜物去除的影響。但目前對(duì)其在鑄鋼錠凝固過程中的運(yùn)動(dòng)、分布的認(rèn)識(shí)卻不夠清晰。鋼錠凝固過程中夾雜物的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)于進(jìn)一步理解其在鋼錠中的分布及采取優(yōu)化工藝提高去除率至關(guān)重要，而這部分的研究工作尚不多見。本工作通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法研究鋼錠在凝固過程中鋼液流動(dòng)對(duì)于夾雜物運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)夾雜物在鋼錠中的分布及去除率進(jìn)行討論，以期為實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)化工藝，提高大型鋼錠的質(zhì)量和利用率提供一定技術(shù)參考。

1　研究對(duì)象

以36 t鋼錠為研究對(duì)象，平均直徑約1.4 m，高約3 m。錠模和保溫冒口分別為鑄鐵和耐火磚。其結(jié)構(gòu)示意圖和計(jì)算模型熱物性參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1　36 t鋼錠結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1　The structure diagram of 36 t steel ingot表1　模型熱物性參數(shù)Table 1　Thermophysical parameters of model

鋼錠錠模保溫材料保溫磚ρ/kg·m-3k/W·m-1·K-1Cp/J·kg-1·K-1μ/kg·m-1·s-1β/(1/K)7000417850.00560.000273007.9460--1000.041200--29001.651200--

2　數(shù)學(xué)模型

2.1基本假設(shè)

鋼錠的凝固過程是一個(gè)溫度不斷降低、液相不斷減少的非穩(wěn)態(tài)散熱過程，包括鋼液、錠模(保溫磚和保溫材料)和空氣之間傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等熱量傳遞的基本方式。考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性、合理性以及計(jì)算時(shí)間等問題，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和假設(shè)如下：

(1)充型瞬間完成，初始鋼液溫度均勻且為澆注溫度；

(2)假設(shè)鋼液初始速度為0，整個(gè)凝固過程鋼液流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)不可壓縮粘性流體的流動(dòng)；

(3)鋼液和鋼包爐襯的物性參數(shù)不隨溫度變化，均視為常數(shù)；

(4)認(rèn)為夾雜物形狀為球形，不考慮之間的相互作用；

(5)不考慮凝固組織的影響，固-液共存區(qū)域中當(dāng)固相率大于0.67時(shí)，金屬液體不存在流動(dòng)。

2.2控制方程

連續(xù)性方程為：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

k-ε湍流雙方程：

(3)

(4)

描述鋼錠凝固過程的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱控制方程為：

(5)

式中，ρ為密度；CP為定壓比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；λ為熱導(dǎo)率；Q為源項(xiàng)；x、y、z為坐標(biāo)。

熱源項(xiàng)表示凝固過程潛熱的釋放。

(6)

式中，L為凝固潛熱；fS為固相率。

夾雜物顆粒的受力平衡方程為：

(7)

(8)

曳力系數(shù)CD表達(dá)如下：

(9)

對(duì)于球形顆粒，α1、α2、α3為常數(shù)。

F為附加質(zhì)量力，在這里存在溫度梯度，受到熱涌力作用。

2.3初始條件

充型后鋼液及保溫材料初始溫度為1 830 K，保溫磚初始溫度為1 000 K，錠模初始溫度為500 K，環(huán)境初始溫度為300 K。鋼錠固相線溫度為1 427℃，液相線溫度為1 495℃。只考慮初始存在于鋼液中的夾雜物，而且夾雜物初始均勻懸浮于鋼液內(nèi)部。傳統(tǒng)保溫冒口材料為絕熱板，換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)。

3　結(jié)果分析與討論

圖2為計(jì)算鋼錠凝固過程中凝固時(shí)刻分別為2 min、26 min、2 h和10 h得到的溫度場(chǎng)和鋼液速度場(chǎng)。

由圖2可知，鋼液溫度首先從底部和側(cè)表面開始下降，這是由于冒口保溫磚和保溫材料的保溫作用，使得與錠模接觸的鋼液散熱較快，溫度下降較大。因此凝固最先發(fā)生在鋼錠底部和側(cè)表面。另外，凝固早期，較低溫度的錠模使得鋼液內(nèi)部溫度梯度較大，由此產(chǎn)生的鋼液流動(dòng)較強(qiáng)烈，在凝固2 min時(shí)，鋼液流速達(dá)到0.03 m·s-1。而且此時(shí)鋼液內(nèi)部沿錠模內(nèi)表面向下流動(dòng)，到底部后沿中心軸線整體向上運(yùn)動(dòng)，形成關(guān)于中心軸線幾乎對(duì)稱的兩個(gè)循環(huán)流。隨著凝固過程的進(jìn)行，錠模溫度不斷升高，造成溫度梯度不斷縮小，鋼液流場(chǎng)逐漸減弱，流速不斷減小，而且流動(dòng)也逐漸變得紊亂、無序。到凝固10 h時(shí)，鋼液流速約為0.000 4 m·s-1。

圖3為凝固過程不同時(shí)刻鋼錠中的固相分布?？梢钥闯觯淌紫劝l(fā)生在鋼錠底部和側(cè)表面的中下部，由圖2的溫度等值線分布也可以理解，這些區(qū)域的溫降最大，此處的鋼液溫度最先降低到固相線。另外，從四個(gè)時(shí)刻的固相分布也可以看出，凝固早期，由于錠模溫度較低，造成溫度梯度和冷卻速度很大，因此凝固速度很大。隨著凝固的進(jìn)行，溫度梯度逐漸降低，凝固速度逐漸變慢。大約凝固10 h時(shí)，冒口附近出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，固液相交界面形狀由“U”型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤癡”型，此后鋼液面面積不斷縮小，直至凝固結(jié)束。

為了研究鋼液流場(chǎng)和凝固固相形狀對(duì)于夾雜物運(yùn)動(dòng)及去除效果的影響。改變冒口處的保溫條件，換熱系數(shù)由100 W/(m2·K)減小到60 W/(m2·K)。改進(jìn)冒口后不同凝固時(shí)刻固相分布如圖4所示。

圖2　不同凝固時(shí)刻的溫度等值線和鋼液速度場(chǎng)Figure 2　The temperature contour line and velocity filed of molten steel at different times during solidification

圖3　不同凝固時(shí)刻固相分?jǐn)?shù)分布云圖Figure 3　The distribution of phase fraction at different times during solidification

圖4　加強(qiáng)冒口保溫不同凝固時(shí)刻固相分?jǐn)?shù)分布云圖Figure 4　Distribution of phase fraction at different times during solidification with strengthen insulated riser

(a)傳統(tǒng)冒口

(b)改進(jìn)冒口圖5　不同保溫冒口凝固過程中夾雜物分布的計(jì)算結(jié)果Figure 5　Calculated inclusion distribution at different times during solidification with different insulated risers

與改進(jìn)前相比，共同點(diǎn)都是固相最先出現(xiàn)在鋼錠底部和側(cè)表面，但側(cè)表面更偏向鋼錠底部，而且隨著凝固過程的進(jìn)行，底部和側(cè)表面的固相分?jǐn)?shù)逐漸增多。不同點(diǎn)是在凝固后期由于冒口處的保溫效果更好，使得冒口區(qū)域的鋼液溫度較高，比如在凝固10 h時(shí)，冒口側(cè)壁區(qū)域仍是液相，沒有凝固發(fā)生，說明此時(shí)鋼液的粘度較小，流動(dòng)性較好，這樣的凝固方式更有利于夾雜物的上浮去除。

圖5是兩種冒口條件下鋼錠凝固過程夾雜物的分布情況。

首先，在凝固剛開始時(shí)，夾雜物在鋼液中是均勻分布的。凝固開始的早期，由于一方面鋼液溫度梯度較大，流動(dòng)較強(qiáng)烈，夾雜物隨之在鋼錠內(nèi)進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)；另一方面周圍溫度較低，造成冷卻速度和凝固速度較大。所以快速凝固的固相可以較容易捕捉到高速運(yùn)動(dòng)的夾雜物顆粒，鋼錠底部的鋼液過早形成粘稠區(qū)域，其中的鋼液流速較低。

因此在凝固的開始階段，部分夾雜物被鋼錠側(cè)表面先凝固的固相區(qū)捕捉，主要集中在錠身表層，這在實(shí)際生產(chǎn)中是一種普遍存在的現(xiàn)象，被稱為“外露夾雜”，它是一種表面夾雜。隨著凝固過程的進(jìn)行，溫度梯度減小，鋼液流速大大減小(數(shù)量級(jí)不同)，加之凝固變慢，凝固時(shí)間變長(zhǎng)，而夾雜物的密度遠(yuǎn)小于鋼液密度，此時(shí)夾雜物以上浮運(yùn)動(dòng)為主，而且有充足的時(shí)間，因此以該凝固速度產(chǎn)生的固相無法捕捉到上浮運(yùn)動(dòng)的夾雜物，最終夾雜物上浮排出，幾乎不會(huì)出現(xiàn)在鋼錠芯部。加強(qiáng)冒口保溫后，凝固后期冒口處鋼液溫度較高，流動(dòng)性較好，更有利于夾雜物的上浮、去除。在整個(gè)凝固過程中，夾雜物的去除率是不斷增加的。這種表面夾雜的計(jì)算結(jié)果與Hans P F等人[7]的檢測(cè)結(jié)果是一致的，如圖6所示。

與改進(jìn)前冒口相比，改進(jìn)冒口處的保溫條件后，凝固結(jié)束，鋼錠內(nèi)的夾雜物數(shù)量減少了。表2和圖7表示不同凝固時(shí)刻夾雜物的統(tǒng)計(jì)情況。

凝固時(shí)間2min26min2h10h傳統(tǒng)冒口夾雜物數(shù)量夾雜物去除率(%)430138610.2332524.4221450.23改進(jìn)冒口夾雜物數(shù)量夾雜物去除率(%)4301.233422.3226837.6713169.53

圖7　不同保溫冒口夾雜物去除率Figure 7　Removal efficiency of inclusions with different insulated risers

可知，36 t鋼錠在凝固10 h的時(shí)候，改進(jìn)冒口前，夾雜物的去除率約為50%；而改進(jìn)冒口后，

夾雜物的去除率明顯提高，將近70%?？梢娂訌?qiáng)冒口保溫后，在凝固后期，冒口處的良好保溫，使得附近區(qū)域的鋼液溫度較高，粘度較低，流動(dòng)性較好，同時(shí)保持熔池表面積較大，熔池深度較淺，從而為液相中的夾雜物上浮去除提供充足的時(shí)間來完成。

4　結(jié)論

根據(jù)36 t鋼錠凝固過程中鋼液流場(chǎng)和夾雜物分布的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

(1)在凝固早期，由于鋼液的快速凝固和夾雜物隨鋼液的流動(dòng)速度較大，夾雜物容易被錠身側(cè)表面所捕捉；

(2)在凝固后期，由于鋼液流動(dòng)速度和凝固速度減小，夾雜物以上浮運(yùn)動(dòng)為主，更容易上浮排出；

(3)夾雜物去除率隨著凝固過程的進(jìn)行不斷增大；

(4)凝固方式對(duì)夾雜物的分布和去除率有明顯影響。加強(qiáng)冒口保溫，有利于提高夾雜物的去除率。

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編輯杜青泉

Simulation Research on Distribution of Surface Inclusions in Heavy Steel Ingot

Lin Rui

By adopting the enthalpy porosity medium method, the turbulence model and the momentum and mass conservation equation, a mathematical model for fluid flow, heat conduction and solidification of molten steel in 36 t heavy steel ingot has been built. By tracking the movement of single inclusion in the molten steel with Lagrange method, the regular distribution of surface inclusions in the heavy steel ingot has been proved, and the removal efficiency of inclusions with different insulation conditions for riser has been discussed. The results show that the inclusion is easy to be captured by the solid phase region which formed firstly due to the strong flow of molten steel. Along with the solidification process, the flow of molten steel become weak, the movements of inclusion are mainly the floating motion. By strengthening the thermal insulation on the riser, the removal efficiency of inclusions can be improved greatly.

heavy ingot; solidification; surface inclusion; numerical simulation

A

2016—03—22

藺瑞(1981—)，男，助理研究員。

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