劉桂秋 朱永泉 王志通

摘 要：文章以45鋼小方坯為研究對象，建立連鑄坯凝固傳熱數(shù)學模型。通過對鑄坯表面溫度進行實測，得到的實測值與計算值基本吻合。通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場生產(chǎn)實際相結(jié)合，為優(yōu)化二次冷卻制度、提高鑄坯質(zhì)量提供了理論基礎。

關鍵詞：小方坯;數(shù)值模擬;二冷一區(qū)

中圖分類號：TF777.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-004-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.002

在連鑄坯生產(chǎn)過程中，連鑄坯的質(zhì)量與二冷配水有著密切關系。連鑄坯在二冷區(qū)間承受著熱應力、熱應變、機械應力和應變，一旦這些應力、應變超過了鋼種所能承受的極限值，鑄坯就會產(chǎn)生裂紋等缺陷。此外，二冷配水還影響著鑄坯鑄態(tài)組織的形成和結(jié)構(gòu)特征，進而影響著鑄坯的中心疏松和殘余縮孔等低倍缺陷，對于高合金的鋼種來說更是如此。在二次冷卻過程中，當鑄坯表面回溫過大時，在凝固前沿產(chǎn)生拉應力，從而產(chǎn)生內(nèi)裂紋;當鑄坯表面快速冷卻時，在鑄坯表面產(chǎn)生的拉應力會導致表面裂紋和已有裂紋的擴展[1]。因而，在二冷過程中應避免鑄坯表面溫度回溫過大和大幅度下降，一般要求在鑄坯的拉坯方向上，其冷卻速率不超過200℃/m，溫度回升速率不超過100℃/m。

為提高鑄坯質(zhì)量，文章以大型有限元軟件ANSYS為平臺建立了連鑄坯傳熱數(shù)學模型，進而對45鋼小方坯凝固過程的溫度場進行仿真模擬。通過理論計算和溫度場數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，二冷一區(qū)鑄坯表面存在回溫幅度過大的問題。針對此問題，通過數(shù)值模擬進一步計算二冷一區(qū)鑄坯在不同冷卻條件時其表面的溫度變化情況，為優(yōu)化鑄坯二冷配水方式奠定理論基礎。

1 數(shù)學模型

1.1 假設

忽略鑄坯拉坯方向的傳熱。

忽略鋼水流動對傳熱的影響。

1.2 連鑄坯傳熱控制方程

說明：C為比熱，ρ為密度，λ為導熱系數(shù)，qv為內(nèi)熱源[2]。

結(jié)晶器中熱流：

說明：q為熱流密度（J/（m2·s），A、B為常數(shù)。

二冷區(qū)內(nèi)熱流：

說明：h為對流換熱系數(shù)，w/（m2·℃），Tb為鑄坯表面溫度，Tw為冷卻水溫度。

空冷區(qū)內(nèi)熱流：

說明：T0為環(huán)境溫度，ε為鑄坯表面黑度系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67*10-8W/（m2·K4·s）。

1.3 參數(shù)

文章針對45鋼（160*160小方坯）進行數(shù)值模擬，模擬所用的澆注工藝參數(shù)如表1所示，二冷一區(qū)參數(shù)如表2所示。

對于同一型號的噴嘴，在噴嘴距鑄坯表面垂直距離固定的條件下，噴嘴的噴射角度決定了噴淋水在鑄坯表面噴射圓面積的大小。文章噴嘴噴射直徑R通過噴嘴的噴射角度θ和噴嘴距鑄坯表面垂直距離d的關系式計算得到，如圖1所示。噴嘴噴射直徑的計算公式如式1所示。

2 現(xiàn)行參數(shù)模擬

該節(jié)針對現(xiàn)行工藝條件下的參數(shù)進行溫度場數(shù)值模擬計算，溫度場數(shù)值模擬所需的二冷參數(shù)和拉速如表3所示，二冷一區(qū)在去掉足輥前后水嘴覆蓋簡圖如圖2所示。現(xiàn)行工藝條件下，鑄坯表面和中心位置冷卻曲線如圖3所示。

通過理論計算發(fā)現(xiàn)，二冷一區(qū)兩排噴嘴之間存在未能直接噴水覆蓋區(qū)：

在二冷一區(qū)（內(nèi)弧側(cè)）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長度：

l=130-tan（45/2）*85*2=59mm

在二冷一區(qū)（側(cè)面）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長度：

l=150-tan（45/2）*85*2=79mm

在二冷一區(qū)（外弧側(cè)）沿拉坯方向上，兩排噴嘴間未噴水區(qū)長度：

l=160-tan（45/2）*85*2=89mm

通過理論計算發(fā)現(xiàn)，由于去掉二冷一區(qū)的足輥后，在二冷一區(qū)沿拉坯方向上兩排噴嘴間存在較大的未噴水區(qū)，且未噴水區(qū)沒有足輥的導熱和足輥上方蓄水的傳熱，導致在未能噴水冷卻區(qū)域（足輥對應位置）處的鑄坯表面的冷卻速度降低，進而導致鑄坯表面出現(xiàn)回溫。

通過數(shù)值模擬計算，二冷一區(qū)鑄坯表面的最大回溫達到122℃。而鑄坯表面溫度回升應控制在100℃/m，若回溫太高會使鑄坯發(fā)生再加熱的情況，易導致鑄坯產(chǎn)生張應力，形成裂紋，同時鋼水的重熔也會對偏析有影響[3]。

與此同時，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)強冷，溫度劇烈下降，當結(jié)晶器出口與二冷一區(qū)間出現(xiàn)空冷區(qū)時，鑄坯表面會有回溫。因此，建議二冷一區(qū)的第一排噴嘴采取上傾布置，使鑄坯在出結(jié)晶器后就能得到噴水冷卻。

3 提高二冷一區(qū)水量模擬

為了驗證提高二冷一區(qū)冷卻水量對鑄坯表面回溫的影響，該節(jié)在現(xiàn)有噴嘴布置情況下，將二冷一區(qū)的水量分配比由原工藝的25%提高到30%。提高二冷一區(qū)水量后，各區(qū)水量分配表如表4所示，鑄坯表面和中心位置冷卻曲線如圖4所示。

通過數(shù)值模擬可知，在現(xiàn)有噴嘴布置情況下，當二冷一區(qū)水量分配比例由25%提高到30%后，二冷一區(qū)最大回溫達到131℃。提高二冷一區(qū)水量后，鑄坯表面最大回溫較未提高水量前升高9℃。因此，僅提高二冷一區(qū)水量會加劇鑄坯表面回溫幅度。

4 二冷一區(qū)全覆蓋冷卻模擬

為了減少二冷一區(qū)鑄坯表面回溫幅度，首先假定二冷一區(qū)（足輥區(qū)）為全覆蓋，全覆蓋簡圖如圖5所示。然后，通過數(shù)值模擬，計算鑄坯表面和中心位置冷卻曲線，如圖6所示。

從模擬結(jié)果可知，當二冷一區(qū)采用全覆蓋均勻冷卻時，二冷一區(qū)內(nèi)鑄坯表面回溫較小，鑄坯表面溫度緩慢波動。

5 結(jié)語

針對現(xiàn)行工藝條件，通過數(shù)值模擬計算的溫度場結(jié)果可知：由于二冷一區(qū)噴嘴噴出的水量集中在較小區(qū)域，導致噴水區(qū)域的鑄坯表面冷卻很強，進而導致在隨后的未噴水區(qū)回溫幅度過大。

在現(xiàn)場實際工藝條件下，僅增加二冷一區(qū)水量會加大鑄坯表面的回溫幅度。

模擬二冷一區(qū)鑄坯表面進行全覆蓋冷卻時，鑄坯表面回溫較小，沒有出現(xiàn)較大的溫度波動。

因此，二冷一區(qū)在沒有足輥支撐冷卻的工藝條件下，為能實現(xiàn)二冷一區(qū)內(nèi)鑄坯表面均勻冷卻，需優(yōu)化二冷一區(qū)水嘴布置以實現(xiàn)冷卻水在拉坯方向的全覆蓋，或者恢復二冷一區(qū)足輥設置?；謴妥爿伜?，在加強足輥位置冷卻的同時，還可以阻止鑄坯變形對拉坯阻力的影響，提高對中精度。

參考文獻

[1] 張炯明.連鑄坯凝固傳熱數(shù)學模型的研究[J].連鑄，2004（5）：16-25.

[2] 劉欣.150mm×150mm方坯連鑄二次冷卻工藝的優(yōu)化[J].特殊鋼，2005（6）：52-53.

[3] 王現(xiàn)輝.軸承鋼連鑄鋼水凝固與二冷配水優(yōu)化的研究[D].唐山：河北理工大學，2005.