冒口對鋼錠凝固過程固相轉(zhuǎn)變影響的數(shù)值模擬

袁林華，于景坤，李志強

（1沈陽東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽 110004；2東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110004）

試驗研究

冒口對鋼錠凝固過程固相轉(zhuǎn)變影響的數(shù)值模擬

袁林華1，于景坤2，李志強2

（1沈陽東大冶金科技股份有限公司，遼寧沈陽 110004；2東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110004）

通過自建模型模擬研究了冒口材質(zhì)和高度對大鋼錠凝固過程中固相轉(zhuǎn)變的影響。結(jié)果表明：鋼錠凝固過程中，錠模及底座附近的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的速率較快且固液共存區(qū)寬度較窄，而冒口附近的鋼液發(fā)生固相轉(zhuǎn)變的速率較慢且糊狀區(qū)較寬。相比于傳統(tǒng)的黏土磚，輕質(zhì)磚和絕熱板均有助于改善冒口的保溫性能，且均可減緩冒口外表面溫度上升的速率。冒口高于鋼液上表面部分高度的變化對于鋼錠凝固過程中冒口附近鋼液相轉(zhuǎn)變速率的影響較小。

冒口；鋼錠凝固；數(shù)值模擬

隨著電力工業(yè)的發(fā)展和發(fā)電機組的大型化，低壓轉(zhuǎn)子鍛件的尺寸也隨之增加。尺寸增加給低壓轉(zhuǎn)子大鍛件的煉鋼、鑄錠、鍛造和熱處理都帶來了非常大的挑戰(zhàn)［1-3］。由于實驗研究代價高，數(shù)值模擬成為認識這些缺陷和優(yōu)化鋼錠設(shè)計的重要途徑［4］。

通過數(shù)值模擬方法可以得到鋼錠凝固過程中鋼錠本身及錠模的溫度場變化狀況［5-6］。錠模冒口的使用可以有效改善鋼錠凝固過程中錠頭凝固的固相率轉(zhuǎn)變狀況［7］。大型鋼錠凝固過程的三維數(shù)值模擬結(jié)果表明冒口頂部附近鋼液固相轉(zhuǎn)變較快［8］，但鮮有關(guān)于冒口內(nèi)襯材料及高度對錠頭固相率轉(zhuǎn)變影響的報道。

本研究通過自建模型模擬探討某48 t鋼錠凝固過程中固相轉(zhuǎn)變的狀況及冒口內(nèi)襯耐火材料種類和高度對鋼錠凝固過程中固相轉(zhuǎn)變的影響。

1 研究對象

以國內(nèi)某重型設(shè)備制造公司的48 t轉(zhuǎn)子鍛造鋼錠為研究對象（化學成分見表1，其中J系數(shù)為10），錠模內(nèi)壁為多邊形。為簡化計算過程，本文選取此鋼錠及錠模縱截面的一半為研究對象（如圖1所示）。此外，為考察冒口內(nèi)襯耐火材料對鋼錠凝固的影響，選取輕質(zhì)磚和絕熱板與傳統(tǒng)的黏土磚進行對比研究。各材質(zhì)的物性參數(shù)見表2。

2 模型建立

2.1 假設(shè)條件

假設(shè)鑄型瞬間充滿，液態(tài)金屬的初始溫度即為澆注溫度；液態(tài)金屬內(nèi)部無對流作用，無能量與質(zhì)量傳輸；鋼錠及錠模的材料均質(zhì)且各向同性。

表1 鋼種化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

圖1 模型計算區(qū)域示意圖

表2 材料的熱物性參數(shù)

2.2 傳熱控制方程及潛熱處理

在鋼錠（包括固相和液相）和錠模內(nèi)部，溫度變化主要通過熱傳導的方式進行。在材料均質(zhì)且各向同性的條件下，有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程可通過傅立導熱方程來描述：

式中：ρ為密度，kg/m3；T為溫度，K；cp為定壓比熱容，J/（kg·K）；t為時間，s；Q為熱源項，J；x、y、z均為方向分量。

忽略鋼液凝固過程中液態(tài)金屬的流動，鋼錠凝固過程溫度變化及分布即可由式（1）求得。式（1）中Q為鋼液凝固發(fā)生相變時產(chǎn)生的熱量，即潛熱。

本模型采用等價比熱法和溫度回升法相結(jié)合的方法處理鋼液凝固過程中潛熱的釋放。在一個時間步內(nèi)，當計算區(qū)域的溫度變化范圍包含液相線（或固相線）溫度時，潛熱處理采用溫度回升法；當計算區(qū)域溫度變化在固液相線溫度之間時，潛熱處理采用等價比熱法。

2.3 體積收縮處理

在t到t+dt時間步長內(nèi)，所有固液兩相區(qū)單元格的體積收縮總量為：

式中：n為兩相區(qū)單元格總數(shù)，Vi為單元i的體積。將△V平均分配到鋼液上表面單元格內(nèi)。當這些單元格的體積收縮達到單元格體積時，將此單元格的屬性向下移動到鄰近的單元格，并將該單元格狀態(tài)更新為空白，不再參與下一個步進時間的計算。

2.4 初始條件和邊界條件

鋼液凝固初始條件主要包括鋼液溫度和錠模溫度，其中，設(shè)鋼液初始溫度為1 540℃，錠模溫度為室溫（30℃），冒口預熱溫度為200℃。

鋼液凝固熱分析邊界條件主要包括4類：1）中軸線和鋼液上表面設(shè)為絕熱邊界條件；2）錠模底部和側(cè)部設(shè)為綜合考慮輻射和對流的等效對流換熱邊界條件；3）冒口內(nèi)襯與外側(cè)鋼板設(shè)為緊密接觸傳熱邊界條件；4）鋼錠-錠模邊界設(shè)為輻射換熱等效對流傳熱邊界條件。

2.5 模型計算方法

采用顯式有限差分法對模型進行離散處理并求解，步進時間為ds2/（4DL）min。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 鋼錠凝固過程鋼液狀態(tài)及溫度場變化

鋼液凝固過程中，伴隨著溫度的降低，鋼液向固態(tài)轉(zhuǎn)變，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼錠凝固過程狀態(tài)變化

從圖2a～c可以看出，鋼錠凝固初期，錠模及底座附近的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的速率較快且糊狀區(qū)寬度較窄，而冒口附近的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的速率較慢且糊狀區(qū)較寬，在冒口與鋼液的交界面上，鋼液上表面交界處的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的時間比其它位置更早。而圖2d～f表明，液相消失后，固液兩相區(qū)內(nèi)熔融鋼液向固相鋼錠轉(zhuǎn)變是從其上表面與冒口交界處和軸向向上兩個方向進行的。鋼液上面與冒口交界處鋼液的快速冷卻凝固有可能導致最終產(chǎn)品產(chǎn)生疏松缺陷，應(yīng)盡量避免。

3.2 冒口內(nèi)襯材料對鋼錠凝固的影響

3.1 節(jié)結(jié)果和分析表明冒口內(nèi)襯材料對鋼錠凝固過程的影響較大。與傳統(tǒng)的黏土磚相比，若改為輕質(zhì)磚或絕熱板，鋼錠凝固過程冒口附近錠頭凝固的固相轉(zhuǎn)變對比結(jié)果及冒口外壁的溫度變化分別如圖3、圖4所示。

圖3 冒口內(nèi)襯材料對鋼錠凝固過程的影響

圖4 內(nèi)襯材料對錠模外表面溫度的影響

由圖3可知，在相同時刻，相比于傳統(tǒng)的黏土磚，選用輕質(zhì)磚有利于改善錠頭上表面與冒口內(nèi)襯交界處固相轉(zhuǎn)變的狀態(tài)變化；若選用絕熱板，則錠頭上表面與冒口內(nèi)襯交界處固相轉(zhuǎn)變的狀況會和冒口內(nèi)襯邊界其他位置的狀態(tài)非常接近，更有利于改善鋼液凝固的過程，可以為鋼錠的最終質(zhì)量提供保證。

由圖4可知，輕質(zhì)磚和絕熱板均可減緩冒口外壁溫度上升的速率。例如，當凝固進行了4 h時，黏土磚內(nèi)襯冒口的外表面溫度為900 K，輕質(zhì)磚內(nèi)襯冒口的外表面溫度為750 K，而絕熱板內(nèi)襯冒口的外表面溫度僅為500 K。保溫性能的改善有利于延長錠頭的凝固時間，從而給夾雜物的上浮提供充足的時間。

3.3 冒口高度對鋼錠凝固的影響

由于冒口高出鋼液（錠）上表面部分溫度升高需要的熱量只能來源于鋼液（錠）上表面與冒口內(nèi)表面的交界處的鋼液（錠），這部分的固相轉(zhuǎn)變速率較快。當選用黏土磚為冒口內(nèi)襯時，冒口高度對于鋼錠凝固的影響結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在同一時刻，冒口高于鋼液（錠）上表面部分高度的變化對于鋼錠凝固過程中冒口部分固相轉(zhuǎn)變速率的影響較小。

圖5 冒口高度對鋼錠凝固的影響

4 結(jié)論

4.1 鋼錠凝固過程中，錠模及底座附近的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的速率較快且糊狀區(qū)寬度較窄，而冒口附近的鋼液發(fā)生相轉(zhuǎn)變的速率較慢且糊狀區(qū)較寬。

4.2 相比于傳統(tǒng)的黏土磚，輕質(zhì)磚和絕熱板均有助于改善冒口的保溫性能，且均可減緩冒口外表面溫度上升的速率。

4.3 冒口高于鋼液上表面部分的高度變化對于鋼錠凝固過程中冒口附近鋼液相轉(zhuǎn)變速率的影響比較小。

［1］劉顯惠，林錦棠.國內(nèi)外汽輪機大型轉(zhuǎn)子鍛件材料的技術(shù)進展（一）［J］.國外金屬熱處理，1999（3）：5-7.

［2］雷雪，徐薇平，韓利戰(zhàn)，等.低壓轉(zhuǎn)子加熱過程溫度場與相變的計算機模擬［J］.金屬熱處理，2009，34（9）：48-51.

［3］劉鑫，鐘約先，馬慶賢，等.核電汽輪機低壓轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展［J］鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009（3）：13-18.

［4］Radovic Z，Lalovic M.Numerical simulation of steel ingot solidification process［J］.Journal of Materials processing Technology，2005（160）：156-159.

［5］王芹，袁守謙，鄧林濤，等.鍛造用鋼錠凝固過程溫度場數(shù)值模擬及其應(yīng)用［J］.大型鑄鍛件，2005（1）：10-12.

［6］董潔，袁守謙，鄧林濤，等.鍛造用鋼錠凝固過程溫度場數(shù)值模擬［J］.鑄造技術(shù)，2007，28（2）：268-270.

［7］馬薇，趙建華，宋剛.冒口保溫條件對大型鋼錠凝固過程影響的數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2011，40（21）：41-43.

［8］李文勝，沈丙振，周翔，等.大型鋼錠凝固過程三維數(shù)值模擬［J］.大型鑄鍛件，2010（3）：1-4.

Numerical Simulation on theEffect of Riser on Solid PhaseTransformation in Solidification Processof Ingot

YUAN Linhua1,YU Jingkun2,LI Zhiqiang2

（1 Northeastern University Metallurgical Technology Institute Co.,Ltd.,Shenyang 110004,China;
2 School of Material and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110004,China）

The effects of the materials and height of riser on the solid phase transformation of steel in the solidification process of an steel ingot was simulated through a self designed model.The results showed that during the solidification process of the ingot,the transforming rate of steel from liquid to solid was fast and the width of the liquid/solid coexisting area was narrow nearby the side and bottom of mould,while the transforming rate of steel was slow and the width of the area was wide nearby the riser.Compared with the traditional clay brick,the applications of the light weight brick and the heat insulating shield not only would improve the heat insulating property of the riser but also slow down the increasing rate of temperature outside the riser.The effect of the height change of riser which was higher than the top surface of ingot on the transforming rate of steel nearby the riser in the solidification process was tiny.

riser;ingot solidification;numerical simulation

TP391；TF771+.1

A

1004-4620（2014）03-0026-03

2014-04-08

袁林華，男，1962年生，1983年畢業(yè)于東北大學冶金工程專業(yè)。現(xiàn)為沈陽東大冶金科技股份有限公司工程師，從事冶金輔料研究工作。