連鑄矯直區不同角部形狀板坯表面溫度的數值模擬

孟德弟 王明林 張 慧 袁守謙

(1.西安建筑科技大學冶金學院，陜西西安 710055；2.鋼鐵研究總院連鑄技術國家工程研究中心，北京 100081)

連鑄矯直區不同角部形狀板坯表面溫度的數值模擬

孟德弟1,2王明林2張 慧2袁守謙1

(1.西安建筑科技大學冶金學院，陜西西安 710055；2.鋼鐵研究總院連鑄技術國家工程研究中心，北京 100081)

倒角結晶器是避免連鑄坯角部橫裂紋的產生、改善角部質量的新技術。通過ANSYS數值模擬，計算了不同角部形狀的板坯在連鑄矯直區的溫度分布情況，分析了倒角角度、倒角面長度對板坯角部溫度及其熱塑性的影響。結果表明，倒角鑄坯在提高角部溫度和溫度均勻性方面效果明顯，鑄坯角部熱塑性隨著溫度的升高而改善。具有較高角部溫度的倒角鑄坯基本避開了鋼的脆性區間，從而防止了角部橫裂紋的產生。倒角結晶器技術在工業化生產應用中取得了良好效果。

倒角坯 角部形狀 溫度場 角橫裂 數值模擬

角部橫裂紋一直是困擾各大鋼廠板坯質量的重大難題，對橫裂紋的處理一般采用冷坯離線火切的方法，這不僅造成了能源、材料、人力的大量浪費，也打斷了煉鋼——連鑄——軋鋼的高效化生產節奏，使熱裝熱送成為不可能。鑄坯角部橫裂紋的形成原因一般認為是由于矯直段處于鋼的脆性區間700～850 ℃。針對這一原因分別形成了兩種應對措施[1- 4]：一是在二冷段采用弱冷措施，從而提高角部溫度至900 ℃以上，以避開脆性區間；二是在二冷段采用強冷措施，使角部溫度降到600 ℃以下，從而避開脆性區。

常規鑄坯角部為直角二維傳熱，通過使用倒角結晶器，改變了鑄坯的角部形狀，弱化了角部二維散熱，從而提高了角部溫度以避開脆性區間，達到解決角部橫裂紋缺陷的目的[5- 6]。

1 研究方法

1.1 基本假設和模型的建立

基本假設：結晶器上部鋼液與保護渣按絕熱處理；結晶器內部和二冷區按對流傳熱處理；忽略鋼液內部對流對傳熱的影響；忽略結晶器振動液面波動對傳熱的影響；拉速恒定在0.93 m/min。

溫度場模擬采用ANSYS軟件建立二維模型，由于傳熱的對稱性，為簡化模型，選用1/2斷面進行建模。鑄坯模型尺寸642.5 mm×260.0 mm(如圖1所示)，倒角面與窄面角度分別為22°、30°、38°、45°、60°，倒角面長度為20、40、60、80 mm，另加直角坯作為對比。所有21種工況，僅角部形狀不同，其他條件均完全相同，矯直段鑄坯角部形狀均遺傳自上工段，由結晶器角部形狀決定，即鑄坯截面形狀和倒角結晶器形狀是一致的。

圖1 鑄坯1/2截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of 1/2 cross- section of slab

不同于直角坯，倒角坯角部有兩個鈍角，靠近寬面的角稱之為寬面角，靠近窄面的角稱之為窄面角。寬面角的角度為寬面和倒角面所形成的鈍角，窄面角的角度為窄面和倒角面之間形成的鈍角，寬面角與窄面角的角度之和為270°。

1.2 初始條件

為了提高計算結果與實際工況的一致性，使其更具有現實指導價值，計算初始條件均來自國內某鋼廠現場實測值：(a)鋼液的初始溫度為1 559 ℃；(b)結晶器入口和出口水溫分別為27.5、34.6 ℃；(c)二冷水溫取值為27.2 ℃。

1.3 邊界條件

結晶器單位時間內傳遞的熱量[7]，記為平均熱流Q(單位：W)：

Q=cρSv(T出-T進)

(1)

式中：c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3；v為結晶器內水的流速，m/s；S為結晶器水孔面積，；T進為進水口平均水溫，27.5 ℃；T出為出水口平均水溫，34.6 ℃。

二冷區水直接噴到鑄坯表面，依據牛頓冷卻定律[8- 9]，平均熱流密度q(單位：W/m2)可表示為：

q=h(T坯-T水)

(2)

式中：h為對流換熱系數，由噴嘴大小及噴水速度決定，W/(m2·℃)；T坯為鑄坯表面溫度，℃；T水為二冷水平均溫度，27.2 ℃。

2 計算結果及分析討論

2.1 倒角長度對溫度的影響

提取鑄坯表面從距鑄坯寬面中心500 mm處至窄面中心的溫度分布情況。計算得到相同倒角角度情況下倒角面長度對鑄坯溫度的影響，如圖2所示。

從圖2中可以看出，4種倒角面長度的鑄坯由寬面角至窄面角溫度曲線的走勢大致相同。這表明當倒角角度固定時，倒角面長度僅影響溫度數值的波動幅度，對溫度走勢的影響不大。所有倒角坯角部溫度均比直角坯角部溫度高，且隨著倒角面長度的增加，角部溫度不斷提高。相同倒角角度下，隨著倒角面長度的增加，寬面角溫度也隨之升高，但溫度增量卻逐漸減小(見圖4)，窄面角溫度也表現出相同的規律。

圖2 倒角長度對鑄坯表面角部溫度的影響Fig.2 Influence of chamfer length on the surface temperature of the corner of the slab

直角坯角部以二維散熱方式冷卻，倒角坯角部由于存在兩個鈍角，角部的冷卻開始接近于一維散熱，其冷卻速度得到降低，故有利于提高角部溫度。由上述計算結果可知，隨著倒角面長度的增加，角部溫度也隨之升高，倒角面上的溫度與寬面和窄面上的溫度差不斷減小，角部溫度的變化曲線也更平滑，即角部附近溫度分布越均勻。

2.2 倒角角度對溫度的影響

為了研究倒角角度對鑄坯角部溫度的影響，對相同倒角面長度不同倒角角度的鑄坯的傳熱行為進行了數值模擬，其中距鑄坯寬面中心500 mm處至窄面中心的溫度分布，如圖3所示。

從圖3中可以看出，倒角坯在寬面角和窄面角分別出現兩個溫度低谷。在由寬面角至窄面角的區域，溫度先上升后下降，呈開口向下拋物線趨勢，期間出現一個溫度峰值。對于相同倒角面長度不同倒角角度的鑄坯，此溫度峰值相差較小，隨著倒角角度的增大，峰值的位置逐漸右移，即逐漸向寬面角靠近。22°、30°和38°倒角鑄坯的溫度最低點在寬面角，45°倒角鑄坯的寬面角和窄面角溫度大致相等，60°倒角鑄坯的溫度最低點出現在窄面角。在倒角角度逐漸增大的過程中，寬面角溫度逐漸升高，窄面角溫度逐漸降低，最低溫度點逐漸由寬面角轉移至窄面角。可見倒角角度對鑄坯溫度變化曲線形狀的影響較大。

在傳熱過程中，倒角坯的寬面角或窄面角的角度越小，越趨向于二維傳熱，散熱速度就快，溫降也就越大；寬面角或窄面角的角度越大，越趨向于一維傳熱，散熱速度就慢，溫降也就越小。在倒角角度逐漸由22°向60°增大的過程中，寬面角角度逐漸增大，越趨于一維傳熱，散熱速度逐漸減慢，角部溫度隨之提高；同時，窄面角角度逐漸減小，越趨于二維傳熱，散熱速度逐漸增大，角部溫度隨之降低。在倒角角度逐漸增大的過程中，角部最大散熱速度位置逐漸由寬面角轉移至窄面角。

倒角角度為45°時，寬面角角度等于窄面角角度，兩角的散熱速度相等，寬面角和窄面角處溫差最小，溫度分布較為均勻。隨著倒角角度的增大或減小，寬面角和窄面角之間的溫差均有增大的趨勢。

2.3 角部形狀對鑄坯熱塑性的影響

圖4顯示了不同角部形狀鑄坯角部溫度的分布情況。可見直角鑄坯角部溫度約為800 ℃，正處于鋼的第三脆性溫度區間，如圖5所示。此時在奧氏體晶界上開始形成鐵素體， 這將導致在奧氏體晶粒周圍形成鐵素體膜，在轉變溫度范圍內，鐵素體比奧氏體軟。這樣當變形開始時，應變就集中在晶界的鐵素體內。延展性斷裂，即第二相微粒上空隙的形核， 以及這些空隙的生長便在鐵素體膜內繼續，導致鋼的塑性變差，這時在鑄坯發生矯直變形的過程中，容易造成材料破壞，產生裂紋[10]。而倒角坯的角部溫度普遍高于850 ℃，比常規鑄坯高50 ℃以上，已基本避開了鋼的第三脆性溫度區間，鑄坯角部熱塑性較好，可以有效抵抗在矯直大變形的作用下產生的可能使材料發生破壞的應力。所以利用倒角結晶器生產倒角鑄坯，有利于提高角部溫度從而達到避免角橫裂產生的目的。

圖3 倒角角度對鑄坯表面角部溫度的影響Fig.3 Influence of chamfer angle on the surface temperature of the corner of the slab

圖4 不同角部形狀角部溫度變化Fig.4 Variations of corner temperature for different corner shapes

圖5 鑄坯斷面收縮率隨溫度變化Fig.5 Reduction in area of slab as a function of temperature

3 工業試驗

在國內某鋼廠進行了倒角角度22°、30°，倒角面長度65 mm的倒角結晶器工業試驗。實際測得在矯直段內，倒角角度22°、倒角長度65 mm的倒角鑄坯，其寬面角溫度比常規直角鑄坯角部高60 ℃；倒角角度30°，倒角長度65 mm的倒角鑄坯，其寬面角溫度比常規直角鑄坯角部高120 ℃。由圖6可以看出，在矯直段常規直角鑄坯的溫度更低，角部已呈現暗黑色，而倒角鑄坯角部仍保持較高溫度,呈現亮白色。經檢查，鑄坯冷卻后倒角鑄坯角部無橫裂紋出現。

圖6 直角鑄坯(a)和倒角鑄坯(b)矯直工業試驗Fig.6 Straightening commercial experiment of rectangular slab (a) and chamfered slab (b)

在模擬計算中，由圖4可以得到：倒角面長度為65 mm時，22°倒角鑄坯的寬面角溫度為885 ℃，比常規鑄坯溫度高85 ℃；30°倒角鑄坯的寬面角溫度為920 ℃，比常規鑄坯溫度高120 ℃。這與實際生產情況基本相符。

4 結論

(1)倒角面長度對鑄坯溫度影響較大，隨著倒角面長度的增加，角部溫度逐漸提高。

(2)倒角角度對鑄坯溫度分布趨勢的影響較大，隨著倒角角度的增大，寬面角溫度逐漸升高，窄面角溫度逐漸降低，角部溫度最低位置逐漸由寬面角轉移至窄面角。

(3)倒角鑄坯比直角鑄坯的角部溫度分布更均勻，倒角面越長，倒角角度越接近45°，角部溫度分布越均勻。

(4)倒角坯對提高角部溫度具有明顯效果，倒角鑄坯角部溫度普遍高于常規直角鑄坯溫度50 ℃以上，基本避開鋼的第三脆性溫度區間，避免了角部橫裂紋的產生。

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收修改稿日期：2016- 12- 05

NumericalSimulationofSurfaceTemperatureofContinuousCastingSlabwithDifferentCornerShapeduringStraightening

Meng Dedi1,2Wang Minglin2Zhang Hui2Yuan Shouqian1

(1. College of Metallurgy， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an Shanxi 710055，China； 2. National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology， Iron and Steel Research Institute， Beijing 100089， China)

Chamfered mold is a new technology that can avoid the generation of corner transverse crack and improve quality of the corner. The temperature distribution of the slab corner of different corner shape in straightening zone during continuous casting was calculated by using ANSYS software, and the influence of chamfer angle and chamfer length on the temperature variation and the hot ductility of slab corner were summarized. The results showed that the chamfered slab can significantly improve the corner temperature and temperature uniformity, and the hot ductility of slab corner was improved with the temperature increasing. The brittle interval of steel can be basically avoid by chamfered slab at a higher corner temperature, thus preventing the generation of transverse corner cracks. The technology of chamfered mold achieved good results in production applications.

chamfered slab，corner shape，temperature field，transverse corner crack，numerical simulation

國家自然科學基金(No.51204059)

孟德弟，男，主要從事連鑄過程數值模擬和表面缺陷解決相關研究，Email：mdding@126.com