Q345大方坯连铸过程表面温度变化的数值模拟

Q345大方坯连铸过程表面温度变化的数值模拟

丁秀青1，李大鹏1，李 宏1，张炯明1，王恭亮2，梁 玫2

(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 00083；2．石家庄钢铁有限公司，河北 石家庄05003 1)

摘 要：以Q345大方坯1／4断面为研究对象，建立连铸过程凝固传热有限元数学模型，然后应用ANSYS有限元软件计算出铸坯任意断面的温度分布、坯壳厚度以及任意节点的凝固状态等，把各特征点连接起来，就可以得到连铸坯表面温度的变化曲线，以此可以优化连铸工艺参数，提高铸坯质量。

关键词：大方坯；连铸；凝固传热；数学模型；ANSYS

中图分类号：TF777．2 文献标识码：A文章编号：1002—1043(2009)05—0039—04

连铸坯的表面温度控制是减少表面裂纹的重要措施，但是由于连铸机设备的大部分都被封闭，所以不容易逐点测定，最有效的方法是用数值模拟求出铸坯在连铸过程中表面温度的变化规律。过去已经有很多使用数值模拟方法研究连铸坯凝固和传热的研究报告，但大都是研究结晶器内铸坯表面温度的变化^[1-2]，对连铸整个过程中铸坯表面温度的模拟比较少^[3]，本文基于石家庄钢铁有限责任公司(以下简称石钢)3号大方坯连铸机浇铸Q345钢的过程，应用ANSYS软件对铸坯表面温度的变化进行了模拟研究。

1 现场基本工艺参数

对石钢3号大方坯连铸机同一时期浇铸的6炉Q345钢，现场采集的工艺参数见表1～2所示，本次模拟取其平均值计算。

2 研究方法

2．1 模拟方法及假设条件

模拟方法是利用ANSYS软件模拟，求解连铸机各段中铸坯任意一个断面上的表面各特征点的温度，然后把这些温度点连接起来，求出连铸过程中铸坯表面上各特征点的温度变化曲线。

本文根据大方坯结构特点，取铸坯1／4断面作为模拟对象，建立有限元数学模型。为贴近实际并简化计算，除已知的采用ANSYS软件所必须的假设条件之外，本研究增加了如下的假设条件；

(1)液相穴内的对流传热对传热效果有很大的影响，故采用放大导热系数^[4]的方法将钢液对流引起的传热等效为有效热导率；

(2)考虑外界环境的影响因素，将空冷区对流传热及矫直辊的传导传热采用综合换热系数考虑，且各段冷却均匀。

2．2 定解条件的确定

对于二冷区，冷却水从铸坯表面带走的热流按第3类边界条件确定；空冷区采用斯蒂芬-波尔兹曼四次方定律描述。

2．3 综合换热系数及物性参数的确定

二冷区中的换热系数主要取决于水流密度和铸坯表面温度。为确定换热系数，首先选择文献中的经验公式，再通过温度计算模型来校正经验公式中的系数^[9]。

密度与比热，固相时ρ_s=7 600 kg／m³，液相时ρ_l=7 200 kg／m³，两相区取中间值ρ_sl=7 400 kg／m³；凝固潜热L₁=300 kJ／kg，液相热容C_t=840J／(k·℃)，固相热容C_s=680 J／(kg·℃)。此外，将温度对凝固潜热的影响采用热焓法处理，即△H=∫ρC(T)dT^[9]，不同温度时钢的热焓值的确定要考虑凝固潜热的影响。固相线以下导热系数λ=15．9 1．17 x 10^-2T，(W／(m·℃))，液相线以上考虑流动等因素，取5λ，固液两相区取中间值3λ^[10]。

2．4 模拟所使用的工况条件

采用现场生产的工况条件如下。固相线温度和液相线温度根据Q345成分计算得出，分别是1 43 1℃和1512℃。

钢种 Q345

断面尺寸 300 mm×360 mm

拉速 0．6 m／min

浇铸温度 1 539℃

结晶器有效长度 700 mm

结晶器水量 200 t／h

结晶器进出水温差 5．4℃

空冷段长度 1 3．24 m

足辊段长度 0．4 m

二冷一段长度 2．2 m

二冷二段长度 4．4 m

二冷三段长度 3．8 m

足辊段水量 1．6 1 t／h

二冷一段水量 3．33 t／h

二冷二段水量 1．48 t／h

二冷三段水量 0．74 t／h

3 结果与讨论

3．1 工况条件下的模拟结果

几个重要位置的铸坯断面温度场见图1～图4。出结晶器时铸坯中心是1 539℃，铸坯宽面中心是1 06 1℃，角部表面是73 1℃，铸坯宽面中心坯壳厚度为1 4．2 mm。图2～图4分别为二冷段出口、一矫点、切割点铸坯断面温度场。

把模拟得到的断面上的几个特征点温度连接起来，可以得到曲线如图5所示(Ⅰ区为结晶器内；Ⅱ区为二冷段；Ⅲ区为空冷段；Ⅳ区为矫直段)。由图5可见，铸坯宽面、窄面中心和角部的温度在结晶器内下降剧烈，在出口处出现回温现象，在二冷和空冷区温降缓慢。铸坯中心温度一直到矫直之前都是缓慢下降，进入矫直段后才快速降温到1 200℃以下；结晶器里温度变化最剧烈的是铸坯角部，宽面、窄面中心降温平均6．8℃／cm，而角部降温平均1 1．5℃／cm。矫直段共有5对辊子与铸坯接触(其中前3对辊子起矫直作用)，铸坯在一矫点、二矫点、三矫点的表面温度分别为1 0 1 4℃、982℃、95 1℃，每经过一对辊子铸坯表面温度下降约30℃，最后切割时铸坯表面温度为863℃。

3．2 模型的验证

用热像仪现场对空冷段出口附近和一矫前与三矫前铸坯的表面温度进行了现场测量，可以验证模拟结果的可靠程度。温度实测值与模拟计算值比较如图4所示，其中实测值见图5中圆点处标注。由表3可知铸坯表面温度与计算结果相对误差小于4％，绝对误差小于35℃，由此可知模拟结果可信度比较高。

3．3比较与分析

保持其他工艺参数相同，分别模拟以0．8倍、1．0倍、1．2倍、1．4倍的工况条件给水量(结晶器和二冷的水量同比例增减)对铸坯进行冷却，考察了其对铸坯宽面中心温度变化的影响，结果如图6所示。

由图6可知，如果结晶器给水量减少20％，其出口铸坯宽面中心温度将达到1 200℃以上，此时坯壳厚度为7．9 mm，显然不符合要求；现在的结晶器给水量大致可以使铸坯宽面中心温度在出口保持在1 070℃左右；而再增加结晶器给水量则铸坯宽面中心温度会过低。因此现在的结晶器给水量基本上是合适的。

随着距弯月面距离的增加，不同给水量冷却条件下铸坯宽面中心温度之差减少。以现在工况条件为基础，冷却水量若提高0．1倍，铸坯宽面中心温度在结晶器出口相对低约95℃，但到切割前仅仅相对低4．5℃，所以为保证合适的冷却强度，结晶器给水量的调整最重要，其次为二冷的上部，下面的重要性依次降低。按照现在的冷却水量，在矫直段铸坯角部温度过低，因此可以考虑减少二冷下部的冷却水量，在影响宽窄面中心温度较小的条件下，提高角部的温度。

由模拟结果可知，结晶器内铸坯表面温度变化剧烈，因此若保护渣涂层不均匀，在冷却不到的地方就极易产生热应力而导致裂纹、凹陷等缺陷出现。结晶器出口以下，在足辊到二冷上部约1m多的距离内，表面回温量约1 00℃以上，这也是变动比较剧烈的位置，如果不能做到均匀冷却，则会加重旧缺陷并形成新缺陷。所以这两部分的均匀冷却应该特别重视。，

4 结 论

(1)在连铸坯各段表面温度变化模拟中，本文增加的假设条件有利于模型的求解，模拟结果与实际铸坯凝固过程基本一致，铸坯表面温度与计算结果相对误差小于4％，可知模拟结果可信度比较高。

(2)结晶器出口铸坯宽面中心坯壳厚度为1 4．2 mm，满足稳定拉坯的条件。铸坯宽面、窄面中心和角部的温度在结晶器内下降剧烈，分别平均为6．8℃／cm和11．5℃／cm，在二冷和空冷区温降缓慢，在矫直段各对辊子之间铸坯表面温度平均下降约30℃。

(3)由比较分析可知，石钢3号大方坯连铸机现在的结晶器给水量基本上是合适的。随着距弯月面距离的增加，不同给水量冷却条件下铸坯宽面中心温度之差减少，所以为保证合适的冷却强度，结晶器给水量的调整最重要，其次为二冷的上部，下面的重要性依次降低。

(4)结晶器内铸坯表面温度变动剧烈，极易产生热应力而导致裂纹、凹陷等缺陷产生。在足辊到二冷上部约1 m多的距离内，也是铸坯表面温度变动比较剧烈的区域，如果不能均匀冷却，则会加重旧缺陷并形成新缺陷。

[参考文献]