方坯连铸结晶器铜管锥度对铸坯表面质量的影响

王龙

方坯连铸结晶器铜管锥度对铸坯表面质量的影响
　 摘要:本文结合唐钢生产的实际，分析了结晶器内坯壳自由收缩的特点，采用FORTRAN语言为编程工具，自行开发了使用有限单元法进行结晶器内铸坯温度场数值模拟的程序(TFEM)，并使用该程序对方坯结晶器内钢水凝固过程的温度场进行了有限单元模拟分析，研究了角部气隙对坯壳凝固传热的影响，同时计算了结晶内坯壳自由收缩的曲面，由此提出了结晶器铜管锥度优化的方向。
　 关键词:方坯结晶器锥度、铸坯表面质量缺陷、优化设计
1 前言
　 在方坯连铸中，铸坯角部裂纹(严重时导致漏钢)、脱方等是主要的几种表面质量缺陷。对其影响因素进行分析，对提高铸坯合格率及铸机作业率都有非常重要的意义。
　 我们在生产中发现，上述缺陷均是在结晶器一次冷却中产生。其机理一般认为是坯壳在结晶器内不均匀冷却所致。造成不均匀冷却的原因，一种观点认为是由于结晶器水缝不均，导致内部产生局部间歇沸腾所致，而结晶器锥度对冷却的影响却很少涉及。同时，对造成上述缺陷的应力状态没有很好的分析及解释。
　 本文从初生坯壳自由收缩的概念出发，分析了偏角区裂纹、凹陷产生的原因，并对结晶器锥度的合理设计提出了个人见解。
2 结晶器锥度在一次冷却中所起的作用分析
2.1 冷却条件
　 结晶器水缝4～6mm，水缝宽度波动<2mm，结晶器冷却水流速9～13m/s。
2.2 传热因素分析
　 影响结晶器传热的因素主要包括以下几项：
　 1)液相穴内固液界面的对流；
　 2)坯壳的热传导；
　 3)保护渣膜的热传导；
　 4)坯壳与结晶器壁间气隙的热传导和热辐射；
　 5)结晶器壁的热传导；
　 6)结晶器壁与冷却水界面的对流。
　 对特定钢种，特定结晶器而言，结晶器壁厚及钢种物性参数一定，所以可以认为其热阻为常数；对保护渣在初生坯壳与铜壁间的填充状态与导热系数，由于实验条件的限制，现在还无法做定量分析。对坯壳的热传导，由于其在总热阻中所占比重较小，在此不做详细讨论。下面重点分析一下结晶器水缝及铜管锥度对传热的影响。
　 一般认为，结晶器中的水流速>9m/s时，可基本消除水的间歇沸腾现象。现在国内方坯连铸机大都进行了高效化改造，结晶器水流速一般>10m/s。结晶器壁与冷却水界面的传热表达式为：
　 q=α(T铜-TW)
　 式中：q——铜壁与冷却水间的热流密度；
　 α——对流换热系数；
　 T铜——铜壁冷面温度；
　 Tw——冷却水温度。
　 从上式可以看出，对热流密度影响最大的为对流换热系数。若没有沸腾现象的存在，可以认为对流换热系数近似为常量，所以我们可以认为在结晶器水流速>9m/s时，水流速对换热系数的影响很小。水缝的波动影响的是结晶器内的水流速。当水流速在9～13m/s范围内时，可以忽略水缝宽度对传热的影响。
　 在上述工艺条件下，我们认为结晶器锥度是影响铸坯冷却的最主要因素。因为结晶器锥度直接影响坯壳与铜壁间气隙的大小，同时气隙在传热中为热阻最大的一项。所以，下面就结晶器锥度进行详细讨论。
3 结晶器锥度的作用
　 结晶器锥度的主要作用是改善结晶器的传热，提高结晶器出口处坯壳的厚度，以减少漏钢，提高拉速。
　 从提高铸坯质量的角度出发，合适的结晶器锥度可消除坯壳与铜管间的气隙，使铜管壁支撑坯壳，抵消大气压力与钢水静压力的作用，使结晶器内初生坯壳在与拉速方向垂直面所受的外力为零，避免产生内应力和形成铸坯缺陷。因此，理想的结晶器锥度应与初生坯壳的自由收缩(所受外力为零)曲线一致。
4 方坯结晶器内坯壳角部与面部自由收缩曲线差别
4.1 钢水凝固过程自由收缩规律
　 铸坯的体积收缩包括液态收缩△V液、凝固收缩△V凝和固态收缩△V固三部分(均用百分数表示)，总收缩△V总(％)即为：
　 △V总=△V液+△V凝+△V固
　 下面对铸坯体积收缩包括的液态收缩△V液、凝固收缩△V凝、和固态收缩△V固三部分进行分别叙述：
　 1)液态收缩
　 液态收缩是指从浇注温度冷却到凝固温度的液态降温收缩，其数值可表示为：
　 △V液=α液△t液
　 液态收缩系数α液为每降低l℃的体积收缩百分数，一般取1.6×10-2％/℃。浇注温度与凝固温度的差值△t液，一般为0-40℃左右，所以△V液为0-0.6％。
　 2)凝固收缩
　 凝固收缩是指从开始凝固到完全凝固的液固转变收缩，△V凝一般为4％。
　 3)固态收缩
　 固态收缩是指固态降温收缩，其数值可表示为：
　 △V固=α固△t固
　 固态收缩系数α固为固态钢每降低1℃的体积收缩百分数。从凝固温度到室温的△V固一般为4％。在结晶器内坯壳的温度在1100-1500℃范围内不均匀分布，△t固取平均值200℃，则结晶器内坯壳总的固态收缩约为：
　 4％×200/1500=0.53％
　 从上述分析可以看出，钢的凝固收缩在结晶器内的总收缩中起主要作用，约占80％。
　 为分析结晶器锥度，我们将体积收缩转化为线收缩，可表示为：
　  
　 转化后的参数见表1。
表1　 铸坯液态收缩、凝固收缩和固态收缩的线收缩系数
项目        线收缩系数
△λ液        0.11%
△λ凝        1.35%
△λ固        0.18%
　　　 注：以下为简便起见，将△λ记为λ。
4.2 结晶器内坯壳角部与面部坯壳收缩量的不同
　 从上面分析可以看出，结晶器内坯壳的收缩量主要取决于凝固收缩，以下分析忽略液态收缩与固态收缩的影响。而凝固收缩的大小与凝固坯壳的厚度成正比。
　 由钢水凝固的平方根定律：
　 δ=K
　 选择一个面建立坐标系，如图1。
　

图1 结晶结晶器中坐标系的建立
　
　 则δ=K=K
　 由此，推导出H=Wδ2
　 其中W——V/K2
　 式中V——拉速，const；
　 K——冷却系数
　 对角部初生坯壳，y方向收缩量
　 S角Y=λ•B/2
　 B——铸坯厚度
　 结晶器上口
　 面部坯壳在y方向收缩量：
　 S面y=λδ
　 由于B/2远大于δ，所以角部的收缩量为面部收缩量的几倍至几十倍，随δ的增大两者差距逐渐减小。
4.3 角部与面部收缩变化率的不同
　 角部收缩变化率可以用以下方程式表示：
　 dS角y=d(λ•B/2)=0
　 面部收缩变化率可以用以下方程式表示：
　 dS面y=d(λδ)= λdδ
　 由H=Wδ2，有dH=2Wdδ，
　 则dS面y=λdδ=λ/2W•dH=N•dH
　 N—λK2/2V
5 现行结晶器铜管锥度对铸坯偏角部缺陷的影响
5.1 现行结晶器铜管锥度对铸坯偏角部缺陷的影响
　 现行结晶器铜管由于忽略了角部与面部收缩的差异，导致偏角部锥度较小形成气隙，随坯壳厚度的增长，气隙向面部延伸。偏角部气隙的存在，使热流密度减小，坯壳较薄，该部位形成“热节区”，由于温度梯度的存在，导致两边形成拉应力，严重时便会产生裂纹(如图2所示)。
　

图2 偏角部缺陷产生示意图
　
　 由于角部收缩变化率较小，而实际生产中铜管锥度较大，所以造成角部磨损严重，如图3所示。
　

图3 铜管角部磨损示意图（阴影部分）
　
5.2 对铜管磨损的影响
6 方坯结晶器铜管锥度的优化设计
　 从以上对结晶器内坯壳收缩曲线的分析，铜管锥度的设计应充分考虑角部与面部的差异。
　 根据以上分析，角部的初始收缩应为λ•B/2，随坯壳厚度的增加，初始收缩点向面部移动。面部锥度在拉坯方向上呈抛物线分布。若考虑出结晶器坯壳的鼓肚变形，在面部设计为双抛物线锥度，如图4。
　

图4 方坯结晶器铜管锥度优化后的示意图
a-俯视图；b-侧视图
　
7 结语
　 a 结晶器强冷水速>9m/s的状态下，结晶器铜管锥度对结晶器内传热起主要作用。
　 b 结晶器锥度不合理是铸坯偏角部缺陷产生的根本原因。
　 c 对结晶器角部与面部锥度进行优化设计后可以提高铸坯质量及拉速。

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楼主，写的很好，似乎是学校里的，
但是又没有实际实践过呢？