異形坯連鑄結(jié)晶器錐度的優(yōu)化設(shè)計

黃明

（安徽省地礦局322 地質(zhì)隊，安徽 馬鞍山243000）

1 結(jié)晶器的錐度設(shè)計方法

結(jié)晶器內(nèi)部的坯殼逐漸形成并呈現(xiàn)越來越厚的趨勢，則坯殼斷面就會逐漸收縮。對結(jié)晶器的傳熱情況進行改善，需要設(shè)計向下的結(jié)晶器錐度。若是結(jié)晶器錐度過大，將會導(dǎo)致結(jié)晶器擠壓坯殼，從而使得角部發(fā)生凹陷。同時結(jié)晶器和坯殼之間會發(fā)生更劇烈的摩擦，使得結(jié)晶器出現(xiàn)嚴重的磨損。氣隙現(xiàn)象的發(fā)生，會形成角部熱點，從而導(dǎo)致坯殼變薄甚至開裂。結(jié)晶器的錐度減小，會加大氣隙現(xiàn)象，從而減小熱流，致使坯殼出現(xiàn)質(zhì)量問題。單一錐度結(jié)晶器容易受到不均勻氣隙厚度和不規(guī)則氣隙形狀的影響，導(dǎo)致其在連鑄過程中發(fā)生不良質(zhì)量問題。

在進行結(jié)晶器錐度的設(shè)計時，結(jié)晶器的倒錐度需要維持鑄坯在冷卻收縮后與結(jié)晶器內(nèi)表面的接觸。倒錐度（Tap）通常以結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸（單位長度）變化率表示：

式中，Tap為結(jié)晶器倒錐度，%·m-1；S上為結(jié)晶器上邊長，mm；S下為結(jié)晶器下邊長，mm；L為結(jié)晶器的長度[1]。

2 建立結(jié)晶器熱力耦合模型

2.1 結(jié)晶器內(nèi)鑄坯熱力耦合模型

2.1.1 模型假設(shè)

根據(jù)異形坯橫斷面截面圖，可以對其模型做出如下假設(shè)：首先，拉坯方向的傳熱速率較小，可以將其選擇性忽略，以簡化計算流程；其次，可以將鑄坯橫斷面變形問題假設(shè)為平面應(yīng)變，以更好地理解；再次，由于結(jié)晶器振動會影響鑄坯的傳熱情況，而通過假設(shè)可以將其忽略；最后，在高溫條件下，鋼容易發(fā)生塑變，所以能夠以彈塑性模型計算。除此之外，模型假設(shè)能夠?qū)⑦@些問題簡化為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，能夠更加容易地使用網(wǎng)格形式來進行溫度場分析以及變形情況分析。

2.1.2 邊界條件

由于連鑄機的類型、澆筑溫度、銅板鍍層厚度以及拉速等因素都會對結(jié)晶器和銅板間的熱流密度（qi）產(chǎn)生影響。熱流密度的計算公式如式（2）：

式中，A、B均為常數(shù)；t為鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的停留時間。

學(xué)者根據(jù)相關(guān)測量和研究，得知常數(shù)A、B的數(shù)值，得到式（3）：

又根據(jù)相關(guān)實踐研究，對式（3）進行了修正，得到式（4）：

模型對稱面可以應(yīng)用絕熱邊界條件。由于角部的氣隙作用會影響傳熱，因此，可以假設(shè)角部熱流為中心部分的0.6～0.8 倍。

2.2 建立結(jié)晶器銅板熱力耦合模型

2.2.1 基本假設(shè)

在建立結(jié)晶器銅板熱力耦合模型時，需將結(jié)晶器的1/4 作為研究對象。首先，假設(shè)結(jié)晶器傳熱情況趨于穩(wěn)定；其次，假設(shè)結(jié)晶器不受振動的影響；在此，假設(shè)結(jié)晶器銅板不受到其他變形情況的影響，僅發(fā)生彈性變形；最后，假設(shè)結(jié)晶器銅板傳熱不影響銅板鍍層。

2.2.2 邊界條件

結(jié)晶器銅板的熱邊界條件為：

式中，λ 為銅板導(dǎo)熱系數(shù)；h為對流傳熱系數(shù)；Ta為水溫或者室溫；Tb為結(jié)晶器銅板表面溫度。

結(jié)晶器對稱面采用絕熱邊界條件：

關(guān)于力學(xué)邊界條件，需要將結(jié)晶器的對稱面設(shè)置成對稱位移邊界條件；同時，結(jié)晶器冷面與背板剛性接觸，其位移為0；結(jié)晶器銅板自由液面的上半部分，可以將其力學(xué)邊界條件設(shè)為自由表面；將結(jié)晶器銅板的上表面和下底面設(shè)定為自由表面的邊界條件[2]。

3 選擇材料的物性參數(shù)

3.1 鑄坯材料參數(shù)

本次選擇了Q235 的鋼種來模擬澆筑，同時根據(jù)相應(yīng)公式測得該鋼種固、液相線溫度分別為1454℃和1510℃。其本構(gòu)模型選用線性強化塑性模型。屈服應(yīng)力和硬化模量隨溫度變化的情況如表1 所示。

表1 鑄坯的屈服應(yīng)力和硬化模量隨溫度變化情況

3.2 銅板材料參數(shù)

本文研究的異形坯結(jié)晶器銅板材料選取了銅-鉻-鋯-鋁合金，以滿足結(jié)晶器銅板對于強度、硬度和腐蝕程度的要求。

4 分析結(jié)果

根據(jù)鑄坯以0.6m/min 拉速出結(jié)晶器下口時凝固收縮后的鑄坯變形云圖可知，收縮變形主要發(fā)生在翼板外側(cè)面，窄邊中心的收縮變形量最大，而其他部位，如翼板內(nèi)側(cè)、翼梢等處位移幾乎為0。因此，在進行異形坯結(jié)晶器錐度設(shè)計時，可以忽略翼梢、翼板內(nèi)側(cè)等位置的錐度，加大對窄面、翼梢和腹板的錐度研究和分析。在不同的拉速條件下，鑄坯的各個部位的變化情況各不相同，并且各自有一定的規(guī)律。比如，隨著拉速的增加，鑄坯結(jié)晶器內(nèi)收縮量逐漸減小。

分析銅板的熱變形結(jié)果可知，不同拉速彎月面上部的曲線基本一致，在此之后一直到出結(jié)晶器口這一段則會發(fā)生明顯的變化。根據(jù)結(jié)晶器的設(shè)計原則，應(yīng)當(dāng)保持結(jié)晶器的倒錐度與鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固收縮曲線大致相等，因此，需要將結(jié)晶器分為3 錐度，以減小氣隙對傳熱造成的影響。

從結(jié)果可以看出，異形坯結(jié)晶器窄面、翼梢、腹板的錐度呈現(xiàn)由上到下越來越小的趨勢，充分體現(xiàn)了下小上大的特征。同時，拉速逐漸增加，其錐度逐漸呈現(xiàn)下降的情況。

5 錐度設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，結(jié)合模擬結(jié)果設(shè)計的3 錐度異形坯結(jié)晶器的錐度如表2 所示。

表2 3 錐度結(jié)晶器的錐度

可以看出，基于模擬結(jié)果設(shè)計的單錐度異型坯結(jié)晶器的錐度基本符合相關(guān)設(shè)計要求。

6 結(jié)語

綜上所述，異形坯與其他鑄坯的主要設(shè)計區(qū)別在于翼板內(nèi)側(cè)、翼梢等處的收縮位移幾乎為0，因此，在設(shè)計結(jié)晶器錐度時，可以將其設(shè)置為0。鑄坯的收縮變形的主要位置為翼板外側(cè)面，窄邊中心的收縮變形量最大。根據(jù)本文對于鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯變形、結(jié)晶器銅板熱變形以及拉速對結(jié)晶器錐度的影響情況的分析，得出了相應(yīng)的設(shè)計結(jié)果和方案。