帽口保溫磚結(jié)構(gòu)對大型鋼錠凝固過程的影響分析

宮惠爽

(丹佛斯(天津)有限公司，天津301700)

鋼錠在凝固過程中，會發(fā)生收縮，產(chǎn)生縮孔縮松，為了提高鋼錠的質(zhì)量，保證鋼錠重量，需要設(shè)置冒口，用以補(bǔ)充因鋼錠收縮而損失的鋼液，因此，冒口處的鋼液必須要最后凝固，才能對鋼錠錠身的縮孔縮松進(jìn)行補(bǔ)充，減輕錠身的縮孔縮松缺陷，提高鋼錠的致密度。

要保證冒口處的鋼液最后凝固，需要在冒口部位使用保溫磚以延長鋼液的凝固時間。對某公司使用的保溫磚進(jìn)行了調(diào)研，保溫磚共有三層，由靠近鋼錠側(cè)向外依次為粘土磚、輕質(zhì)磚和WDS(納米微孔隔熱板)，其中，WDS材料厚度僅為5 mm，但價(jià)格昂貴，無形中增加了鋼錠的生產(chǎn)成本。針對這一問題，本文以大型鋼錠為研究對象，分析粘土磚、輕質(zhì)磚、WDS對鋼錠凝固過程的影響，進(jìn)一步明確帽口保溫磚結(jié)構(gòu)對改善鋼錠質(zhì)量的作用。

1 前處理設(shè)置

1.1 鋼錠模型

以某公司所使用的大型鋼錠為研究對象，建立幾何模型并劃分網(wǎng)格(見圖1)。其中，保溫磚部分的總體厚度約為200 mm，分為三種不同的保溫磚結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析(見表1)。

圖1 大型鋼錠模型Figure 1 Large steel ingot model

表1 保溫磚的三種結(jié)構(gòu)模型Table 1 Three structural models of insulation brick

1.2 初始條件

大型鋼錠在溫度場模擬過程中的計(jì)算時間較長，如果考慮鋼液的流動，計(jì)算成本大大增加，因此，為了提高計(jì)算效率，部分科研人員在鋼錠的溫度場模擬中忽略鋼液的流動[1]，本文不計(jì)算鋼液的流動，但在模擬計(jì)算軟件中，人為地增大鋼液的導(dǎo)熱系數(shù)[2]，代替鋼液的流動作用，增大散熱能力，提高計(jì)算的可信度。

圖2 鋼錠在凝固過程中同一時刻的溫度分布云圖Figure 2 Nephogram of temperature distribution of ingots at the same time during solidification

表2 保溫磚密度表Table 2 Densities of insulation brick

圖3 鋼錠的完全凝固時間云圖Figure 3 Nephogram of complete solidification timeof steel ingot

鋼液的初始溫度為鋼液的澆注溫度，在實(shí)際生產(chǎn)中，會對鋼錠模及保溫磚進(jìn)行預(yù)熱，因此鋼錠模及保溫磚的初始溫度設(shè)為200℃。

1.3 邊界條件

在大型鋼錠的模擬計(jì)算中，文獻(xiàn)[1,3-4]中直接將鋼液頂部視為絕熱情況，本文使用模擬計(jì)算軟件，在鋼錠頂部添加了相應(yīng)的熱流密度和換熱系數(shù)[5]，用于輸入熱量，起到實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)熱劑的作用，提高計(jì)算的可信度。

鋼錠與金屬鋼錠模之間的界面換熱系數(shù)對鋼錠錠身凝固過程的影響很大，因此必須設(shè)置為隨溫度變化[6]的參數(shù)，其它界面換熱系數(shù)對鋼錠的凝固過程影響有限，因此均設(shè)為常量。

1.4 材料物性參數(shù)

鋼錠模型主要包括鋼錠、鋼錠模、粘土磚、輕質(zhì)磚和WDS板，模擬計(jì)算中的材料物性參數(shù)包括上述附具的密度、熱導(dǎo)率、焓、液、固相線溫度。其中，鋼錠材料的物性參數(shù)是通過模擬計(jì)算軟件的材料庫計(jì)算得出的；粘土磚、輕質(zhì)磚和WDS板的物性參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。

2 討論與結(jié)果

2.1 保溫磚結(jié)構(gòu)對鋼錠凝固過程的影響

保溫磚的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要對冒口處的鋼液凝固順序產(chǎn)生一定的影響，但差別并不大，對錠身的凝固順序幾乎沒有影響。就保溫效果來說，模型一最好，模型二次之，模型三最差(見圖2)，在最后一張溫度分布圖中表現(xiàn)明顯，模型一帽口中心的高溫區(qū)域大于模型二和模型三。這與三層保溫磚的熱性能有關(guān)，粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)最大，輕質(zhì)磚次之，WDS導(dǎo)熱系數(shù)最小，由此可見，三層保溫磚的保溫效果略微好些。這在鋼錠的完全凝固時間上也有所體現(xiàn)(見圖3)，全部為粘土磚材料的鋼錠完全凝固時間最短，為21.4 h，使用輕質(zhì)磚和WDS的鋼錠完全凝固時間最長，為22.3 h，相差0.9 h，占總凝固時間的4.9%。最外層的保溫磚由輕質(zhì)磚(模型二)換為WDS板(模型一)，鋼錠的完全凝固時間延長了0.6 h，說明WDS板的加入能夠提高鋼錠冒口區(qū)的保溫效果。

輕質(zhì)磚和WDS的加入，使得二次縮孔的位置上移(見圖4)，有利于獲得質(zhì)量較好的鋼錠。

2.2 保溫磚結(jié)構(gòu)對鋼錠及保溫磚溫度分布的影響

鋼錠的凝固前期溫度升高是冒口上方的發(fā)熱劑發(fā)熱造成的，鋼錠中部較邊緣部位的溫升幅度大(見圖5a)。從曲線圖可以看出，保溫磚結(jié)構(gòu)對鋼錠凝固前期的溫度分布幾乎沒有差別，隨著時間的變化，溫度分布開始出現(xiàn)差異，保溫效果排序：模型一(三層保溫磚)>模型二(兩層保溫磚)>模型三(一層保溫磚)。

圖4 鋼錠的二次縮孔的分布情況Figure 4 Distribution of secondary shrinkage holesin ingots

圖5 不同保溫磚結(jié)構(gòu)下的不同部位溫度分布曲線圖Figure 5 Temperature distribution curves of different partsunder different insulation brick structures

在粘土磚區(qū)域由里向外選取三個節(jié)點(diǎn)(圖5b)，查看溫度隨時間的變化，各個點(diǎn)的溫度依次為：模型一(三層保溫磚)>模型二(兩層保溫磚)>模型三(一層保溫磚)，這是因?yàn)槿龑颖卮u中的輕質(zhì)磚及WDS的整體保溫效果要好些。從溫度梯度上看，模型三(一層保溫磚)>模型二(兩層保溫磚)>模型一(三層保溫磚)，這主要是因?yàn)檎惩链u后面的材質(zhì)(輕質(zhì)磚和WDS)熱導(dǎo)率變小阻礙了熱量的傳遞，使溫度梯度減小。

在輕質(zhì)磚區(qū)域由里向外選取三個節(jié)點(diǎn)(圖5c)，需要注意的是，模型三(一層保溫磚)的保溫磚均為粘土磚，其它兩個模型在此處為輕質(zhì)磚。由溫度曲線圖可以看出，模型三(一層保溫磚)的溫度普遍低于其它兩個模型，因?yàn)檎惩链u的熱導(dǎo)率大于輕質(zhì)磚和WDS，熱量傳遞較快，致使溫度偏低，且溫度梯度較小。WDS的熱導(dǎo)率最小，熱量不易散失，使得模型一(三層保溫磚)的溫度均偏高，且溫度梯度較小。

因WDS厚度小，鋼錠尺寸大，為方便模擬計(jì)算，WDS板創(chuàng)建了兩層網(wǎng)格，因此，在WDS區(qū)域由里向外選取兩個節(jié)點(diǎn)(圖5d)，需要明確的是，模型一(三層保溫磚)對應(yīng)的該部分為WDS，而模型二(兩層保溫磚)、模型三(一層保溫磚)分別對應(yīng)的是輕質(zhì)磚和粘土磚。從保溫磚的溫度分布來看，WDS的保溫效果遠(yuǎn)高于輕質(zhì)磚和粘土磚，兩側(cè)的溫度梯度最大，高達(dá)400℃，而模型三(一層保溫磚)的溫度梯度幾乎為0。

綜上所述，輕質(zhì)磚、WDS的設(shè)置對鋼錠凝固后期和保溫磚溫度分布有一定的影響。

3 結(jié)語

加入輕質(zhì)磚和WDS后，冒口部位的保溫效果要優(yōu)于只用粘土磚，使二次縮孔產(chǎn)生的位置微上移。這可能是由于粘土磚的厚度為160 mm，厚度較大，導(dǎo)致輕質(zhì)磚和WDS的保溫作用沒有充分發(fā)揮出來，保溫作用并不明顯，尤其是WDS板，距離鋼錠最遠(yuǎn)，其保溫效果有限。建議減薄粘土磚厚度，以充分發(fā)揮輕質(zhì)磚和WDS的保溫作用。