錐度及高徑比對大型鋼錠質量的影響

趙亞楠 卜恒勇 郭建政 何 毅

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

錐度及高徑比對大型鋼錠質量的影響

趙亞楠 卜恒勇 郭建政 何 毅

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

通過ProCAST軟件系統模擬研究了96 t大型鋼錠錠身高徑比和錐度對鋼錠凝固過程及質量的影響。結果表明，隨著鋼錠高徑比的增大，一次縮孔位置明顯上移，軸向縮松明顯增多，鋼錠中下部的夾雜可上浮時間縮短；錐度對鋼錠質量的影響有限。

大型鋼錠；凝固過程；數值模擬

影響鋼錠鑄造質量的因素有很多，大致可分為兩個方面：一方面是工藝因素，包括澆注溫度[1]、澆注速度、澆注方式、保溫劑使用與否及使用量等；另一個方面為模具因素，主要包括底盤、側模和冒口的尺寸。目前我國使用的大型鋼錠模型多為幾十年前研究設計的，因此有必要對現有的鋼錠模尺寸進行研究優化。

A. Kermanpur、M. Heidarzadeh等人對小噸位的鋼錠開展了一系列的優化工作[2-3]。Jiaqi Wang等人主要對100 t鋼錠的冒口部分進行了模型優化[4]。本文以96 t鋼錠為研究對象，選擇5種不同的高徑比、錐度(見表1)，通過模擬計算，分析鋼錠的高徑比、錐度對鋼錠凝固過程的影響趨勢，提出96 t鋼錠模的優化思路。96 t鋼錠示意圖見圖1。

1 鋼錠模設計及前處理設置

1.1 鋼錠模尺寸

本文以96 t鋼錠為原型，通過保持鋼錠的冒口、錠身和水口的體積不變，根據設定的高徑比和錐度，計算得到錠身的上下直徑，建立相應的三維模型。

表1 96 t鋼錠主要優化參數

圖1 96 t鋼錠示意圖

選擇10個錐度、高徑比不同的鋼錠模型(見表2)，進行凝固模擬計算，研究分析鋼錠模的高徑比和錐度對鋼錠凝固過程的影響。

1.2 材料物性參數

材料物性參數主要包括鋼錠、鋼錠模、保溫磚的密度、熱導率、焓、液相線溫度和固相線溫度。對常用鋼種進行了物性參數的實測，實測結果與軟件計算得出的結果相差不大。因此，本鋼錠的物性參數直接根據鋼液的合金成分(見表3)計算得出。保溫磚的物性參數是通過實驗測量得出的。所有物性參數均為隨溫度變化的曲線，提高計算的可信度。

表2 10個鋼錠模型的錐度和高徑比

表3 70Cr3Mo鋼錠合金成分(質量分數，%)

為了節省計算時間，在計算過程中往往忽略鋼錠內部的流動。由于鋼錠凝固時間長，鋼液流動有利于熱量的散失，不考慮流動可能會造成計算誤差。經研究分析，增大鋼液液相線以上的導熱系數可以近似鋼液內部流動對傳熱的影響，既能保證計算精度，又能提高工作效率。

1.3 初始條件及邊界條件

對于大型鋼錠來說，鋼錠的充型時間和完全凝固時間相比要小得多，因此，鋼液的初始溫度可簡化為鋼液的澆注溫度，70Cr3Mo鋼錠的澆注溫度設為1550℃。其余模型的初始溫度均為20℃。

在大型鋼錠的模擬計算中，直接將鋼液頂部視為絕熱情況[2-6]。本計算并未直接在鋼錠頂部添加發熱劑，而是在鋼液的自由表面設置合理的熱流密度和換熱系數來取代發熱劑的作用。

鋼錠與金屬鋼錠模之間的界面換熱系數隨溫度變化，其他界面換熱系數均設為500 W/(m2·K)。

2 鋼錠模的高徑比對鋼錠凝固過程的影響

2.1 鋼錠模的高徑比對鋼錠凝固時間的影響

完全凝固時間隨著高徑比的增大逐漸減少，隨后又發生增長，見圖2。隨著高徑比的增大，側模的冷卻能力提高，冒口處的保溫效果亦逐漸增強。鋼錠的高徑比越大，錠身的表面積增大[2]，直徑減小，這些均有利于鋼錠的冷卻。但當高徑比繼續增大時，冒口直徑變小、高度增高，導致保溫磚的保溫作用更明顯，高徑比增大過程中，由“冒口上方的冷卻占主導地位”向“保溫磚的保溫作用占主導地位”轉變，使冒口處鋼液的凝固速度變慢，所以凝固時間會重新增長。

圖2 鋼錠完全凝固時間分布圖

圖3 鋼錠高徑比對鋼錠錠身上部完全凝固時間的影響

隨著高徑比的增大，側模的冷卻能力提高，冒口處的保溫效果亦逐漸增強，因此，鋼錠最后凝固部位由錠身向冒口方向移動。不考慮冒口部分，就錠身來看，凝固時間隨高徑比的增大而減少，見圖3。這是因為高徑比增大，側模的表面積增大，冷卻能力提高，錠身的凝固速度加快。

在鋼錠凝固的不同時刻，量取鋼錠中部凝固的坯殼厚度，由于5個鋼錠的直徑均有較大差異，但徑向凝固速度可以用鋼錠凝固的坯殼厚度與鋼錠半徑之比來表示[2]。鋼錠高徑比對鋼錠徑向凝固速率的影響見圖4。由圖4可知，鋼錠高度中部的徑向凝固速度隨高徑比的增大而增大[2]，

圖4 鋼錠高徑比對鋼錠徑向凝固速率的影響

因此，提高高徑比不利于降低鋼錠中心軸向生成孔隙的概率[3]。在凝固前期，鋼液與側模的溫度差使鋼液迅速凝固，隨后凝固速度趨于穩定。凝固后期，大部分鋼液均已達到固相線溫度，致使凝固速度重新加快。

夾雜可上浮時間與鋼錠的高徑比之間沒有規律，見圖5。case5的夾雜上浮時間最長，為2.4 h；case25夾雜可上浮時間最短，為1.7 h；可上浮時間的變化幅度最大約為42 min。對于鋼錠中下部(指鋼錠高度的0.65以下)的夾雜，隨著鋼錠高徑比的增大，夾雜的可上浮時間減小。鋼錠中上部的夾雜可上浮時間與高徑比之間的關系不規律，鋼錠錠身頂端夾雜最小上浮時間為100 min，最大為138 min，相差38 min(見圖6)；鋼錠高徑比越小，越有利于夾雜的上浮。

圖5 夾雜可上浮時間分布圖

圖6 高徑比對鋼錠頂部夾雜上浮時間的影響

2.2 鋼錠模的高徑比對鋼錠縮孔縮松和夾雜物 上浮距離的影響

隨著鋼錠高徑比的增大，二次縮孔的位置明顯上移，形狀由細長變為近球形；軸向縮松下移，形狀變長，見圖7。造成這一現象的主要原因是，高徑比增大，側模的冷卻能力增強，使最后凝固部位上移，二次縮孔上移；同時，側模冷卻能力增強，有利于樹枝晶的形成，枝晶交疊橋接，使鋼液補縮困難，更易產生軸向縮松。

假設鋼錠內部夾雜物為球體，并且其在上浮過程中不發生反應、聚集、吸附等物理現象[7]，鋼錠模高徑比對夾雜上浮距離的影響如圖8所示。由圖8可見，高徑比增大不利于夾雜物的上浮。

3 鋼錠模的錐度對鋼錠凝固過程的影響

3.1 鋼錠模的錐度對鋼錠凝固時間的影響

鋼錠的完全凝固時間(見圖9)和夾雜可上浮時間(見10)受鋼錠錐度(高徑比為0.8)的影響不大，最大相差36 min，占2.5%。

夾雜可上浮時間最大相差約24 min，這是由于5個鋼錠的側模表面積、高度區別不大造成的。錐度對鋼錠底部夾雜的可上浮時間影響不大，從中上部開始出現明顯的區別。

3.2 鋼錠模的錐度對鋼錠縮孔縮松、夾雜可上浮距離的影響

隨著錐度的增大，二次縮孔的位置下移，見圖11。由于鋼錠高徑比小，直徑較大，鋼錠的側模冷卻能力低于底模的冷卻能力，致使二次縮孔出現在錠身部位。

假設鋼錠內部夾雜物為球體，并且其在上浮過程中不發生反應、聚集、吸附等物理現象[7]，鋼錠錐度和夾雜物直徑對夾雜上浮距離的影響如圖12所示。鋼錠模的高徑比為0.8時，錐度對不同尺寸的夾雜上浮距離影響均不大，隨著夾雜粒徑的增大，夾雜可上浮區域增大。

圖7 鋼錠的二次縮孔和軸向縮松的分布情況

圖8 高徑比對夾雜上浮距離的影響

圖9 鋼錠完全凝固時間分布圖

圖10 夾雜可上浮時間分布圖

圖11 鋼錠的二次縮孔和疏松的分布情況

4 鋼錠的評價方法

4.1 鋼錠的評價量化公式

為了更清晰直觀的表現鋼錠模質量與鋼錠模高徑比、錐度的關系，把二次縮孔、軸向縮松、夾雜上浮距離作為評價鋼錠優劣的三大標準，將鋼錠質量量化為I值，并建立評價標準量化公式如下：

I=aH1/H+bH2/H+cdRf/R+ceHf/H

式中，a、b、c、d、e為加權系數；H為錠身高度；R為錠身中部鋼錠的半徑；H1為二次縮孔與錠身頂端的距離(二次縮孔在帽口內取負值，在錠身內取正值)；H2為縮松高度；Rf為鋼錠中心部位夾雜不可完全上浮區域的徑向距離；Hf為底部夾雜的上浮距離。

圖12 鋼錠錐度和夾雜物直徑對夾雜上浮距離的影響

圖13 評價標準量化公式中參數量示意圖

由評價公式可以明確，I值越小，獲得的鋼錠質量越好，鋼錠模的高徑比、錐度越優。評價標準量化公式中參數量示意圖如圖13所示。

4.2 回歸分析

按照評價標準量化公式，對25個鋼錠進行尺寸測量，并根據三大因素對鋼錠質量的重要程度，確定加權系數a、b、c、d、e分別為0.7、0.15、0.15、0.9、0.1，并計算出I值。

經過回歸分析，相關系數為98.6%，校正測定系數為84.5%，說明鋼錠質量與鋼錠模的高徑比、錐度有較強的相關性，從方差分析表可見，p值=0.000<0.0005，所以回歸方程效果良好。獲得的回歸方程如下：

I=-3.835-0.42A+0.23B+1.6907AB+0.3528A2+0.00952B2-0.01269AB2-0.01269A2B+4.582A1/2+1.91B1/2-1.6572A1/2B-2.417AB1/2

式中，A為鋼錠的錐度；B為鋼錠的高徑比。

代入A、B的值，得到曲線圖，見圖14。

相同的錐度下，I值隨著高徑比的增大，呈現先減小后增大隨后又減小的趨勢。且錐度大的變化幅度要比錐度小的變化幅度大。高徑比小于0.9時，隨著錐度的增大，I值增大，鋼錠質量變差；當高徑比大于0.9時，鋼錠質量與錐度之間的關系不規律。

圖14 I值與鋼錠模錐度和高徑比之間的關系

造成這一現象的原因可能是，高徑比較小時，盡管沒有軸向縮松，但二次縮孔位于錠身內部，導致I值較大；隨著高徑比的增大，二次縮孔逐漸向帽口內移動，使I值減??；繼續增大高徑比，夾雜上浮情況變差，致使I值升高；當高徑比繼續增大時，二次縮孔距離錠身頂端的距離增大，且二次縮孔所占權重較大，足以彌補夾雜上浮項的增大，促使I值減小。

5 結論

系統研究了鋼錠錐度和高徑比對鋼錠凝固及縮孔縮松的影響，得出以下結論：

(1)對于模鑄大型鋼錠來說，隨著高徑比的增大，二次縮孔的位置明顯上移，形狀由細長變為近球形；縮松的位置明顯下移，形狀更細長；夾雜可完全上浮的區域上移，不利于夾雜的上浮。

(2)隨著錐度的增大，二次縮孔的位置有下移的趨勢，但影響不大?？s松變短變細。但是對夾雜上浮影響不大。

(3)考慮縮孔縮松、高徑比不宜過小，但考慮到夾雜可上浮，高徑比不宜過大。當鋼錠的高徑比為1.2，錐度為11.5時，鋼錠的質量最優。

[1] 趙亞楠，卜恒勇，郭建政. 澆注溫度對大型鋼錠凝固過程的影響[J]. 鑄造技術，2014，35(10)：2360-2363.

[2] A.Kermanpur, M.Eskandari, et al. Influence of mould design on the solidification of heavy forging ingots of low alloy steels by numerical simulation [J]. Materials and Design, 2010, 31: 1096-1104.

[3] M. Heidarzadeh, H. Keshmiri. Influence of Mould and Insulation Design on Soundness of Tool Steel Ingot by Numerical Simulation [J]. Journal of Iron and Steel Research, 2013, 20(7): 78-83.

[4] Jiaqi Wang, Paixian Fu, Hongwei, Dianzhong Li, Yiyi Li. Shrinkage porosity criteria and optimized design of a 100-ton 30Cr2Ni4MoV forging ingot [J]. Materials and Design, 2012, 35: 446-456.

[5] 魏鑫燕，朱榮，林騰昌. 大鋼錠凝固過程的數值模擬研究[J]. 鑄造技術，2011，32(11)：1576-1579.

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[7] 李萬明，郭建政，趙亞楠，等. 鋼液中非金屬夾雜物極限上浮速度的計算[J]. 一重技術，2013(6)：31-34.

編輯 杜青泉

Effect of Taper and Slenderness Ratio on Heavy Ingot Quality

Zhao Yanan，Bu Hengyong，Guo Jianzheng，He Yi

The effect of slenderness ratio and taper on quality and solidification process of 96t ingot moulds have been simulated studied by using the software package ProCAST. The results show that with the increment of slenderness ratio of ingot, the position of shrinkage porosity moves up and the macroporosity in longitudinal direction increases. Meanwhile, the inclusion floating time from the middle and bottom part of ingot decreases. The taper has almost little effect on the quality of ingot.

heavy ingot, solidification process, numerical simulation

2017—03—23

趙亞楠(1986—)，女，工程師，主要從事鑄造CAE方面的研究工作。

TG244

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