新型结晶器基本参数研究及其内钢液行为仿真

周　超　任素波　张兴中　刘晶晶　白明华

1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛，0660042.河北农业大学，秦皇岛，066003

新型结晶器基本参数研究及其内钢液行为仿真

周超1,2任素波1张兴中1刘晶晶1白明华1

1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，秦皇岛，0660042.河北农业大学，秦皇岛，066003

摘要：为降低立式连铸机的高度，减小设备尺寸,依据经验公式计算特大方坯连铸机拉坯速度及液相穴深度。根据计算结果及可行性分析，认为拉坯速度为0.2 m/min较为适合。基于结晶器传热学理论分析，提出了一种新型结晶器，即回字形结晶器。模拟分析了在结晶器内部设置内冷却器及偏转水口的作用，分析结果表明回字形结晶器可以提高传热效率，减少中心偏析，形成水平旋流以利于均匀钢水成分及坯壳生长，降低钢水冲击深度，达到电磁搅拌的冶金效果。经计算证明，采用回字形结晶器可以降低铸坯液相穴深度，从而降低铸机基础建设费用。

关键词：特大方坯连铸；结晶器；内冷却器；液相穴计算

0引言

铸坯成形过程(即铸坯换热过程)中，外部冷却条件的复杂性及坯壳自身热物性的非线性，使得铸坯换热过程十分复杂。铸坯冷却条件不合理，就会出现鼓肚变形甚至造成漏钢等事故。冷却条件直观表现于铸坯温度场分布，因此温度场研究对于防止事故发生及二冷区配水都极为重要[1]。结晶器是连铸机的“心脏”，其流场温度场对铸坯质量有重要影响。

采用大方坯生产的轧制重轨、硬线盘条、无缝钢管、大中型H型钢、棒材、锻材等产品，虽然质量较好，但是随着现代工业的发展，普通尺寸规格的特殊钢材难以满足市场的一些特殊需要，如在桥梁、隧道建造行业，亟需一些大断面尺寸的钢材来满足其基础建设的需要。特大方坯不但可以用于轧制生产普通规格的特殊钢材，而且还能满足桥梁、隧道建造行业的需求，此外还可用来生产更大规格的高质量锻材、齿轮钢、轴承钢。

目前，对于特大方坯研究较少，依据其主要特点，笔者提出了一种新型结晶器——回字形结晶器，分析了回字形结晶器的结构特点，计算了其基本参数(包含拉坯速度和液相穴深度)。

1特大方坯拉坯速度和液相穴深度计算

1.1特大方坯拉坯速度的确定

由经验公式法，根据铸坯断面确定拉坯速度[2]：

(1)

式中，K1为断面形状系数，m2/min; l为铸坯断面周长，m; F为铸坯断面面积，m2。

将表1数据代入式(1)计算拉坯速度为0.314～0.428 m/min，以其作为实际生产的拉坯速度进行液相穴深度计算。

表1　铸坯断面形状系数的经验值

1.2液相穴深度的基本理论

液相穴深度L是指铸坯从结晶器液面开始到铸坯中心液相凝固终点的长度，对立式连铸机来说，它直接影响铸机的总长度和高度。

由铸坯全部凝固时间τ与铸坯边长D的关系得

(2)

L=vcτ

(3)

联立式(2)、式(3)两式，可得

(4)

式中，K2为综合凝固系数，mm/min0.5。

铸坯的综合凝固系数受到铸坯冷却强度的影响，一般情况下其取值范围为24～30 mm/min0.5，代入液相穴深度计算公式式(4)，可求得液相穴深度为 42.7～91 m。

由于700 mm×700 mm特大方坯采用立式连铸机进行生产，若采用由经验公式计算所得的值进行实际生产应用，则液相穴长度太长，在实际生产中几乎不能实现，因此，本文将700 mm×700 mm特大方坯的拉坯速度暂取为0.2 m/min，代入式(4)，计算得连铸机的液相穴深度为27.2～42.5 m。与以经验公式计算而得到的液相穴深度相比，其液相穴深度明显降低，从而使得连铸机高度明显降低。但是，即使铸坯液相穴深度为27.2 m，此时铸机高度依旧较高，其基础建设费用依然高昂。若要进一步降低铸机高度，则需要进一步研究铸坯的凝固传热，如：提高结晶器的传热效率来提高铸坯的凝固系数。

2结晶器传热分析

结晶器传热示意图见图1。结晶器中的传热过程主要包括：钢液的对流传热、凝固壳的传导传热、渣膜的导热、气隙的辐射和对流换热、铜板的导热及冷却水与铜板的对流换热等[3]。其传热热阻主要由结晶器与保护膜间的接触热阻、气隙的导热热阻、渣膜的导热热阻和铸坯与保护渣间的接触热阻等几部分组成。研究表明，结晶器传热的热阻主要来自于气隙热阻，其值约占总热阻的71%～90%[4]。那么如何减小钢水在结晶器内因为凝固收缩而产生的气隙，提高结晶器的传热效率，成为结晶器研究的一项关键技术。

图1　结晶器传热示意图

已有的结晶器技术成果包括：德马克公司抛物线锥度结晶器[5]、康卡斯特公司CCT结晶器[6]、达涅利公司DANAM结晶器[7]、奥钢联公司DIAMOND结晶器[8]、连续锥度曲线结晶器[9]，以上几种结晶器，其设计理念基本都是基于减少或消除气隙，而将结晶器铜板设计成具有一定的倒锥度，连续锥度或高次曲面的形式，通过这种方式来补偿钢水在结晶器内凝固收缩所产生的气隙，使铸坯与结晶器壁间的气隙最小来提高结晶器的传热效率。

3新型结晶器

1.浸入式偏转水口　2.内冷却器壁　3.结晶器壁图2　回字形结晶器简图

气隙一般稳定均匀分布于结晶器的中下部。假如在结晶器上部内置一个冷却器，可以降低或避免因气隙而形成的热阻，从而提高结晶器传热效率。为提高传热效率，笔者根据大方坯连铸生产的特点，基于结晶器的传热学分析，针对700 mm×700 mm特大方坯提出一种新型结晶器——回字形结晶器，即在700 mm×700 mm特大方坯结晶器内部设置一个方形内冷却器，内冷却器的截面尺寸为：230 mm×230 mm，高200 mm; 并且布置偏转水口。其结构简图见图2。

3.1新型结晶器结构理论分析

在相同的冷却条件下，在结晶器内部放置内冷却器可以提高结晶器的传热效率，提高连铸坯的凝固速度，进而提高拉坯速度。在拉坯速度不变的情况下，坯壳厚度的增加可以降低拉漏率。并且在结晶器内部布置有一定偏转角度的水口，可以在结晶器内部形成水平旋流，降低钢水的冲击深度，起到电磁制动的作用，并有利于夹杂物、气泡的上浮，改善铸坯质量。

由连铸结晶理论中的“落雨理论”可知，内冷却器周围凝固的固相在后续浇注钢水的强烈冲刷下，其表面重熔且随浇注钢水进入结晶器，此结晶核心同浇注的液态金属同成分、同结构，而喂铁丝、加铁砂方式会带进新的氧化物，相比之下，此结晶核心是更理想的外来结晶核心。当液态金属温度小于或等于动力学过冷度(一般为0.1 ℃)时，就可以开始凝固，故内冷结晶器有利于铸坯中心等轴晶率的提高，细化中心组织[10]。

3.2液相穴深度计算

沿结晶器高度方向热流密度q的计算公式如下[11]：

(5)

其中，系数B与结晶器的冷却条件有关，经计算得B=0.11，t为铸坯在结晶器停留时间,s。运用计算所得平均热流密度值，结合FLUENT软件仿真可得，出结晶器时铸坯坯壳厚度为62mm，由凝固定律公式，可反推凝固系数公式如下：

(6)

式中，δ为凝固坯壳厚度，mm。

将数据代入式(6)计算得K2=32mm/min0.5;由液相穴深度计算公式式(4)，代入数据计算得L=23.9 m。

由以上计算可知700 mm×700 mm特大方坯采用回字形结晶器进行浇注时，其液相穴深度明显小于用经验公式求得的液相穴深度值，从而降低了特大方坯连铸机的高度。

3.3模型建立

根据假设条件与边界条件建立的数学模型如图3所示。控制方程采用k-ε湍流模型[12]。回字形结晶器有效长度为750 mm，为得到充分发展的流场，将模型取为1500 mm，浸入式水口的直径为67 mm，浸入深度为180 mm。由建立的数学模型可知，结晶器水口处的结构较为复杂，并且在实际钢水的流动情况下，水口处的流场也较其他处复杂。因此，在水口处进行分块处理，用TGRID进行网格划分，并进行网格细化。其他部分用六面体网格进行划分，网格单元总数为398 231个，节点数为373 296个。材料的物性参数如表1所示。

图3　数学模型及网格划分

浇注温度(K)1808液相线温度(K)1795固相线温度(K)1740比热容(J/(kg·K))680热导率(W/(m·K))28.8密度(kg/m3)7600黏度(kg/(m·s))0.0062连铸坯断面(mm×mm)700×700水口直径(mm)67拉坯速度(m/min)0.2

4模拟结果分析

4.1结晶器内流场分析

在惯性流的作用下，钢水的流动速度逐渐增大，其在水口出口处的速度达到最大; 在结晶器壁的影响下形成了大量的漩涡，大的涡流将能量传递下去，小的涡流则将消耗钢水内能，降低钢水的过热度。图4a、图4b分别为无内冷却器结晶器和回字形结晶器内钢液流线图。由图4a可以看出，钢液从结晶器水口流出后，一股流体向上形成较小的漩涡，另一股流体向下形成较大的漩涡。向上的流体易使液面波动过快，液面波动幅度过大，形成卷渣，影响铸坯质量。与图4a相比，图4b的上回流区域的液面活跃度减小，不容易形成卷渣，漩涡出现的频率加大，流体之间对流换热较快，易形成均匀的温度场。

(a)无内冷却器结晶器(b)回字结晶器图4　两种结晶器钢液流线图

由图5可以看出，无冷却器采用偏转水口时，在结晶器截面上形成一个水平旋流，并在截面中心形成了一个很大的漩涡。水平旋流可以降低高温钢水的冲击深度，有利于钢水中夹杂物的上浮; 减少钢水对初始凝固坯壳的冲击，有利于初始凝固坯壳的形成。由图6可以看出，回字形结晶器的截面上形成水平旋流，但并没有形成很大的漩涡，相反，形成若干小的涡流，这有利于降低高温钢水的动能，从而降低钢水的冲击深度; 其水平旋流有利于均匀结晶器内钢水的成分及温度，降低温度梯度，有利于初始凝固坯壳的均匀生长。

图5　无内冷却器时弯月面下300 mm钢液流场

图6　回字形结晶器弯月面下300 mm钢液流场

4.2结晶器内温度场分析

图7a、图7b分别为无内冷却器结晶器(采用四孔偏转水口)和回字形结晶器内温度场分布情况。由图7a可以看出，由于采用了偏转的方式来布置水口，故从水口流出的高温钢水没有直接作用到结晶器壁上而形成“热点”，将有利于初始凝固坯壳的生长。但由于偏转水口形成的漩涡的影响，高温钢水主要分布在结晶器的四周，使其中心的温度低于周围温度，而使得整个结晶器内的温度分布不均。由图7b可以看出，结晶器同内部的温度分布均匀，降低了温度梯度，从而可降低铸坯裂纹、中心偏析等缺陷产生的可能性，可以达到电磁搅拌的冶金效果。

(a)无内冷却器结晶器(b)回字形结晶器图7　两种结晶器内铸坯温度场

5结论

(1)回字形结晶器设置内冷却器可以提高结晶器的传热效率、铸坯中心等轴晶率，细化中心组织，提高铸坯质量；

(2)结晶器内形成的水平旋流可以降低钢水的冲击深度，有利于夹杂物的上浮，均匀钢水成分，达到M-EMS冶金效果；

(3)采用回字形结晶器，提高了综合凝固系数，降低了大方坯连铸机的高度，从而降低了连铸机的基础建设费用。

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(编辑王旻玥)

Basic Parameters in a New Bloom Crystallizer and Simulation on Its Inner Liquid Steel Behavior

Zhou Chao1,2Ren Subo1Zhang Xingzhong1Liu Jingjing1Bai Minghua1

1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Agricultural University of Hebei,Qinhuangdao,Hebei,066003

Abstract：In order to reduce the height of vertical continuous casting machine and diminish the equipment dimension, the casting speed and liquid core depth were calculated according to empirical formulas.Based on calculation and feasibility analysis，the appropriate casting speed is as 0.2 m/min. A new crystallizer depended on thermo analysis was put forward，which was a crystallizer technology with an inner cooling apparatus.The function of setting inner cooling and deflected nozzle were analyzed, which indicated that the crystallizer with an inner cooling apparatus could improve heat transfer efficiency, reduce center segregation, form level swirling flow ,uniform steel component and growing of the shell, reduce the impact depth, achieve the metallurgical effect of electromagnetic stirring. Calculation results show that the crystallizer with an inner cooling apparatus may reduce the liquid core depth and infrastructure fee of caster.

Key words：super-large size square billet continuous casting；crystallizer；inner cooling apparatus；liquid phase point calculation

收稿日期：2015-10-16

基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2014203261)；国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心开放课题(NECSR-201309)；燕山大学青年教师自主研究计划资助项目(15LGA001)

中图分类号：TF777.4

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.022

作者简介：周超，男，1986年生。燕山大学机械工程学院博士研究生，河北农业大学海洋学院助教。主要研究方向为冶金设备设计及仿真。任素波(通信作者)，男，1980年生。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心副教授。张兴中，男，1965年生。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心教授、博士研究生导师。刘晶晶，男，1986年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。白明华，男，1950年生。燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心教授、博士研究生导师。