理论与实践：细长电极锭凝固缺陷的模拟

    电渣重熔技术是生产优质大型钢锭的有效方法。根据电渣重熔设计填充比和高径比两个参数的限定，电渣重熔所需的自耗电极锭不断向细长化方向发展。电极锭高径比越大，其横向和纵向的凝固速度相差越大，越容易在凝固末端造成收缩不均匀，最终导致缩孔、缩松和裂纹等缺陷的产生，严重影响电极锭的品质及其使用寿命。鉴于此，本课题选用截面尺寸为4soomm，高径比为9的细长电极锭为研究对象，利用AnyCasting软件对该锭凝固过程中的缺陷进行数值模拟，并依据Niyama判据，对凝固缺陷进行预测，分析了工艺参数对凝固过程影响，为改进电极锭铸造工艺提供参考。

1  模型建立

1.1  实体建模与网格划分

    模拟的细长电极锭参数见表l。电极锭的几何模型见图1。利用SolidWorks软件对电极锭进行3D建模，模型组件包括电极锭、锭模、保温冒口、保温层和水口砖，使用AnyMesh模块对整个电极锭进行网格划分，网格单元数为582 736个。

1.2基本假设

    对电极锭充型凝固过程中的流场和温度场作如下假设：①高温钢水为不可压缩流体；②不同界面的传热系数随温度变化；③忽略钢水凝固后的固态相变过程，假定其为单相流体。

1.3初始条件和边界条件

    考虑到所用电极锭凝固时间远大于浇注时间，可忽略浇注过程中中间包内的温降，将浇注温度设为初始温度。初始温度设为1 560℃，钢锭模初始温度为80℃，环境温度为20℃。由于钢水的凝固收缩，在电极锭和锭模之间会产生气隙，因此，传热模型中应对电极锭和锭模间的界面热阻加以考虑，锭一模间的传热计算公式如下：

式中，q为热流密度，J/(m2·s);h为传热系数，W/(m2 ·°C)；T steel为电极锭外表面温度，℃；T mold为锭模温度，K。

  考虑到随着温度的降低，锭模内部的钢水会发生凝固收缩，容易使之与锭模之间产生气隙，导致传热系数h的降低。为保证模拟结果的准确性，采用逆解析的方法，将模拟得到的h值与实际测量值进行拟合，最终得到传热系数h与锭模内部钢锭外表面温度变化曲线，见图2，其中1 495℃为液相线温度，1 344℃为固相线温度。

2模拟结果与分析

  设计5组方案．利用Niyama判据作为预测的缩孔和缩松缺陷产生的依据，不同工艺参数对凝固缺陷的影响。模拟参数与方案见表2。

2.1  冒容比对凝固缺陷的影响

    冒容比对电极锭凝固缺陷的影响见图3。图3a是冒容比为5%时电极锭剖面凝固缺陷图。可以看出，由于冒容比较小，冒口的保温能力受到限制，无法对电极锭中心部位的孤立液相区进行及时补缩，最终导致电极锭中心偏上区域产生二次缩孔。此外，由于电极锭高径比大，且锥度小，容易使钢水在其心部出现“搭桥”现象，导致中心偏析和缩松的产生。当冒容比增至10%时（见图3b），电极锭中心偏上区域的二次缩孔消失，仅在冒口顶部出现一个倒锥型缩孔。但是，中轴线附近出现缩松的概率增大，锭身边部无明显的缩松产生。这说明适当增加冒容比，可有效延缓电极锭上部钢水凝固进程，从而减少二次缩孔缺陷的产生。因此，设定冒容比为10%更为合理。

2.2  发热剂发热时间对凝固缺陷的影响

    发热剂发热时间对电极锭凝固缺陷的影响见图4。可以看出，图4a是发热剂发热30 min时电极锭剖面凝固缺陷图。由于发热剂发热时间短，冒口的热量散失较快，补缩效率较低。当冒口内钢水凝固速率高于电极锭的凝固速率时，会使电极锭最后凝固区域（心部）补缩受

阻，最终导致在冒口顶部出现一个很深的缩孔。随着发热剂发热时间的延长（见图4b），冒口内热量散失很慢，能够有效延缓其内部钢水的凝固进程，使电极锭的补缩（尤其是心部补缩）更加充分，冒口内部呈浅碟形，补缩效率较高，电极锭中出现缺陷的概率明显降低。因此，选用发热剂发热60 min能对减少缩孔和缩松等缺陷起到较好的作用。

2.3浇注温度对凝固缺陷的影响

    浇注温度对电极锭凝固缺陷的影响见图5。图5a是浇注温度为1 520℃时电极锭剖面凝固缺陷图。可以看出，由于该浇注温度较低，钢锭模内钢水粘度值大，流动性较差，一方面导致钢水的充型能力较差，容易产生表面缺陷。另一方面会缩短电极锭凝固所需时间，导致冒口补缩不佳，最终在其顶部形成严重的倒锥型缩孔，并在缩孔外侧伴有大量缩松。随着浇注温度的升高（见图5b），锭模内部钢水凝固时间长，凝固收缩相对均匀，冒口对电极锭的补缩更加充分，凝固结束后产生的缩孔较小。因此，浇注温度为1560℃较为合理。

2.4浇注速度对凝固缺陷的影响

    浇注速度对缺陷的影响见图6。图6a是浇注速度为0. 35 m/s时电极锭的剖面凝固缺陷图。由于浇注速度较低，钢水的流动较慢，导致靠近钢锭模部位的收缩得不到有效补偿，从而形成缩孔和缩松。另一方面，电极锭横向和纵向凝固速度不均会导致其心部的收缩滞后于表层，最终在冒口顶部出现一个明显的倒锥型缩孔，电极锭中心出现缺陷概率较大。当浇注速度增至0. 65 m/s时（见图6b），钢锭模内凝固收缩得到有效改善，冒口对电极锭的补缩更加充分，缩孔变为浅碟型。同时，在电极锭中心区域出现缩松的概率大大降低。因此，在保证平稳浇注的前提下，适当提高浇注速度可有效减少电极锭的凝固缺陷。选用0. 65 m/s的浇注速度较为合理。

2.5优化工艺参数后电极锭的凝固缺陷

    优化工艺参数后电极锭的凝固缺陷剖面图见图7。可以看出，电极锭仅在冒口顶部出现一个缩孔，且该缩孔形状较为规则且平整，而电极锭中轴线附近出现缩松的概率要明显降低。这充分说明，通过调节冒容比、发热剂发热时间、浇注温度和浇注速度等参数可明显延缓钢水凝固进程，使电极锭凝固收缩更加均匀，进而减少凝固缺陷的产生，提高了冒口的补缩效率。

3  结  论

    (l)利用AnyCasting软件模拟细长电极锭的凝固缺陷位置，发现缺陷主要分布在冒口顶部和电极锭心部，和实际凝固过程中产生缺陷部位基本一致。

(2)选取冒容比为10%，发热剂发热60 min，浇注温度为1 560℃和浇注速度为0. 65 m/s，可有效改善电极锭的缺陷，使缩松和缩孔出现概率大大降低。

4摘  要  以高径比为9的细长电极锭为研究对象，利用AnyCasting软件对该锭凝固过程进行数值模拟，并依据Niyama判据，对凝固缺陷的产生进行预测，分析冒容比、发热剂发热时间、浇注温度和浇注速度等工艺参数对凝固缺陷的影响。模拟结果表明，利用AnyCasting模拟出细长电极锭的凝固缺陷主要分布在冒口顶部和电极锭心部，和实际凝固过程中产生缺陷部位基本一致；冒容比为10%，发热剂发热60 min，浇注温度为1 560℃和浇注速度为0.65 m/。时，可有效改善电极锭的缺陷，得到品质合格的电极锭。