理论与实践：帽部传热条件对钢锭缩松影响的数值模拟

作者：郑晓敏  

为抑制缩松、缩孔的产生，在浇注时，通常采用保温帽装置．并在保温帽内壁挂有绝热板，另外还需加入发热剂对帽部钢水进行温度补偿。绝热板和发热剂的使用情况及帽部传热条件都对帽部钢水的补缩能力有着重要影响，对模具钢的生产质量起决定性作用。基于此，在某钢厂做了小批量试生产。该厂目前生产中采用传热系数为0. 28 W·m-2·K-l的普通绝热板进行保温操作，使用含铝15%的帽部发热剂进行帽部加热，加入量为≥1.5 kg/t。钢锭探伤平均成材率为79.5%。

    数值模拟是研究钢水凝固过程规律，指导生产实践的重要手段。国内关于钢锭帽部绝热板、发热剂对钢锭缩松、缩孔影响的模拟研究也取得了一定的进展，但是研究主要只针对影响帽部传热的单一条件进行的，而绝热板、发热剂等帽部传热条件对钢锭缩松、缩孔影响是综合的，需要总体考虑。马薇等对大型钢锭的传热条件进行了模拟研究，得出了当发热剂厚度为300 mm时可以取得较好的效果。但是，仅停留在模拟阶段，并且对绝热板传热系数的影响没有考虑。

    本课题结合某钢厂具体生产工艺，采用Anycasting模拟软件，研究了3.1 t钢锭绝热板、发热剂等帽部传热条件对内部缩松、缩孔缺陷的影响，在深入分析的基础上优化生产工艺，为生产试验提供参考。

1  模拟计算条件

1.1基本假设

    由于浇注过程中遵循质量守恒和能量守恒，为了便于研究作出以下假设：①由于钢锭充型时间很短，因此充型时间可忽略；②忽略充型过程中钢水温降，假设充型后，钢水温度均匀分布且与浇注温度相同；③钢锭内部钢水流动对传热的影响采用增大系数处理。

1.2控制方程

    铸锭一铸型系统的传热过程主要通过钢水与铸型的对流传热、钢水向铸型的导热、铸型表面与环境大气的热对流传热及其对外界的热辐射等方式综合进行的。铸型与大气的对流传热用Newton冷却定律描述。

式中，a为对流传热系数，W／(m2．℃)；Tf为流体的特征温度，口C；Tw为固体边界温度，℃。

    钢水充满铸型后，铸锭与铸型之间的传热主要以瞬间导热方式进行，三维瞬态热传导方程为

式中，p为流体的密度，kg/m3；c为流体的比热容，J/(kg．℃)；λ为流体的热导率，W·m-l．口C-1；S为源相，W／m3。

    考虑充型过程对初始温度场的影响，会使凝固过程数值模拟和缩松、缩孔等缺陷的预测结果更为可靠，因此必须为控制方程提供初始条件：

    钢锭与铸型接触的热交换方式是热传导，应加载的是钢锭与铸型、底座和帽口接触面上的热流密度。由于热流密度时刻变化，可用对流传热来进行等价计算。

式中，Δy为厚度，m。

1.3缩松、缩孔预测判据与定量分析方法

    利用Anycasting软件中给出的预测模型对钢锭的缺陷进行预测。选用残余熔体模数(Retained MeltModulus)缺陷预测判据来预测缺陷。残余熔体模数公式为：

式中，RM为残余熔体模数，M; Rv为残余熔体体积，m3；RA为残余熔体比表面积，m2。

    结合模拟，对钢锭中心截面有概率产生缺陷区域的面积大小进行统计，利用图片的像素、尺寸大小及图中的比例尺，对有可能产生缩松缺陷的面积大小进行实际尺寸换算。对钢锭本体有可能产生缩松或缩孔的区域称为本体缺陷，通过本体缺陷面积大小来衡量缩松、缩孔的严重程度。

1.4有限差分模型

  图1为钢锭以及网络划分模型。图la为采用SolidWorks软件对钢锭进行三维几何建模建立的钢锭实体模型，导入Anycasting中划分网格后的有限差分模型见图lb。

1.5初始及边界条件和钢锭参数

    模拟采用的初始条件见表1。界面传热系数见表2。本模拟计算的3.1 t钢锭具体参数见表3。

1.6材料热物性参数

    模拟计算选用模具钢4Cr5MoSiVl，钢种的成分见表4。

    根据Anycasting材料库中给出的液相线温度为1 471.2℃，固相线温度为1 403. 95℃，其导热系数、密度、热膨胀系数和比热容随温度变化见图2。

    钢水凝固过程中所释放的凝固潜热Lf -般视为常数,Anycasting软件材料库对应的凝固潜热值为209. 350 kj/kg。

铸型材质为铸铁，铸铁成分见表5。

    选用的铸铁导热系数、比热容和温度的关系见图3。

2模拟计算结果及分析

2.1  绝热板材质对缩松、缩孔缺陷的影响

    绝热板导热系数的不同直接影响到钢锭帽部的散热条件，进而影响钢锭帽部的保温能力，在帽部对钢锭本体补缩能力方面起着重要的作用。

    由于生产厂家生产中的平均过热度为30℃，平均浇注时间为800 s，故以此为参数进行以下的模拟。分别选取绝热板导热系数为0.15、0.20、0.25、0.30和0. 35 W·m-l·℃-l来模拟计算。模拟结果显示绝热板热导率为0. 15 W·m-l·℃-1时本体无缺陷，所以继续设计方案模拟计算绝热板导热系数为0. 16、0.17、0. 18和0.19 W·m-l·℃_1时的缺陷预测与0. 20W·m-l·℃-1进行对比分析。模拟得到的缺陷预测结果见图4。

    从图4可以看出，在绝热板导热系数为0. 17W·m-1·℃-1时，其预测钢锭本体无缺陷，而0. 18W·m-l·℃-l时产生缺陷；导热系数增加到0. 35W·m-1·℃-1时，由于绝热板的保温效果不足，导致钢锭本体出现了缺陷，并且随着导热系数的增大而增大。在导热系数为0. 30～0. 35 W·m-l·℃-l之间时，缺陷面积只增加了0. 4%，已经趋于平缓。这是因为在绝热板导热系数大于0. 30 W·m-l·℃-l时，绝热板的传热速度已经不能满足帽部保温性能的要求，导致缩孔缺陷容易产生，钢锭本体的凝固速度对帽部补缩能力的影响要大于帽部保温能力的影响。

    国内采用绝热板的导热系数一般在0. 29W· m-l·℃-1左右，而PS绝热板（即在耐材合成过程中加入空心微珠，形成类似海绵的结构，降低厚度，提高绝热能力）的传热系数可以达到0．16W·m-l·℃-l。根据模拟结果可知选用PS绝热板能将钢锭质量控制的非常好。

2.2发热剂加入时间对缩松、缩孔缺陷的影响

    发热剂加入时间的不同会对帽部的补缩能力有不同的影响，因为在钢锭凝固进程中，不同时期的凝固速度是不相同的，钢水的收缩量也不同。生产厂家使用导热系数为0. 28 W．m-l．℃-l左右的绝热板，选取绝热板导热系数为0. 30 W·m-l·℃-1，选取发热剂热流量为随时间的线性变值，起始为41 870 W·m-2，终止为O，总发热时间为900 s，分别选取发热剂发热起止时间对应为800～1 700 s、1300～2 200 s、1800～2 700s、2 300～3 200 s和2 800～3 700 s进行模拟计算。模拟计算预测结果见图5。

    由图5可以看出，在加入发热剂后，钢锭本体的缺陷面积是随着加入时间点推迟而增大的。在800 s时加入发热剂，其本体内部缺陷面积较小，只有312. 01mm2，而在1 300 s时加入发热剂，其本体缺陷是555. 32mmz，增加了243. 31 mm2，1100 s以后，钢锭本体内部

的缺陷呈直线上升，但变化较小。这是由于在凝固初期，由于铸型温度较低，此时形成激冷层，加快了锭与模的传热速度，导致帽部钢水下降补缩，前期凝固时的收缩量较大，使得帽部的钢水减少。由于前期未加入发热剂使得帽部边缘可能有凝固层出现，致使后面即使加入发热剂也只是对帽部未凝固的钢水起到了保温效果，导致其补缩量下降，使其补缩能力不如800 s加入时的好。

    以上分析结果表明在800 s加入发热剂时，能有效减轻凝固初期由于凝固速度较快帽部钢水补缩量较大而引起帽部边部凝固的现象。而在1 300 s以后加入发热剂效果不明显，只能对帽部剩余的钢水起到保温作用；因此发热剂应在浇注完毕后及时加入，或在浇注完成前就加入。

2.3发热剂加入量对缩松、缩孔缺陷的影响

    发热剂的加入量越大对钢锭帽部的温度补偿越多，但成本消耗也越大，因此，合适的发热剂加入量对钢锭质量及成本都有利。所选用的发热剂中，主要是靠Al燃烧来发热的，发热剂中Al含量为15%，1 kg发热剂对应的平均热流量为3. 15 J·cm-2·S-l。

    发热剂开始发热的热流量分别设定为2.1、4.2、6.3、8.4和10.5 J．cm-2．s-l．所对应的平均热流量分别为10.5、2.1、3.15、4.2和j．25 J·cm-2·s-1，对应发热剂的量分别为0. 33、0.67、1、1.33 kg和1.67 kg。选取绝热板导热系数为0.30 W·m-l·=C-1，加入发热剂时间为800 s，总发热时间为900 s。模拟计算预测结果见图6。

    由图6可知，在发热剂加入量从0. 33 kg增加到1. 67 kg时，钢锭本体缺陷面积分别减少了263. 35、37. 21、40. 07和8.59 mm2。加入量在0. 67 kg以上时，随着加入量的增加，缺陷面积减少量逐渐呈平缓趋势，变化不大，而在加入量在0. 67 kg以下时，缺陷面积变化量较大。发热剂加入量为0. 67 kg时缺陷面积比0. 33 kg时减少了43%，说明在发热剂加入量为0.67 kg以下时，随着发热剂加入量的增加，使得帽部的热量增加，导致帽部保温效果明显增强；而在加入量在0. 67kg以上时，由于该热量已基本满足帽部的保温要求，使得帽部对本体的补缩能力较强，进而即使再增大发热剂加入量其本体缺陷减少量也不明显。

3  3. It钢锭生产试验

    生产工艺流程为：40t EF-40t LF-40t( VD)-3.1 t模铸一红送一初轧（热轧）一冷轧。从模拟结果可以看出，在国内普遍使用的绝热板导热系数为0. 29 W·m-l·℃1左右，其缺陷较小，可以通过后续的轧制工艺压实。本生产选用成本较低的绝热板，通过水流量平板法测量了现场绝热板的导热系数为0. 28W·m-1·K-1，其缩松、缩孔可以在后续的热轧和冷轧过程中得到改善。

    结合本模拟计算结果，发现当加入发热剂加入量≥1.5 kg/t，在浇注完成后应立即加入发热剂。

    钢坯探伤情况：按GB/T4162 B级超声波探伤，初轧开坯后探伤结果存在个别声(2～3)mm缺陷，按B级不合格，但C级合格，精轧后B级合格。

4  结  论

    (1)在模拟计算条件下，绝热板导热系数不大于0．17 W．m-l．℃_1时，可以很好的抑制钢锭本体内的缩松、缩孔缺陷。

    (2)国内普遍使用的导热系数为0.29 W·m-1·℃-1左右的绝热板，钢锭内部有较轻微的缩松、缩孔，需要在后续的轧制过程中压合。

(3)综合考虑钢锭质量和浇注成本，发热剂的合理加入量为0. 67～1. 33 kg。 

5、 摘要

绝热板、发热剂等帽部传热条件对钢锭的内部缩松、缩孔有决定性作用。采用Anycasting软件建立了某厂3.1 t钢锭凝固过程的数学模型，模拟了绝热板导热系数、发热剂加入时间和发热剂加入量对3.1 t钢锭内部缩松、缩孔的影响，并进行了生产试验。结果表明，绝热板导热系数不大于0.17 W．m-2．K-1时，可以很好地抑制3.1 t钢锭本体内的缩松缺陷；发热剂应在浇注完成后及时加入，加入量为o．67~1. 33 kg。