锭重兼容式锭型设计对钢锭凝固质量影响的模拟

张雪健  彭兴东  李静  许长军  胡林

 （辽宁科技大学冶金工程技术中心）

摘要  阐述了39～45 t锭重兼容式锭型的设计思想，利用AnyCasting软件对其凝固过程及凝固质量进行了数值模拟研究。主要分析了搭配锭模垫圈致使锭型参数变化对钢锭凝固过程中温度场分布和凝固缺陷的影响。结果表明，39～45 t锭重兼容式锭型允许的锭型参数变化不会明显改变钢锭凝固质量，其冒容比(14.52%)维持不变、细长比由1. 437增至1.737、锥度由4.89%降低至4.01%，不会改变钢锭的凝固顺序。锭重的变化对钢锭中的C元素偏析分布的作用不明显；同时，随着锭重的增加，一次缩孔深度缩短，而缩松缺陷仍存在且位置下移。

关键词  锭重兼容；数值模拟；锭型参数；凝固质量

 钢锭是大型铸锻件的主要原材料，其产品是国防军工、石油化工、电力、核能、冶金、造船、铁路等工程装备的基础部件，也是工业产业链上不可或缺的原材料。不同行业对钢锭质量需求的多样性致使钢锭企业面临着钢锭生产覆盖锭重范围较大且分布离散、管理程序繁杂等问题。因此，一模多铸或锭重兼容式锭型设计就十分必要。

 为了实现钢锭模兼容锭重、提高其生产灵活性，以降低模具制造成本和管理难度，目前，兼容锭重主要通过调整锭模绝热板的嵌入深度和浇高来实现。本课题以大型真空浇注十二角锭为研究对象，简述了39～45 t锭重兼容式锭型设计思想，并利用AnyCasting软件对锭重兼容式锭型铸锭过程及其凝固品质进行了模拟研究。

1  锭重兼容式锭型设计思想

锭重兼容就是锭模必须具备一模多铸的特征。以39～45 t模具钢锭模为例，图1是其锭重兼容式大型钢锭模结构示意图。该锭重兼容式钢锭模主体结构由冒口、固定模身、模底及不同配重垫圈组成，其锭型设计主要参数见表1，锭模不搭配垫圈时可浇注39 t钢锭，钢锭高度为2 310 mm，本体细长比为1.437，锥度为4. 89%，冒容比为14. 52%。工装时通过将冒口、模身和模底分别与1、2、3（或1+2）、1+3、2+3、1+2+3(t) 垫圈进行搭配组合，来分别浇注40、41、42、43、44和45t钢锭，浇注时通过冒口内不同浇高线维持冒容比为14. 52%不变，以确保钢锭凝固质量，最终实现锭重兼容、一模多铸。

2  计算方法

 首先利用三维CAD软件建立锭重兼容式钢锭模及钢锭实体模型，通过AnyCasting软件依次进行网格划分、初始条件和边界条件设置等前处理、模拟计算和后处理等计算工作。计算过程选用模型及控制方程详见文献[4～6]。钢锭材质为42CrM04钢，锭模材质为HT200，锭模初始温度为80℃，导热系数设定依据试验测定结果而定，具体为冒口绝热板导热系数设定为0. 12 W．m-1．K-1，绝热板与钢锭间的传热系数为18 W. m-2．K-l，模锭间传热系数随温度变化而改变，其平均值为1 200 W．m-2．K-l。计算过程考虑了浇注充型过程，浇注速度随浇注位置而变化，浇注28min，浇注过热度为55℃，充型结束立刻添加发热剂和覆盖剂。

3  模拟结果与分析

3.1  凝固过程

选取39、42、45 t三个典型锭重的钢锭进行结果分析，图2分别对应钢锭固相率(K)为15%、55%和95%。可以看出，3种钢锭的凝固顺序大致相同：轴向上，凝固进程由钢锭底部向钢锭冒口处沿轴向推进；径向上，凝固由钢锭模壁处向钢锭的中心沿径向逐步进行；而钢锭上口处为最后凝固区。由于所用钢锭模锥度均在4. 0%以上，导致其靠近冒口位置的钢水由于远离边界，且钢水在凝固时又释放出潜热，故此处散热速度小，冷却速度下降得较为平缓；且随着钢锭模锥度的减小（由4. 89%减小至4.01%）和锭模本体高度的增大(由2 310 mm增加至2 780 mm)，靠近锭模处的钢水散热速度加快，凝固糊状区逐渐变窄，凝固进程较快；同时钢锭高度的变化会引起钢锭温度场发生变化。由图2可见，在钢锭凝固末期，由于所浇注钢锭锭重的增加，为了维持冒容比，其浇高逐渐增大，钢锭最后凝固区域随着钢锭本体高度的增大而趋向于细长化。42、45 t钢锭的最后凝固区域较39 t钢锭分别增加了100～180 mm，同时整体凝固时间分别增加了1 493.6 s、2 137.6 s。

3.2 C元素宏观偏析结果分析

选取固相率(K)为25%、65%和100%的3个时刻研究C元素宏观偏析结果。C含量为0.38%～0. 45%，见图3。可以看出，在凝固初期，只在钢锭底部附近出现负偏析；随着凝固进程推进，钢锭底部的负偏析消失，同时在钢锭模壁附近出现了负偏析；凝固至65%左右时，锭底及模壁负偏析变大，而在冒口附近出现正偏析。凝固至100%左右时，在锭底及模壁附近的负偏析越来越严重，而位于冒口偏下处的钢水凝固速度滞后，导致此处晶粒结晶充分，使得钢锭轴线位置（自冒口延伸至钢锭下部）产生正偏析区域。因此可知，C正偏析的发生位置与钢锭的凝固顺序、进程密切相关。随着所浇注钢锭锭重的增加，其浇高逐渐增大，C偏析程度并无明显恶化，元素偏析分布范围变窄且沿轴线下移。这是因为随着锭重增加，钢锭最后凝固区域变窄且沿轴线下移，此处凝固时间较长，选分结晶充分，易于元素偏析的形成。

3.3钢锭凝固收缩缺陷分析

 对39、42和45 t的钢锭不同位置缩孔缺陷产生的模拟结果见图4。由图4可见，对于搭配垫圈铸锭，其垫圈上部的锥度保持不变，而垫圈处的锥度减小。因此对于钢锭的垫圈上部而言，相当于提高了冒容比，因而增强了冒口对钢锭上部的补缩能力，使得一次缩孔深度随锭重增加而减小（缩孔深度最大缩短量为15 mm）。可见，随着浇注钢锭的质量增大，其一次缩孔深度随之缩短。

在钢锭纵截面上取7个关键点用于测试钢锭不同区域的Niyama值，并与临界值比较，以此考察钢锭缺陷敏感位置在凝固过程中的缩松缺陷发生概率。各关键点位置见图5，其中A～E分别处于中轴线上9／10、8/10、6／10、4／10和2／10本体高度处，F、G两点分别位于7/10和3／10，且距中轴线1／4钢锭横截面直径位置，图6为各关键点的Niyama值。

 由图5和图6可见，钢锭中A点最易形成缩松，其次为B、C、D三个位置，而在F、G点均未发现缩松缺陷发生。相较39 t钢锭，随着锭重的增加，缩松缺陷产生的范围并未沿径向发展，但有沿轴线向下延伸的趋势。尽管钢锭整体冒容比维持不变，但冒口内钢水随着锭重增加而增加。对A点附近区域的补缩范围和能力是增大的，因此A点区域缩松缺陷随锭重增加而呈现改善的倾向。同时，钢锭本体的高度随着锭重增加而增大。垫圈附近无锥度，使得该区域出现轻微缩松的倾向；对于距离锭底最近的E点而言，受到锭底的强冷却作用，其Niyama值始终处于无缺陷范围内。以上结论在类似锭型的实际生产中也得以证明。

4  结论

 (1)锭重兼容式锭型参数的改变并没有改变钢锭的凝固顺序；随着钢锭高度的增加（搭配垫圈），钢锭最后凝固区范围向下延伸。

 (2)采用锭重兼容锭型铸造39～45 t钢锭时，钢锭细长比和浇高的变化对钢锭中C元素偏析程度的影响可以一定程度上相互抵消，钢锭整体的C元素偏析程度并未发生明显变化，但偏析产生区域沿轴线向下延伸。

 (3)随着钢锭本体高度的增大，增强了冒口的补缩能力，缩短了一次缩孔深度；同时，随着钢锭本体高度的增加，钢锭最后凝固区域未见变宽但沿轴线向下延伸，轴线缩松体积增加。