冒口对钢锭凝固过程固相转变影响的数值模拟.pdfVIP

第36卷 第3期 山 东 冶 金 V0l_36 No．3 2014年6月 Shandong Metallurgy June2014 试验研究； 冒口对钢锭凝固过程固相转变影响的数值模拟 袁林华 ，于景坤 ，李志强 (1沈阳东大冶金科技股份有限公司，辽宁 沈阳 110004；2东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004) 摘 要：通过自建模型模拟研究了冒口材质和高度对大钢锭凝固过程中固相转变的影响。结果表明：钢锭凝固过程中，锭 模及底座附近的钢液发生相转变的速率较快且固液共存区宽度较窄，而冒口附近的钢液发生固相转变的速率较慢且糊状 区较宽。相比于传统的黏土砖，轻质砖和绝热板均有助于改善冒口的保温性能，且均可减缓冒口外表面温度上升的速率。 冒口高于钢液上表面部分高度的变化对于钢锭凝固过程中冒口附近钢液相转变速率的影响较小。 关键词 ：冒口；钢锭凝固；数值模拟 中图分类号：TP391；TF77l．1 文献标识码：A 文章编号：1004—4620(2014)03—0026—03 随着电力工业的发展和发电机组的大型化，低 表 1 钢种化学成分 (质量分数)％ 压转子锻件 的尺寸也随之增加 。尺寸增加给低压 C Si Mn P S Cr Ni Mo V A1 As Sn Sb 转子大锻件的炼钢、铸锭 、锻造和热处理都带来 了 O．30．1O．270．Ol0．O11．53．4 0．o50．10．oo5O．OO50．o05O．0o2 非常大的挑战n。。由于实验研究代价高，数值模拟 成为认识这些缺陷和优化钢锭设计的重要途径 。 通过数值模拟方法可以得到钢锭凝固过程中 钢锭本身及锭模的温度场变化状况b 。锭模冒口 的使用可以有效改善钢锭凝固过程中锭头凝固的 固相率转变状况 ]。大型钢锭凝固过程的三维数值 模拟结果表明冒口顶部附近钢液固相转变较快 ]， 图1 模型计算区域示意图 但鲜有关于 冒口内衬材料及高度对锭头固相率转 表2 材料的热物性参数 变影响的报道。 本研究通过 自建模型模拟探讨某48t钢锭凝固 过程中固相转变的状况及 冒口内衬耐火材料种类 和高度对钢锭凝固过程中固相转变的影响。 1 研究对象 以国内某重型设备制造公司的48t转子锻造钢 2．2 传热控制方程及潜热处理 锭为研究对象 (化学成分见表 1，其中J系数为 l0)， 在钢锭(包括固相和液相)和锭模 内部，温度变 锭模 内壁为多边形。为简化计算过程 ，本文选取此 化主要通过热传导的方式进行。在材料均质且各 钢锭及锭模纵截面的一半为研究对象 (如图1所 向同性的条件下，有 内热源的非稳态传热过程可通 示)。此外，为考察 冒口内衬耐火材料对钢锭凝 固 过傅立导热方程来描述 ： 的影响，选取轻质砖和绝热板与传统的黏土砖进行 对 比研究。各材质的物性参数见表2。 pc 鲁=五+cz+鲁c 州，㈩ 2 模型建立 式中：p为密度，kg／m；T为温度，K；为定压比热容， J／(kg·K)；t为时间，s；Q为热源项，J；、Y、均为方 向 2．1 假设条件 分量 。 假设铸型瞬间充满，液态金属的初始温度即为 忽略钢液凝 固过程中液态金属的流动，钢锭凝 浇注温度；液态金属内部无对流作用，无能量与质 固过程温度变化及分布即可由式 (1)求得 。式(1) 量传输；钢锭及锭模的材料均质且各向同性。 中Q为钢液凝固发