板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究.PDF

2013年第3期 钢 铁 技 术 ²23 ² 板坯连铸结晶器倒角结构和锥度研究 雷松 1 曾珊1 张道杰 2 阎建武 1 沈厚发 2 (1、中冶赛迪工程技术股份有限公司连铸事业部 重庆，401122 2、清华大学材料学院 北京，100084) 【摘 要】针对板坯连铸铸坯常出现角部横裂纹缺陷，建立了板坯连铸结晶器与铸坯二维瞬态热力耦合有限元模型，研 究了板坯结晶器窄面铜板在不同倒角结构和不同锥度情况下铸坯的凝固收缩行为，计算了铸坯在结晶器内的温度和应力分布 情况。模型较全面地考虑了保护渣和气隙对传热的影响。数值模拟结果表明：结晶器窄面铜板倒角过大或过小，都不利于铸 坯温度的均匀分布；对断面厚度为 230mm 的铸坯，窄面铜板采用 20mm ～25mm ×45°倒角及抛物线锥度时，铸坯表面温度分 布最均匀，最大平面主应力分布较合理，角部出现横裂纹的可能性会大大降低。 【关键词】板坯 结晶器 角部横裂纹 倒角 锥度 板坯连铸 由于结晶器铜板角部结构设计不合 果仅通过实验研究必然造成投资过大和不必要的 理，会引起铸坯的角裂和窄边鼓肚等质量缺陷。特 浪费，热力耦合数值模拟为解决这一难题提供了有 别是角部横裂纹，据统计约占各类缺陷的 50%以上， 效途径。但是，只有建立和实际工况比较一致的边 而微合金化技术的应用导致这个问题更加严重。 [9] 界条件，才能保证数值模拟结果的正确性 。 经过多年的研究，国内外学者对板坯角部横裂 本文对板坯在结晶器内凝固过程进行了热力 纹的产生机理也达到了基本共识[1-5] ：板坯结晶器一 耦合数值模拟。模型较全面地考虑了保护渣和气隙 般采用 4 块铜板组合而成，角部呈直角，铸坯角部 对传热的影响，分析了结晶器窄面铜板在不同倒角 由于受二维冷却使角部收缩量大于结晶器铜板锥 和不同锥度条件下，铸坯的温度和应力分布情况， 度补偿量，导致在偏角部特别是宽面偏角部局域形 为优化现有结晶器窄边铜板结构提供了依据。 成较大的气隙，而气隙热阻占整个热阻 80%以上， 进一步导致铸坯偏角部区域温度过高，形成热点区 1 热力耦合数学模型 域，并在该区域平面内产生较大的横向拉应力；而 图 1 为典型板坯热力耦合计算简化模型，模型 铸坯过低的角部温度（约 600°C～900°C）进入了 采用运动坐标系的二维切片法，忽略拉坯方向的传 第Ⅲ脆性区，整个铸坯坯壳表面温度呈不均匀分布。 热。考虑到结构和边界条件的对称性，将模型简化 倒角结晶器的提出为解决板坯角部横裂纹缺 为整体结构的 1/4。该结晶器高度为 900mm，弯月 陷提供了有效方法[6-8]，但是倒角结构与铸坯断面、 面高度为 100mm，铸坯断面尺寸为 230³1600mm， 工艺参数等因素的关系目前仍是国内外学者面临 铜板厚度为 45mm，浇铸温度为 1536°C，拉速为 的一个难题。同时，板坯结晶器窄面铜板一般采用 1.0m/min。 单锥度，与铸坯的凝固收缩路径不一致，往往导致 窄面铜板下口磨损严重。倒角结晶器为了避免角部 温度过高而漏钢，通常对原有锥度还有一定增加， 这将导致铜板磨损更为严重，现场也常常反应倒角 结晶器窄面铜板使用寿命过短的问题。因此，有必 要对倒角结晶器角部结构和锥度整体研究，亟待解 决角部横裂纹问题和延长铜板使用寿命。当然，如 图1 板坯热力耦合计算简化模型 ²24 ²