仿真计算在板坯连铸机工程设计中的应用

　　随着人们对连铸过程中各种物理化学现象本质的理解不断深入,数值仿真技术已越来越广泛地应用于连铸领域的相关研究工作中。近几年来,众多研究者针对连铸过程中存在的凝固传热、钢液流动和应力应变等复杂问题,基于不尽相同的侧重点考虑、简化假设条件和数值处理方法,建立了特点各异的仿真数学模型,为连铸操作工艺的优化和连铸机械设备的改进提供了重要的理论支持[1-5]。

　　对于板坯连铸机的设计,最终目标是确保浇铸过程的顺行和获得良好的铸坯质量。铸机设计的关键是充分考虑和合理制定以下几个重要的工艺/结构参数:(1)结晶器窄面锥度(宽面上、下口尺寸);(2)铸流锥度(扇形段开口度);(3)铸坯应变状况;(4)二次冷却水量及其分配。

　　作者基于CISDI板坯连铸浇铸过程静态仿真软件CCPS OFFLINE,以某钢厂4号板坯连铸机为研究对象,针对上述问题进行了详细的仿真分析和优化计算,部分研究成果已经较好地应用于现场的浇铸生产中。

　　1　结晶器窄面锥度

　　结晶器窄面铜板锥度主要应根据结晶器内铸坯凝固冷却过程中的热应力应变状况来加以确定,其总应变可分解为3个组成部分,即:热收缩、塑性应变和弹性应变。其中,热收缩在总应变中占主要部分。另外,相关研究表明,由于结晶器内钢流最外层首先凝固且在相对无应力的情况下发生凝固收缩,而铸坯内部区域主要为两相区和液相区,其抵抗变形的能力较弱,故铸坯表面处热应变与整个铸坯厚度上的平均总应变非常接近,且后者为铸坯凝固收缩的控制因素[6]。因此,结晶器内整个铸坯的复杂力学行为可近似地基于铸坯的凝固收缩简化计算来加以描述,不失其合理性。

　　结晶器窄面铜板锥度 ▽1定义为每铸流宽度单位长度上对应的结晶器窄面铜板水平位移量(% / m),即:

　　式(1)中,W为结晶器宽面铜板下口尺寸,m;ΔW为结晶器宽面铜板下口与上口的尺寸差值,m;Lm为结晶器有效长度,m。结晶器几何结构参数的含意参见图1。

　　作者在CISDI板坯连铸浇铸过程静态仿真软件CCPS OFFLINE中嵌入了结晶器窄面锥度预测模块,并针对具体的浇铸工艺条件(钢种:Q345钢;铸坯规格:220mm×1 600mm;拉坯速度:1m/min;浇铸温度:1 540℃;冷却制度:中冷)进行了仿真计算。仿真结果表明,结晶器窄面锥度的理论预测值沿高度方向上总体呈现出先增大后减小的变化趋势,且随着拉坯距离的增加,结晶器与铸坯之间的边界热流逐渐降低,铸坯温度的变化相对变缓,其热应变量相应减小,锥度值变化非常小。