宫惠爽

(丹佛斯(天津)有限公司，天津301700)

钢锭在凝固过程中，会发生收缩，产生缩孔缩松，为了提高钢锭的质量，保证钢锭重量，需要设置冒口，用以补充因钢锭收缩而损失的钢液，因此，冒口处的钢液必须要最后凝固，才能对钢锭锭身的缩孔缩松进行补充，减轻锭身的缩孔缩松缺陷，提高钢锭的致密度。

要保证冒口处的钢液最后凝固，需要在冒口部位使用保温砖以延长钢液的凝固时间。对某公司使用的保温砖进行了调研，保温砖共有三层，由靠近钢锭侧向外依次为粘土砖、轻质砖和WDS(纳米微孔隔热板)，其中，WDS材料厚度仅为5 mm，但价格昂贵，无形中增加了钢锭的生产成本。针对这一问题，本文以大型钢锭为研究对象，分析粘土砖、轻质砖、WDS对钢锭凝固过程的影响，进一步明确帽口保温砖结构对改善钢锭质量的作用。

1 前处理设置

1.1 钢锭模型

以某公司所使用的大型钢锭为研究对象，建立几何模型并划分网格(见图1)。其中，保温砖部分的总体厚度约为200 mm，分为三种不同的保温砖结构进行计算分析(见表1)。

图1 大型钢锭模型Figure 1 Large steel ingot model

表1 保温砖的三种结构模型Table 1 Three structural models of insulation brick

1.2 初始条件

大型钢锭在温度场模拟过程中的计算时间较长，如果考虑钢液的流动，计算成本大大增加，因此，为了提高计算效率，部分科研人员在钢锭的温度场模拟中忽略钢液的流动[1]，本文不计算钢液的流动，但在模拟计算软件中，人为地增大钢液的导热系数[2]，代替钢液的流动作用，增大散热能力，提高计算的可信度。

图2 钢锭在凝固过程中同一时刻的温度分布云图Figure 2 Nephogram of temperature distribution of ingots at the same time during solidification

表2 保温砖密度表Table 2 Densities of insulation brick

图3 钢锭的完全凝固时间云图Figure 3 Nephogram of complete solidification timeof steel ingot

钢液的初始温度为钢液的浇注温度，在实际生产中，会对钢锭模及保温砖进行预热，因此钢锭模及保温砖的初始温度设为200℃。

1.3 边界条件

在大型钢锭的模拟计算中，文献[1,3-4]中直接将钢液顶部视为绝热情况，本文使用模拟计算软件，在钢锭顶部添加了相应的热流密度和换热系数[5]，用于输入热量，起到实际生产中发热剂的作用，提高计算的可信度。

钢锭与金属钢锭模之间的界面换热系数对钢锭锭身凝固过程的影响很大，因此必须设置为随温度变化[6]的参数，其它界面换热系数对钢锭的凝固过程影响有限，因此均设为常量。

1.4 材料物性参数

钢锭模型主要包括钢锭、钢锭模、粘土砖、轻质砖和WDS板，模拟计算中的材料物性参数包括上述附具的密度、热导率、焓、液、固相线温度。其中，钢锭材料的物性参数是通过模拟计算软件的材料库计算得出的；粘土砖、轻质砖和WDS板的物性参数均为实验数据，见表2。

2 讨论与结果

2.1 保温砖结构对钢锭凝固过程的影响

保温砖的结构发生变化，主要对冒口处的钢液凝固顺序产生一定的影响，但差别并不大，对锭身的凝固顺序几乎没有影响。就保温效果来说，模型一最好，模型二次之，模型三最差(见图2)，在最后一张温度分布图中表现明显，模型一帽口中心的高温区域大于模型二和模型三。这与三层保温砖的热性能有关，粘土砖的导热系数最大，轻质砖次之，WDS导热系数最小，由此可见，三层保温砖的保温效果略微好些。这在钢锭的完全凝固时间上也有所体现(见图3)，全部为粘土砖材料的钢锭完全凝固时间最短，为21.4 h，使用轻质砖和WDS的钢锭完全凝固时间最长，为22.3 h，相差0.9 h，占总凝固时间的4.9%。最外层的保温砖由轻质砖(模型二)换为WDS板(模型一)，钢锭的完全凝固时间延长了0.6 h，说明WDS板的加入能够提高钢锭冒口区的保温效果。

轻质砖和WDS的加入，使得二次缩孔的位置上移(见图4)，有利于获得质量较好的钢锭。

2.2 保温砖结构对钢锭及保温砖温度分布的影响

钢锭的凝固前期温度升高是冒口上方的发热剂发热造成的，钢锭中部较边缘部位的温升幅度大(见图5a)。从曲线图可以看出，保温砖结构对钢锭凝固前期的温度分布几乎没有差别，随着时间的变化，温度分布开始出现差异，保温效果排序：模型一(三层保温砖)>模型二(两层保温砖)>模型三(一层保温砖)。

图4 钢锭的二次缩孔的分布情况Figure 4 Distribution of secondary shrinkage holesin ingots

图5 不同保温砖结构下的不同部位温度分布曲线图Figure 5 Temperature distribution curves of different partsunder different insulation brick structures

在粘土砖区域由里向外选取三个节点(图5b)，查看温度随时间的变化，各个点的温度依次为：模型一(三层保温砖)>模型二(两层保温砖)>模型三(一层保温砖)，这是因为三层保温砖中的轻质砖及WDS的整体保温效果要好些。从温度梯度上看，模型三(一层保温砖)>模型二(两层保温砖)>模型一(三层保温砖)，这主要是因为粘土砖后面的材质(轻质砖和WDS)热导率变小阻碍了热量的传递，使温度梯度减小。

在轻质砖区域由里向外选取三个节点(图5c)，需要注意的是，模型三(一层保温砖)的保温砖均为粘土砖，其它两个模型在此处为轻质砖。由温度曲线图可以看出，模型三(一层保温砖)的温度普遍低于其它两个模型，因为粘土砖的热导率大于轻质砖和WDS，热量传递较快，致使温度偏低，且温度梯度较小。WDS的热导率最小，热量不易散失，使得模型一(三层保温砖)的温度均偏高，且温度梯度较小。

因WDS厚度小，钢锭尺寸大，为方便模拟计算，WDS板创建了两层网格，因此，在WDS区域由里向外选取两个节点(图5d)，需要明确的是，模型一(三层保温砖)对应的该部分为WDS，而模型二(两层保温砖)、模型三(一层保温砖)分别对应的是轻质砖和粘土砖。从保温砖的温度分布来看，WDS的保温效果远高于轻质砖和粘土砖，两侧的温度梯度最大，高达400℃，而模型三(一层保温砖)的温度梯度几乎为0。

综上所述，轻质砖、WDS的设置对钢锭凝固后期和保温砖温度分布有一定的影响。

3 结语

加入轻质砖和WDS后，冒口部位的保温效果要优于只用粘土砖，使二次缩孔产生的位置微上移。这可能是由于粘土砖的厚度为160 mm，厚度较大，导致轻质砖和WDS的保温作用没有充分发挥出来，保温作用并不明显，尤其是WDS板，距离钢锭最远，其保温效果有限。建议减薄粘土砖厚度，以充分发挥轻质砖和WDS的保温作用。