大型钢锭铸造充型过程的数值模拟

房金乐，支旭波

(陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西汉中 724200)

大型钢锭铸造充型过程的数值模拟

房金乐，支旭波

(陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西汉中 724200)

为了减少某大型钢锭在铸造充型过程中产生的卷气、卷渣和浇不足等缺陷，通过对铸锭充型过程进行数值模拟，研究不同充型速度、压力和优化方案条件下流场、温度场的变化情况。模拟结果为:充型速度为1m/s，初始压力为300 000 Pa时较符合该钢锭的充型过程。为大型钢锭铸造充型过程工艺参数的选择和铸造模型的设计提供参考。

钢锭;卷气;充型过程;数值模拟

0 前言

为了减少大型钢锭在铸造充型过程中产生的卷气、卷渣和浇不足等缺陷，以及尽可能的对钢液凝固阶段提供均匀合适的温度场和流场。需要了解任一时刻金属液与空气接触的自由表面和金属液与壁面形成的界面的状况，并根据充型温度、压力以及浇注口参量等的变化，采取措施，调整钢锭的金属液流场和温度场达到最优。但是，在实际的大型钢锭铸造过程中，由于无法观测到在金属液充型的不同时刻流场和温度场的变化情况。因此，本文通过对铸锭充型过程进行数值模拟了解各时刻的状况。由于液-气之间的变化是三维的非稳态湍流流动，且考虑到型腔内气体的背压力、钢液通过浇注口进入型腔的惯性、金属液与型壁间导热系数和初始参量的设置等因素使模拟过程比较复杂，因此需要对初始和边界条件进行简化，且忽略计算精度和钢液凝固的理想条件。

1 数学模型的建立

1.1 建立液相流动数学模型的条件

为了提高计算效率，加快计算收敛，减少计算时间。在模拟过程中假设:(1)假设该模拟金属液为不可压缩的黏性牛顿流体;(2)型腔中为气-液两相非稳态湍流流动;(3)不考虑浇注过程对型腔充型过程的影响。该模型遵循连续性方程、动量方程和能量守恒方程［2］。

1.2 气相计算模型的条件

压铸充型过程中，型腔中的空气除了极少部分与高温液态金属发生化学反应消耗掉以外，其余均以气团的形式存在于型腔之中。这些气团因其所处环境不同可分为两种情况:一是位于液态金属流动的前沿，通过溢流槽与外界大气相连通气团;另一种是被金属液卷入内部而形成的孤立气团，即由于卷气现象而形成的金属液内部的气泡。在模铸中熔体代替空气，除了气体卷入附近的区域以外在熔体运动中空气的影响可以忽略的。主要关注的是空气卷入区域的位置，而不是准确的解决其周围的熔体的流动。因此对于卷气缺陷的主要研究是确定卷气的区域位置以及影响该区域位置的参数［6］。本文基于两个假设条件分析: (1)型腔中的气体是理想的气体;(2)型腔中的压力、温度、密度在每个气体群里是常数。

1.3 自由表面处理

分析钢液自由表面流动通常采用拉格朗日方法和欧拉方法［1］:拉格朗日方法采纳了一个移动网格系统，当自由面前进时每一个计算网格被移动和扭曲;欧拉方法使用一个固定的网格系统，整个计算完成才会变化。拉格朗日方法由于流体的改变，过渡扭曲网格有可能导致数值错误;欧拉方法计算网格事先被生成和在整个计算中被固定［3］。由于变形网格可以减少许多麻烦，欧拉方法已经可以模拟复杂的多相流动。流体体积法(VOF)［3］是目前计算流体力学领域中应用最广泛的界面捕捉方法，其优点是保证流体自动地遵循质量守恒原则，可以方便地模拟自由表面的分离、碰撞等非线性几何拓扑的问题，不需要再添加任何限制条件。所以本文采用VOF方法在模铸充型过程中追踪液-气两相之间自由表面的复杂变化［4］。

2 速度场和温度场的模拟

该钢锭的材料参数见表1。采用Gambit软件对该钢锭进行网格划分，节点数为257 740，总体积在5.049 237 m3，如图1所示。

表1 材料参数Tab.1Parameter of the material

图1 钢锭网格划分图Fig.1Mesh partition of the steel-ingot

在非稳态多相流体下假设浇注温度为1 808 K，铸型初始温度在一般常温情况下(大约25℃)。在迭代计算到五十万步以上时，计算便偏于稳定，但是很难趋于收敛。根据一定时间的迭代计算，在FLUENT软件里可以得到速度场和温度场的变化趋势，如图2所示。随着初始速度在外压力作用下，钢液在惯性力作用下一直向上喷冲，接近到达冒口区时由于钢液重力大于惯性力，金属液开始沿重力方向移动，但是在两力共同作用下金属液沿着两边型壁开始流动，如图3流场云图可以清晰反映速度在铸型里的变化，开始初始速度主要在入口处沿Z轴正方向流动，随着金属液在铸型里的逐步上升，导致金属液重力在不断增加，促使速度到达冒口区开始分流，朝Y轴正反方向流动，致使在Z轴中段，对于铸型里面未完全流出的空气进行包裹，从而形成小流速区域。图4为速度流线图，在金属液沿Z轴方向流动时，在Z轴、Y轴速度分流形成沿入口的对称回流区。由于金属液对铸型里面空气的包裹使之无法流出，造成铸造中的卷气缺陷，尤其在入口附近表现最为明显。

图2 YZ面温度场云图Fig.2Temperature field cloud chart of the YZ plane

图3 YZ轴流场云图Fig.3Flow flied cloud chart of the YZ axis

图4 YZ轴流场线性图Fig.4Flow field linear graph of the y and z direction

初始速度分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s时，在铸型中点和沿Y轴正方向边界的速度、温度变化图如图5、图6所示。分析可知，随着初始速度的增大，出口速度越大，温度变化越大;导致在充型结束以后无法给后期凝固过程提供温度梯度较小的理想条件。因此在保证充型过程顺利进行的情况下，尽可能的减小入口速度，这样可以引起钢液面波动小，也可以抑制大晶粒产生。通过多组模拟可知，在改变初始压力时对于迭代计算影响不是很明显，如果改变初始入口速度则在计算中波动比较大且易于发散。因此，流体速度是影响钢锭中出现卷气缺陷的主要原因。

图5 Y=0.431 m的速度、温度变化图Fig.5The speed-temperature variation diagram of Y=0.431 m

图6 Y=0.8 m不同初始速度下速度、温度变化图Fig.6The speed-temperature variation diagram of Y=0.8m under different initial velocity

3 实验验证

模拟结果可以得出压力在300 000 Pa，初始速度在1.0 m/s情况下，在速度和温度上满足于充型过程和后期凝固过程的要求。分别在X轴28 mm处进行取样分析，如图7可知，a样在Z轴中段处取出，由于初始速度沿Z轴垂直向上流动，很少有空气卷入，因此空气都排出锭型，很少有夹气情况存在。b样取于靠近型壁方向的试样，虽然整体夹气不是很多，但是由于靠近型壁已经在充型过程开始凝固，如果没有充足的时间，气体往外扩散可使很多气体存在于钢锭中。根据凝固过程是沿型壁往中心扩散，c样是靠近于入口方向，温度变化相比于b样变化慢，这样可以使靠近入口处有足够时间脱离钢液，所以出现的夹气多而气孔小。

4 结论

图7 金相图Fig.7Speed-temperature variation diagram of Y=0.8m under different initial pressure

通过对大型钢锭铸造充型过程的数值模拟和根据在模拟过程对充型过程夹气位置的判断，在后期对该位置的试样进行试验分析，基本可以验证模拟结果。再考虑到充型速度变化，在充型过程中产生卷气缺陷位置和流场影响为后期凝固过程提供适宜的温度场;比较得出，在充型速度为1 m/s、初始压力为300 000 Pa时较适合于该钢锭的充型过程。

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Numerical simulation of filling process in large steel-ingot

FANG Jin-le，ZHI Xu-bo
(Hanzhong Iron＆Steel Co.，Ltd.，Shaangang Group，Hanzhong 724200，China)

In order to reduce such as air entrapment，slag entrapment，misrun casting in filling process of large steel-ingot.This paper discussed change of flow field and temperature field under the different filling speed，pressure and optimization scheme，by numerical simulation to process of steel casting filling.The results show that it is more suitable for the steel ingot，filling speed is 1 m/s，and initial pressure is 300 000 Pa.It provided a reference for the process parameters selection and mold design in large steel-ingot filling process.

steel-ingot;gas entrapment;the filling process;numerical simulation

TG21+1

A

1001-196X(2014)06-0053-04

2014-07-15;

2014-08-29

房金乐(1982-)，男，陕钢集团汉中钢铁有限责任公司工程师，科技发展部副部长，主要从事炼轧钢工艺研究。