D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.02.043 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 连铸异型坯疑固过程的数值模拟 娄娟娟”包燕平”刘建华”孙维)杜松林)黄社清) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山243003 摘要为了解决连铸异形坯的表面及内部裂纹问题，以实测异形坯连铸工艺参数作边界 条件，采用有限元方法，利用ANSYS商业软件对铸坯的凝固发展过程进行了数值模拟，模拟 结果与实测铸坯表面温度吻合.计算结果表明，对于SS400异型坯，在当前的工艺条件下，仅 有圆角处的表面温度在二冷区中前段，温度处于高温塑性区，铸坯的其他部位表面温度均落 在相应钢种的低温脆性区，因此二冷区可以进一步采用弱冷方式，使异型坯在二冷段和矫直 辊前的表面温度处于高温塑性区， 关键词异型坯：连铸：凝固；二次冷却；数值模拟 分类号TF777.7 热轧H型钢是一种经济断面型材，具有优良 位的凝固特性相差较大，极易引起冷却不均或过 的力学性能和优越的使用性能，连铸异型坯是生 冷等问题 产H型钢的最理想的坯料.由于近终型异型坯 连铸技术在我国还处于起步阶段，以及该技术的 翼梢窄面内缘 腹板 翼缘 复杂性，因此有许多技术问题急需进行开发、研 究.其中连铸异型坯的内部裂纹和表面网状裂纹 是需要解决的迫切问题。 H型铸坯由于其形状复杂，人们对其温度 场、应力场的分析很少，因而对其裂纹的研究也 只是处于起步阶段.本研究在连铸异形坯凝固 传热特点的基础上，建立异形坯凝固传热模型， 图1连铸异形还横断面形状 计算异形坯凝固过程中的温度分布，通过实测铸 Fig.1 Cross-section of a beam blank by continuous casting 坯表面温度对传热模型的可靠性进行验证.同 马钢的异型坯连铸机工艺和设备参数为：铸 时，分析马钢H型铸坯的裂纹产生原因，以优化 机弧形半径为10m,异型坯连铸机二冷区包括足 生产工艺 辊和三个独立的二冷段（如图2），二冷区四个冷 却段长度分别为0.26,0.96,2.08,3.2m.二冷区采 1异型还凝固过程中的传热 用气雾冷却. 异形坯横断面形状如图1所示.异形坯的比 表面积大，冷却条件好.但是由于俦坯的独特形 足辊区 状，在凝固过程中，翼缘的坯壳处于二维凝固区 A段 域，凝固速率最快：而腹板处于一维凝固区域，凝 固速率较慢，内缘处坯壳的比表面积较腹板更 B1段 辐射区 小，凝固速率也较腹板处的坯壳更小，所以各部 B2段 收稿日期：200411-10修回日期：200501-12 基金项目：国家经贸委攻关项目N0.2002-566) 图2异形还连铸机二冷区示意图 作者简介：娄娟娟(1982一)，女，硕士研究生 Fig.2 Secondary cooling zone of a beam blank caster第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f s e i e n e e a n d eT c h n o fo yg B e ij i n g V b l . 2 7 N o . 2 A P r. 2 0 0 5 连铸异型坯凝固过程 的数值模拟 姿娟 娟 ” 包燕平 ” 刘 建华 ” 孙 维 2 , 杜松林 2 , 黄社 清 ” l) 北 京 科技大 学冶金 与生 态工 程学 院 , 北京 10 00 8 3 2) 马鞍 山 钢铁 股份 有限 公 司 , 马鞍 山 2 4 3 0 03 摘 要 为 了解决连 铸 异形 坯的 表面及 内部裂纹 问题 , 以实测异 形坯 连铸 工艺 参数 作边 界 条 件 , 采用 有 限元 方法 , 利用 A N S Y S 商业 软件 对铸 坯 的凝 固发展 过程 进行 了数 值模拟 , 模拟 结 果与 实测铸 坯 表面 温度 吻合 . 计算 结果 表 明 , 对 于 5 5 4 0 异 型坯 , 在 当前 的工 艺条件 下 , 仅 有 圆角 处 的表 面温 度在 二冷 区 中前段 , 温 度 处于 高温 塑性 区 , 铸坯 的其 他 部位表 面温度 均 落 在 相应钢 种 的低温 脆性 区 . 因 此 二 冷 区 可 以进一 步采 用弱冷 方 式 , 使 异型 坯在二 冷段 和矫 直 辊 前的表 面温 度 处于 高温塑 性 区 . 关键 词 异 型坯 ; 连铸 ; 凝 固 ; 二次冷 却 ; 数值 模拟 分 类号 吓 7 7 7 . 7 热 轧 H 型钢 是 一种 经 济 断面 型材 , 具 有优 良 的力 学性 能和优 越 的使用 性 能 , 连铸 异型 坯 是生 产 H 型 钢 的最 理想 的坯料 `1] . 由于近 终 型 异型 坯 连 铸技 术在 我 国还处 于起 步 阶段 , 以及 该 技术 的 复 杂 性 , 因 此有 许 多技 术 问题 急 需进 行 开发 、 研 究 . 其 中连 铸异 型坯 的 内部裂 纹 和表 面 网 状裂 纹 是 需 要解 决 的迫 切 问题 . H 型 铸 坯 由于 其 形 状 复 杂 , 人 们 对 其 温 度 场 、 应 力场 的分 析 很少 , 因而对 其 裂纹 的研 究 也 只 是 处于起 步 阶段 份,3l . 本研 究 在连 铸异 形 坯凝 固 传 热特 点 的基 础 上 , 建立 异 形坯 凝 固传 热 模型 , 计 算异 形坯 凝 固过程 中的温度 分 布 , 通过 实测 铸 坯 表 面 温 度对 传 热 模 型 的可 靠 性 进 行验 证 . 同 时 , 分析 马钢 H 型铸 坯 的裂 纹产 生 原 因 , 以优 化 生产 工 艺 . 位 的凝 固特 性相 差较 大 , 极 易引起 冷却 不均 或过 冷 等 问题 . 翼梢 窄面 内缘 腹板 翼缘 图 1 连铸 异形 坯横 断面 形状 F i乡 I C哪 s一e e it o n o f a b e a m b l a ” k 勿 e o . it D u o u s e a s ti n g 1 异 型 坯 凝 固 过 程 中的传 热 异 形 坯横 断 面形 状 如 图 l 所 示 . 异形 坯 的 比 表面 积 大 , 冷 却条 件 好 . 但 是 由于 铸坯 的独特 形 状 , 在 凝 固过 程 中 , 翼 缘 的坯 壳 处于 二维 凝 固 区 域 , 凝 固速率 最快 ; 而 腹板 处于 一维 凝 固区域 , 凝 固速 率较 慢 , 内缘 处 坯 壳 的 比表 面 积 较 腹 板 更 小 , 凝 固速 率 也较 腹 板 处 的坯 壳更 小 , 所 以 各部 收稿 日期 : 2 0 0-4 1 1 一 1 0 修 回 日期 : 2 00 5一 1 一 12 基金 项 目 : 国 家经贸委攻 关项 目(N 。 . 2 0 0 2 一 56 6) 作者 简介 : 娄娟 娟 ( 19 82 一) , 女 , 硕 士 研 究生 马钢 的异 型坯 连铸 机工 艺 和设 备参 数 为 : 铸 机 弧 形半 径为 10 m , 异 型坯 连 铸机 二冷 区 包括足 辊和 三个 独 立 的二 冷段 (如 图 2) , 二冷 区 四个 冷 却段 长度 分 别 为 .0 26 , .0 % , .2 08 , 3 . 2 m . 二 冷 区采 用气 雾冷 却 . A 段 辐射区 图 2 异 形坯连 铸机 二冷 区示意 图 F ig · 2 S e e o n d a yr e o o li n g z o n e o f a b e a ln b l a n k c a s t e r DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 043