566 工程科学学报，第43卷，第4期 1.3 -15℃ 流，溶质元素富集的钢液会向内弧侧流动，进而导 25℃ 1.2 致内弧侧的宏观偏析强于外弧侧. 35℃ 为研究连铸二冷水量对铸坯横断面宏观偏析 的影响，在拉速为1.4mmin,过热度为35℃的 1.0 条件下，本模拟分别计算了二冷水量降低20%、正 0.9 常水量、二冷水量增加20%三种工况下铸坯的宏 观偏析.图7为铸坯横断面碳元素的分布云图， 0.8 图8为铸坯横断面中垂线上碳元素宏观偏析的定 Loose side 0.7 Fixed side 90 60300-30-60 -90 量结果.可以看出，连铸二冷水量对铸坯中心偏析 Distance from billet center/mm 和枝晶转变处偏析影响较小，且影响规律不明显 图6过热度对铸坯宏观偏析的定量影响 随着连铸二冷水量的增加，铸坯中心偏析有所改 Fig.6 Effect of superheat on the quantized results of the macro- 善，但是改善程度很小，铸坯中心碳偏析度从 segregation 1.16降低至1.13.这主要是因为在凝固中后期，凝 于铸坯的外弧侧.这是由于连铸过程中，当铸坯切 固坯壳较厚，二冷水量的改变对铸坯芯部的冷却 片运动至弧形段以及水平段后，重力方向将不再 条件影响较小，即对凝固后期钢液的凝固时间影 垂直于铸坯横断面，进而产生平行于铸坯横断面 响较小，溶质扩散时间改变有限，进而对铸坯中心 的重力分量，钢液受到溶质浮力的影响而产生对 偏析影响较小 Loose side Mass fraction of C/ 02600 0.2527 0.2453 0.2380 02307 0.2233 0.2160 0.2087 0.2013 0.1940 0.1867 0.1793 0.1720 0.1647 0.1573 Decrease 20% Normal Increase 20% 0.1500 图7二冷水量对铸坯宏观偏析的影响 Fig.7 Effect of secondary cooling water flow on macrosegregation of the billet 1.3 件下的宏观偏析，图9为铸坯横断面碳元素的分 Decrease 20% 12 -Normal 布云图，图10为铸坯横断面中垂线上碳元素宏观 Increase 20% 偏析的定量结果.可以看出，拉速的变化对铸坯中 1.1 心偏析的影响较为显著，随着拉坯速度的增加，铸 1.0 坯中心偏析呈现加重的趋势，铸坯中心碳偏析度 由1.14增加至1.21.主要是因为随着拉坯速度的 0.9 提高，连铸坯在结晶器区和二冷区停留时间变短， 0.8 使得凝固末端向后移动，图11显示拉坯速度在 Loose side 0.7 Fixed side 1.2、1.4和1.6mmin时，凝固末端位置距离弯月 0 60300-30-60 -90 Distance from billet center/mm 面分别为9.6、11.7和13.9m.进而溶质元素有更 图8二冷水量对铸坯宏观偏析的定量影响 长的扩散时间，使得更多的溶质元素扩散到后期 Fig.8 Effect of secondary cooling water flow on the quantized results of 凝固的钢液中，加剧了铸坯的中心偏析 macrosegregation 4结论 为研究拉坯速度对铸坯横断面宏观偏析的影 响，在过热度为35℃，正常二冷水量条件下，本模 本文建立了连铸移动切片模型，能够高效模 型分别计算了1.2、1.4和1.6mmin三种拉速条 拟连铸过程中的宏观偏析并及时反馈模拟结果于铸坯的外弧侧. 这是由于连铸过程中，当铸坯切 片运动至弧形段以及水平段后，重力方向将不再 垂直于铸坯横断面，进而产生平行于铸坯横断面 的重力分量，钢液受到溶质浮力的影响而产生对 流，溶质元素富集的钢液会向内弧侧流动，进而导 致内弧侧的宏观偏析强于外弧侧. 为研究连铸二冷水量对铸坯横断面宏观偏析 的影响，在拉速为 1.4 m·min−1，过热度为 35 ℃ 的 条件下，本模拟分别计算了二冷水量降低 20%、正 常水量、二冷水量增加 20% 三种工况下铸坯的宏 观偏析. 图 7 为铸坯横断面碳元素的分布云图， 图 8 为铸坯横断面中垂线上碳元素宏观偏析的定 量结果. 可以看出，连铸二冷水量对铸坯中心偏析 和枝晶转变处偏析影响较小，且影响规律不明显. 随着连铸二冷水量的增加，铸坯中心偏析有所改 善 ，但是改善程度很小 ，铸坯中心碳偏析度 从 1.16 降低至 1.13. 这主要是因为在凝固中后期，凝 固坯壳较厚，二冷水量的改变对铸坯芯部的冷却 条件影响较小，即对凝固后期钢液的凝固时间影 响较小，溶质扩散时间改变有限，进而对铸坯中心 偏析影响较小. Loose side Decrease 20% Normal Increase 20% Mass fraction of C/% 0.2600 0.2527 0.2453 0.2380 0.2307 0.2233 0.2160 0.2087 0.2013 0.1940 0.1867 0.1793 0.1720 0.1647 0.1573 0.1500 图 7    二冷水量对铸坯宏观偏析的影响 Fig.7    Effect of secondary cooling water flow on macrosegregation of the billet 90 60 30 0 −30 −60 −90 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 Fixed side Degree of segregation Distance from billet center/mm Decrease 20% Normal Increase 20% Loose side 图 8    二冷水量对铸坯宏观偏析的定量影响 Fig.8    Effect of secondary cooling water flow on the quantized results of macrosegregation 为研究拉坯速度对铸坯横断面宏观偏析的影 响，在过热度为 35 ℃，正常二冷水量条件下，本模 型分别计算了 1.2、1.4 和 1.6 m·min−1 三种拉速条 件下的宏观偏析. 图 9 为铸坯横断面碳元素的分 布云图，图 10 为铸坯横断面中垂线上碳元素宏观 偏析的定量结果. 可以看出，拉速的变化对铸坯中 心偏析的影响较为显著，随着拉坯速度的增加，铸 坯中心偏析呈现加重的趋势，铸坯中心碳偏析度 由 1.14 增加至 1.21. 主要是因为随着拉坯速度的 提高，连铸坯在结晶器区和二冷区停留时间变短， 使得凝固末端向后移动，图 11 显示拉坯速度在 1.2、1.4 和 1.6 m·min−1 时，凝固末端位置距离弯月 面分别为 9.6、11.7 和 13.9 m. 进而溶质元素有更 长的扩散时间，使得更多的溶质元素扩散到后期 凝固的钢液中，加剧了铸坯的中心偏析. 4    结论 本文建立了连铸移动切片模型，能够高效模 拟连铸过程中的宏观偏析并及时反馈模拟结果. 90 60 30 0 −30 −60 −90 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 Fixed side Degree of segregation Distance from billet center/mm 15 ℃ 25 ℃ 35 ℃ Loose side 图 6    过热度对铸坯宏观偏析的定量影响 Fig.6     Effect  of  superheat  on  the  quantized  results  of  the  macro￾segregation · 566 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期