·1066 工程科学学报，第40卷，第9期 niscus may be wrapped by the rapidly cooled molten steel above the primary hook.In the vertical shell between the two adjacent hooks, small-size inclusions (less than 100 um)may be wrapped by the solidified front,but large-size inclusions are difficult to be wrapped. KEY WORDS ultralow-earbon steel:continuous casting:oscillation marks:solidified hooks;inclusion entrapment;force analysis 超低碳钢系列冷轧钢板一般应用于汽车、家电 当前研究对这一领域的认识尚不够全面. 覆盖件及电池壳等领域，其表面质量要求极为严 对于夹杂物在凝固前沿的受力分析，Thomas 格.特别是电动汽车电池壳用钢领域，为避免电 等6在2008年研究了结晶器出口附近坯壳凝固前 池服役过程发生漏液、爆炸等重大事故，下游客户一 沿附近夹杂物的受力特点.苑鹏等m在2015年分 般要求其表面达到双面O5级别.研究表明，多数冷 析了马兰格尼力对不同尺寸夹杂物的作用规律.但 轧产品表面质量缺陷与连铸坯表层洁净度有 是对于具体的凝固钩表面不同位置，由于前人未能 关P-),由于超低碳钢连铸坯皮下钩状坯壳(hook, 确定坯壳复杂的内腔形状以及夹杂物受力参数，其 又称凝固钩)的存在，超低碳钢连铸坯表层夹杂物 捕集夹杂物的作用规律尚鲜有报道.本文通过数值 含量明显高于铸坯内部.为此，生产企业需要对 模拟，计算了坯壳在初始凝固过程中的钩状坯壳在 连铸坯进行表面修磨或火焰清理（俗称“扒皮”），这 不同高度处的尺寸分布及演变特征.根据模拟结果 严重影响了制造成本和生产效率. 制作了物理模型，在线观察了凝固钩捕集夹杂物的 早在20世纪70年代，Emi)学者发现了连铸 具体过程，并对凝固钩附近不同区域的夹杂物进行 坯皮下的钩状坯壳的存在.1981年，Tomono等圆提 了受力分析. 出弯月面凝固与钢液溢流的钩状坯壳形成机理. 2002年，Fredriksson与Elfsberg可发现凝固坯壳、钢 1 研究方法 液和保护渣的三相交接点在表面张力和重力作用下 1.1钩状坯壳形状演变的数值模拟 会达到平衡，钢液的弯月面形状满足Bikerman方 针对连铸坯皮下钩状坯壳，建立结晶器内坯壳 程.2006~2007年，Thomas教授团队0-通过数值 初始凝固过程的数值模型，分析钩状坯壳的形成与 模拟综合分析了初始凝固过程中坯壳受到的热应 演变行为.为减少模型的运算量和分析成本，根据 力、机械压力、钢液静压力等多重作用下，用组图和 连铸坯表面中心区域传热行为的对称性，忽略沿铸 动画的形式，形象地揭示了凝固钩的形成过程.对 坯表面方向的水平传热，在表面中心沿高度方向建 于弯月面处钢液溢流的发生时间，传统的连铸坯初 立一个纵向的二维切片模型.由弯月面向下模型高 始凝固过程分析认为发生在负滑脱阶段2).近 年来杨文等学者研究后认为，钢液溢流行为发生 度为163.5mm(20个振痕间距高度)，沿坯壳生长 方向模型宽度为10mm.利用ANSYS大型有限元软 在正滑脱后期和负滑脱前期两个阶段. 总体看来，前人们经过多年的探索、争论，目前 件求解模型的传热过程.模型形状及在结晶器内的 位置示意如图1所示. 对钩状坯壳的形成过程已经有了较为深入的认识. 但是，对于凝固钩形成以后随着坯壳下行过程中的 超低碳钢连铸坯坯壳内的钩状结构形成机理十 分复杂.坯壳在弯月面初始凝固过程中受到结晶 演变行为，当前研究尚显不足.有学者认为凝固钩 形成以后下行一个振动周期即埋没进入坯壳. 器、渣圈、渣膜、下部坯壳、内部液态钢液等多方面的 然而实际上一个振痕间距仅为10mm左右，而金相 传热和应力的综合作用.本模型基于弯月面凝固与 分析连铸坯表层钩状坯壳的深度一般为2~4 溢流的凝固钩形成原理网建立数值模拟模型.模型 mm的，通过分析结晶器铜板的热流密度知，坯壳很 采用以下简化和假设： 难在如此短的距离即形成埋没凝固钩所需的的坯壳 (1)依据工业生产连铸坯金相形貌绘制模型的 厚度.此外，观察低碳钢连铸的漏钢坯壳通常会发 振痕形状. 现，在顶端弯月面以下几十毫米范围内其内腔并非 (2)模型的弯月面形状符合Bikerman方程回， 自上而下光滑均匀的，而是伴随了坯壳外部的振痕 式(1)~(3)，忽略保护渣渣道压力变化对凝固钩的 在内腔呈现规律性的隆起形状.因此，凝固钩形成 影响： 以后随坯壳下移必然有一个演变的过程，该过程导 致坯壳内腔的不均匀性变化.这对凝固前沿的钢液 x-=-√2-2+2@n@+2@- 2 微观流场以及夹杂物的运动行为都有较大的影响， (1)工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 niscus may be wrapped by the rapidly cooled molten steel above the primary hook． In the vertical shell between the two adjacent hooks， small-size inclusions ( less than 100 μm) may be wrapped by the solidified front，but large-size inclusions are difficult to be wrapped． KEY WOＲDS ultralow-carbon steel; continuous casting; oscillation marks; solidified hooks; inclusion entrapment; force analysis 超低碳钢系列冷轧钢板一般应用于汽车、家电 覆盖件及电池壳等领域，其表面质量要求极为严 格［1--2］． 特别是电动汽车电池壳用钢领域，为避免电 池服役过程发生漏液、爆炸等重大事故，下游客户一 般要求其表面达到双面 O5 级别． 研究表明，多数冷 轧产品表面质量缺陷与连铸坯表层洁净度有 关［2--3］． 由于超低碳钢连铸坯皮下钩状坯壳( hook， 又称凝固钩) 的存在，超低碳钢连铸坯表层夹杂物 含量明显高于铸坯内部［4--6］． 为此，生产企业需要对 连铸坯进行表面修磨或火焰清理( 俗称“扒皮”) ，这 严重影响了制造成本和生产效率． 早在 20 世纪 70 年代，Emi［7］学者发现了连铸 坯皮下的钩状坯壳的存在． 1981 年，Tomono 等［8］提 出弯月面凝固与钢液溢流的钩状坯壳形成机理． 2002 年，Fredriksson 与 Elfsberg［9］发现凝固坯壳、钢 液和保护渣的三相交接点在表面张力和重力作用下 会达到平衡，钢液的弯月面形状满足 Bikerman 方 程． 2006 ～ 2007 年，Thomas 教授团队［10--11］通过数值 模拟综合分析了初始凝固过程中坯壳受到的热应 力、机械压力、钢液静压力等多重作用下，用组图和 动画的形式，形象地揭示了凝固钩的形成过程． 对 于弯月面处钢液溢流的发生时间，传统的连铸坯初 始凝固过程分析认为发生在负滑脱阶段［12--13］． 近 年来杨文等［14］学者研究后认为，钢液溢流行为发生 在正滑脱后期和负滑脱前期两个阶段． 总体看来，前人们经过多年的探索、争论，目前 对钩状坯壳的形成过程已经有了较为深入的认识． 但是，对于凝固钩形成以后随着坯壳下行过程中的 演变行为，当前研究尚显不足． 有学者认为凝固钩 形成以后下行一个振动周期即埋没进入坯壳［11］． 然而实际上一个振痕间距仅为 10 mm 左右，而金相 分析连 铸 坯 表 层 钩 状 坯 壳 的 深 度 一 般 为 2 ～ 4 mm［15］，通过分析结晶器铜板的热流密度知，坯壳很 难在如此短的距离即形成埋没凝固钩所需的的坯壳 厚度． 此外，观察低碳钢连铸的漏钢坯壳通常会发 现，在顶端弯月面以下几十毫米范围内其内腔并非 自上而下光滑均匀的，而是伴随了坯壳外部的振痕 在内腔呈现规律性的隆起形状． 因此，凝固钩形成 以后随坯壳下移必然有一个演变的过程，该过程导 致坯壳内腔的不均匀性变化． 这对凝固前沿的钢液 微观流场以及夹杂物的运动行为都有较大的影响， 当前研究对这一领域的认识尚不够全面． 对于夹杂物在凝固前沿的受力分析，Thomas 等［16］在 2008 年研究了结晶器出口附近坯壳凝固前 沿附近夹杂物的受力特点． 苑鹏等［17］在 2015 年分 析了马兰格尼力对不同尺寸夹杂物的作用规律． 但 是对于具体的凝固钩表面不同位置，由于前人未能 确定坯壳复杂的内腔形状以及夹杂物受力参数，其 捕集夹杂物的作用规律尚鲜有报道． 本文通过数值 模拟，计算了坯壳在初始凝固过程中的钩状坯壳在 不同高度处的尺寸分布及演变特征． 根据模拟结果 制作了物理模型，在线观察了凝固钩捕集夹杂物的 具体过程，并对凝固钩附近不同区域的夹杂物进行 了受力分析． 1 研究方法 1. 1 钩状坯壳形状演变的数值模拟 针对连铸坯皮下钩状坯壳，建立结晶器内坯壳 初始凝固过程的数值模型，分析钩状坯壳的形成与 演变行为． 为减少模型的运算量和分析成本，根据 连铸坯表面中心区域传热行为的对称性，忽略沿铸 坯表面方向的水平传热，在表面中心沿高度方向建 立一个纵向的二维切片模型． 由弯月面向下模型高 度为 163. 5 mm( 20 个振痕间距高度) ，沿坯壳生长 方向模型宽度为 10 mm． 利用 ANSYS 大型有限元软 件求解模型的传热过程． 模型形状及在结晶器内的 位置示意如图 1 所示． 超低碳钢连铸坯坯壳内的钩状结构形成机理十 分复杂． 坯壳在弯月面初始凝固过程中受到结晶 器、渣圈、渣膜、下部坯壳、内部液态钢液等多方面的 传热和应力的综合作用． 本模型基于弯月面凝固与 溢流的凝固钩形成原理［8］建立数值模拟模型． 模型 采用以下简化和假设: ( 1) 依据工业生产连铸坯金相形貌绘制模型的 振痕形状． ( 2) 模型的弯月面形状符合 Bikerman 方程［9］， 式( 1) ～ ( 3) ，忽略保护渣渣道压力变化对凝固钩的 影响: x － x0 = － 2a2 槡 sf － z 2 + 2a2 槡 sf 2 ( ln 2a2 槡 sf + 2a2 槡 sf － z 2 ) z ( 1) · 6601 ·