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    電渣重熔技術(shù)是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大型鋼錠的有效方法。根據(jù)電渣重熔設(shè)計(jì)填充比和高徑比兩個(gè)參數(shù)的限定，電渣重熔所需的自耗電極錠不斷向細(xì)長(zhǎng)化方向發(fā)展。電極錠高徑比越大，其橫向和縱向的凝固速度相差越大，越容易在凝固末端造成收縮不均勻，最終導(dǎo)致縮孔、縮松和裂紋等缺陷的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響電極錠的品質(zhì)及其使用壽命。鑒于此，本課題選用截面尺寸為4soomm，高徑比為9的細(xì)長(zhǎng)電極錠為研究對(duì)象，利用AnyCasting軟件對(duì)該錠凝固過(guò)程中的缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬，并依據(jù)Niyama判據(jù)，對(duì)凝固缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析了工藝參數(shù)對(duì)凝固過(guò)程影響，為改進(jìn)電極錠鑄造工藝提供參考。

1  模型建立

1.1  實(shí)體建模與網(wǎng)格劃分

    模擬的細(xì)長(zhǎng)電極錠參數(shù)見(jiàn)表l。電極錠的幾何模型見(jiàn)圖1。利用SolidWorks軟件對(duì)電極錠進(jìn)行3D建模，模型組件包括電極錠、錠模、保溫冒口、保溫層和水口磚，使用AnyMesh模塊對(duì)整個(gè)電極錠進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為582 736個(gè)。

1.2基本假設(shè)

    對(duì)電極錠充型凝固過(guò)程中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)作如下假設(shè)：①高溫鋼水為不可壓縮流體；②不同界面的傳熱系數(shù)隨溫度變化；③忽略鋼水凝固后的固態(tài)相變過(guò)程，假定其為單相流體。

1.3初始條件和邊界條件

    考慮到所用電極錠凝固時(shí)間遠(yuǎn)大于澆注時(shí)間，可忽略澆注過(guò)程中中間包內(nèi)的溫降，將澆注溫度設(shè)為初始溫度。初始溫度設(shè)為1 560℃，鋼錠模初始溫度為80℃，環(huán)境溫度為20℃。由于鋼水的凝固收縮，在電極錠和錠模之間會(huì)產(chǎn)生氣隙，因此，傳熱模型中應(yīng)對(duì)電極錠和錠模間的界面熱阻加以考慮，錠一模間的傳熱計(jì)算公式如下：

式中，q為熱流密度，J/(m2·s);h為傳熱系數(shù)，W/(m2 ·°C)；T steel為電極錠外表面溫度，℃；T mold為錠模溫度，K。

  考慮到隨著溫度的降低，錠模內(nèi)部的鋼水會(huì)發(fā)生凝固收縮，容易使之與錠模之間產(chǎn)生氣隙，導(dǎo)致傳熱系數(shù)h的降低。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用逆解析的方法，將模擬得到的h值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行擬合，最終得到傳熱系數(shù)h與錠模內(nèi)部鋼錠外表面溫度變化曲線，見(jiàn)圖2，其中1 495℃為液相線溫度，1 344℃為固相線溫度。

2模擬結(jié)果與分析

  設(shè)計(jì)5組方案．利用Niyama判據(jù)作為預(yù)測(cè)的縮孔和縮松缺陷產(chǎn)生的依據(jù)，不同工藝參數(shù)對(duì)凝固缺陷的影響。模擬參數(shù)與方案見(jiàn)表2。

2.1  冒容比對(duì)凝固缺陷的影響

    冒容比對(duì)電極錠凝固缺陷的影響見(jiàn)圖3。圖3a是冒容比為5%時(shí)電極錠剖面凝固缺陷圖�？梢钥闯�，由于冒容比較小，冒口的保溫能力受到限制，無(wú)法對(duì)電極錠中心部位的孤立液相區(qū)進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)縮，最終導(dǎo)致電極錠中心偏上區(qū)域產(chǎn)生二次縮孔。此外，由于電極錠高徑比大，且錐度小，容易使鋼水在其心部出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，導(dǎo)致中心偏析和縮松的產(chǎn)生。當(dāng)冒容比增至10%時(shí)（見(jiàn)圖3b），電極錠中心偏上區(qū)域的二次縮孔消失，僅在冒口頂部出現(xiàn)一個(gè)倒錐型縮孔。但是，中軸線附近出現(xiàn)縮松的概率增大，錠身邊部無(wú)明顯的縮松產(chǎn)生。這說(shuō)明適當(dāng)增加冒容比，可有效延緩電極錠上部鋼水凝固進(jìn)程，從而減少二次縮孔缺陷的產(chǎn)生。因此，設(shè)定冒容比為10%更為合理。

2.2  發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間對(duì)凝固缺陷的影響

    發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間對(duì)電極錠凝固缺陷的影響見(jiàn)圖4�？梢钥闯觯瑘D4a是發(fā)熱劑發(fā)熱30 min時(shí)電極錠剖面凝固缺陷圖。由于發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間短，冒口的熱量散失較快，補(bǔ)縮效率較低。當(dāng)冒口內(nèi)鋼水凝固速率高于電極錠的凝固速率時(shí)，會(huì)使電極錠最后凝固區(qū)域（心部）補(bǔ)縮受

阻，最終導(dǎo)致在冒口頂部出現(xiàn)一個(gè)很深的縮孔。隨著發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間的延長(zhǎng)（見(jiàn)圖4b），冒口內(nèi)熱量散失很慢，能夠有效延緩其內(nèi)部鋼水的凝固進(jìn)程，使電極錠的補(bǔ)縮（尤其是心部補(bǔ)縮）更加充分，冒口內(nèi)部呈淺碟形，補(bǔ)縮效率較高，電極錠中出現(xiàn)缺陷的概率明顯降低。因此，選用發(fā)熱劑發(fā)熱60 min能對(duì)減少縮孔和縮松等缺陷起到較好的作用。

2.3澆注溫度對(duì)凝固缺陷的影響

    澆注溫度對(duì)電極錠凝固缺陷的影響見(jiàn)圖5。圖5a是澆注溫度為1 520℃時(shí)電極錠剖面凝固缺陷圖�？梢钥闯�，由于該澆注溫度較低，鋼錠模內(nèi)鋼水粘度值大，流動(dòng)性較差，一方面導(dǎo)致鋼水的充型能力較差，容易產(chǎn)生表面缺陷。另一方面會(huì)縮短電極錠凝固所需時(shí)間，導(dǎo)致冒口補(bǔ)縮不佳，最終在其頂部形成嚴(yán)重的倒錐型縮孔，并在縮孔外側(cè)伴有大量縮松。隨著澆注溫度的升高（見(jiàn)圖5b），錠模內(nèi)部鋼水凝固時(shí)間長(zhǎng)，凝固收縮相對(duì)均勻，冒口對(duì)電極錠的補(bǔ)縮更加充分，凝固結(jié)束后產(chǎn)生的縮孔較小。因此，澆注溫度為1560℃較為合理。

2.4澆注速度對(duì)凝固缺陷的影響

    澆注速度對(duì)缺陷的影響見(jiàn)圖6。圖6a是澆注速度為0. 35 m/s時(shí)電極錠的剖面凝固缺陷圖。由于澆注速度較低，鋼水的流動(dòng)較慢，導(dǎo)致靠近鋼錠模部位的收縮得不到有效補(bǔ)償，從而形成縮孔和縮松。另一方面，電極錠橫向和縱向凝固速度不均會(huì)導(dǎo)致其心部的收縮滯后于表層，最終在冒口頂部出現(xiàn)一個(gè)明顯的倒錐型縮孔，電極錠中心出現(xiàn)缺陷概率較大。當(dāng)澆注速度增至0. 65 m/s時(shí)（見(jiàn)圖6b），鋼錠模內(nèi)凝固收縮得到有效改善，冒口對(duì)電極錠的補(bǔ)縮更加充分，縮孔變?yōu)闇\碟型。同時(shí)，在電極錠中心區(qū)域出現(xiàn)縮松的概率大大降低。因此，在保證平穩(wěn)澆注的前提下，適當(dāng)提高澆注速度可有效減少電極錠的凝固缺陷。選用0. 65 m/s的澆注速度較為合理。

2.5優(yōu)化工藝參數(shù)后電極錠的凝固缺陷

    優(yōu)化工藝參數(shù)后電極錠的凝固缺陷剖面圖見(jiàn)圖7�？梢钥闯觯�電極錠僅在冒口頂部出現(xiàn)一個(gè)縮孔，且該縮孔形狀較為規(guī)則且平整，而電極錠中軸線附近出現(xiàn)縮松的概率要明顯降低。這充分說(shuō)明，通過(guò)調(diào)節(jié)冒容比、發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間、澆注溫度和澆注速度等參數(shù)可明顯延緩鋼水凝固進(jìn)程，使電極錠凝固收縮更加均勻，進(jìn)而減少凝固缺陷的產(chǎn)生，提高了冒口的補(bǔ)縮效率。

3  結(jié)  論

    (l)利用AnyCasting軟件模擬細(xì)長(zhǎng)電極錠的凝固缺陷位置，發(fā)現(xiàn)缺陷主要分布在冒口頂部和電極錠心部，和實(shí)際凝固過(guò)程中產(chǎn)生缺陷部位基本一致。

(2)選取冒容比為10%，發(fā)熱劑發(fā)熱60 min，澆注溫度為1 560℃和澆注速度為0. 65 m/s，可有效改善電極錠的缺陷，使縮松和縮孔出現(xiàn)概率大大降低。

4摘  要  以高徑比為9的細(xì)長(zhǎng)電極錠為研究對(duì)象，利用AnyCasting軟件對(duì)該錠凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并依據(jù)Niyama判據(jù)，對(duì)凝固缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析冒容比、發(fā)熱劑發(fā)熱時(shí)間、澆注溫度和澆注速度等工藝參數(shù)對(duì)凝固缺陷的影響。模擬結(jié)果表明，利用AnyCasting模擬出細(xì)長(zhǎng)電極錠的凝固缺陷主要分布在冒口頂部和電極錠心部，和實(shí)際凝固過(guò)程中產(chǎn)生缺陷部位基本一致；冒容比為10%，發(fā)熱劑發(fā)熱60 min，澆注溫度為1 560℃和澆注速度為0.65 m/。時(shí)，可有效改善電極錠的缺陷，得到品質(zhì)合格的電極錠。