注溫

注溫即澆注溫度。在冶煉過程中隨著澆注溫度的提高，夾雜可上浮時間延長，但鋼錠完全凝固時間也隨之加長，延長生產周期。縮松區域有減小的趨勢，二次縮孔有增大的趨勢。不同澆注溫度下， 鋼錠的凝固順序均是由鋼錠底部逐漸向鋼錠頂部移動的，隨著時間的推移，底盤的冷卻作用逐漸變小，側模的冷卻作用逐漸增強，導致凝固前沿呈狹長的V字形。

基本介紹

• 中文名：注溫
• 外文名：The injection temperature
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 定義：澆注溫度
• 影響：鋼錠質量

簡介

鋼錠質量的好壞直接關係到鋼錠的性能和出品率，影響鋼錠質量的因素較多，包括鋼錠模的尺寸設計、保溫材料的合理使用和澆注工藝的選擇最佳化等。其中，鋼液的澆注溫度是最為重要的因素之一。澆注溫度過高時，雖然有利於夾渣的上浮，得到潔淨度較高的鋼錠，但同時，鋼錠也會存在以下缺陷：鑄造組織粗大，產生縮孔、縮松等缺陷，就企業方面來說， 還會增加能源消耗和延長生產周期；澆注溫度過低時，鋼液的粘度高，流動性差，易產生冷隔，導致補縮通道受阻，易產生縮松缺陷，且不利於夾渣的上浮，降低鋼錠的潔淨度。因此，選擇合理的澆注溫度具有重要的實際意義。

近年來，採用數值模擬方法研究鋼錠凝固過程的文獻有很多，涉及到澆注溫度的文獻較少，且研究不夠深入全面。在不同澆注溫度下，對96T-70Cr3MO大型鋼錠凝固過程進行了數值模擬計算，分析澆注溫度對凝固過程中的溫度場、縮孔縮松、夾雜物上浮的影響，為大型鋼錠澆注溫度的選定提供參考支持。

前處理設定

有限元模型

以中國一重所使用的96 t 鋼錠及其附具為研究對象，建立幾何模型並劃分格線。

初始條件

由於鋼錠體積大，計算周期長，為了節省計算時間，科研人員在計算過程中或者忽略鋼錠內部的流動，或者直接計算流動，耗費較長的時間。經研究分析，增大鋼液的導熱係數可以近似鋼液內部流動對傳熱的影響，大大提高工作效率。對於大型鋼錠來說， 鋼錠的充型時間和完全凝固時間相比要小得多，因此，鋼液的初始溫度可簡化為鋼液的澆注溫度。其餘模型的初始溫度均為20℃。

邊界條件

在大型鋼錠的模擬計算中，直接將鋼液頂部視為絕熱情況， 本計算並未直接在鋼錠頂部添加發熱劑， 而是設定合理的熱流密度和換熱係數來取代發熱劑的作用。

鋼錠與金屬鋼錠模之間的界面換熱係數隨溫度變化，其他界面換熱係數均設為500 W/(m2·K)。

材料物性參數

材料物性參數主要包括鋼錠、鋼錠模、保溫磚的密度、熱導率、焓、液相線溫度和固相線溫度。其中，鋼錠的物性參數是根據鋼液的合金成分計算得出的； 保溫磚的物性參數是通過實驗測量得出的。所有物性參數均為隨溫度變化的曲線，提高計算的可信度。

結果與討論

澆注溫度對凝固順序和時間的影響

不同澆注溫度下， 鋼錠的凝固順序均是由鋼錠底部逐漸向鋼錠頂部移動的，隨著時間的推移，底盤的冷卻作用逐漸變小，側模的冷卻作用逐漸增強，導致凝固前沿呈狹長的V字形。當澆注溫度較低時，鋼錠凝固較快，冒口區的保溫磚來不及發揮保溫作用，致使凝固前沿的形狀細長，在凝固後期尤為明顯，容易形成樹枝狀晶體組織，鋼液難以補縮。提高澆注溫度，V 形凝固前沿變寬變短，更有利於鋼液的補縮。

鋼錠的完全凝固時間隨著澆注溫度的升高而延長，澆注溫度較低時，完全凝固時間受澆注溫度的影響較大，澆注溫度提升20 ℃，完全凝固時間延長約3 h。繼續增大澆注溫度，完全凝固時間的增幅逐漸縮小。鋼錠最後凝固部位位於冒口中部，當澆注溫度為1480 ℃時，溫度較低，接近液相線溫度(1476 ℃)，保溫磚對鋼液的保溫作用十分有限，鋼液完全凝固所需時間較短；將澆注溫度增大至1500 ℃時，保溫磚的保溫效果發揮作用，致使完全凝固時間增大，且發生較大的增幅；繼續增大澆注溫度，保溫磚發揮穩定的保溫作用，因此，完全凝固時間增幅變小。

澆注溫度對縮孔疏鬆和內部缺陷的影響

隨著澆注溫度的升高，二次縮孔有增大的趨勢，且深度增加，但均處於冒口內部，主要是由於澆注溫度升高， 鋼錠體積收縮量增大造成的。疏鬆區域隨著澆注溫度的升高而減小， 疏鬆底部與冒口之間的距離亦減小。澆注溫度較低時，一方面，鋼液來不及補縮就發生凝固， 溫度梯度較小； 另一方面，凝固前沿呈細長的V 字形，易產生樹枝狀晶體組織，阻礙鋼液的補縮，故產生的疏鬆較多，與冒口之間的距離更大。

澆注溫度對夾雜物上浮時間的影響

將夾雜物上浮時間定義為澆注開始到凝固開始之間的時間。用此假設夾雜物能夠自由上浮。澆注溫度升高，夾雜物的可上浮時間更長。需要指出的是， 夾雜物可上浮時間與澆注溫度之間的關係同完全凝固時間類似，增幅由大變小。

另外，在鋼錠的軸心(軸向)、水口端(徑向)、錠身中部(徑向)以及冒口端(徑向)4 個部位，分別查看夾雜物可上浮時間的變化情況，可以看出，夾渣可上浮時間均隨著澆注溫度的升高而升高， 變化幅度逐漸減小，考慮實際生產成本，可以選擇1 550℃作為澆注溫度。

而在鋼錠與冒口接觸部位，澆注溫度為1480 ℃的夾渣上浮時間遠遠低於其他澆注溫度，原因分析：在鋼錠中下部，底盤和鋼錠模是主要的冷卻介質，冷卻能力較強， 所以澆注溫度的變化對夾渣可上浮時間的影響相對要小；而鋼錠靠近冒口處的鋼液，冷卻介質主要是冒口， 冒口的導熱係數要遠遠低於金屬模，此時，澆注溫度對凝固時間的影響較大。因此會出現澆注溫度在1480℃時，夾雜物可上浮時間隨鋼錠高度幾乎沒有變化的現象。

結論

（1） 提高澆注溫度，鋼錠完全凝固時間與夾雜可上浮時間均提高，且增長幅度由大變小，綜合兩方面考慮，不宜設定過低或過高的澆注溫度；

（2） 提高澆注溫度，對鋼錠內部縮孔縮松的影響不明顯；

綜上所述，選擇澆注溫度的原則：縮短完全凝固時間；延長夾雜可上浮時間；減少二次縮孔及疏鬆。因此根據計算對於96T-70Cr3Mo 大型鋼錠的澆注溫度建議選擇1550℃左右。