02 离心连铸生产圆坯的工业实践和数值模拟

离心连铸生产圆坯的工业实践和数值模拟张立峰王强强王升千杨树峰(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)摘要本文主要介绍了与离心连铸相关的工业实践与实验室研究，包括钢水洁净度调查、铸坯全断面夹杂物扫描和离心连铸的数值模拟。

主要结论如下：从中包到结晶器和从结晶器到最后铸坯，夹杂物数量均降低，降低百分比分别为10%和50%；铸坯中氧化类夹杂物总数占10%，氧化类—硫化类夹杂物占30%，硫化类夹杂物占60%，且氧化类夹杂物在铸坯断面上分布较均匀，硫化类夹杂物主要分布在距铸坯表层25mm内；数值模拟结果表明结晶器转速由40转/分钟增大80转/分钟对结晶器内流场和气泡的卷入影响较小，而拉速从Vc增大到2Vc后，结晶器内流股运动剧烈，气泡卷入量增大，且卷入深度加深；在未考虑钢液凝固的情况下，进入结晶器内的夹杂物受到离心力小于钢液受到的离心力，因此随着连铸的进行不断地被推向铸坯中心区域。

关键词离心连铸铸坯全断面夹杂物工业实践数值模拟Industrial Practice and Numerical Simulation on Steel Billet CentrifugalContinuous Casting ProcessZhang Lifeng, Wang Qiangqiang, Wang Shengqian, Yang Shufeng (School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and TechnologyBeijing, Beijing 100083, ChinaCorrespondence author: Lifeng Zhang)Abstract：Centrifugal continuous casting is an industrial manufacturing process during which molten steel isinjected into a revolving mold with a round sharp. During the pouring stage, the entire system is rotated about itsaxis at a predetermined speed. In current study, inclusions in centrifugal continuous casting steel billets werestudied, including inclusion characteristics during centrifugal continuous casting and inclusion distribution indifferent centrifugal continuous casting billets. On the other hand, the three-dimensional transient fluid flow, bubbleentrainment and inclusion entrapment during centrifugal continuous casting, considering process parameters, suchas rotation speed and casting speed were also studied. The main conclusions are listed below. The number ofinclusions decreases both from tundish to mold and from mold to billet. In billets, 10% inclusions are oxideinclusions, 30% are oxide-sulfide dual-phase inclusions and 60% are sulfide inclusions. For oxide inclusions, themain composition is Al2O3. There are more inclusions at the outside layer than that at the center of the billet.However, the oxide inclusions very uniformly distributed on the cross section of the billet, while there are moresulfide inclusions at the outside layer than the center of the billet. The simulation results show that the variation ofrotation speed (from 40 rpm to 80 rpm) has little influence on the entrainment of the air bubbles. While when thecasting speed is doubled, more bubbles are entrained deeply. As the centrifugal force acting on the inclusions issmaller than that acting on molten steel, the inclusions will be pushed towards the center of round billet in thissimulation without considering solidfication.Key words：Centrifugal continuous casting, cross section, inclusions, industrial practice, simulation1 前言连铸技术是一项把钢水直接浇铸成形的先进技术，与传统的模铸法相比，连铸技术具有大幅度提高金属收得率，节约能源等优势。

近年来，先进的圆坯连铸技术发展迅速，如结晶器电磁搅拌技术[1, 2]，其通过作用于铸坯凝固初期，改善铸坯内钢水的运动来均匀铸坯内部温度、消除过热、析出气体及促使夹杂物上浮，从而改善微观组织，提高铸坯的洁净度[3]。

在圆坯连铸过程中，钢水在静压力的作用下，凝固坯壳向外侧的变形是很困难的，故存在结晶器与坯壳接触不良的问题；且初始坯壳收缩时，还易在坯壳上产生纵向弯曲变形。

当结晶器壁与坯壳间的距离不均匀时，在圆周方向上将产生大的不均匀间隙，此时，脱离结晶器壁的部分凝固壳薄且温度高，易产生裂纹而成为振痕。

从57年开始法国卢瓦雷公司、安菲冶金公司和民用离心研究所一起开始研究离心旋转圆坯连铸，希望通过离心法解决圆坯质量问题[4]。

第一代离心圆坯连铸机进行了工业生产，并取得了显著成绩。

它所生产的圆坯表面质量极好，不用修磨即可直接用来穿孔。

目前离心连铸技术可分为水平离心连铸[5, 6]和立式离心连铸。

离心圆坯连铸法在钢液浇铸过程中结晶器、铸坯及尾端的拉坯机以一定转速做同步旋转，拉坯机在做同步旋转时又要以一定的拉速将铸坯沿拉坯方向拉出。

由于钢液和其中的夹杂物及偏析元素受到的离心力的差异，随着连铸的进行，夹杂物和偏析元素被逐渐推到铸坯中心区域，并最终被凝固组织捕获留在铸坯中心区域。

剩余凝固部分组织致密度和洁净度都得到了较大的提高，可用来生产高附加值的钢种，目前全球共有四台立式圆坯连铸机，美国与法国各两台。

本文以美国某厂的立式离心连铸机为研究对象，对其生产过程中的中包、结晶器和铸坯进行取样，调查洁净度变化，并对铸坯的全断面进行夹杂物扫描，得到夹杂物个数、尺寸分布等信息，最后对连铸过程进行数值模拟，研究连铸参数对流场、气泡卷入及夹杂物分布的影响规律。

2 研究内容本文主要从以下三个方面介绍关于离心连铸的研究。

1）离心连铸过程中钢水洁净度的调查。

试验钢种成分如下表1所示，试验时分别在中包冲击区、中包注流区和结晶器内进行取样，每处取9个样品，取样时间间隔为5分钟。

使用ASPEX、SEM-EDS和光镜等统计夹杂物的数量、形貌和大小等信息。

表1 钢种成分2）对正常浇铸时的铸坯和非正常浇铸（两炉连浇）时的铸坯进行ASPEX全断面夹杂物扫描。

该圆坯直径为225mm，在实验室条件下将每块铸坯切割成如下图1和2所示的钢样，每块铸坯被分成120个15mm×15mm×15mm的钢样，使用ASPEX、SEM-EDS和光镜等统计夹杂物的数量、形状和大小等信息。

图1 圆坯钢样切割划分Fig. 1 The positions and mark of billet samples图2 原始钢样Fig. 2 The picture of billet samples其中利用ASPEX进行夹杂物扫描时，根据各元素所占的质量百分比，本研究制定了两个规则文件（rule file），第一个规则文件将夹杂物分为氧化类夹杂物、氧化类—硫化类夹杂物和硫化类夹杂物，如下表2所示，第二个规则文件将夹杂物划分更多类型，具体细节见表3。

表2 夹杂物划分规则一表3 夹杂物划分规则二离心连铸的数值模拟。

根据现场的物理参数建立三维非稳态多相流模型，研究离心连铸结晶器内的流场特征，观察液面波动及气泡的卷入情况。

本计算也预测了夹杂物在拉坯方向不同位置处的分布，由于未考虑凝固，所以只能反映出不同大小的夹杂物在离心连铸过程的运动趋势，该部分工作会在以后进行完善。

计算区域及网格如下图3所示，计算区域总高度约16m。

为缩短计算周期和捕捉多相界面的变化情况，计算区域上部网格较为密集，网格高度向下逐渐增大，网格总数约为70万。

将结晶器液面上部空气出口设为压力出口，为常压1atm；结晶器及以下壁面设为可旋转壁面，旋转速度即为生产时的结晶器转速（转/分钟），壁面附近湍流效应采用标准壁面函数计算。

本文计算流场及夹杂物运动主要参数见下表4。

3 结果与讨论3.1离心连铸过程钢液洁净度调查3.1.1夹杂物数量和面积百分比图4所示为每平方毫米夹杂物总数和面积分数在各阶段的变化情况。

可以看到从中间包到结晶器和从结晶器到铸坯，夹杂物总数均有所降低，夹杂物在中间包去除率约为10%，在结晶器中的去除率约为50%。

另外对中包冲击区和注流区的比较发现，前者夹杂物总数多于后者，表明钢液在运动过程一部分上浮去除了。