导读：采用数值模拟和工业试验相结合的方法研究了大高径比铸锭内缩管的分布。利用5.3 t钢锭解剖结果验证了所建立数学模型的准确性。在此基础上，研究了10.5 t钢锭内缩管的形成机理，并进一步探讨了不同浇注工艺对铸锭内缩管分布的影响。结果表明，浇注温度、浇注速度和铸模外表面冷却强度的变化对铸锭内缩管分布的影响较小。随着绝热砖长度的增加，缩管深度会降低。当绝热砖长度超过500 mm后，增大绝热砖长度不会对铸锭缩管分布产生影响。
钢锭内钢液的收缩分为3个阶段：即液态收缩、 凝固收缩以及固态收缩。金属液态收缩和凝固收缩大于固态收缩值是铸件内产生缩管的根本原因。随着计算机应用技术的发展与应用，铸造过程模拟得以实现。铸造过程的研究已经从一个不可见的过程发展到一个可视的过程，越来越多的研究工作者使用数值模拟方法来研究铸造过程，数值模拟技术具有降低成本和缩短试生产时间等诸多优点。铸件内产生的缩管会严重影响成材率。在铸锭或铸件内疏松、缩孔和缩管缺陷等方面研究工作者做了大量工作，但对大高径比钢锭内缩管的研究较少。
本研究通过对5.3 t钢锭解剖试验验证了钢锭内缩管数学模型的正确性。在此基础上，分析了10.5 t钢锭凝固过程中缩管形成机理, 探讨了不同浇注工艺对钢锭内缩管分布的影响规律, 为实际钢锭的工业生产提供参考。
1 10.5 t钢锭凝固过程数值模拟
1.1 数学模型的建立
模型假设：①在真空条件下，从顶部注入铸模内的钢水温度和速度分布均匀；②液态金属为不可压缩牛顿流体；③对流由热浮力驱动；④忽略溶质对流；⑤传热与充型耦合。基于控制方程建立了三维模型，包括Navier-Stokes方程、连续性方程、能量方程、方程和VOF函数。钢锭、铸模、保温砖和底垫的几何模型见图1，然后将铸模、铸锭、绝热砖和底垫的几何模型划分成网格。
图1 铸模、绝热砖、钢液和底垫的几何模型
底垫和保温砖的热物性参数见表1。钢锭和模具的成分见表2，利用仿真软件计算钢锭和模具的热物性参数。
表1 底垫和绝热砖的热物性参数
表2 钢锭与铸模的化学成分
由于钢锭与铸模之间存在间隙，金属/铸模界面的传热系数随时间而变化，铸模/绝热砖界面和钢锭/绝热砖界面的传热系数均为20 Wm-2K-1; 钢锭与底垫、铸模与底垫、底座与底垫之间的传热系数分别为200、200、100 Wm-2K-1; 铸模外壁和铸锭顶部的传热系数随时间变化，其中考虑了辐射换热和对流换热。每种材料的温度初始值见表3。
表3 每种材料的初始温度值
1.2数学模型验证
图2为5.3 t钢锭照片、顶部剖切面截面形貌及模拟计算结果。可以看出，缩管分布模拟结果与试验结果符合，这验证了数学模型的准确性。
（a）5.3 t钢锭照片 （b）钢锭顶部剖切面 （c）模拟结果
图2 5.3 t钢锭照片、顶部剖切面截面形貌及模拟计算结果
2 结果与讨论
铸锭充型和凝固过程中的固相率分布见图3。当铸模被充满钢水后，由于铸模的冷却作用，钢水温度不断降低。钢液上表面与外界环境接触换热，其他部位与铸模接触冷却。随着凝固的进行，由于铸模与钢液的冷却速度较快，与之接触的钢液会快速形成坯壳并发生凝固收缩，此时钢液上表面还未发生凝固，因此钢液界面会下降。随着凝固进一步发展，当钢液上表面温度降到固相线温度时会形成一层坯壳，此时钢锭上表面不会再下降，见图3c和图3d，由于钢锭顶部的钢液与外界环境直接接触，冷却速度相对较快，因此液面下降量较小。随着凝固时间的推移，钢水凝固前沿向铸锭内部继续推进，未凝固钢液随着温度降低发生液态收缩和凝固收缩，与此同时，已凝固的坯壳因温度降低发生固态收缩，由于钢水液态收缩和凝固收缩的总和大于固态收缩，在重力作用下，未凝固的钢液与钢锭顶部已凝固坯壳脱离，形成缩管。由于铸锭侧边坯壳厚度的增加和未凝固钢液液面的不断降低，因此缩管呈现漏斗形状，见图3f和图3h。在钢锭凝固末期，直到剩余的钢液在铸锭中心几乎凝固，缩管完全形成，见图3i。铸锭凝固完全结束后，在铸锭顶部形成较深的缩管，这是大高径比钢锭凝固特点之一，见图3j。
图3 钢锭凝固过程中固相率分布情况
在绝热砖长度为300 mm，浇注速度为15 kg/s，铸模的冷却强度为空冷，分别在1 540、1 560和1 580 ℃条件下，铸锭内缩管分布情况见图4。可以看出，浇注温度的改变对铸锭内缩管的分布影响较小。
绝热砖长度为300 mm，浇注温度为1 560 ℃，铸锭模外表面为空冷条件下，浇注速度分别为12、15和18 kg/s时铸锭内缩管的分布情况见图5。可以看出，浇注速度对铸锭内缩管的分布影响较小。
(a)1 540 ℃ (b)1 560 ℃ (c)1 580 ℃
图4 浇注温度下铸锭缩管的形态
(a)12 kg/s (b)15 kg/s (c)18 kg/s
图5 浇注速度下铸锭缩管分布的形态
在浇注温度为1 560 ℃，浇注速度15 kg/s，绝热砖长度300 mm，铸模外不同冷却条件下的铸锭内缩管分布见图6。可以看出，冷却条件的变化基本上不会改变铸锭内缩管分布。
当浇注温度为1 560 ℃，浇注速度为15 kg/s，铸模为空冷时，不同绝热砖长度条件下的铸锭内缩管分布见图7。可以看出，随着绝热砖长度的增加，缩管深度降低，这是因为随着绝热砖长度变高，最后凝固区域向绝热砖内移动。随着绝热砖长度的增加，相应绝热砖内的未凝固钢水量也增加，且绝热砖对钢水保温效果好，凝固速度慢，对下部的钢水有很好的补缩作用，因此缩管长度变短。图8为绝热砖长度对缩管深度的影响。可以看出，当绝热砖长度超过500 mm后，增大绝热砖长度不会进一步影响电极棒缩管深度。
(a)空冷 (b)风冷 (c)雾冷 (d)水冷
图6 冷却速度对缩管分布影响
(a)300 mm (b)400 mm (c)500 mm (d)600 mm
图7 绝热砖长度对缩管分布的影响
图8 绝热砖长度对缩管深度的影响
3 结论
（1）浇注温度、浇注速度和铸模外表面冷却强度的改变对铸锭内缩管分布的影响较小。
（2）绝热砖长度对电极棒缩管深度影响最大，随着绝热砖长度的增加，缩管深度降低。当绝热砖长度超过500 mm后，增大绝热砖长度不会进一步影响电极棒缩管深度。控制10.5t大高径比钢锭内缩管最有效的方法是在钢锭顶部加绝热砖并且长度在500 mm以上。
来源：俞占扬，张慧，干勇，等. 大高径比钢锭铸造过程中缩管研究[J].特种铸造及有色合金，2021,41（2）：227-231.
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