抽锭式电渣重熔炉结晶器优化设计

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传统的电渣重熔工艺可用来生产表面质量良好、组织致密、成分均匀的钢锭,但是这种工艺主要用于生产直径大于300 mm的钢锭。生产尺寸较小的钢锭时产量低,运行成本很高。针对上述问题,在结合电渣重熔和连铸技术优点的基础上,东北大学钢铁冶金研究所在国内首次成功地开发了电渣连铸(ESCC)技术,并为国内某钢厂设计了一台抽锭式电渣重熔炉,与传统电渣炉相比,该电渣炉的技术特点为:T型结晶器(固定)、底水箱移动抽锭、双极串联供电、交换电极、液渣启动。  本文利用有限元商业软件ANSYS对该钢厂的抽锭式电渣重熔炉生产280 mm×325mm方坯的生产过程进行了数值模拟,分析计算了渣池电位场、渣池温度场和铸坯凝固温度场数值模拟所需的数学基础及边界条件,得到了渣池温度场、渣池电位场以及铸坯凝固温度场的计算结果。并且利用ANSYS以求得的铸坯凝固温度场作为初始条件对铸坯进行间接应力分析,得到了铸坯凝固过程的收缩曲线。基于铸坯的凝固收缩曲线,对T型结晶器锥度进行了优化。得到以下结论:  (1)抽锭式电渣重熔炉生产过程中渣池的温度场分布和电场分布直接相关,在两电极之间存在着较大的电位梯度,此区域电流密度最大,属于强电流区。在渣池上表面与T型结晶器壁形成的角区以及上结晶器圆柱体拐角区域电位梯度最小,其电流密度最小。强电流区的存在使得两电极之间产生了温度梯度较大的高温区,最高温度在1746℃左右。  (2)双极串联抽锭式电渣炉的渣池温度分布和单极电渣炉的温度分布是不同的,单极电渣炉的高温区域在电极下部,而双极串联电渣炉的温度最大区域在两电极之间,这主要是由系统几何形状和电流回路的不同所造成的。  (3)利用ANSYS计算铸坯凝固过程的温度场,模拟得到的金属熔池形状和实测金属熔池形状吻合较好,验证了模拟结果的准确性。  (4)利用ANSYS对铸坯凝固过程的应力应变进行了计算,求得了金属铸坯表面宽面中心线和窄面中心线的凝固收缩曲线,凝固收缩曲线明显分为三段,在渣金界面至渣金界面以下40 mm区域内,铸坯凝固收缩较慢,在距渣金界面40 mm至230mm区域内铸锭凝固收缩速率较快,在距渣金界面230mm至结晶器出口区域内,铸坯凝固收缩速率再次变慢。  (5)抽锭式电渣重熔炉采用基于铸坯表面凝固收缩曲线设计的结晶器生产的电渣方坯具有很好的表面质量,消除了重皮、漏渣以及渣沟等表面缺陷。电渣方坯的低倍分析表明,电渣锭具有很好的内部质量,不存在缩孔、中心裂纹、皮下气泡、皮下裂纹等缺陷,而且一般疏松和中心疏松均为0.5级。
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