锻造用钢锭超高温热送及加热过程数值模拟

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     钢锭热送是将钢锭冒口带液芯脱模后热送至锻压厂装入均热炉的新工艺， 该工艺可充分利用钢锭余热， 提高炉周转率和减少钢锭烧损， 有效降低燃料消耗 。对于对热应力不太敏感的钢种， 则应尽可能对钢锭进行热送、热装以节约加热能耗 。目前钢企生产的钢锭均为镇静钢钢锭， 普遍采用完全凝固态钢锭热送技术， 即钢锭完全凝固后才脱冒口、脱模、运送。此时钢锭已散失了大量热量， 导致钢锭在锻压厂的装炉温度偏低， 加热时间延长。由于锻压厂的均热炉有限并且钢锭的加热时间较长， 加热炉的产能成为锻压厂发展的瓶颈。据统计， 加热成本占整个锻造热加工成本的 70% 。因此如何提高钢锭装炉时的温度以减少均热炉加热时间是钢锭热送热装工艺应用的关键。 
     锻前合理的加热规范是保证产品质量和热能高效利用的重要条件，钢锭脱模运送至均热炉时， 坯料需要加热至始锻温度后保温一段时间， 使表面和心部的温度基本一致。由于脱模后钢锭从内到外的温度分布不均匀， 导致钢锭锻造前的加热时间难以确定。随着计算机模拟技术的发展， 可以通过数值模拟更加合理地制定锻前加热等热加工工艺， 进而取得更好的经济效益， 在加热过程模拟计算时， 如果按照一个假设恒定的温度来制定加热工艺， 往往导致加热时间过长， 或者过短。时间过长将导致能耗增加， 烧损严重; 时间过短将导致钢锭心部未充分均温， 锻造时变形抗力过大， 不利于钢锭心部缺陷的愈合， 而且会由于再结晶不充分而导致混晶现象， 影响锻件力学性能的均匀性 。因此针对热送钢锭装炉时不均匀的温度场制定合理的锻前加热工艺具有明确的实际指导意义。

      本文以 13.8t 18CrNiMo7-6 钢锭为例，建立钢锭凝固过程及加热过程的有限元模型。采用铸造模拟软件 THERCAST 模拟钢锭的凝固过程，根据模拟结果确定钢锭的脱模时间。以钢锭脱模时的温度场为初始温度，在锻造模拟软件 FORGE 中模拟钢锭的加热过程，根据模拟结果制定钢锭的锻前加热工艺。本文研究结果可以为模铸钢锭的生产以及后续锻造加工提供参考依据。

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1 有限元模型的构建
本文选取 13.8t的 18CrNiMo7-6 模铸钢锭为研究对象， 其化学成分如表 1 所示。

1. 1 钢锭凝固过程有限元模型       
如图 1 所示是模拟的 13.8 t 18CrNiMo7-6 钢锭各部分装配剖面示意图，钢锭顶部覆盖一层 50 mm厚的覆盖剂，冒口外周由一层 60 mm 厚的保温板包围。根据钢锭的对称性，为了节省计算时间，取钢锭的 1 /2 模型进行模拟计算，在 铸 造 模 拟 软 件THERCAST 中剖分面网格和体网格，根据钢锭的具体结构，对钢锭的不同部位进行了不同尺寸的网格剖分，剖分后的钢锭及钢锭模的有限元网格如图 2 所示，钢锭的总网格节点数是103273，总单元数是565747。


模拟中所有材料的热物性参数均随温度变化，其中钢锭的密度、比热、液相率、热导率随温度变化曲线如图 3 所示。铸件与铸型的界面换热系数随气隙宽度而变化。13.8 t 18CrNiMo7-6 钢锭采用的是大气下注方式进行浇注。在浇注时，如果充型速度过快，刚浇入的金属液容易形成喷溅，这样将造成卷气、卷渣等缺陷; 如果充型速度过慢或者充型温度过低，会导致内浇道提前凝固而出现“浇不足”现象，因此必须选择合适的浇注速度与过热度。结合实际生产情况，模拟时，浇注钢锭本体的速度设置为 0. 001145 m3 /s， 浇注时间 13 min。当浇注到冒口部位时，为了延长冒口部位金属液的凝固时间，可适当降低冒口部位金属液的浇注速度。此时将浇注速变为 0. 0003115 m3 /s，浇注时间为 7 min。金属液的过热度根据生产实际情况设定为 50 ℃ ，钢锭模、保温帽的初始温度为 50 ℃ ，其余各部分的初始温度为20 ℃。

1. 2 钢锭加热过程有限元模型
   热送钢锭脱模以后，以红热状态从铸造厂直接运送到锻压厂进行锻前加热。目前模拟热送钢锭加热过程均假设钢锭的初始温度是均匀的，显然这种假设与实际不符，因为钢锭在经过浇注、凝固、冷却、模、运送等一系列过程后， 从内到外必然存在温度梯度，简单地假设为均匀的初始温度场必然会带来较大的计算误差。 采用THERCAST 模拟钢锭 凝固过程，钢锭脱模时的温度场可以以.mtc 格式导出; 采用FORGE 模拟钢锭在均热炉中的加热过程时， 可以直读取 THERCAST 导出的. mtc 格式的初始温度场，二者可以实现无缝连接，可以避免由于假设钢锭初始温度均匀而导致的误差。故本文通过模拟钢锭的凝固过程得到钢锭脱模时的温度场， 以脱模时的温度场作为钢锭加热过程的初始温度场，可以得到更加精确的钢锭温度场模拟结果。
      对加热过程的温度场变化进行模拟分析时，需要确定与热传导相关的 3 个主要参数———热导率、比热和黑度。本文根据工厂均热炉实际生产条件，设置炉内初始温度为 900 ℃ ，以 100 ℃ /h 的加热速度加热至 1250 ℃ ; 炉内传热系数为 100 W /( m2·K) ;18CrNiMo7-6 钢的黑度值为 0. 8，图 3 ( b) 和图 3 ( d)为 18CrNiMo7-6 的比热和热导率随温度变化的曲线。

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2 模拟结果分析
2. 1 钢锭凝固过程分析       
     图 4 为凝固过程钢锭的温度场模拟结果，对比充型完成后各时间点的温度场分布可以看出，钢液的凝固趋势是在轴向上由钢锭底部向顶部逐渐推进， 径向上由钢锭模内壁向钢锭心部推进。冒口区域径向凝固发展缓慢，可以看出冒口保温效果良好。钢锭底部区域凝固初期纵向温度梯度较大，后期逐渐减小，这是因为钢锭底部冷却强度初期较大，随着时间推移底盘冷却效果明显降低; 钢锭中部在凝固初期为液相，凝固后期纵向温度梯度较小; 钢锭上部由于冒口和保护渣的作用，一直为液相， 后期凝固后纵向温度梯度比中部大。

     冒口作为一个独立的金属液贮蓄池，除了排气和集渣外，最主要的作用是用来提供额外的金属液以补偿铸钢在冷却、凝固过程中的液态收缩和凝固收缩。果冒口补缩不足，钢锭内部便会形成缩孔缩松缺陷。但是当锭身完全凝固后，冒口就不再发挥原有的补缩作用了。图 5 是钢锭在浇注后 4h 30 min 以及7h 20 min 时的液相分数的模拟结果，对比图 5( a) 和图 5( b) 可以看出，钢锭锭身在浇注后 4h 30 min基本完全凝固，而整个钢锭直到 7h 20 min 后才完全凝固。这是由于冒口的保温性能良好，延迟了钢锭的凝固时间。从锭身凝固到冒口凝固这段时间，冒口不再发挥补缩作用，而锭身的热量却在不断地散失。因此，为提高钢锭的装炉温度，降低加热能耗，当锭身完全凝固即可对冒口带液芯钢锭脱模。此时锭身均温在 900 ℃ 以上 ( 图 4d) ，相比之下，传统热送工艺中钢锭装炉时均温只有 600 ℃。但由于此时钢锭冒口内仍存在液芯( 图 5a) ， 在脱模的过程中冒口可能会有少量钢水流出的情况，现场脱模操作应该平稳进行，保证安全。常规热送工艺中选择钢锭完全凝固后脱模主要是因为不能确定锭身完全凝固的时间节点，无法针对不同钢种特别是新钢种制定合理的超高温脱模时间规范， 所以选择冒口完全凝固再进行脱模操作，可此时钢锭整体装炉温度下降明显，顾此失彼。

    在实际生产中，由于冒口中集中了大量最后凝固的低熔点、低密度的夹杂物，通常会考虑在后续锻造中切除，提高锻件的质量 。所以在本研究中对于超高温热送脱模加热工艺，当锭身完全凝固后，可以忽略钢锭冒口的质量进行脱模操作。由以上分析可知，在不影响锭身质量的前提下，可以提前脱模， 将超高温钢锭热送装炉。

2. 2 钢锭加热过程分析
     锻造用钢锭的生产过程包括铸造、加热、锻造， 这是一个连续的过程，不考虑前面环节的影响必然会给后续环节的工艺设计带来问题。本文通过对钢锭的凝固过程分析，在不影响锭身质量的前提下， 当锭身全凝后脱模，以此时钢锭的温度场作为锻前加热的初始温度场进行钢锭加热过程分析。钢锭装入均热炉的初始温度场如图 4( d) 所示，加热过程中不同时刻的温度场如图 6 所示，图 7 为钢锭不同位置节点温度随时间变化情况。


     均热炉的初始炉温为 900℃，以 100 ℃ /h 的加热速度加热至 1250 ℃之后均温。钢锭装入加热炉2 h 后，钢锭表面温度快速上升，而由于钢锭心部及冒口部位由于装炉时温度比炉温高，其温度下降。此时钢锭顶部中心温度最高，钢锭底部中心温度最低( 图 6 a) 。加热 3 h 30 min 后炉温达到 1250 ℃后，钢锭表面温度最高，最低温度区域向上转移( 图 6b) 。在 1250 ℃的炉温下均热 4 h30 min 后， 钢锭最低温度区域移至钢锭中心且大于1200 ℃ ( 图 6 c) ，其内外温差小于50 ℃ ( 图) ，可以判定钢锭“热透”，此时钢锭即可出炉锻造。

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3 钢锭超高温热送及加热工艺优化 
    基于上述模拟分析可知，目前现有钢锭的热送及加热工艺，还有极大的优化空间。在不影响锭身质量的前提下，可对冒口带液芯钢锭脱模，实现钢锭的超高温热送，提高钢锭的装炉温度。以钢锭脱模时的温度场为初始温度场，模拟钢锭加热过程，制定合理的加热规范。针对 13.8 t 18CrNiMo7-6 钢锭超高温热送及加热工艺新方案为: 钢锭浇注后 4 h 30 min，带模运送至锻压长，在锻压厂脱模装炉， 为避免脱模后的热损，整个试样过程在尽量短的时间内完成。均热炉初始温度 900 ℃ ，以 100 ℃ /h 的加热速度加热 3 h30 min至 1250 ℃ ，钢锭在 1250 ℃ 的炉温下保温 4 h30 min，如图 8 所示。


       根据以上方案，在某企业进行了 13. 8 t 18CrNiMo7-6 钢锭超高温热送及加热工艺工业试验( 图 9) ，该种规格钢锭以往在浇注后 7 h 在铸造车间常规脱模热送至锻造车间，现在改为浇注后 4 h30 min超高温脱模热送入炉，同时为了减少热送过程中的热损，采用钢锭带模运送至锻造车间，在锻造车间脱模后尽快装入均热炉。经3h 30 min 保温热透后的钢锭经切去冒口进行锻造，锻件探伤合格，该工艺相比传统热送及加热工艺，天然气消耗量降低5. 6 m3 /t，按照3 元/m3 计算，降低成本 16. 8 元/t，一年生产 15 万吨锻件，节约成本 252 万元， 经济效益显著。


4 结论
1) 通过对钢锭凝固过程计算分析，确定锭身全凝为钢锭最佳脱模时间点，实现钢锭的超高温送热，提高了钢锭的装炉温度；
2) 以钢锭脱模时的温度场为初始温度场，通过对钢锭加热过程计算分析，可以为钢锭制定合理的加热规范;
3) 采用钢锭超高温热送及加热工艺后，钢锭的加热时间大幅缩短，极大地降低了钢锭的加热能耗，具有显著的经济效益。