保温帽结构对钢锭质量的影响研究

马 环 巴钧涛 高建军 李金良

(中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

钢锭冒口端缺陷与冒口保温性能、冒口结构及冒口砖质量有直接关系，其中，冒口结构直接影响了钢锭顶部夹杂物的上浮通道，因此日本对于高端产品采取钢锭削肩处理以去除钢锭肩部的夹杂物。图1为国外某钢厂钢锭弃料图分布。本文通过系统模拟保温帽径缩比、锥度和法兰厚度三个参数对钢锭质量的影响，设计出结构合理的保温帽，在加强冒口保温的同时，以减少钢锭肩部夹杂上浮不利对钢锭上端冶金质量的影响。

1 方案设计

针对现有83 t锭型，采用单因素研究法，研究径缩比、锥度及底沿法兰厚度对钢锭缩孔疏松的影响。表1为不同参数的对比设计方案。

2 计算结果

2.1 冒口径缩比的影响

固定锥度11.4%，底沿法兰厚度100 mm，研究不同径缩比对缩孔疏松的影响。其中，现有83 t保温帽冒口径缩比为94.9%与设计方案95%相近，故用传统83 t保温帽模拟结果代表径缩比95%模拟结果。

图1 钢锭弃料分布图Figure 1 Distribution map of steel ingot scrap

表1 方案设计表Table 1 Scheme design table

从图2可以看出，随着冒口径缩比逐渐增大，在同样冒口重量下，冒口高度依次降低，欠浇高度逐渐增加。随着冒口径缩比逐渐增大，钢锭的二次缩孔长度逐渐变短，说明随着冒口径缩比增大，冒口保温性能增加，温度场分布更为合理。

表2模拟结果表明，冒口径缩比对钢锭二次缩孔的影响较为明显，随着冒口径缩比的增加，钢锭二次缩孔变短。当冒口径缩比分别为85%和100%时，钢锭二次缩孔长度相差达345 mm。

2.2 冒口锥度的影响

固定径缩比为94.9%，底沿法兰厚度100 mm，研究不同锥度对缩孔疏松的影响。

表3、图3的模拟结果表明，在冒口同样重量的情况下，随着冒口锥度由0增加到15%，冒口高度逐渐增加，但变化不大。冒口锥度对一次缩孔距锭身距离影响较小，随着冒口锥度增加，二次缩孔逐渐变长。因此，锥度越小越好。锥度越小，钢水与冒口砖接触比表面积减小，冒口砖吸收钢水热量变少，保温效果增加。

图2 不同冒口径缩比完全凝固时的缩孔分布图Figure 2 Distribution of shrinkage and porosity with different riser diameter reduction ratios when completely solidified

表2 不同冒口径缩比模拟结果Table 2 Simulation results with different riser diameter reduction ratios

表3 不同冒口锥度模拟结果Table 3 Simulation results with different riser tapers

图3 不同冒口锥度完全凝固时的缩孔分布图Figure 3 Distribution of shrinkage and porosity with different riser tapers when completely solidified

表4 不同冒口底沿法兰厚度模拟结果Table 4 Simulation results with different riser flange thicknesses along bottom

图4 不同冒口底沿法兰厚度的缩孔分布图Figure 4 Distribution of shrinkage and porosity with different flange thicknesses along bottom of riser

表5 优化保温帽与传统保温帽模拟结果对比Table 5 Comparison of simulation results of insulation caps before and after optimization

图5 83 t保温帽传统和优化结构对比图Figure 5 Comparison of 83 t insulation cap structuresbefore and after optimization

2.3 冒口底部法兰厚度的影响

固定径缩比94.9%，锥度11.4%，研究不同底沿法兰厚度对缩孔疏松的影响。

表4、图4的模拟结果表明，冒口法兰厚度对一次缩孔距锭身距离影响较小，随着冒口法兰厚度增加，二次缩孔逐渐变长。因此，法兰厚度在不变形和不熔化的情况下，越薄越好。

3 保温帽结构优化及模拟

通过以上12种方案的对比模拟计算，设计出优化的保温帽结构。83 t保温帽传统和优化结构对比图如图5所示。

为了节约耐火砖使用量，优化后的保温帽整体高度降低。由于冒口径缩比增大，钢锭凝固补缩时底沿法兰处“卡脖”现象减轻，补缩通道将更为通畅。同时，钢锭凝固时，上浮到钢锭肩部的夹杂物不仅可直接进入冒口内，对提高锭身冒口端冶金质量有利，而且可省去高附加值产品锻造时的“削肩”工序。

表5模拟结果表明，优化后的保温帽凝固时间延长约1 h，夹杂物上浮时间更为充分，二次缩孔较之前更为细短，说明保温帽结构优化对钢锭内部质量更为有利。

4 结论

(1)冒口径缩比对缩孔疏松影响最明显，冒口径缩比越大，二次缩孔越小。

(2)锥度和法兰厚度在可研究参数范围内，对钢锭缩孔疏松的影响相对较小，但也具有锥度越小、底沿法兰厚度越薄，二次缩孔越小的规律。

(3)采用最优参数设计的保温帽，法兰底沿处“卡脖”现象明显减轻，补缩通道更为通畅，对夹杂物上浮更为有利。