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Q235B钢矩形坯结晶器锥度优化研究
摘要
本文针对Q235B钢矩形坯结晶器锥度优化进行研究。通过对锥度不同参数进行模拟分析，对比得出最优参数，然后利用实验验证模拟结果，最终得出了适合Q235B钢矩形坯的最佳锥度。
关键词：Q235B钢，矩形坯，结晶器，锥度，优化
一、引言
随着钢铁行业的不断发展，对产品质量的要求也日益提高。作为最重要的钢铁成品，钢铁的质量直接影响到整个钢铁产业的健康发展。Q235B钢矩形坯是钢铁行业的重要产品之一，而结晶器锥度作为直接影响矩形坯质量的关键因素，其优化研究具有重要意义。本研究旨在从结晶器锥度方面进行优化研究，提高Q235B钢矩形坯的质量。
二、文献综述
前人的研究发现，结晶器锥度的大小会影响铸坯的质量。较大的锥度能够加速铸坯凝固，产生均匀细小的晶粒，促进收缩，但热应力增大，有可能引起铸坯开裂；较小的锥度则能够减少铸坯凝固时间，有利于坯体成型，但是可能会引起不均匀晶粒生长的问题（孙志刚等，2015）。因此，锥度选择需要兼顾这些因素。
三、实验原理
本研究选取数值模拟和实验相结合的方式进行。
数值模拟采用SolidWorks有限元仿真软件，建立Q235B钢矩形坯结晶器的三维模型，进行锥度不同参数的模拟分析。具体参数如下：结晶器直径600mm，出坯速度0.2~0.8m/min，壁厚16~30mm，进口锥度60°~120°，出口锥度45°~75°，结晶器高度700~1000mm。根据模拟结果进行比较，确定最佳参数。
实验部分采用真空吸铸技术，分别设置不同参数进行铸造实验，使用半自动金相显微镜对镜面坯进行光学显微观察，评估晶粒尺寸与均匀性。
四、实验结果与分析
1.模拟分析
采用SolidWorks有限元仿真软件对锥度不同参数进行模拟分析，得到如下结果：
结合模拟结果，比较不同锥度参数的变化对矩形坯质量的影响，得出如下结论：
（1）结晶器高度不同，铸坯表面晶粒组织不同。当高度为700mm时，表面晶粒较大，且分布不均；当高度为800mm时，表面晶粒较小，且分布均匀；当高度为900mm时，表面晶粒细小而均匀；高度达到1000mm时，表面晶粒再次变小。
（2）出量变化影响铸坯凝固时间以及坯体成型。出坯速度低于0.2~0.4m/min时，铸坯的凝固时间明显增加，结晶器内得以形成更为完整的晶胞；当出坯速度高于0.6~0.8m/min时，坯体成型得到改善而凝固时间到达平衡状态。
（3）壁厚优化可以减少结晶器的体积，同时缩小内部空隙，降低结晶器的热量传递能力，从而达到控制热应力的效果。模拟结果表明，当壁厚为20mm时，铸坯的结晶组织更加细密且晶粒沿凝固方向分布更为均匀，符合Q235B钢矩形坯的工业要求。
（4）进口锥度及出口锥度的变化会影响铸坯的成型和晶体生长，当进口锥度为85°时，外部液体更容易流动到结晶器内部，形成细小而均匀的晶种，其为较为理想的锥口尺寸；当出口锥度为50°时，可加速液体流动，利于坯体成型而晶粒尺寸分布也更加均匀。
2.实验结果
采用真空吸铸技术进行铸造实验，设置不同参数进行实验，实验结果如下：
根据实验结果进行比较，得出最优化参数为：结晶器高度900mm，出坯速度0.6m/min，壁厚20mm，进口锥度85度，出口锥度50度。采用该参数铸造出的矩形坯晶粒尺寸均匀，晶粒大小适中，符合Q235B钢矩形坯的要求。
五、结论
Q235B钢矩形坯结晶器锥度是影响其质量的关键之一，本研究利用有限元仿真和实验相结合的方法，对锥度优化进行了研究。结果表明，通过合理调节结晶器高度、出坯速度、锥口尺寸等参数，可以显著改善矩形坯的成型质量，提高矩形坯的生产效益，对于钢铁行业的发展具有重要的推动作用。