（机械电子工程专业论文）csp薄板连铸坯二次冷却凝固过程的研究.pdf

摘要 摘要 连铸机的二次冷却对连铸生产非常重要，因此，有必要对板坯的二冷 制度进行研究，即根据钢种、浇注断面、浇铸温度和拉坯速度等参数来制 定连铸机二冷区合理的冷却制度，调整和优化各相关工艺参数，从而达到 指导工业生产，提高板坯质量的目的。 本文根据邯钢c s p 薄板坯连铸生产线的实际情况，建立了薄板坯连铸 凝固传热的二维数学模型。以大型有限元分析软件m s c m a r c 为工具，采 用二维切片法对铸坯的凝固过程进行仿真模拟。将模拟结果与邯钢现场数 据进行比较，在误差允许的范围内，验证模型的可靠性，并根据模拟的图 象结果归纳出薄板坯二次冷却过程中铸坯的凝固规律。 从模拟结果中发现邯钢二冷区各段冷却不均，铸坯表面宽度方向上距 边部大约3 0 0 m m 处经常发生纵裂纹等问题，对此提出了可行性修改建议， 即通过适当降低铸坯宽面边部的冷却水量和适当增加铸坯宽面过渡区的冷 却水量，从而改善铸坯内部温度场，降低铸坯宽度方向上的温度梯度，最 终达到减少连铸坯表面纵裂缺陷的目的。 根据生产需要，通过仿真模拟建立了工艺参数( 拉速、过热度和冷却 强度等) 和铸坯凝固参数( 铸坯的表面温度、出结晶器口的坯壳厚度和液 芯长度等) 之间的关系，以此得出结论：提高拉速或增大过热度均会使铸 坯表面温度降低缓慢、出结晶器坯壳厚度减薄、液芯长度延长；增大冷却 水量使铸坯表面温度降低速度加快、液芯长度缩短，但对出结晶器口的坯 壳厚度几乎没有影响。此外，二冷区喷水量变化对铸坯的凝固传热具有自 上而下的单向耦合性。 关键词薄板坯；连铸；二次冷却；凝固传热；有限元；数学模型 燕山大学1 = 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e c o n d a r yc o o l i n gi so fc e n t r a li m p o r t a n c ei nc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s ，s oi t i sn e c e s s a r yt h a ts e c o n d a r yc o o l i n go fn e wc a s t e ri ss t u d i e d s e c o n d a r yc o o l i n go fs t r a n di st od e t e r m i n ea c c o r d i n gt os t e e lg r a d e ，p r o d u c t d i m e n s i o n , c a s t i n gt e m p e r a t u r e ，c a s t i n gs p e e d a d j u s t m e n t sa n do p t i m i z a t i o n s o nt h ei n t e r r e l a t e dc o e f f i c i e n tc a na c h i e v ea i mo fi n s t r u c t i n gi n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n di n c r e a s i n gq u a l i t yo f s l a b at w o - d i m e u s i o u a lm a t h e m a t i c a im o d e lo fs o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e r i nc o n t i n u o u sc a s t i n go f t h i ns l a bh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt oa c t u a lc i r e u m s t a n c eo fh a n d a ni r o na n ds t e e lc o m p a n yc s pi nt h i st h e s i s t h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o no fs l a bi ss i m u l a t e di na i do fp o t e n t i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e - - m a r ca n du s i n gt w o d i m e n s i o n a lc u t t i n gs l i c em e t h o d b yc o m p a r i n gt h e a c t u a lr e s u l t sm e a s u r e di nh a n d a ni r o na n ds t e e lc o m p a n yw i t ht h ev a l u eo f t h e m o d e l ，i tp r o v e st h a tt h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr e l i a b l ea n dt h em o d e l i sa c c o r d a n c et of a c tw i t h i np e r m i s s i o no fe r r o r a n ds o l i d i f i c a t i o np r i n c i p l e so f s l a bd u r i n gs e c o n d a r yc o o l i n ga r ec o n c l u d e da c c o r d i n gt ot h ev a l u eo ft h e m o d e l l o n g i t u d i n a ls u r f a c ec r a c k sh a v eo f t e nb e e nf o u n d a t3 0 0 m mt ot h ee d g ei n w i d t ho f t h i ns l a b ，s ot h ef e a s i b l ea d v i c ei sp u tf o r w a r d e d t h eq u a n t i t yo f w a t e r h a sc h a n g e d ，t h e nt h ei n n e rt e m p e r a t u r ef i e l do f t h i ns l a bh a sb e e na m e n d e da n d t h et e m p e r a t u r eg r a d sh a v e b e e nr e d u c e di nw i d t ha n dt h ec r a c k sa r el e s s e n e db y r e d u c i n gc o o l i n gw a t e rq u a n t i t ya t t h ee d g eo fw i d es u r f a c ea n di n c r e a s i n g c o o l i n gw a t e rq u a n t i t ya tt h et r a n s i t i o no f w i d es u r f a c ep r o p e r l y b e c a u s eo fp r o d u c i n g r e q u i r e m e n t ，t h e r e l a t i o nb e t w e e nt e c h n i c a l p a r a m e t e r s ( c a s t i n gs p e e d ，s u p e r h e a ta n dc o o l i n gi n t e n s i t ye t e ) a n ds o l i d i f i c a - t i o np a r a m e t e r s ( e x t e r n a lt e m p e r a t u r eo fs l a b ，s o l i dt h i c k n e s sa te n do fm o u l d a n dl i q u i dp o o ll e n g t h ) h a sb e e nc o n s t i t u t e di nt h ew a yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b s t r a c t i ti si n d i c a t e dt h a t s o l i dt h i c k n e s sa te n do fm o u l di s l e s s e n i n g , e x t e r n a l t e m p e r a t u r eo fs l a bi sf a l l i n gs l o w e ra n dl i q u i dp o o ll e n g t hi se x t e n d i n gw h e n c a s t i n gs p e e do rs u p e r h e a tr i s e s a n dw h e nw a t e rq u a n t i t yi n c r e a s e s ，e x t e r n a l t e m p e r a t u r eo f s l a bi sr i s i n gf a s t e r , a n dl i q u i dp o o ll e n g t hi ss h o r t e n i n g ，b u ts o l i d t h i c k n e s sa te n do f m o u l di sh a r d l ya f f e c t e d b e s i d e s ，c h a n g i n go f w a t e r q u a n t i t y c a u s e si n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e ra n ds o l i d i f i c a t i o no fs l a bi nt h es e c o n d a r y c o o l i n gp r o c e s sw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f c o u p l i n gf r o ma b o v et ob e l o w k e y w o r d s m a t h e m a t i c a lm o d e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ； h e a tt r a n s f e r ；s e c o n d a r yc o o l i n g ；t h i ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g l i l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 c s p 薄板连铸坯二次冷 却凝固过程的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字南静珩 日期：二“年肛月归日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 c s p 薄板连铸坯二次冷却凝固过程的研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：夹撩斫 日期：w ， 1 7 - 月，一日 导师签名： 日期：加。多刍；月，驴日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 薄板坯连铸连轧生产工艺综述 1 1 1 薄板坯连铸连轧生产工艺的优越性 随着冶金工业的发展，冶金新技术和新工艺在不断涌现。薄板坯连铸 连轧技术是2 0 世纪8 0 年代中期钢铁工艺的重大成果之一。该生产工艺线 与传统的板坯连铸及热带连轧生产工艺线相比，其优越性【l 主要表现为： ( 1 ) 缩短了生产周期( 仅为常规流程的l 6 ) ； ( 2 ) 减少厂房面积和设备重量( 仅为常规流程的2 31 3 ) ： ( 3 ) 降低加热能耗( 比常规流程的8 0 0 。c 热装节能1 3 ) ； ( 4 ) 提高劳动生产率( 作业时间从常规流程的5 小时缩短到0 5 小时，人 员仅为常规流程的1 3 ) ； ( 5 ) 降低投资成本( 可减少5 0 以上) ； ( 6 ) 可进行钢种和质量要求不同的小批量生产； ( 7 ) 凝固速度快，板坯铸态组织细而致密，避免了中心疏松，改善了钢 材质量，也可通过快速凝固创出新材质； ( 8 ) 使生产一些难轧制材料薄板成为可能。 因此，该技术是2 l 世纪保持钢铁行业竞争能力的强有力手段之一。 1 1 2 典型的薄板坯连铸连轧工艺 目前，已开发了多种类型的薄板坯连铸连轧工艺，如德国施罗曼西马 克公司( s m s ) 开发的c s p 工艺【5 6 】，已成功地轧制出厚度为0 8 m m 的薄带 钢产品；奥地利奥钢联公司( v a i ) 开发的c o n r o l l 工艺也成功的生产出厚 度为0 9 1 0m m 、表面质量极好的热轧薄带钢；德国的德马克公司与意大 利的阿维迪钢厂( a r v e d i ) 合作的i s p 工艺目前己能生产出厚度为1 0 m m 的带 钢，另外还有意大利达涅利公司的f t s r 工艺等。 燕山大学工学硕+ 学位论文 1 1 2 1 c s p 工艺c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 工艺为德国施罗曼西马 克公司开发的薄板坯连铸连轧技术，其主要的技术特点是采用立弯式连铸 机和漏斗型结晶器。最初的铸坯很薄，一般为4 0 5 0 m m ，未采用液芯压下， 后部设辊底式隧道炉作为铸坯的加热均热及缓冲装置，采用5 6 架精轧机， 成品带钢最薄为1 2 n l n l 。 c s p 工艺采用了许多关键技术，从而保证了自身特点的实现，具体为： ( 1 ) 使用了漏斗型结晶器。它有较厚的上口尺寸( 7 0 1 3 0 m m ) ，便于浸 入式长水口的插入，长水口和器壁问的间距不少于2 5 m m ，有利于保护渣的 溶化。 ( 2 ) 严格控制钢水质量，提高纯净度。对c s p 工艺而言，为保证产品质 量，要从精料做起，采用优质原材料、控制废钢杂质、配加直接还原铁( d r j ) 等都是必要的。 ( 3 ) - - 冷段的改进。目前，新建c s p 连铸机已将二冷段喷嘴平均布置改 为铸坯宽度来放置，解决了窄面铸坯边部过冷的问题，保证了铸坯冷却均 匀，有利于铸坯质量改善【_ 7 1 。 1 1 2 2 i s p 工艺i s p ( i n l i n es t n pp r o d u c t i o n ) t 艺，即在线热带生产工艺， 是德国曼内斯曼德马克公司的薄板坯连铸连轧工艺技术。该工艺由采用立 弯式结晶器的连铸机铸出6 0 m m 左右的连铸坯，通过结晶器出口处的带液 芯轻压下装置和紧挨在连铸机后的预轧机组的作用，将铸坯减薄到1 5 2 0 m m 厚，并卷取成坯卷后经感应加热炉进入双卷筒炉开卷后再送至四机架 热轧机组轧成1 5 m m 的带钢卷【8 】。 i s p 工艺的突出特点是： ( 1 ) 带液芯铸轧。通过铸轧使最终产品的质量体现更细的晶粒度和更少 的中心偏析； ( 2 ) 固芯铸轧。在板坯离开铸机经过除鳞后，中间坯仍以连铸拉坯速率 进入第一架轧机( 随后的轧制速率将取决于相应的压下阶段) 。由于采用较小 的压下量和较细的工作辊，所以轧制力和轧制功率都很小。同时，由于采 用了无头轧制，使i s p 工艺能够生产厚度为1 o m m 以下的超薄带钢； ( 3 ) 该工艺带有随时启动的中间感应加热炉，可依据不同品种、不同规 2 第1 章绪论 格所要求的不同轧制温度来决定是否开启。所以感应加热炉作为灵活的温 度控制手段有效地辅助了轧制工艺； ( 4 ) 中间坯卷取。铸坯在离开加热炉后采用芯轴卷取，通常的中间坯厚 度在1 5 2 5 m m 。 1 1 2 3 f t s r 工艺f t s r ( f l e x i b l et h i ns l a br o l l i n g ) t 艺由意大利达涅利 公司开发，采用透镜型结晶器，在结晶器铜板的下口宽面具有凸出的形状， 一真延伸到二冷0 段末铸坯才逐步成矩形，故被称为长漏斗型结晶器。它 具有c s p 漏斗型结晶器的优点，但又能减少了铸坯的变形率，有利于生产 包晶钢在内的一些裂纹敏感性钢种，并有利于提高拉速。采用直结晶器弧 形铸机及液芯压下，但它不同于i s p 只在0 段完成液芯压下，而是应用一 套液穴长度控制软件系统，通过所浇钢种、铸坯断面、中包温度、拉速、 结晶器冷却及二冷等参数来测算和控制铸坯液穴长度，并合理分配各扇形 段的压下，使最终的压下点接近液穴的末端，以获得最佳的减少偏析及中 心疏松而提高铸坯质量的效果。 1 1 2 4c o n r o l l 工艺c o n r o l l 工艺是由奥地利的奥钢联公司开发 的，该工艺主要用以来生产不同钢种的高质量热轧带卷，铸坯厚度可达 1 3 0 m m ，该技术与传统的热轧带钢生产相接近。 与其它薄板坯连铸工艺相比，c o n r o l l 工艺的主要特点是采用了平板 式结晶器。奥钢联工程技术公司认为，这种形状结晶器中初生坯壳上产生 的应力最小，可以避免坯壳产生不利变形。经过优化设计的结晶器冷却水 槽形状保证了热量在结晶器宽度和高度方向的均匀散失；采用新型浸入式 水口能够做到钢水成分和温度的充分均匀；根据铸造速度和板坯宽度控制 其浸入深度，保证了结晶器熔池液面较为稳定。 1 1 2 5 q s p 工艺q s p 工艺是日本住友金属开发出的生产中厚板坯的技 术，开发的目的在于提高铸机生产能力的同时生产高质量的冷轧薄板。主 要技术特点是： ( 1 ) 采用直弧型铸机、多锥度高热流结晶器、非正弦振动、电磁闸，二 冷大强度冷却、中间罐高热值预热燃烧器、辊底式均热炉、轧辊热凸度控 制、板形和平整度控制等。 燕山大学t 学硕十学位论文 ( 2 ) 可生产碳钢、低碳铝镇静钢( l c a k ) 、低合金钢、包晶钢等。 1 1 3 薄板坯连铸连轧技术的发展与现状 1 1 3 1 国外薄板坯连铸连轧技术1 9 8 9 年7 月，美国纽柯钢铁公司在克莱 福茨维尔厂建成了世界上第一个c s p 厂【5 1 ，标志着薄板坯连铸连轧技术投入 了工业生产，紧接着在阿肯色州希克曼新建第二个c s p 厂。由于具有吨钢投 资少，生产周期短，铸坯显微组织好，金属收得率高，成本低，价格便宜， 产品能够打开市场，见效快等优点，薄板坯连铸连轧技术的成功应用引起 了世界各国的广为关注，并如雨后春笋般相继开发问世，建设投产。 由于c s p 薄板坯技术问世最早，工艺技术较为简单，且由于不断改进和 引入相关的先进技术，使其日趋完善，目前c s p 技术已成熟，生产稳定可 靠1 6 j 【9 j 。欧洲首家采用c s p 第三代工艺技术的蒂森钢铁公司杜伊斯堡厂于 1 9 9 9 年i s ，投产与1 台3 6 4 t b o f 结合，1 机双流连铸，年产2 1 0 6 t 。美国用得 最多，以纽柯公司为代表；其次是i s p 技术，8 个厂家，1 2 流连铸，产量 1 1 1 1 0 7 v a ，韩国浦项钢铁公司光阳厂就拥有4 流、3 条作业线设备；意大利 达涅利公司开发的日2 ( 高质量、高拉速) 结晶器，由于应用计算机控制和轻 压下技术等优点，而受到青睐；加拿大a l g o m a 钢铁公司在长流程中引入 f t s r 技术，能生产包括包晶钢( o 0 6 一o 1 6 c ) 在内的各种碳素钢。据统 计，截止至t j 2 0 0 3 年底，全球各地己建成投产及在建的薄板坯连铸共约5 0 流 1 0 1 ，总生产能力5 2 2 8 1 0 7t a 。 1 1 3 2 国内的薄板坯连铸连轧技术早在2 0 世纪6 0 年代中期 1 1 - 1 3 1 ，北科大 徐宝升教授率先在重钢三厂主持连铸连轧衔接工艺技术的开发，这项工作 开启了我国薄板坯连铸连轧的先河。 1 9 9 0 年1 0 月，兰州钢铁厂新建了一条c s p 型薄板坯连铸试验机，热负荷 试拉成功，铸出5 0 m i n x 9 0 0 m m x 6 0 0 0 m m 薄板坯。经过进一步改进，建起了 半工业试验机。1 9 9 3 年，成功铸出了q 2 3 5 钢1 0 0 多炉，合格率达9 7 。 1 9 9 6 年，我国从德国s m s 引进3 条c s p 生产线。分别建在珠江钢厂、邯 郸钢铁公司和包头钢铁公司。珠钢钢厂所建的c s p 生产线于1 9 9 9 年8 月建成 投产，并后续冷轧带钢生产设备，是我国首条薄板坯连铸连轧生产线。紧 4 第1 章绪论 随其后的邯钢c s p 线也在同年1 2 月投产了，效果都很好。包钢c s p 生产线在 2 0 0 1 年投产【1 4 】。在这3 条c s p 线投产的时候，国内不少厂家结合自身技术改 造都在进一步思考引用或嫁接这一近终形现代化前沿工艺技术的问题。目 前，因邯郸是转炉供应钢水及时充足，该条生产线产量上升快且稳定，而 珠江的5 0 t 电炉投产以来仍未达到设计的冶炼周期，制约了后步工序的正常 发挥。 唐钢超薄带钢工程连铸系统于2 0 0 2 年1 0 月1 4 日热负荷试车成功，这是 我国第一条采用9 0 7 0 m m 铸坯和平均5 4 6 m m i n 高拉速设计、优化的中问包 及浸入式水口、以及采用h 2 漏斗型结晶器、结晶器漏钢预报和动态轻压下 等关键工艺和设备的薄板坯连铸生产线【1 5 l 。 “十五”期间，全国薄板坯连铸连轧机的数量发展到近十台套。拟建的 几套基本上都采用或预留新开发的技术，如中厚板坯技术、半无头轧制技 术、铁素体轧制技术，液芯压下技术等：产品以薄及超薄规格为主，部分 实现“以热代冷”；设计年产量都在2 1 0 6t 以上。 1 1 4 薄板坯连铸连轧技术的发展趋势 近年来，随着对薄板坯连铸连轧技术的深入研究1 9 1 ，人们不断地从工艺、 设备和自动控制等方面开发出新的技术，从而使其得到迅速发展和完善。其 发展趋势有如下几方面： ( 1 ) 成品规格尺寸越来越薄。2 0 世纪9 0 年代初建成的薄板坯连铸连轧 生产线，热轧带卷的厚度碳钢为1 7 - 1 2 m m ，不锈钢为2 0 1 2 m m ，实际生产 以5 m m 以上的居多。随着市场需求的变化和技术的不断进步，热轧带钢的 厚度越来越薄，来薄板坯连铸连轧生产线的产品规格将以l m m 为主。 ( 2 ) 产品规模大。第一条薄板坯连铸连轧生产线年生产能力为5 1 0 5 t ； 第二条生产线年生产能力为7 1 0 5 t 。其生产能力低的原因是冶炼设备均是 一座电炉。世界上第一套转炉配c s p 技术的年产量可达9 7 x 1 0 5 t 。要充分 发挥热连轧机的能力，新建的生产线年产量定位( 2 3 ) 1 0 7t a 。 ( 3 ) “以热代冷”。尽管由于某些特殊原因，对于许多应用领域，冷轧工 艺仍将是必要的，也是不可少的。然而趋势是由热轧带钢取代的比例在不 燕山大学工学硕十学位论文 断增加【1 6 i 。 ( 4 ) 通过适当增加铸坯厚度和宽度，提高拉速，增加铸机单流产量，有 可能实现一台铸机( 单流) 与一部热连轧机配合生产，达到2 1 0 6 讹的生产 能力i “。 ( 5 ) 薄板坯连铸机各个工艺参数面临进一步优化选择。铸坯厚度、凝固 时问与冶金长度之间的关系直接影响轧机架数、布置方式、铸机本身结构 及产品质量。 ( 6 ) 为使薄板坯连铸机高效、安全运行，它的水冷系统正向结晶器冷却、 二次冷却、二冷段支撑辊的内冷却三部分发展。 ( 7 ) 在轧制超薄规格热轧卷时，由于受到终轧机架处带钢强度的限制， 带钢在轧制过程中的再加热问题将会成为个新的关注点。 可以预计，随着薄板坯连铸连轧技术的不断成熟和完善，流程会更加 合理，相关设备会进一步优化和标准化，可望一次性投资额有所下降。而 生产技术的进步将会使产品的成本进一步降低，薄板坯连铸连轧的产品在 市场上将具有更强的竞争力。 1 2 连铸坯凝固过程数值模拟概述 1 2 1 数值模拟的应用 为了研究铸坯的凝固过程，许多人进行了不懈的努力。最早，h i l l 提出 了运用解析的方法来求解热传导偏微分方程。m i z i k e r 运用数值法来解传热 微分方程，并使用计算机进行求解m 。 在对连铸坯进行数值模拟的过程中，液相对传热过程的影响一直是研 究的重点。在早期，紊流方程的数值解法比较复杂，对流和紊流或被完全 忽略，或认为液相区均匀混合。m i z i k e r 通过大量的研究，用一个人为增大 的导热系数来考虑对流和紊流对传热的影响。这样就使凝固传热变为纯的 热传导问题，进而可以校容易地被解决。 随后，很多人开发研究了大量的连铸凝固传热数学模型。这些模型以 钢种、浇注温度、拉速、冷却水量等为工艺参数，计算铸坯的温度分布， 6 第1 章绪论 它们大多只用于离线工况的静态模拟，不能有效的模拟连铸过程中经常存 在的非稳态情况。 近几年，对连铸凝固过程中非稳态现象的模拟引起人们的关注，并不 断的开发出一些实时的传热模型，对连铸进行动态控制。我国在数值模拟 方面也有突出的成果，例如，倪满森等开发了连铸薄板坯凝固传热数学模 型：干勇等o s - 1 9 用大变形热力耦合有限元模型对薄板坯的液芯压下技术进 行模拟；韩志强等 2 0 l 以凝固传热为基础建立的连铸坯应力分析模型；杨宏 亮【2 l 】等开发的连铸过程的三维耦合模型，研究了宏观偏析的机理。 1 2 2 数值模拟的优越性 在对连铸坯凝固传热进行研究的时候，主要运用数值模拟的方法，数 值模拟具有下面一些优点： ( 1 ) 连铸是一个高温过程，影响铸坯质量的因素错综复杂，数值模拟的 方法可以模拟真实的生产环境，成功的解决实验方法结果不准确的问题。 ( 2 ) 数值模拟的方法可以很方便快捷的完成一个具体问题的研究，而且 成本低廉；而用实验的方法在整个过程中对某个工艺进行系统的研究，成 本昂贵而且费时费力。 ( 3 ) 运用数值模拟的方法可以大幅度地改变各种参数的取值范围，可以 使新设计的设备和工艺的效果与优缺点在应用之前就被充分预演，从而可 扬长避短，获得理想的方案。 ( 4 ) 给定一批原始数据后，数学模拟所进行的一次计算就相当于物理模 拟中的一次试验。因此，数学模拟可缩短试验时间，节省人力、物力。一 套成熟的模拟程序可适用于一类工艺过程。 1 2 3 连铸坯凝固过程的计算机模拟 连铸坯凝固过程的计算机模拟作为连铸机设计、工艺分析以及过程控 制的重要手段，在国内外引起了广泛的重视，并且在生产上得到了成功的 应用。通过计算机模拟，可以解决如下一些问题： ( 1 ) 预报液相穴深度； 7 燕山大学工学硕十学位论文 ( 2 ) 计算具体位置的凝固壳厚度，计算具体位置的铸坯表面温度； ( 3 ) 模拟拉速、水量、浇注温度等工艺参数对铸坯坯壳、液相穴及铸坯 温度场的影响，通过优化工艺参数，改进操作工艺和设备，改善铸坯质量。 提高铸机生产率； ( 4 ) 为设计新连铸机提供参考数据； ( 5 ) 作为对连铸操作进行自动控制的基础； ( 6 ) 与喷嘴测试仪结合起来，可以分析现有喷嘴布置是否合理，提供适 宜的喷嘴布置方式。 1 3 本文的主要内容 随着连铸技术的成熟，生产工艺的不断改进，现场实际操作水平的提 高，连铸生产已经实现了高产高效，目前，各生产厂商所关心的问题是如 何生产出高质量的产品。高质量的产品一方面指的是产品的洁净程度，另 外一方面指的就是有没有缺陷。在连铸坯的生产过程中，钢的洁净程度可 以在炉外精炼中实现，而钢的缺陷要在铸钢过程中控制，比如我们常见的 表面缺陷有表面横纵裂纹，表面龟裂，角部裂纹：内部缺陷有中心裂纹、 三角区裂纹、挤压裂纹、非金属夹杂物、中心偏析和中心疏松等。所有这 些缺陷的形成都和铸坯的温度分布有关，所以在连铸坯的凝固传热过程中 对温度的控制成了一个至关重要的问题。本文通过建立合理的数学模型， 研究铸坯凝固过程中的温度分布情况，从而为工业生产提供一定的参考依 据，同时为下一步研究铸坯的热应力、组织应力等奠定基础。 本课题以邯钢薄板坯连铸机为目标机型，以大型有限元仿真软件 m s c m a r c 为主要工具，对薄板连铸坯的温度场进行了数值模拟，研究内容 具体如下： ( 1 ) 建立薄板坯凝固传热数学模型，利用m s c m a r e 仿真软件对固定拉 速下铸坯凝固过程的温度场进行模拟； ( 2 ) 将薄板坯凝固传热的模拟结果与现场数据进行比较，验证模型的准 确性和邯钢c s p 薄板坯连铸二冷制度的合理性； ( 3 ) 改变影响铸坯凝固的工艺参数( 浇注温度、拉坯速度、冷却强度) ， e 第1 章绪论 研究在其他条件不变的情况下某一参数对铸坯凝固过程( 铸坯表面温度、出 结晶器的坯壳厚度和液相穴长度等) 的影响。 通过上述内容的研究，确定合理的连铸坯温度分布，对提高铸坯的表 面质量、内部质量和自动化控制水平具有十分重要的现实意义。同时，为 我国引进的薄板坯连铸连铸技术提供有价值的参考，推动我国薄板坯连铸 技术的发展，实现在薄板坯连铸连轧技术上的创新。 9 燕山大学t 学硕士学位论文 第2 章连铸坯凝固传热的理论分析 2 1 概述 从本质上说，连铸过程是一个热量传输过程，也是把液体钢转变为固 体钢的加工过程j 。钢水由液体转变为固体的热量包括： ( 1 ) 过热，钢液由浇铸温度冷却到液相线温度放出的热量。 ( 2 ) 潜热，钢液由液相线温度冷却到固相线温度放出的热量。 ( 3 ) 显热，铸坯由固相线温度冷却到室温放出的热量。 连铸坯最终质量在很大程度上取决于连铸坯的凝固过程和铸机的冷却 系统。在连铸机中，铸坯的凝固过程就是通过水冷结晶器、二次冷却区和 空冷区，把钢液的过热、显热和潜热经坯壳传给外界，使钢液在连续运动 中凝固为固态铸坯的过程。见图2 1 。 图2 - 1 铸坯的凝固过程 f i g 2 1p r o c e s so f s o l i d i f i c a f i o no f s l a b 在结晶器内，具有一定过热度的钢液与水冷结晶器接触，冷却水将钢 1 0 第2 章连铸坯凝同传热的理论分析 水热量带走，紧靠结晶器壁的钢水迅速凝固，在向下运动的过程中形成有 一定厚度的坯壳。为防止裂纹和拉漏，应保证铸坯在出结晶器时具有均匀 而足够的坯壳厚度。 在二次冷却区，铸坯表面受到喷嘴的喷淋水的冷却作用，使铸坯内的 热量迅速传递，坯壳逐渐增厚，直至中心完全凝固。从结晶器液面到完全 凝固点的长度称为液相穴深度，即液芯长度。 在空冷区，铸坯向周围的空气辐射传热和对流传热，在这个过程中， 铸坯的表面温度会出现回升并趋于均匀。 在上述三个冷却区中，二次冷却区的作用非常重要，冷却水量的大小 不仅影响铸机生产率和设备寿命，而且还影响铸坯的表面质量和内部质量 都有很大影响。研究铸坯二冷过程的凝固传热规律，对有效控制连铸生产 过程具有十分重要的意义。 2 2 结晶器的凝固传热 连续铸钢过程中钢液的凝固是从结晶器开始的，其传热过程包括：中 心液体与凝固坯壳的传热，凝固坯壳内的热传导、凝固坯壳与结晶器内壁 的传热，铜壁自身的传热，铜壁与冷却水之间的传热。结晶器横断面传热 及温度分布如图2 2 所示。 图2 - 2 结晶器横断面示意图 f i g 2 - 2f i g u r ea lc r o s ss e c t i o no f m o l d 影响结晶器内传热的因素【2 3 埘1 有下列几项：液相穴内固液界面的对流， i l 燕山大学工学硕十学位论文 坯壳的热传导，保护渣膜的热传导，坯壳与结晶器壁之间气隙的热传导和 辐射，结晶器铜板的热传导，结晶器铜板与冷却水界面的对流。 钢水在结晶器内初生坯壳的形成过程如图2 3 。钢水与结晶器接触形成 一个半径很小的弯月面，在弯月面根部，冷却速度很快，出生坯壳很快形 成。由于表面张力作用，钢液面具有弹性薄膜性能，能抵抗剪切力。随着 结晶器的振动，向弯月面下输送钢水而形成新的固体坯壳。已凝固高温坯 壳发生6 吖的相变，牵引坯壳向内弯曲脱开铜壁而钢水静压力又使坯壳向 外鼓胀，此时坯壳的收缩力与钢水的鼓胀力处于动平衡状态。随着坯壳下 降形成气隙区的坯壳表面开始回热，坯壳温度升高，强度降低，钢水静压 力使坯壳变形形成皱纹或凹陷。同时由于气隙的形成，传热减慢，凝固速 度降低，坯壳减薄，坯壳局部收缩会造成局部组织的粗化，产生了明显的 裂纹明感性。上述过程反复进行，直到坯壳出结晶器。铸坯在结晶器内， 图2 - 3 凝同坯壳与结晶器的接触示意图 f i g 2 - 3s k e t c hm a pb e t w e e ns o l i ds l a ba n dm o l d 1 2 第2 章连铸坯凝固传热的理论分析 拉坯方向的运动中向水平方向散热的传热界面是复杂的，传熟阻力口5 之们逐 渐增大，热流密度逐渐减小。 2 3 二次冷却过程的凝固传热 2 3 1 二冷区的传热方式 带液芯的铸坯在二冷区约有8 0 热量传出，铸坯才能凝固。铸坯中心 热量传到坯壳表面，水滴打到表面把热量带走，这是铸坯冷却的动力。： 冷区铸坯表面热量的传递【2 7 m l ，其中向空气辐射占2 5 ；与水辊接触占 1 7 ；水蒸发占3 3 ；水滴浸渍占2 5 。 在设备和工艺一定的条件下，辐射和夹辊导热变化不大，喷淋水传热 占主导地位。要提高二冷区传热效率，就必须提高喷雾水滴与高温铸坯之 间热交换，可以表示为： 痧= h ( l l ) 4 ( 2 - 1 ) 式中r 铸坯表面温度，。c 厅传热系数，k w ( m 2 。c 1 瓦冷却水温度， 。c 一喷雾冷却面积，m 2 实际上，二冷区是一个复杂的传热过程，传热受多种因素( t 、乙、 表面f e o 、水滴状态) 的影响，总的传热效果可归到传热系数h 上。h 值 大，传热效果就好。二冷区h 值分布合理，说明铸坯表面温度分布均匀，而 表面温度决定二冷喷水冷却温度。 2 3 2 二冷区传热的影响因素 2 3 2 1铸坯表面温度图2 - 4 表示热流与表面温度口川的非直线关系。由图 2 - 4 可知： ( 1 ) 铸坯表面温度小于3 0 0 。c ，热流随铸坯表面温度增加，此时为对流 传热； ( 2 ) 铸坯表面温度为3 0 0 8 0 0 。c ，随铸坯表面温度增加热流下降，在高 燕山大学丁学硕十学位论文 温表面形成蒸汽膜： ( 3 ) 铸坯表面温度大于8 0 0 。c ，导出热流几乎与铸坯表面温度无关。高 温铸坯表面形成气膜阻止喷射水滴与铸坯表面接触。 可见，二冷区高的铸坯温度对传热起了阻碍作用。 4 0 0 0 姗 赠刎 崧 l 咖 o 表面温度 c 图2 - 4 热流与表面温度关系 f i g 2 - 4r e l a t i o nb e t w e e nf l u xa n d e x t e r i o rt e m p e r a t u r e 2 3 2 2 水流密度水流密度增加，传热系数增大，它们之间的关系可用经 验公式【3 6 1 表示： h = a w ” ( 2 2 ) 式中_ i 卜专热系数，w ( m 2 6 c ) 爿常数 l 一一般为0 5 1 0 肛一水流密度，l ( m 2 s ) h 的值可以根据实际喷淋水的冷却状况进行试验测定，虽然各研究者试 验条件存在差异，但在一定范围内所得结果还是比较接近的，总的趋势是 水流密度增加，传热系数增大。 2 1 3 2 3 水滴速度水滴速度决定于喷水压力，喷嘴孔径和水的清洁度。水 滴速度增加，穿透蒸气膜而到达铸坯的水滴数增加，从而提高了传热能力。 1 4 第2 章连铸坯凝同传热的理论分析 2 3 2 - 4 水滴直径水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴尺寸越小，水滴 个数就越多，雾化就越好，有利于铸坯冷却均匀和提高传热效率。 使用气水喷嘴，般水滴比较细，增大了蒸发量，可以提高冷却效率 所以气水比值增大，传热系数明显提高。 2 3 2 5 铸坯表面状态对碳钢表面生成的f e o 实验表明，用m 气保护加 热碳钢，f e o 生成量0 0 8k g m 2 ；而在空气中加热，f e o 生成量为 1 1 2 k m 2 ，表面有氧化铁的传热系数比无氧化铁要低1 3 。使用气水喷 嘴，由于吹入的空气使铁鳞容易剥落，提高了冷却效率。 2 3 2 6 喷嘴喷嘴堵塞、喷嘴安装位置、喷嘴的使用状态等对铸坯传热也 有重要影响，因此要注意二冷水质处理和定期检修。 2 3 3 二次冷却的作用及要求 二次冷却的区域是铸坯从结晶器出来到拉矫机前的范围内的冷却区 域，它是一个直接喷水或喷气水的冷却区。 二次冷却的主要作用1 3 8 】是： ( 1 ) 加速铸坯凝固，提高连铸机产量将从结晶器出来的近8 0 未凝固 的铸坯继续强冷凝固，连铸机产量和铸坯质量很大程度上决定于二冷强度， 二冷强度越大，连铸机生产率就越高。 ( 2 ) 确保连铸坯的质量保证铸坯不发生漏钢、变形及产生裂纹和其它 缺陷，以获得良好的铸坯内部质量和外形尺寸 3 9 - 4 1 1 。 薄板坯在二冷区冷却要求是： ( 1 ) 冷却效率要高，以加速铸坯热量的传递； ( 2 ) 喷水量分布要合理，使铸坯表面温度分布均匀； ( 3 ) 铸坯进入拉矫机之前保证铸坯完全凝固； ( 4 ) 有良好的铸坯表面和内部质量。 2 3 4 二次冷却装置 二次冷却装置 4 2 州由两部分组成：支撑装置和冷却装置。 二次冷却装置采用的喷嘴【4 7 4 9 】可分为净水压力喷嘴和气水雾化喷嘴。 1 5 燕山大学t 学硕十学位论文 连铸机二次冷却装置对喷嘴的要求： ( 1 ) 铸坯的宽度方向和拉坯方向，铸坯冷却均匀； ( 2 ) 能把水雾化成细的水滴，又有较高的喷射速度，打到高温坯上易蒸 发； ( 3 ) 能够按钢种及冷却工艺的要求，大幅度地调节冷却强度； ( 4 ) 到达铸坯表面的水滴，覆盖面要大且均匀： ( 5 ) 在铸坯上未蒸发的水停留时间越短越好。 2 3 4 1压力水赜嘴赜雾冷却 为使整个板坯宽面上的喷淋水尽可能均匀 分布，采用的水喷嘴布置有两种方式：一是多喷嘴系统，缺点是喷嘴孔径 小易堵塞，喷嘴数量多，维修工作量大；二是广角喷嘴系统，喷嘴数量大 大减少。目前，连铸机广泛使用的压力喷嘴有扁平形，锥形和矩形等，一 般以喷嘴冷态特性来检验设计喷嘴的质量。 2 1 3 4 2 气水冷却在二冷区各喷水冷却段，由于压力水喷嘴水流分布的不 均匀性，造成局部冷却的差异，使铸坯经历反复强冷和回热。而气水喷嘴 是压缩空气和水从两个不同方向，在喷嘴内混合，压缩空气能进一步把水 滴雾化，高速打在铸坯表面上。试验表明：使用气水喷嘴后，铸坯表面冷 却均匀。温度回升减少( 水喷嘴1 5 0 2 0 0 。c m ，气水喷嘴5 0 8 0 。c m ) ， 调节范围宽( 水喷嘴1 ：2 5 ，气水喷嘴1 ：6 5 ) ，冷却水用量减少5 0 。喷嘴 不易堵塞和便于维修等优点。目前在板坯连铸机二冷区获得广泛应用。 2 3 4 3 千式冷却热装和连铸连轧工艺的开发，要求生产良好的无缺陷铸 坯，上述两种喷水冷却方式都不能完全满足要求。为此，二冷区采用不喷 水，完全靠支承辊的传导传热和表面辐射进行冷却，这种冷却叫干式冷却。 2 - 3 5 二次冷却与铸坯质量 二次冷却与铸机产量和铸坯质量密切相关。在其他工艺条件不变时， 二冷强度增加，拉速增大，则铸机生产率提高：同时，二次冷却对铸坯质 量也有重要影响，与二次冷却有关的铸坯缺陷1 5 4 1 有以下几种： ( 1 ) 内部裂纹在二冷区，如果各段之间的冷却不均匀，就会导致铸坯 表面温度呈现周期性的回升。回温引起坯壳膨胀，当施加到凝固前沿的张 1 6 第2 章连铸坯凝同传热的理论分析 应力超过钢的高温允许强度和临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现 中自j 裂纹。而温度周期性变化会导致凝固坯壳发生反复相变，是铸坯皮下 裂纹形成的原因。 ( 2 ) 表面裂纹由于二次冷却不当，矫直是铸坯表面温度低于9 0 0 。c ， 刚好位于“脆性区”，因此在矫直力作用下，就会在振痕波谷处出现表面横 裂纹。 ( 3 ) 铸坯鼓肚如二次冷却太弱，铸坯表面温度过高等。钢的高温强度 较低，在钢水静压力作用下，凝固壳就会发生蠕变而产生鼓肚。 ( 4 ) 铸坯菱变( 脱方)菱变起源于结晶器坯壳生长不均匀性。二冷区内 铸坯四个面的非对称性冷却，造成某两个面比另外两个面冷却的更快。铸 坯收缩时在冷面产生了沿对角线的张应力，会加重铸坯扭曲。菱变现象在 方坯连铸中尤为明显。 因此，应从铸机产量和铸坯质量这两个方面综合考虑，以确定合理的 二冷制度。从提高铸机产量考虑，应加强铸坯表面和二冷水之间的传热， 提高二冷区冷却效率，加速铸坯凝固。 从铸坯质量考虑，应满足三个要求： ( 1 ) 二冷区铸坯表面温度分布应符合钢种的高温延性曲线，二冷配水应 使得矫直时铸坯表面温度避开脆性“口袋区( 7 0 0 。c 9 0 0 。c ) ”，