（材料加工工程专业论文）板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 结晶器是连铸机的核心部件，完成将钢液初步凝固成型的任务。结晶器与铸坯之间 会发生复杂的热、力行为的作用，结晶器内的传热凝固与摩擦润滑状态决定结晶器的工 作状况，最终决定铸坯的表面质量和连铸机的生产能力。当前结晶器监控技术的核心是 热学和力学行为的在线检测，其目的是能够实时了解结晶器与铸坯间的传热、摩擦和润 滑状况，为实现铸坯质量的在线预测和调控提供帮助和支持。因此，分析和掌握结晶器 内热学和力学行为的作用机理，开发和应用基于实测数据的结晶器内传热与摩擦润滑的 计算方法，是顺应高效连铸技术发展的根本要求。 本文以连铸结晶器为研究对象，围绕着连铸结晶器内发生的传热和摩擦行为展开工 作，着眼于推动和促进结晶器热、力行为研究的生产应用，归纳总结以往研究工作的成 果与不足，对结晶器内的传热凝固和摩擦润滑行为进行模拟与检测研究。首先，建立基 于实测的板坯连铸结晶器传热反问题数学模型，并对实际工况下的结晶器传热与铸坯凝 固行为进行分析；其次，推导并建立结晶器一保护渣铸坯界面摩擦行为的数学模型，对 结晶器内的润滑摩擦行为进行讨论；第三，基于液压振动装置驱动的板坯连铸机，研究 和建立结晶器摩擦力的瞬态检测模型，并对摩擦力的检测结果进行分析；最后综合模拟 计算与检测实验的内容，提出结晶器内传热与摩擦状态联合监测的应用构想，并进行初 步的设计与讨论。 针对板坯结晶器热电偶的排布特点，研究并建立板坯连铸结晶器传热反问题的数学 模型。基于实测温度数据，对结晶器传热与铸坯凝固行为进行了模拟计算，细致分析了 实际工况下结晶器内的热流和坯壳厚度分布，以及拉速的影响，并对模型的合理性和传 热计算应用的可行性进行了验证。 依据摩擦学的基本原理，利用结晶器保护渣的界面模型，界定并划分铸坯表面不同 的接触和摩擦状态，同时引入了混合润滑理论，建立了详细描述结晶器- 保护渣一铸坯间 界面摩擦行为的数学模型。利用基于实测的板坯结晶器传热计算结果，对结晶器与铸坯 间的液渣膜厚度分布、保护渣的润滑状况及界面上摩擦应力的变化和影响因素等进行了 分析和讨论，并由此提出了可用于生产现场的结晶器保护渣热态润滑摩擦状态的检测方 法。 基于液压振动装置驱动的板坯连铸机，根据经典的受迫振动理论，对结晶器振动过 程中的受力状况进行分析，确定了结晶器摩擦力的检测思路，回归出空振输出力的计算 模型，并对模型的合理性及参数的取值规律进行了讨论。根据结晶器摩擦力的检测结果， 对实际生产条件下的摩擦力的瞬态行为、其相关参数的变化、振动方式的影响和摩擦力 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 的异常状况等进行了分析，结果表明：正常工况下，瞬态摩擦力近似随结晶器振动速度 变化，二者符合较好；漏钢前，摩擦力随振动速度变化的趋势不再明显，摩擦力变化紊 乱、无规则。 关键词：连铸结晶器；传热反问题；保护渣润滑；摩擦力 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo nh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nb e h a v i o r si nm o u l do fs l a b c o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t t h em o d di st h ec o r ec o m p o n e n to fc o n t i n u o u sc a s t e rf o rp r i m a r yc o o l i n ga n di n i t i a l s h e l lf o r m i n go fl i q u i ds t e e l t h e r ei sac o m p l e xi n t e r a c t i o no ft h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o r s b e t w e e nm o u l da n ds t r a n d n l es t a t e so fh e a tt r a n s f e r ，s o l i d i f i c a t i o n ，f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n d e t e r m i n et h em o u l dw o r k i n gc o n d i t i o n s ，f u r t h e r m o r e ，d e t e r m i n es t r a n ds u r f a c eq u a l i t ya n d p r o d u c t i o nc a p a c i t yo fc o n t i n u o u sc a s t e r a tp r e s e n t ，t h ek e yo fm o u l dm o n i t o r i n gt e c h n i q u e i so n 1 i n ed e t e c t i o no ft h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o r s t h ea i mo fw h i c hi st ou n d e r s t a n dt h e s t a t u so fh e a tt r a n s f e r ，f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o nb e t w e e nm o u l da n ds t r a n di m m e d i a t e l y ，i n o r d e rt op r o v i d et h es u p p o r tf o ro n l i n ef o r e c a s ta n dc o n t r o lo fs t r a n dq u a l i t y t h e r e f o r e ，i t c o m p l i e sw i t ht h eb a s i cr e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n to fh i g he f f i c i e n c yc o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n o l o g y ，t oa n a l y z ea n dm a s t e rt h em e c h a n i s mo ft h e r m o m e c h a n i c a li n t e r a c t i o nb e h a v i o r s i nm o u l d ，a n dt od e v e l o pa n da p p l yt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o ni n m o u l db a s e do nm e a s u r e dd a t a i nt h i sp a p e r ，t h em o u l do fc o n t i n u o u ss l a bc a s t e ri st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h e s t u d yi ss p r e a da r o u n dh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nb e h a v i o r so c c u r r i n gi nt h em o u l d w i t ha v i e wt od r i v ea n d p r o m o t e t h e p r o d u c t i o na p p l i c a t i o n o ft h e s t u d y o nm o u l d t h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o r s 。t h ea c h i e v e m e n t sa n ds h o r t a g eo fp r e v i o u sw o r k sa r e s u m m a r i z e d ，t h es i m u l a t i n ga n dd e t e c t i n gs t u d i e so nh e a tt r a n s f e r ，s o l i d i f i c a t i o n ，f r i c t i o na n d l u b r i c a t i o nb e h a v i o r sa r ec o n d u c t e d f i r s t l y b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao fm o u l d t e m p e r a t u r ed u r i n gs l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a ni n v e r s ep r o b l e mm o d e li sb u i l t ，a n dt h em o u l d h e a tt r a n s f e ra n dt h es t r a n ds o l i d i f i c a t i o ni nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o na r ea n a l y z e d s e c o n d l y ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff r i c t i o nb e h a v i o ro nm o u l d s l a g s t r a n di n t e r f a c ei sd e r i v e da n d b u i l t a n dt h el u b r i c a t i o nb e h a v i o ri nm o u l di sd i s c u s s e d t h i r d l y ，b a s e do nt h es l a bc a s t e r e q u i p p e dw i t hh y d r a u l i co s c i l l a t o r st h et r a n s i e n td e t e c t i n gm o d e lo fm o u l df r i c t i o n i s r e s e a r c h e da n db u i l t ，a n dt h ed e t e c t i o nr e s u l t so fm o u l df r i c t i o na r ea n a l y z e d f i n a l l y ， i n t e g r a t i n gt h ec o n t e n t so fs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o na n dd e t e c t i o ne x p e r i m e n t ，t h ea p p l i c a t i o n i d e ao fc o m b i n e dm o n i t o t i n go fh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o ns t a t e si nm o u l di sp u tf o r w a r d 、j v i t l l p r i m a r yd e s i g na n dd i s c u s s i o n a ni n v e r s ep r o b l e mm o d e lo fm o u l dh e a tt r a n s f e ri ns l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gi s r e s e a r c h e da n db u i l ta i m i n ga tt h ei n s t a l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o c o u p l e si ns l a bm o u l d b a s e do nm e a s u r e dt e m p e r a t u r ed a t at h eb e h a v i o r so fm o u l dh e a tt r a n s f e ra n ds t r a n d i i i 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 s o l i d i f i c a t i o na r es i m u l a t e d ，a n dt h e nt h ed i s t r i b u t i o n so fh e a tf l u xa n ds h e l lt h i c k n e s s ，a n d 血e e f f e c to fc a s t i n gs p e e di nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o na r ed e t a i l e d l ya n a l y z e d a n dt h er a t i o n a l i t y a n df e a s i b i l i t yo fh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o ni sv a l i d a t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b ef r i c t i o nb e h a v i o ro nm o u l d s l a g s t r a n di n t e r f a c ei s b u i l tw i t hi n t r o d u c i n gm i x e dl u b r i c a t i o nt h e o r yb yw e l ld e f i n e da n dd i v i d e dd i f f e r e n t c o n t a c t i n ga n dl u b r i c a t i n gs t a t e so ns t r a n ds u r f a c e u s i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fm o u l dh e a t t r a n s f e rb a s e do nm e a s u r i n gd a t am e n t i o n e da b o v e ，t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no fl i q u i ds l a g f i l mb e t w e e nm o u l da n ds t r a n d ，s l a gl u b r i c a t i o ns t a t u s ，衔c t i o n a ls t r e s sv a r i a t i o no nt h e i n t e r f a c ea n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r sa l ea n a l y z e d a f t e rt h a tad e t e c t i n gm e t h o do ft h e r m a l l u b f i c a t i o na n df r i c t i o ns t a t eo fm o u l df l u x e si sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a nb eu s e df o rp r o d u c t i o n f i e l d o nt h eb a s i so ft h e s l a bc a s t e re q u i p p e dw i t hh y d r a u l i co s c i l l a t o r sa n dt h ec l a s s i c a l f o r c e do s c i l l a t i o nt h e o r y ，t h em o u l df o r c es i t u a t i o nd u r i n go s c i l l a t i o ni sa n a l y z e da n dt h e d e t e c t i o ni d e ao fm o u l df r i c t i o ni sd e t e r m i n e d t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fc y l i n d e rf o r c ea t e m p t ys t a t ei sr e g r e s s e d ，a n dt h er a t i o n a l i t ya n dt h er a n g eo fp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d b a s e d o nt h ed e t e c t i n gr e s u l t so fm o u l df r i c t i o n ，f r i c t i o n a lt r a n s i e n tb e h a v i o r ，r e l a t i v ep a r a m e t e r s v a r i a t i o n e f f e c to fo s c i l l a t i o nm o d ea n da b n o r m a ls t a t u sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt l l a t t h et r a n s i e n tf r i c t i o na p p r o x i m a t e l yc h a n g e sw i t ho s c i l l a t i o nv e l o c i t yd u r i n gt h en o r m a ls t a t e ， b o t ho fw h i c hc o i n c i d ew e l l ；a b n o r m a lf l u c t u a t i o no ff r i c t i o nw o u l do c c u rb e f o r et h eb r e a k o u t w i t hb a dc o i n c i d e n e eb e t w e e nf r i c t i o na n dv e l o c i t y k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d ；i n v e r s e h e a tt r a n s f e rp r o b l e m ；s l a g l u b r i c a t i o n ；f r i c t i o n i v 大连理：l ：火学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理- i ：火学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名：鸯匹基一 年互j 。望日 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：越已全日期：2 叠i ：三：竺 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 回顾历史，连铸无疑是铸造技术的一项革命，其应用彻底改变了铸造车间的生产流 程和物流控制，为生产的连续化、自动化和信息化技术的应用，以及为大幅度改善环境 和提高产品质量提供了条件【l 刁】。在连铸技术发展过程中经历了几个里程碑的阶段【4 】： 结晶器振动完成了连续浇铸过程中的脱模，使连续铸钢真正得以工业化；铸机辊列技 术的发展完善是现代化大型板坯连铸机的基础；连铸直接轧制生产综合了铸机、轧机 控制无缺陷铸坯生产等几乎所有的相关技术，实现了钢材成型全过程的连续化。连铸技 术的发展是一个从简单到复杂、从单一到综合的过程，因此，复杂综合的连铸技术仍然 是由相对独立的单体技术所构成的。 连铸技术的发展推动了“炼钢炉外精炼连铸一连轧”工艺流程的优化组合，与 传统的模铸相比，连铸是一项节能工艺，其具有降低能量消耗、节省工序、缩短流程、 提高金属收得率、生产过程机械化和自动化程度高、钢种多样、产品质量高等许多传统 模铸技术不可比拟的优点。连铸比是衡量一个国家或一个钢铁企业生产发展水平的重要 标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及与连铸有关的各生产环节发展水平的综合体 现。上世纪七十年代至九十年代，中国的连铸工业发展较慢，1 9 9 0 年世界和中国的连铸 比分别为6 2 8 和2 5 0 7 。而在随后的十多年间，中国的连铸生产得到了快速的发展， 2 0 0 7 年，中国的连铸比己达到9 8 8 6 i 引。2 0 0 7 年全球6 7 个主要产钢国家和地区粗钢总 产量1 3 4 亿吨，同比增长7 5 ，这是连续第五年增速在7 以上。其中，中国产量为 4 9 亿吨，同比增长1 5 7 ，自1 9 9 6 年连续1 2 年成为全球第一大粗钢生产国。2 0 0 7 年， 中国的板带比和板管带比也分别达到了4 3 5 9 和5 0 8 6 。 近几年，高效连铸技术在国内外迅速发展，并已成为现代连铸生产发展的重要方向， 其重点包括提高铸机拉坯速度、提高连浇率、提高连铸机的作业率三项技术。其中以高 拉速技术为主体，即在保证铸坯质量的前提下进一步提高铸机拉速，降低成本，提高生 产效掣6 川。然而，随着铸机拉速的提高，铸坯驻留在结晶器内部的时间缩短，结晶器 下口处的坯壳厚度减薄，坯壳强度降低，易出现裂纹等缺陷1 8 j ；另一方面，结晶器保护 渣的消耗量随拉速的增加而降低，同时由于拉速的提高而引起液位波动的加剧，会抑制 保护渣均匀稳定地流入结晶器与铸坯之间的缝隙，这将严重恶化结晶器内部的传热和润 滑状况。由此导致初生坯壳表面裂纹的形成机率上升，已形成的潜在裂纹源也极易在二 冷区扩展，极端情况下则直接表现为结晶器漏钢，成为制约连铸高拉速技术发展的瓶颈， 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 受到了世界范围内的广泛关注。回顾近些年连铸的发展可以发现，开发成功的重要新技 术都具有三个特点1 9 1 ：与其它领域新技术结合紧密，如与自动化、信息技术、电磁、 压力加工紧密结合；连铸重要技术的发展绝大多数是在现有工艺技术基础上，在某些 局部点取得突破；近终型连铸的发展成为热点。 结晶器是连铸机的核心部件，完成将钢液初步凝固成型的任务，在结晶器中，钢液 由于受到水冷器壁的强烈冷却很快在弯月面处形成薄弱的新生坯壳，随着新生坯壳的不 断向下运动，温度降低，厚度和强度增大。结晶器内的传热和润滑状态决定结晶器的工 作状况，最终决定铸坯的表面质量和连铸机的生产能力【】m 1 3 】。铸坯的表面缺陷主要源于 钢液在结晶器内部的凝固过程，对于板坯连铸而言，结晶器对板坯表面质量的决定因素 包括：板坯窄面凹陷、板坯窄面鼓肚、板坯脱方、板坯角部纵裂、板坯表面纵裂、板坯 表面夹渣的含量和表面振痕的深度与间距【1 4 1 5 】。因此生产中要求将影响表面质量的各参 数严格地控制在合理的目标范围之内【1 6 ，1 7 】，以生产无缺陷的优质铸坯，这也是实现热装 直轧技术( h o td i r e c tr o l l i n g ，h d r ) 的重要前提【l 引。 连铸生产过程中，结晶器与铸坯之间会发生复杂的热学和力学的作用，为了更深入 地了解实际生产中连铸结晶器内发生的现象，研究和探讨结晶器与铸坯间的的热学、力 学行为及其相关现象就显得十分重要，比如为在线和离线的定量化分析提供依据等。当 前结晶器监控技术的核心是热学和力学行为的在线检测，其目的是能够实时了解结晶器 与铸坯间的传热、摩擦和润滑状况，为实现铸坯质量的在线预测和调控提供帮助与支持。 因此，分析和掌握结晶器内热学和力学行为的作用机理，开发和应用基于实测数据的结 晶器内传热和润滑的计算方法，是顺应高效连铸技术发展的根本要求。 1 2 结晶器内的传热行为及数值模拟 1 2 1 传热行为检测 对结晶器铜板温度的变化情况进行测量，就能够对这一区域内的传热状态及保护渣 的效能实行监控l 内】。为此生产现场广泛采用的方法是测量一冷水和铜板的温度，前者是 测量一冷水进、出口的水温之差，用以推算结晶器内的总换热量；后者是在结晶器内壁 靠近其热面的位置，按照一定的排列方式埋设热电偶，检测各局部区域的瞬时温度和传 热的变化2 0 1 ，热电偶检测结晶器温度已成为现代化连铸机的标准检测仪表1 2 1 l 。目前国内 外关于传热检测的研究内容主要集中在以下方面1 27 i ： ( 1 ) 提供用以优化工艺过程控制和铸坯状况的动态在线信息，包括确定一个合理的 经验传热值； 大连理工大学博士学位论文 ( 2 ) 研究保护渣性能与热流之间的关系，纵裂的形成机制以及保护渣的分布均匀程 度等： ( 3 ) 分析传热、润滑、锥度情况，为离线处理复杂的二维或三维数学模型的工艺规 程提供条件； ( 4 ) 提供有关铸机维修和设计的诊断数据，例如浸入式水口对中不良或局部堵塞与 热流不均匀性分布的关系，冷却水套内水的沸腾和水垢聚集现象等等； ( 5 ) 开发漏钢报警系统，通过温度或热流的异常现象预报漏钢事故，其中用于板坯 的这类拉漏预警系统国外已商品化。 国外的传热检测研究开展的相对较早，其中具有代表性的工作有： b y m e 等【2 3 1 沿圆坯连铸结晶器的周向安装了多只热电偶，建立了结晶器温度在线监 测系统。实测结果表明：结晶器传热沿周向不均匀；对于不同保护渣，热电偶实测温度 波动( 距顶部2 0 0 r a m 高度) 不同，粘度越大，波动越大。导致铸坯表面缺陷较大的传 热波动被显示给操作工人，操作工人采取适当的措施来减小波动，从而获得了表面质量 良好的大断面圆坯。m a h a p a t r a 和b r i m a c o m b e 等【2 0 】以板坯为对象，分别在结晶器各宽 面和窄面铜板的中心线及角部附近布置了6 列和2 列，总计1 1 4 对热电偶，并且在弯月 面附近热电偶的纵向排列较密，以探讨不同工艺条件下结晶器轴向的温度变化。研究表 明：结晶器温度沿纵向分布不一致，这反映了结晶器纵向传热的变化，温度的峰值出现 在弯月面下2 0 r a m 左右的位置。h a e r s 和t h o r n t o n 等1 2 4 l 也以板坯为对象，分别在四个铜 板内，沿结晶器高度距离顶部分别为2 0 0 m m 和3 5 0 m m 横截面内安装两排热电偶，其水 平间距为1 8 0 m m 。共3 0 对热电偶，每个宽面和窄面分别为1 3 对和2 对，建立了结晶 器在线热检测系统( m o u l dt h e r m a lm o n i t o r i n g ，m t m ) ，实时提供漏钢预报和铸坯表 面缺陷的信息。在现场检测的6 个月中达到了零漏报和小于2 0 次的误报。不仅如此， 该系统还评估了浇铸含碳量不同的钢水时，结晶器温度的波动，以及不同局部位置的温 度波动等。k u m a r 掣2 5 1 以方坯为对象，通过在结晶器壁内不同局部位置安装的热电偶， 获取不同缺陷产生时结晶器的热反应，进而开发智能结晶器专家系统，对铸坯质量进行 在线监控。弯月面上布置热电偶有助于检测局部液面的波动，液面信号的标准偏差为液 面波动提供了很好的评估，同时不同局部位置的热电偶温度也可以评价不同类型的铸坯 缺陷。a l v a r e z 等1 2 6 j 在方坯结晶器铜板中心纵截面上，沿高度设置6 排测点，每个测点 安装2 只热电偶，可以同时对温度和热流进行输出。文中分析了瞬态传热的异常现象， 以及不同保护渣对热电偶温度的影响等。 国内学者也对结晶器温度和热流的检测进行了大量研究。张立等1 2 7 1 基于宝钢板坯连 铸机，通过在结晶器铜板内部埋设热电偶的方法检测结晶器的传热行为。发现当拉速提 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 高到1 2 m m i n 以上时，结晶器冷却水进、出水温差不再增加，结晶器宽边平均热流不 再随拉速的增加而进一步提高；结晶器的平均热流与钢的碳含量之间有明显的关系，含 碳0 1 1 左右的钢浇铸时结晶器宽面和窄面的平均热流均最低。雷作胜和任忠鸣等e 扰列j 在实验室条件下测量了弯月面处的温度波动情况，发现该区域的温度随结晶器振动呈有 规律的周期变化，具有良好的频率相应特性。认为此现象所导致的弯月面附近初始凝固 坯壳温度波动，是振痕产生的主要原因。张慧和刘立文等i jo 引j 根据在线实测的结晶器铜 板温度，研究了薄板坯结晶器铜板温度和热流的分布规律，回归出热流密度与结晶器高 度的函数关系。检测和计算结果表明：铜板宽度方向上温度和热流具有相似的规律性， 距离弯月面越近，热流密度和温度波动越剧烈，过高的热流密度是造成铜板热裂和热蚀 的主要原因。姚曼和苏云刚等【3 2 j 采用经标定的n i c r n i s i 铠装热电偶( 5 8 点和1 2 点) 对弧形连铸小方坯结晶器的温度进行检测。结果表明：生产过程结晶器温度场是不稳定 的，结晶器同一高度的横截面上温度分布不均，结晶器温度与铸坯表面质量、设备状态 和漏钢等密切相关；姚曼和尹合壁等【3 3 - 35 】沿结晶器周向距结晶器顶部不同高度安装3 6 支热流传感器，同时检测温度和热流，建立了圆坯结晶器温度、热流在线检测系统，研 究发现弯月面下7 0 11 0 r a m 区域内结晶器热流最大，形成局部高热流区；圆坯结晶器周 向传热不均匀且处于瞬态变化中，不同结晶器安装状态，热流周向分布趋势不同。 1 2 2 传热数值模拟的研究 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、铜壁自身的传热和 铜壁与冷却水之间的传热1 2 l ，结晶器区域热量的导出对连铸工艺操作和铸坯质量有着重 要的影响。由于检测手段的局限性，结晶器内钢液的凝固过程在实际生产中是难于观察 到的，这使得单纯靠实验研究和工业试验是不够的，而且也是不经济的。因此人们开发 出许多数学模型来研究钢水在结晶器中的凝固行为。 国内外对连铸坯凝固传热进行了大量的研究，早在上世纪六、七十年代，l a i t 和 b r i m a e o m b e 等认为沿高度方向热传导较小，可以忽略，并且板坯远离角部位置处的周向 传热也可以忽略，因此利用显式有限差分方法，建立一维数学模型，计算铸坯的温度场 和凝固状态，以及熔池的深度等【3 6 09 1 。通过向熔池内添加放射性元素，获得坯壳形状， 发现计算出的坯壳厚度与现场观测一致。m e n g 和t h o m a s 等【4 0 】利用结晶器与铸坯间固、 液渣的质量守恒和动量守恒，并考虑振痕的影响，计算了结晶器铸坯温度、坯壳厚度、 固、液渣膜厚度以及热流分布等。也有连铸工作者建立了在线模拟结晶器热行为和铸坯 凝固状态的数学模型。s p i t z e r 等1 4 1 1 以结晶器中心纵截面为对象，利用有限差分法建立二 一4 一 大连理工大学博士学位论文 维在线计算模型。利用结晶器出口以下铸坯表面实测温度，在线调整结晶器内的传热系 数，使计算温度和实测结果吻合，该模型已在几个铸机上使用。而l o u h e i l l ( i l p i 等【4z j 在上 述基础上先后考虑了拉坯方向和周向的传热，采用有限元方法，实时在线计算一冷、二 冷段铸坯表面温度、液池深度和坯壳厚度，并在线计算结晶器的冷却水传热，实测坯壳 厚度和铸坯表面温度与计算值相吻合。 国内有关结晶器内铸坯凝固传热的研究起步相对较晚，但近些年来也进行了大量的 研究，取得了许多进展。蔡开科和金俊泽等【4 3 郴l 较早地把数值模拟技术引入对连铸结晶 器内的热分析中。陈登福和张炯明等【4 6 47 】通过建立二维横截面和纵截面模型，以经验公 式作为边界条件，来计算连铸坯凝固传热行为。详细分析了结晶器铜板温度和瞬时热流 量，及工艺参数的影响。刘相华和王国栋掣4 8 】建立了二维横截面非稳态传热模型，为了 描述铸坯凝固时横、纵向和角部气隙的存在所造成的传热不均匀，模型对结晶器不同部 位采用不同传热系数。结果表明，计算出的铸坯温度和结晶器出口处坯壳厚度值与现场 测定的温度和拉漏数据基本相符。汪建农和马金昌等【4 0 j 则对连铸初始凝固行为进行模拟 研究，分析了振痕、凝固组织的形成机理。结论指出，铸坯表面的一个节距是由平直面、 弯月面壳、振痕线和溢流面所组成，其中弯月面壳在负滑脱期形成，溢流面的形貌取决 于工艺条件。盛义平等1 5 0 l 建立了圆坯结晶器二维稳态柱坐标传热数学模型研究铜管的温 度分布，计算结果与实测结果相符，验证了模型的正确性。王宝峰、麻永林等1 5 i 】也建立 了二维横截面传热模型，采用有限元法计算了不锈钢板坯在凝固过程中的温度场和坯壳 厚度随时间的变化。指出影响铸坯凝固的主要因素是凝固潜热，拉速是影响凝固末端位 置的主要工艺参数，同时电磁搅拌的影响也较大。苏俊义、王谦、陈登福、文光华和干 勇等1 5 纠以方坯或板坯为对象，在计算连铸结晶器内热行为的同时，考虑了钢液流动的 影响，或对温度和流动分别处理，也或对两者进行耦合计算。刘旭东和朱苗勇等p j 建立了板坯连铸的二维凝固传热模型，充分考虑了弧形铸坯的几何特点，采用有限单元 法求解控制方程，计算了导热系数、结晶热通量、拉速和二冷强度对铸坯表面温度和坯 壳厚度的影响。随后又建立了三维有限元传热模型，系统地分析了铜板厚度、水槽的结 构尺寸和分布、镍层对结晶器温度分布的影响。 1 2 3 传热反问题算法 将数值模拟技术与现场实测相结合，能有效验证模型的准确性，并获得反映实际凝 固状态的计算结果。通常利用安装在结晶期内的热电偶获得的实测温度计算结晶器的热 面热流，并以此作为边界条件最终计算铸坯和结晶器内的热学和力学行为。结晶器与铸 坯间的换热边界条件是传热过程的控制因素，对凝固模拟的精度影响极大。利用反问题 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 算法( i n v e r s ep r o b l e ma l g o r i t h m ) 求解热传导是确定界面热交换较好的方法，即在已知 内部某些特定点的温度后反算界面热流或界面热交换系数等。反问题是相对于正问题 ( d i r e c t p r o b l e m ) 而言的。若在两个问题中，一个问题的表述或处理涉及到或包含了有 关另一个问题的全部或部分的知识，称其中一个为正问题，另一个为反问题。对于理想 状态下的结晶器传热行为及铸坯凝固状态的研究已取得很大进展，对连铸工艺的改进起 到了重要作用。其中具有代表性的是由s a v a g e 、p r i t c h a r d 等提出的结晶器内瞬时热流与 钢水停留时间的关系式：q = a + b 4 t ，其中a 、b 分别为系数，其反映了不同高度的平 均热流。但经验热流公式仅给出了沿结晶器高度方向的热流变化，不能反映实际生产中 结晶器横向热流的变化以及传热的非对称状态，在模拟针对实测数据的结晶器传热行为 时存在很大的限制。传热正问题模型通常较少考虑实测的温度数据，其计算结果往往不 能真实反映实际连铸状态，而通过实测温度数据建立反问题数学模型所计算的温度场， 可以反映实际工艺参数变化的影响，并且，反问题模型有效避免了对结晶器与铸坯之间 复杂传热过程的处理，因此减小了以热流经验公式作为边界条件进行传热计算所带来的 误差。 相关的研究报道有： m a h a p a t r a 和b r i m a c o m b e 等【2 0 l 在板坯结晶器中安装了11 4 支热电偶，忽略宽面方 向上的传热，以板面中心纵截面为对象，先建立二维传热模型，不断调整沿高度方向分 布的热流，使温度的计算值和实测值吻合；然后，把热流边界输入三维模型，再进行循 环计算，进一步修正热流，使温度计算值和实测相吻合。p i n h e i r o 和s a m a r a s e k e r a 等p 川 通过在方坯结晶器中心纵截面内沿高度不同位置安装7 6 支热电偶，获得结晶器温度分 布。建立反问题算法，计算相应位置热流的分布，满足测点处温度实测值和计算值一致； 并且讨论了不同润滑类型、碳含量等对传热的影响。c h o w 等【6 0 】又在安装有6 8 支热电偶 的方坯上进行与上述相似的研究。在高拉速下，利用结晶器变形和铸坯尺寸，并基于最 小化结晶器与铸坯之间的相互作用，设计新的结晶器锥度。m a r c i a l 等【6 l 】建立板坯传热 的瞬态二维有限元模型，利用4 4 支热电偶的实测温度结合反问题计算结晶器铸坯界面 热流，并对其系统预测的稳定性进行了讨论。 在国内，郝守卫和柳百成等【6 2 】较早地讨论了几种求解传热反问题的方法，着重介绍 了非线性估计法，并成功地应用到求解凝固过程中随时间而变化的金属铸型界面热交换 系数及其温度场。朱宪华等【6 3 】对直径为4 6 r a m 的水平连铸灰铸铁棒材进行凝固数值模 拟，利用实测石墨套温度，反算出石墨套内侧的热流边界条件，为研究和处理连续铸造 中铸材界面热交换问题提供了新的途径。孙冀和潘德惠1 6 4 山5 】通过在结晶器铜板上建立二 维横截面温度场模型，用系统辨别的方法，求解热传导反问题，在结晶器铜板的一个层 一6 一 大连理工大学博士学位论文 面完整地确定铸坯表面热流密度分布，试验数据显示算法是有效、可靠的。王秋旺等1 6 6 d 兀针对板坯在二冷区的传热，建立求解铸坯表面传热系数的一维非稳态导热反问题模 型，实现了不同喷水条件下的表面传热系数一表面温度对应关系的求解，并开发了预测 和仿真的软件。姚曼和尹合壁1 6 8 - 7 0 1 基于圆坯连铸结晶器3 6 支热电偶的实测温度数据， 建立了结晶器传热反问题数学模型，以热阻来表征结晶器与铸坯间的复杂热交换，通过 确定结晶器铸坯界面间的局部热阻，计算出结晶器热流场和坯壳厚度，且分析了结晶器 热流分布特征和铸坯凝固状态，为将数值模拟技术应用于连铸凝固过程监控和“可视化 结晶器 技术提供了可借鉴的实用方法。 在结晶器内布置足够多的热电偶，以获得更为全面的温度信息，对于传热状态的准 确模拟是极为有利的，以往的研究也多是在设有大量温度测点的条件下进行的。但目前 大多数连铸结晶器温度检测的目的是用来进行粘结漏钢预报，所以只是在传热敏感的位 置( 如弯月面附近) 安装较少的热电偶，其并不能提供反映结晶器传热的全面信息，尤 其在大断面的板坯连铸中，两、三排且稀疏的热电偶排布方式则非常普遍。在此种热电 偶较少的实际条件下，能否也可获得反映实际状况的结晶器热流分布和凝固信息还存在 疑问。 1 3 结晶器内的润滑与摩擦行为研究 在连铸生产中，由于连续下移的铸坯与持续振动的结晶器之间的相对运动，使得两 者间产生摩擦力，研究表咧7 1 l ，大多数铸坯上的表面缺陷都是由于在结晶期内相对地破 坏了润滑条件而产生的，其后果就是加大了摩擦力。作为表征润滑状态的重要参数，摩 擦力反映了铸坯与结晶器间相互的力学作用，可提供定量理解保护渣行为和反映操作的 信息，与铸坯的质量、裂纹和漏钢有着密切的关系【7 7 4 j 。 铸坯与结晶器是一对特殊的摩擦副，一边是不断向下拉出的炽热铸坯，另一面是上 下往复振动的水冷结晶器，中间则是一层状态特殊的润滑介质。铸坯与结晶器间摩擦力 的影响因素很多，包括工艺参数的选取、铸钢本身的因素( 如含碳量、合金元素、凝固 过程中的相变等) 以及保护渣的物理性能、工艺操作等。目前，人们对结晶器与铸坯间 的传热研究已较为成熟，但摩擦力的研究进展相对滞后，这是由于理论和实验研究的难 度均很大造成的。近些年，国内外学者在摩擦力的计算和检测等方面进行了大量的工作， 开发出一系列计算和监测的理论与方法，部分已成功运用于生产实践，并体现出良好的 经济价值与应用前景。 板坯连铸结晶器内传热与摩擦行为研究 1 3 1 摩擦行为的模拟研究 对摩擦力进行计算，可以弥补人们对于传热研究的不足，并探讨各浇铸参数对摩擦 力的影响规律，进而从力学角度分析铸坯缺陷及异常产生的原因，为设计铸机、改善铸 坯质量、优化连铸过程提供理论指导和技术支持。但结晶器内的情况十分复杂，在理论 上，边界摩擦和润滑还是一个相对模糊的研究区域，还没有一种成熟的摩擦学理论可以 完全解决好边界润滑和边界摩擦。目前为止尚无统一的计算结晶器摩擦力的数学和物理 模型。关于计算结晶器摩擦力的方法报道相对较少，现有计算结晶器摩擦力方法中，主 要有应用流体润滑模型和经验公式估算等方法。 1 3 1 1 保护渣研究 初熔的保护渣在结晶器四周的弯月面处，由于结晶器的振动和铜壁与铸坯间的毛细 管作用，沿着结晶器与铸坯间的通道流入其缝隙之中形成渣膜，渣膜靠近坯壳一侧由于 温度较高保持液态，另一侧靠近结晶器受冷而凝固呈现固态，与结晶器一起振动，随着 拉坯的进行，运动的液态渣膜将随着铸坯一起脱出结晶器。流入的熔渣能否形成厚度适 中的润滑膜取决于熔渣的凝固温度、结晶温度与结晶倾向、粘度随温度变化的幅度、熔 渣及其凝渣的导热性等因素。研究表明：在结晶器上部，保护渣以液态方式存在，结晶 器与铸坯间的摩擦力以液体摩擦力为主；而在温度相对较低的结晶器下部，保护渣以固 态方式存在，结晶器与铸坯间的摩擦力以固体摩擦力为主。一般分别计算液体与固体摩