（材料加工工程专业论文）连续铸钢结晶器温度场的实验研究及其数值模拟.pdf

连续铸荆结品 泓艘场的实验研究擞“数值模拟 摘要 连续铸造在金属材料生产中占有举足轻重的地位连铸技术的水平成为衡量钢铁工 业现代化程度的重要标志。结晶器是连铸机的“心脏”，连铸技术的发展离不开结晶器 技术的发展。铸件凝固过程数值模拟是计算机在铸造生产中应用的最核心内容。数值模 拟技术代替部分传统的经验性实验工作一方面提高生产效率、降低成本和能耗，另一 方面减少环境污染是适应可持续发展战略的研究方向。结晶器的传热和变形影响铸坯 的表面及内部质量，而且其使用寿命直接影响铸坯的产量。因此，本文以连铸结晶器的 温度场为中心，将实验与数值模拟相结合，展丌了如下研究： 设计了模拟结晶器工作过程的动态及静态水流作用下结晶器内壁界面温度分布实 验，得到了结晶器内壁边界温度分布规律。 建立了结晶器边界等效导热系数模型，使连续铸钢过程中，包括结晶器在内的连铸 钢坯温度场的数值模拟能够进行。 进行了圆柱拉坯实验，选用低熔点的锡铅台金模拟钢熔体。铸坯直径3 0 r a m ，拉坯 速度3 m m s ，冷却水流量o 0 8 m 3 h 。实验结果与数值模拟结果基本符合，验证了数值模 拟软件的可行性。 为了系统研究铸件与铸型的边界传热，对普通铸件的凝固进行了测温实验。实验测 得了砂型和盒属型冷却条件下，相同材质铸件凝固过程中的边界温度分稚及各自对应的 凝固组织。 自行编写v c + + 计算程序，对连铸钢小方坯及其结晶器的温度场进行数值模拟，得 到了温度场的分布规律。模拟计算了工艺参数对结晶器温度场的影响，在连铸过程中， 拉坯速度、冷却水流量及结晶器壁厚是温度场的主要影响因素。液柱高度、浇注温度对 温度场的影响程度较小 关键词：连铸结晶器：温度场：数值模拟 连续锌钢耋i ! i 晶 | 温度场的实验研咒及多e 数值模拟 a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n ti nt h ep r o d u c t i o no fm e t a l l i cm a t e r i a l t h e l e v e lo fc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n i q u eh a sb e e nt h es t a n d a r do fm o d e r n i z a t i o nd e g r e eo fi r o n a n ds t e e li n d u s t r y m o l di st h eh e a r to fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e t h ec o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n i q u ed e v e l o p sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o l dt e c h n i q u e t h en u m e r i c a 【s i m u l a t i o n o fs e l l d i f i c a t i o np r o c e s si st h ec o l eo fa p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri nc a s tp r o d u c t i o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n s t e a do f p a r to f t h ec o n v e n t i o n a le x p e r i e n c ee x p e r i m e n t sc a nn o to n l yi n c r c a s e p r o d u c te f f i c i e n c y a n dd e c r e a s ec o s ta n d e n e r g ys o u r c e s ，b u t a l s ol e s s e ne n v i r o n m e n t p o l l u t i o n t h eh e a tt r a n s f c ra n dt h e l - m a ld i s t o r t i o no fm o l da f f e c t s 也es u r f a c ea n di n s i d e q u a l i t yo fb i l l e t s ，a n dt h ee m p l o yl i f eo f m o l dh a se f f e c to nb i l l e t sy i e l d ，h e n c et h ep a p e r m a k e st h em o l dt e m p e r a t u r ef i e l dt ob et h ec e n t e ra n dp e r f o r m st h ef o l l o w i n gr e s e a r c h i n t e g r a t i n gt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t so fd y n a m i c a n ds t a t i cf o rm o l d w o r k i n gp r o c e s sw e r ed e s i g n e d a n d p e r f o r m e d ， t h em e a s u r er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eb o u n d a r yt e m p e r a t u r eo fm o l dw a l la l w a y sa p p r o a c h e s t h a to f c o o l i n g w a t e ru n d e rt h ec o o p e r a t i o no f m o l t e nm e t a la n dc o o l i n g w a t e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n tw a sb u i l t w h i c h m a d et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb i l l e ti n c l u d i n gm o l dp o s s i b l yd u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g o fs t e e l t h e e x p e r i m e n t so f c o l u m nc o n t i n u o u sc a s t i n gw e r ep e r f e l r m e d t h em e t a ii ss n p ba l l o y , a n dc o l u m nd i a m e t e ri s3 0 r a m ，a n dc a s t i n gs p e e di s3 r n m s ，a n dc o o l i n gw a t e rf l u x i s 0 0 8 m 3 h n ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa g r e ew i t ht h ec a l c u l a t i o n ，w h i c hv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i 母o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e i no r d e rt om a k et h es t u d yo fb o u n d a r yh e a t - t r a i l s f e rf o rc a s ta n dm o l dc o m p l e t e l y , t h e p a p e rp u r s u e de x p e r i m e n t sf o rc o n 3 3 1 1 0 nc a s t t h ee x p e r i m e n t sg o tt h er u l e so ft e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n ds o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eu n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gb o u n d a r yo fs a n dm o l da n d m e t a im o l d v c + + p r o g r a m sw e r e w r i t t e nt oc a l c u l a t et h e t e m p e r a t u r e f i e l do fm o l df o rb i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l n ec a l c u l a t i o n sg o tt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so ft e m p e m t u r ef i e l df o r m o l d ，a n dt h ee f f e c t so ft e c h n i q u e sp a r a m e t e r so nt e m p e r a t u r ef i e l dw e r ea l s oc a l c u l a t e d d u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，c a s t i n gs p e e d ，c o o l i n g w a t e r f l u xa n dm o l dw a l l 廿l i c k n e s sa r et h em a i nf a c t o r s a n dt h ee f f e c t so fm e t a l l e v e la n dp o u r i n gt e m p e r a t u r e a r en o t s ot i e a r , k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 连续铸制当i i 晶 温度场的实验研究及其数值模拟 1 前言 现代科技的飞速发展，对材料提出了越来越高的要求。在能源、信息、环境、生命 科学的发展过程中，材料起到了先导的作用，是人类赖以生存和发展的物质基础。它关 系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。重视材料科学的研 究具有重要的现实意义。挖掘材料的潜在性能以扩大铸造材料的应用范围，提高材料的 利用率减少能源消耗，降低材料的生产成本等是现代铸造的发展方向。 1 1 连铸技术的发展 连铸取代模铸是炼钢流程中一次巨大的技术革命，连铸与传统模铸相b e 具有以下优 点： ( 1 ) 节省工序缩短流程 ( 2 ) 提高盒属收得率 ( 3 ) 降低能量消耗 ( 4 ) 生产过程机械化和自动化程度高 连铸是适应当今国内外经济发展的高效率、降低能耗和减少环境污染的可持续发展 战略的生产方法，连铸技术的水平成为衡量一个国家材料制备技术水平的标准。改进连 铸技术是我国提高钢材品质的重要途径之一，连铸过程简图如图1 1 所示【l 】。 1 1 1 ，“h i 量i n n i 卫 图1 1 连铸过程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i c o f c o n t i n u o u sc a s t i n g 进续铸钢鲭品器温度场的实验研宄投“数值模拟 以连续铸钢为例：连铸节省了模铸的脱模、整模、钢锭均热和丌坯等工序。基建投 资节约4 0 ，占地面积减少3 0 。耐火材料的消耗节省约1 5 0 a 。劳动力节省7 5 。切 头切尾损失由1 0 一2 0 降低至1 2 ，提高金属收得率8 1 4 2 】。以金属收得率提 高1 0 计算，年产量为1 0 0 万t 的钢厂，采用连铸工艺。可以年增产1 0 万t 钢。连铸坯 采用热送和直接轧制工艺。可使加热炉燃料消耗降低8 0 1 2 0 m j h 坯，同时缩短了加工 周期。连铸采用全程计算机控巷4 和管理，劳动环境得到了根本性的改进【3 】。 1 1 1 连铸技术的发展 连铸开始于2 q 世纪3 0 年代。1 9 3 5 年，a l c o a 公司及v l w 公司的直接水冷铸造是 现代铝连铸的开端【4 】。1 8 4 0 年美国塞勒斯( s e l l e r s ) 获得铸铅管专利。1 8 7 2 年美国戴维 尔提出移动结品器连续浇铸的概念 3 1 。1 8 8 6 - - - 1 8 8 9 年又提出垂蛊浇铸的立式连铸机的 设计。1 9 2 1 年皮尔逊提出结晶器震动的概念，使铸坯与结晶器之间作连续相对运动。1 9 3 3 年容汉斯( h u n g h a r t s ) 用第一台1 7 0 0 吨月立式带扳动结晶器的连铸机首次浇铸铜铝会金 获得成功，从此丌始了有色合会的浇铸。1 9 4 3 年他又建成了首台试验性钢连铸机。2 0 世纪5 0 年代连铸用于钢铁工业生产中。1 9 5 2 年在英国的巴罗工厂建成了第一台小方 坯连铸机。同时德翟的o s c h a c b e r 提出了弧形连铸杌的专利，他与h u n g h a n s 一起提出 了连铸电磁搅拌的设计。1 9 5 4 年第一台浇铸圆坯的4 流连铸机在德国的m a n n e s m a n n 公 司建成。六十年代铸钢连铸进入工业性推广阶段，出现了第一台立弯式单漉板坯连铸机， 第一台弧形结晶器的小方坯连铸机。1 9 6 4 年第一个全连铸钢厂在英国的谢尔顿钢厂投 产。七十年代后由于能源危机的推动进入连铸大发展阶段，8 0 年代以来，各国钢连铸技 术发展菲常迅速，并r 趋成熟。 其问在1 9 6 0 年，前苏联的g e t s e l e v 等人首次提出了电磁铸造的概念，并于1 9 6 6 年在实验室条件下制得了第一个铸锭【5 1 。1 9 7 3 年。电磁铸造技术被弓1 入西方各国【6 并 得到了广泛的应用，电磁铸造的研究工作也不断深入。1 9 7 8 年，瑞士铝业( a l u s u i s s e ) 公司在其子公司一美国联合铝公司的赫尼伯尔厂安装了第一台工业生产用的一机四锭 电磁铸造机，可以同时铸造四根横截面积为5 0 8 x 9 8 5 m m 2 的扁锭。k a i s e r 公司也于1 9 8 1 年实现了截面积为5 0 0 x1 3 0 0 m m 2 铸锭的五锭连铸。西方a l c o a 、r e y n o l d s 等公司的大 型铝厂也先后扶a l u s u i s s e 公司引进了电磁铸造技术。随后，铝连续铸造技术得到显著 的发展，开发了各种铸造法，如热顶铸造法，水平铸造法、连铸连轧法等众多新工艺。 不同截面形状的铸锭相继产生，用于连铸的材质也不断增加。除了纯铝及各j 牛铝合衾之 外铜、锌的电磁铸造技术也已用于实际生产 7 。目前，一些专家学者正致力于镁合金 的实验研究。 1 ，1 2 连续铸钢的发展与现状 常规连续铸钢的最早提出者可以追溯到美国炼钢工程师b a t h a ( 1 8 8 6 年) 和德国工 程师r m ，d | a e l e n ( 1 8 8 7 年) 【8 j 。前者采用了一个垂直固定、底都敞口豹厚壁铁质的结晶 器，并与中间包连接来实施间歇式拉坯：后者采用固定式水冷薄壁铜质结晶器，实施连 续拉坯，并进行二次冷却，同时应用了引锭杆垂直贮放装置，飞溅切割等该装管已接 连续铸钢耋i i i 品 i 温度场的实验研究及其数值模拟 近现代连铸机。连续铸钢技术经历了2 0 世纪4 0 年代的试验开发，5 0 年代开始步入工业 生产阶段，6 0 年代出现弧形连铸机，经过7 0 年代的大发展，8 0 年代闩趋成熟和9 0 年 代的一场新的变革，直到今天，经历了7 0 年的发展历程。众多专家学者致力于连铸技 术及连铸坯质量的研究【9 1 4 】。当前，连续铸钢已向薄板坯连铸连轧、异形坯连铸和高 速连铸等高效节能的高附加值产品的方向发展。 国外连续铸钢的发展 从世界主要产钢国家发展连铸的历程来看，前苏联在连铸技术的研究方面起步较 早，对连铸理论、工艺、设备和品种质量等进行了大量研究工作，在7 0 年代以前是居 世界领先地位。但其炼钢生产一直以平炉为主，氧气转炉发展缓慢。限制了连铸的发展。 7 0 年代以后，i = i ! 本、美国、法国、德国等工业发达国家后来居上。尤其是日本在6 0 年代后期爿。从前苏联等国引进连铸技术。由于重视消化和开发研究，1 9 9 1 年日本四家最 大的钢铁公司基本上实现了全连铸。美国的连铸技术是与瑞士康卡斯特公司和日本厂家 合作发展起来的，到1 9 9 1 年连铸比提高到7 5 1 。全世界钢产量的平均连铸比1 9 8 1 年 为3 3 8 ，1 9 9 1 年为6 2 ，9 ，2 0 0 0 年提高到8 0 1 5 1 。目前同本、美图连铸比已达到饱 和。2 0 世纪9 0 年代以后，薄板坯连铸连轧技术有了重大突破，这种工艺比传统工艺节 省了粗轧工序，并且成材率高，降低能耗，经济效益十分明显。到2 0 0 1 年1 2 月，全球 已有包括生产和少数在建项目的薄板坯连铸连轧生产线统计结果如表1 1 所示 1 6 1 。 表1 1世界薄板坯连铸连轧生产线统计 t a b l e1 1s t a t i s t i c so f t h i ns l a bc a s t i n gr o l l i n gl i n e s 国内连续铸钢的发展 国内连续铸钢技术的开发和应用起步也较早，2 0 世纪5 0 年代中期就开始了连铸方 面的试验研究，1 9 5 6 年浇铸了第一根直径为8 0 m m 的圆坯；1 9 5 7 年在上海钢铁公司中 心实验室的吴大柯先生主持下，设计并建造了立式连铸机，浇铸了我国第一根连铸钢的 方坯。断面尺寸7 5 m m x1 8 0 m m 。6 0 年代，我国连铸技术的开发和应用曾掀起一股高潮， 突出表现在对弧形连铸机技术的开发方面。当时的北京钢铁学院徐宝升教授主持的大型 弧形连铸机于1 9 6 0 年在重钢三厂投入使用，这是一台方、板坯兼用机，弧形半径6 m ， 浇铸板坯最大宽度是1 7 0 0 m m ，这也是世界上最早的生产用弧形枫之一。自2 0 世纪5 0 年代以来，连续铸钢技术得到高速发展。目前，可以进行连铸的钢种达到1 3 0 余种。铸 连续铸制结品t ； | 温度场的实验j i | = 究殷j t 数值模拟 坯断面形状包括方坯、板坯、圆坯及各种异型坯。 1 9 9 6 年统计数字显示，我国钢铁产量超过1 0 m t ，居世界第二，但高性能优质铸件的 比例只占1 8 ，而美国己占4 0 ：近终形铸件( n e 8 1 n e ts h a p e c a s t i n g ) 比例我国占2 。 而美国已占1 3 ( 1 9 9 4 年统计) 。例如，服务于航空航天工业的近终形熔模铸造全世界 销售额为5 2 3 亿美元，美国为2 4 8 亿美元，占4 7 4 ，雨我国仅1 8 亿美元，占3 4 。 另外，我国铸件重量平均比国外重1 0 2 0 ，劳动生产率是国外的1 0 1 5 ，而能耗 高2 倍【1 7 】。我国钢铁企业发展很快。目前钢铁产量已经位居世界第一位，2 0 0 3 年底全 国钢产量达n - - 亿两千万吨，占世界钢产量的1 8 7 。2 0 0 1 年连铸比达到8 8 3 超过世 界平均水平。但钢材的表观消费量仍高于钢材产量，每年需进口约1 0 0 0 多万吨，主要 是高端产品。此外，国产钢材的性价比仍较低，进口钢材中板带材占9 0 以上。改变国 产钢材现状，提高钢材品质、提高连铸技术是促进我国钢铁事业发展的出路。近终形连 铸，如薄板坯连铸连轧、带钢连铸、异形坯连铸以及空心管坯的连续浇铸、喷射沉积成 形技术、线材铸轧等，是我国钢铁工业“十五”期间大力开发的首要技术。 1 2 铸件凝固过程温度场数值模拟的研究与发展 铸件凝固过程数值模拟是计算机在铸造生产中应用的最核心内容【1 8 】，涉及铸造理 论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多种学科是国际上公 认的用电子计算机等高等高新技术拓宽和促进铸造学科向前发展的学科前沿领域。连铸 中存在许多技术问题，首先是怎样确定各工序( 铸坯形状尺寸、拉坯速度、冷却强度以 及振动频率) 恒i 的配合关系：其次是怎样减少铸坯表面和内部微裂纹、夹渣和偏析等缺 陷。要解决这些问题就需要弄清连铸的凝固规律，总结出各工艺参数之间以及工艺参数 与铸造缺陷之间的联系。以前，人们研究连铸坯的凝固进程，大多采用热电偶测湿法、 静置倾倒法或示踪元素法，这类方法测量很困难，而且需花费大量的人力和财力。随着 人们对连铸研究的深入，一些凝固规律逐渐被发现，这为温度场模拟提供了理论依据。 此外，近年来计算机的迅速发展和一些新算法的相继出现也使数值模拟变为可能。 “保护环境”、“节省能源”是世界发展的主题。数值模拟技术既可以提高生产效率、 降低成本，又能减少环境污染，是适应可持续发展战略的研究方向。据报道，采用计算 机模拟技术可以缩短产品试制周期4 0 ，降低生产成本3 0 及提高材料利用率2 5 。铸 件凝固计算机数值模拟技术始于二十世纪六十年代，发展至今，已成为世界性热潮a 其 发展大体上分为三个阶段 1 9 】： ( 1 ) 基础研究阶段。着重于计算模拟； ( 2 ) 预测研究阶段，主要是对已经拟订好的工艺方案进行检查从而可预测铸件质量。 并通过多次计算机试浇注辅助修订工艺方案； ( 3 ) 优化工艺设计阶段，包括计算模拟、几何模拟及数据库等，并使之有机结合起来。 有时人们把这三个阶段综合称为铸造工艺c a d ，有时又特指第三个阶段。目前就 全世界情况考察，铸造工艺c a d 谁处于第三个阶段。在进行铸造过程数值模拟时首 先要解决的问题之一是将c a d 平台产生的铸件、铸型等的三维造型模型进行计算单元 网格剖分，这是数值分析的前提。国内外研究人员及用户在微机上都选用a u t o c a d 4 连续铸钢结品措温度场的实验研究发“数值模拟 建立几何模型，而在工作站上则采用通用的商品化软件包如：p r o e ，c a d d s 5 ，i - d e a s 。 1 2 1 国内的研究与发展情况 国内在这方面起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代朱，但发展很快，以沈阳铸造研究所、 大连理工大学、哈尔滨工业大学等科研院所为代表，数值模拟研究的对象十分广泛 七十年代末当时的大连工学院率先进行了凝固进程计算机模拟软件的开发工作。 郭可仞、金俊泽等人 2 0 】用有限差分法编制了计算温度场的通用程序，提出了纯盒属及 各种合金潜热释放、固相率计算、铸件一铸型界面气隙、材料热物性等问题的处理方法， 并用此程序对大型船用螺旋桨的凝固进行了模拟研究，取得了可喜成果。 八十年代，大连理工大学在数值模拟方面取得了长足发展。首先是盒俊泽等【2 l 】利 用计算机模拟对铸件冒口进行了优化，把铸件凝固前沿和热节点的移动及动态凝固过程 收缩作为优化的限制条件，提出了冒口优化准则。1 9 8 5 年，金俊泽、郑贤淑等人【2 2 】对 连铸钢坯的凝固进程进行了数值模拟，并对首都钢铁公司的连铸方坯的凝固进行了实 测，实测和数值模拟结果基本吻合。这是国内首次对连铸进行数值模拟，该成果英文全 文被英国皇家学院收录。1 9 8 8 年，金俊泽、郑贤淑等人【2 3 】提出了一种用时间平方根当 量潜热法将三维传热形体化为二维传热形体，对铸件凝固进程进行数值模拟，结果与完 整的三维法计算结果符合较好。该方法为用计算机模拟大型复杂铸件的凝固进程提祺了 行之有效的方法。 毫 清华大学和哈尔滨工业大学分别针对大型锻件用的大钢锭的逆偏析和a i - c u 合金的 成分不均进行了化学成分偏析场的数学模拟研究。哈尔滨工业大学还进行了对固相转移 条件下余属凝固过程传热、传质及流动的数值模拟研究。 中科院沈阳铸造研究所、北京科技大学、鞍钢钢铁研究所、东北大学等单位。也进 行了一系列数值模拟技术的基础性研究并将研究成果与实际生产相结合，用理论指导 生产。 1 2 2 国外的研究与发展情况 国外从2 0 世纪6 0 年代起开展凝固过程数值模拟技术的研究，从空间上讲。首先， 进行了基于一维传热的计算，而后发展n - - 维，现在己能进行基于三维的温度场模拟； 从运动方式上讲有基于普通铸造的计算和后来的普通连铸的温度场模拟。7 0 年代，美 国麻省理工学院凝固理论权威m c f l e m i n g s 教授指出可以用模拟技术来研究及预测大 型铸锭和铸件的缩孔、缩松、热裂及偏析等缺陷，以确保获得高质量的铸锭及铸件。计 算机在材料加工工程中的应用大大降低了研究成本，缩短了研究时间。这种研究方法自 2 0 世纪8 0 年代以来，已经在工艺辅助设计铸造缺陷分析及凝固组织预测等多方面得到 应用。发展至今已达到相当高的水平。尤其是美国、日本及欧共体等发达工业国家，凭 借着他们雄厚的经济基础和技术水平在该项研究中取得了令人瞩目的成就。 丹麦的f o r s u n d 等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程 的传热计算，开辟了用计算机数值计算法进行凝固理论研究的新途径 1 9 1 。1 9 6 5 年，美 国通用电气公司的h e n z e l 和k e v e r i a n 等人 2 4 】应用了瞬态传热程序计算了汽车的缸体铸 连续铸钢结晶器温度场的实验研究及其数值模拟 钢件的凝固进程，其计算结果和实测结果相当接近。这些最初的尝试使得研究者认识到 用计算机数值模拟技术研究铸件凝固进程具有巨大的潜力和广阔的前景。 p e h l k e 教授【2 5 提出了用计算机模拟技术来确定型砂的热物性值的方法，把热物性 值作为温度的函数，并用所得到的函数对一个方形硅铜台金在砂型中的凝固进行了模拟 计算。通过研究指出，热物性参数，特别是铸型鹄物理参数，对模拟精度的影响极大。 另外，铸件_ 铸型界面间隙的变化规律，以及如何处理界面间隙中的传热，对铸件温度 场的计算有很大的影响。还有，潜热、初始条件、边界条件的处理对数值模拟精度都有 不同程度的影响。 a j e y a r i a n 和p e h l k e 对如何模拟凝固过程中铸件与冷铁闻气隙的形成以及传导系数 的变化进行了研究，得到了“界面问传热可以精确的用热传导系数来描述。这个导热系 数是界面处金属表面的函数”的结论。 自七十年代以来，各国相继开展了铸 牛凝固数值模拟方面的研究工作。 西德s a h r n 1 9 提出了使用性能组织结构一工艺方法的研究方向，根据系列定量 的关系，使铸件模数、凝固速度、合会的结晶参数、溶质分配系数和枝晶臂距等有机的 结合起来。以此来实现计算机数值模拟辅助组织设计、性能设计、零件结构设计和凝固 工艺设计。丹麦工业大学h a n s e n 在其研究中，采用当爨温度使导热系数在方程中表现 为常数，利用热烩法来处理凝固潜热和比熟，使用动态差分格子参数来处理液态金属的 收缩和膨胀，并导出温度场分布与应力应变速率之间的关系从而可以预测热裂。印度工 学院的m i t h a m b a m 和v p a n c h a n a t h a n 用计算机数值模拟的方法对铝合金在铸铁型中的 凝固进行了研究，并指出铸件铸型问的传热系数只与铸件和铸型的体积比有关系，而 与铸件的厚度无关，并给出了不同体积比条件下无涂层和有硅粉涂层的传热系数。为传 热计算提供了方便条件。 新山英辅 1 9 1 在铸件凝固数值模拟的研究方面也做了很多的工作。其中“大型铸钢 件缩孔缩松位置预测”是其最具有代表性的文章。佟者提出了一辩用来解决三维计算中 数据多、容量大、速度慢等突出问题的模拟方法一拟三维法，其基本思想是把铸件中具 有三维传热特点的部分简化为二维来进行计算的。在这之后，新山英辅的大部分工作都 是围绕拟三维计算和缺陷预测进行的。拟三维计算是以c h v o r i n o v 法则为基础的。根据 该法则，铸件的凝固时间由下式来决定： f = ( 矿朋) 2 改变铸件的密度p 或凝固潜热，就可以使铸件在二维及三维条件下凝固时间相 等。据此，其在拟三维方法中提出了潜热补偿法和密度修正法。计算中，新山英辅大都 使用有限差分法。根据温度梯度法及g 是法建立的铸钢件缩孔缩松的判剐法，与实验 取得了较好的致性。 在日本，一百多个实用模拟系统在运行，精确地预测铸件缺陷以及改进铸件的工艺 出品率。应用各种模拟软件包的同时，正在进行流态金属充型、缩松定量预测、铸件变 形、残余应力分析等方面的软件的开发工作 2 6 。具有代表性的研究成果是三维凝固分 析定量预测缩孔缩松；提出对铸造合会都存在一个临界固相分数，在高于这个固相分数 的区域产生微观缩孔靠枝晶补缩来消除缩孔并假定固相率梯度最大方向是枝晶补缩 连续铸钢结晶器温度场的实验研究及托数值模拟 方向；在低于临界固相分数的区域将产生集中缩孔，靠液体质量补缩。所有这些模拟计 算和缩孔预测都是在同本k o m a t s u 公司的s o l di a e x 软件包上进行的，目前已有近1 5 0 家铸造厂应用这一软件包在预测缩孔的基础上进一步优化浇冒系统。大中逸雄 2 6 】采用 直接差分法对铸件进行模拟计算。直接差分法，单元划分灵活，对复杂形状的铸件易于 表达，提供了一种通向三维计算的可行途径。直接差分法后来一直作为大中逸雄从事凝 固数值模拟计算的主要方法之一。在文献中，大中逸雄较为详细地说明了数据前处理盼 基本思想。这种把铸件剖分单元信息按区域输入的方法，在当时尚无a u t o c a d 等工具 的条件下是较为新颖的。在确立三维直接差分法模拟铸件凝固的基础上，大中逸雄以 “上”形铸件为例，大量研究了铸件缩松缩孔预测方法及其产生的原因。大中逸雄总结 了多年铸件凝固数值模拟研究工作的经验，形成了比较完善的理论体系。在提高模拟计 算的速度方面也进行了不懈的努力，如为了加大时间步长提出了内插法等，又对制定铸 造工艺提出了设想。 八十年代以后凝固数值模拟技术得到了飞速的发展。一方面是由于研究过程中不 断建立新的数学模型和各种判据，使模拟计算结果不断接近于实测结果。例如，1 9 8 8 年5 月在荚国佛罗晕达州召丌的第四届铸造和焊接的计算机模拟会议上，共1 0 个单位 参加了会议组织的模拟斧锤形铸件凝固过程场的比赛，他们分别采用了显式有限差分 法、直接差分法、有限元法和边界元法及相应的计算软件来模拟斧锤形铸件的凝固过程。 结果表明模拟计算结果都接近实测，特别是新山英辅的计算结果几乎和实测完全吻合； 另一方面由于凝固基础理论研究中所取得的新成果，使宏观模拟计算和微观的结晶过 程有机地结合起来成为可能。在这些方面。s a h m 、h a n s e n 、k u r z 、d e s b i o l l e 、s v e n s a n , w i e s e 、大中逸雄和g o k h a r e 等人都做了一些有价值的尝试。此外，现代高度发达的计 算机技术也为凝固数值模拟技术的发展起到了很大的推动作用。 1 9 9 6 年美国出台的下一代制造( n g m ) 计划 2 7 】提出1 0 项关键基础技术，其中就包括 建模与仿真。成形加工过程模拟仿真研究正在向高功能、高保真、高效率的多学科模拟 与仿真方向发展，其重点是由宏观模拟走向微观模拟。另外，质量控制模拟正在向微观组 织模拟、性能及使用寿命预测的方向发展。美国已经大量采用计算机仿真方法研究开发 导弹、飞机及其发动机、汽车及其发动机等的设计、成形加工及制造 2 8 1 。成形加工过 程的模拟仿真正在与并行工程、敏捷化工程、虚拟制造相结合，成为网络化异地设计与 制造的重要内容。 纵观世界。温度场的数值模拟技术已趋于成熟。铸件凝固模拟在由单一传热模型逐 渐向多场偶合模型过渡的同时，正在从宏观模拟向着包括动力学因素在内的微观模型努 力。另外，发达国家，特别是美国讵在以其雄厚的软件资源优势，迅速走向技术综合。 铸件凝固数值模拟与铸造工艺c a d 之间的距离正迅速缩短。计算机计算能力和硬件本 身的迅速发展为铸造工艺过程的计算机数值模拟提供了可靠的物质基础。一方面由宏 观到微观，实现“性能一组织一铸造工艺”c a d 及c a m ；另一方面，不但要控制缩孔 缩松，还要控制应力、裂纹、夹渣等，最终要真正实现铸造工艺c a d 。 连续铸钢结晶 | 温度场的实验研究及e 数值模拟 1 3 连铸结晶器的研究与发展 结晶器是连铸机的重要部件，作为主要的散热装霹，它要保证钢水在一冷区出口处 形成一定厚度的坯壳，用来支撑钢水液柱产生的静压力。它应具备以下性能： 1 ) 有较好的导热性能； 2 ) 较好的结构钢性，且便于拆装和调整，易于加工制造； 3 ) 有较好的耐磨性及抵抗热应力的性能； 4 ) 质量要轻，以便在振动时具有较小的惯性力。 连铸结晶器的类型有多种，直结晶器用于立式和立弯式连铸机，弧型结晶器则用于 弧形及椭圆形连铸机。按铸坯截面形状区分有方坯、扳坯及异形坯结晶器。按结晶器的 结构区分有整体式、管式和组合式三种。 整体式结晶器是用一块铜锭制成，靠内腔表面的四周，钻出很多冷却水通道。这种 结晶器的钢度较大，不易变形，但制造成本较高，难于修理。其内腔尺寸因磨损而变大， 不能复原。近来用得很少。 组合式结晶器由四块壁板组成，每块壁板又由一块铜板和一块钢板用螺钉联结起 来。该结晶器需要有剐度较好的框架。 弧形管式结晶器在铜管外套着钢质内水套，形成约7 m m 的冷却水通道：利用隔板 及橡胶熟与外水套相联，并形成上下两个水室。利用上下两个法兰把铜管压紧，而不用 螺钉锚固。在上法兰与外水套的联接螺栓上，装有碟形弹簧，使铜管膨胀时不会产生太 大的压应力。 表1 2 结晶器材质对应的结晶器壁厚 t l l b l e l 2m o l dw a l lt h i c k n e s sr e l a t e dt om o l dm a t e r i a l 使用管式结晶器时，为了加速传热并提高拉速，结晶器壁应薄些t 但结晶器铜管要 能经受热应力、冷却水压力和摩擦阻力引起的机械应力，因此其壁厚不能太薄部分材 质结晶器铜管的壁厚如表1 2 所示。为适应钢液在结晶器内凝固时产生的热收缩，铜管 内腔做成倒锥度以减少气隙热阻。铜管锥度过小，气隙大，影响传热：反之阻力增加， 易引起铸坯抖动。对于7 0 0 r a m 长的结晶器用柬浇注1 0 0 2 0 0 m m 方坯断面时，锥度为 0 4 0 8 。多锥度结晶器浇注时效果更明显。铜管热变形量( 弯月面处) 大于2 1 5 m m 连续铸钢结晶 | 温_ | 童场的实验研，t 发儿数值模拟 时和机械磨损到一定程度就要报废。铜管的寿命可用炉个，t 个和州个等单位表示。结 晶器的寿命主要受冷热交换的影响，即受连浇炉数的影响。 结晶器工作条件极端恶劣，选择结晶器材质主要根据其热电导率。在室温4 0 0 范围内，结晶器材质应具有良好的抗拉强度、疲劳强度、硬度、低的延伸率和高的导熟 系数。在正常冷却条件下，结晶器铜板内表面湿度在2 2 0 2 5 0 ，普通冷轧铜板的再绪 晶温度为2 7 0 2 8 0 ( h b 6 0 ) 。采用铜板表面镀铬以提高其耐磨性及表面光滑程度，并 减少粘结现象和防止对某些合盒因渗铜产生星状裂纹。采用脱氧铜( j s i d c u ，c u 9 9 9 0 以上；p 0 0 0 4 , - - 0 0 4 0 ，分为热加工材和冷加工材) 制作连铸结晶器。但冷加工材料容 易产生加工变形，热加工材料屈服强度及硬度较低。为此f 在开发高屈服强度的析出硬 化型铜合金。这类合金中有：铜铬合令( o 5 o 9 o r ) ，铜银合金( o 0 0 3 - 0 1 a 曲，铜铍 合金f 1 8 - 2 0 b e ) 和铜锆合_ 会。铜的含银量与再结晶温度的关系见表1 3 。 表1 - 3 铜的食银量与再结晶温度的关系 t a b l e1 3r e l a t i o n s h i po f a gc o n t e n ti nc ua n dc r y s t a l l i z et e m p e r a t u r e 结晶 | 壁 ( b ) 润滑油浇注 ( b ) 保护渣浇注 图1 2 结晶器的润滑 f i g 1 , 2l u b r i c a t i n g o fm o l d 结晶器的润滑和保护渣的应用：结晶器进行润滑的目的是防止初凝坯壳与结晶器壁 发生粘结减小铸坯在结晶器内的摩擦阻力，改善铸坯表面质量，提高结晶器的寿命。 在小方坯的浇铸中，常用润滑油，浇注大方坯及板坯时用保护渣。使用润滑油的浇注状 况见图1 2 ( a ) 。浸入式水口及保护渣浇注状况见图1 2 ( b ) e 结晶器的断面尺寸：结晶器内腔断面尺寸是根据冷态下铸坯的公称尺寸确定的，由 于连铸坯的凝固冷缩和拉矫，结晶器内腔尺寸应略大于铸坯的公称尺寸。增大量约等于 凝固收缩的量，一般为l 3 。 连续铸制结晶糌温度场的实验研究及h 数值模拟 结晶器长度，如图1 2 ( b ) ，可按下式选择。 矗：k ! 尘! ： k 2 式中v 。一最大拉坯速度r a m r a i n ； ( s 】一结晶器山e l 处允汁的最小坯巍厚度m m k 一钢在结晶器中的凝l 刮系数m m r a i n “o 。 结晶器的有效长度宜选择长一点，以保证在出口处有较厚的凝固壳，减少漏钢危险。 有效长度受拉坯速度、出口处坯壳厚度、摩擦阻力、坯壳高温强度以及传热状况等多种 因素的影响。现代高拉速结晶器的长度大都选择7 0 0 9 0 0 m m 长度范围内，也有少数连 铸机采用1 2 0 0 m m 的长结晶器。 此外，由于结晶器冷却负荷很高，靠近结晶器上部的冷却水温度有时会升高到1 0 0 ：为了防止高温时析出碳酸赫等赫类沉淀，冷却水需进行软化处理，有的还需进行脱 赫处理。 结晶器结构设计和工艺参数的选择，极大地影响着铸坯的表面质量和内部质量。深 入研究结晶器在热负荷状态下的温度场和应力场的分布，对优化连铸工艺和结晶器参数 具有至关重要的作用。而合理的工艺和结晶器参数是延长结晶器使用寿命的根本原因， 因此国内外众多专家学者展开了对结晶器的多方面研究 2 9 3 5 1 ，结晶器内钢坯的初始凝 固、保护渣传热研究、铜板材质( 包括表面镀层) 的研究和以均匀强冷为主要目标的结 构优化研究成为研究的热点。 1 3 1 国外的研究与发展情况 国外对连铸结晶器的研究起步较早，w o i f 和t a n n e r 从连铸的提出到使连铸过程成 功可行的基础性工艺，对连铸的历史进行了详细地论述。后来对连铸过程控制和结晶器 设计的突破，使连铸速度的提高得以实现。很多学者对传统拉速下结晶器参数及生产工 艺进行了系统的研究。结晶器参数，包括材质、锥度和壁厚的研究。工艺参数，包括结 晶器冷却水流量、结晶器保护渣、拉坯速度等。然而，拉坯速度超过3 0 m m i n 相关结 晶器的研究较少。在这方面起步较早、研究比较深入的是u b c ( u n i v e r s i t yo fb r i t i s h c o l u m b i a ) 。拉速是决定连铸坯产量的首要因素，实现高速连铸要突破的一个关键问题 是一冷区结晶器的传热冷却。u b c 在结晶器测量实验、数学模型和方坯热力模型的基 础上设计了结晶器锥度。他们确定普碳钢在传统拉速下影响结晶器锥度设计的基本因素 是含碳量、拉坯速度和过热度。这些研究工作为高拉速结晶器研究提供了依据。他们还 根据实际测量数据设计了低碳钢和高碳钢高速连铸结晶器的锥度。目前的高拉速结晶器 主要有：凸形、加长型和多锥度结晶器。b r i m a c o m b e 和他的同事们建立了连铸过程中 方坯结晶器的使用和结晶器壁温度测量程序。热电偶通过高纯铜插头与结晶器壁机械接 触。数据采集包括结晶器壁平面中部温度和冷却水温度的连续测量结果。同时也能测量 拉坯速度、会属液面高度及结晶器振动特性等。u b c 的b r i m a c o m b e 和s a m a r a s e k e r a 经 过2 0 多年的研究 3 1 , 3 2 ，3 6 ，3 7 】，推荐连铸小方坯最佳结晶器参数见表1 4 3 8 ，3 9 。 连续铸钢结晶 | 温度场的实验研兜及拭数值模拟 表1 4 连铸小方坯最佳结晶器参数 t a b l e1 4t h eb e s tp a r a m e t e r so fc o n t i n u o u s c a s t i n go f b i l l e t 参数 材质 结晶器锥度 最小壁厚 参数值 内圆角半径 弯月面高度 冷却水速度 结晶器管壁支捧 负滑脱时间 结晶器导向 水质( 总硬度) 冷却水缝宽度 是否测量内模尺寸 含银铜、舍铬锆铜 ) ) 【锥度或多锥度 小方坯1 3 r a m ( 如，1 0 0 15 0 m m 方坯) ， 人方坯2 0 r a m