（材料加工工程专业论文）圆坯连铸结晶器铸坯温度场与浓度场数值模拟.pdf

人近理上大学硕士学位论文 摘要 铸坯的凝固组织是决定铸坯性能的关键因素，优质铸坯的获得得益于对铸坯凝固过 程和凝固组织的控制。在钢的连铸过程中，结晶器内热流和传质状态对连铸工艺操作和 铸坯质量有着重要的影响。凝固坯壳和结晶器间的传热传质与漏钢、裂纹以及偏析的形 成有着密切的关系，结晶器与铸坯间传热状况的在线检测对优化工艺参数、预防漏钢等 具有重要的作用。但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 针对此种情况，本文建立了连铸结晶器铸坯的传热数学模型，研究钢水在结晶器中的 凝固行为。 本文一方面对宝钢现场在线采集的大量圆坯连铸结晶器实测温度、热流数据进行分 析研究，寻找其内在的规律，分析各个工艺参数( 如拉速、含碳量、电磁搅拌电流、保 护渣和浇注温度等) 对结晶器温度、热流的影响，为热流作为重要监测参数，应用于连 铸生产提供依据。 实测数据分析发现：结晶器平均温度、热流随着拉速的增加而逐渐增加，特别是2 l 层热流影响比较明显；不同含碳量下，拉速对热流的影响程度不同，含碳量越高，热流 随拉速增加的越快；结晶器平均温度、热流与高热流区热流平均值随碳含量增大而增大； 不同保护渣类型下结晶器平均热流与高热流区周向分布不同；小范围内浇注温度对平均 热流的影响程度不大，浇注温度的变化常常与其它参数相匹配，以保持热流的相对稳定。 另一方面，在实测数据的基础上，建立圆坯连铸结晶器内铸坯的三维传熟模型，计 算圆坯结晶器的温度场和结晶器内的热流分布，并根据已有的实测数据验证模型的正确 性。同时，在准确计算温度场的基础上，建立铸坯凝固过程中的溶质扩散模型，计算铸 坯的固相率和浓度场分布，讨论各个工艺参数对铸坯坯壳厚度的影响。 模拟计算结果表明：圆坯连铸温度和热流计算结果与实测值符合较好；含碳量越高， 铸坯固相率越低，且结晶器周向不同角度处的固相率分布不均匀；碳含量较高的钢种。 偏析程度较轻；计算得到的结晶器内坯壳厚度与经验公式符合较好，随拉速、浇注温度 和碳含量的提高，坯壳厚度变薄。 基于实测数据的模型计算结果能较好地反映实际生产工艺条件下，结晶器内热流与 坯壳厚度的不均匀分布情况，为迸一步研究结晶器内传热、坯壳凝固和有效提高铸坯质 量、防止漏钢提供一个可行性的工具。 关键词：连铸：结晶器；圆坯；热流；温度场；浓度场 大连理l 走学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm o u l d b i l l e tt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n f i e l di nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n go fr o u n db i l l e t a b s t f a c t h i 曲q u a l i t yb i l l e t sa r eo b t a i n e df r o mt h es u i t a b l ec o n t r o lo fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n g a n ds t r u c t u r e ，f o rs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei so n eo ft h ek e yf a c t o r si nf o r m i n gt h ep r o p e r t i e so f b i l l e t s d u r i n gt h ep r o c e s s i n go fs t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，h e a tf l u xa n dc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nt h em o u l da n db i l l e th a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ep r o c e s s i n go p e r a t i o na n d b i l l e t sq u a l i t y n ef o r m a t i o no fs t i c kb r e a k o u t c r a c ka n ds e g r e g a t i o nc o m e so u td u et ot h e a b n o r m a lh e a tf l u xa n dc o n c e n t r a t o nb e t w e e nt h es h e l lt h i c k n e s sa n dm o u l d ，w h i c hm a k e si t m o r ei m p o r t a n tt od e t e c tt h eh e a tf l u xi nt h em o u l d f o rt h el i m i t e dm e t h o d so fd e t e c t i o n ，i n t h el o c a lp r o c e s s i n g ，i t sn o to n l yd i f f i c u l tt oo b s e r v et h ep r o c e s so fs t e e ls o l i d i f i c a t i o ni nt h e 1 1 1 0 u l d b u ta l s on o te c o n o m i c a la n ds u f f i c i e n tt od oe x p e r i m e n ts t u d ya n di n d u s t r i a lt r i a lo ni t s o ，i nt h i sp a p e r ，as i m u l a t em o d e lh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h es t u d yo fs t e e ls o l i d i f i c a t i o n b e h a v i o ri nt h em o u l do f c o n t i n u o u sc a s t i n g i nt h i sp a p e r ，o nt h eo n eh a n d ，t h ed i s t r i b u t i o n so fm e a s u r e dt e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u x a l o n gt l l eh e i g h to fr o u n db i l l e tm o u l da r es t u d i e d , a sw e l la st h eh e a tf l u xa r o u n dt h e p e r i m e t e r , w h i e hb a s e do nt h ed a t ao fc o n t i n u o u sm o n i t o r i n gt e m p e r a t u r ei nr o u n db i l l e t c a s t i n gm a c h i n e t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e so fc a s t i n gs p e e d ，c a r b o nc o n t e n t ， e m s ，p o w d e ra n dp o u r i n gt e m p e r a t u r eo nt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u x ，w h i c h p r o v i d eab a s i sf o rm a k i n gh e a tf l u xa sa l li m p o r t a n td e t e c t i n gp a r a m e t e ri nt h ep r o c e s so ft h e c o n t i n u o u sc a s t i n g d a t aa n a l y s i si n d i c a t e ：h i g h e rc a s t i n gs p e e dl e a d st oi n c r e a s et h ea v e r a g em o u l dh e a t f l u x p a r t i c u l a r l ym o r ea lh i g h e rc a r b o nc o n t e n t ；m o l t e ns t e e l sw i t l lh i g h e rc a r b o nc o n t e n th a d h i g h e ra v e r a g eh e a tf l u xa l o n gt h em o u l d a sw e l la sh i g h e rp e r i m e t e rf l u c t u a t i o na t2 l ；1 h e a v e r a g eh e a tf l u xl e n g t h w a y sc h a n g e st od i f f e r e n tp o w d e rt y p e s p o u r i n g t e m p e r a t u r eh a s l i t t l ee f f e c to nt h eh e a tf l u xa n du s u a l l yc h a n g e sw i t l lt h eo t h e rp a r a m e t e r si no r d e rt ok e e pt h e h e a tf l u xs t e a d i l y o nt h eo t h e rh a n d ，at h r e e - d i m e n s i o n a lt r a n s i e n th e a t - t r a n s f e rm o d e lh a sb e e nb u i i tu pt 0 s i m u i a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ed i s t r i b u t i o no fh e a tf l u xi nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n go f r o u n db i l l e t m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ee x a c t l yc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，as o l u t e d i f f u s i o nm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ec a l c u l a t i o no fs o l i df r a c t i o na n dc o n c e n t r a t i o n f i e l d a sw e l la st h es h e l lt h i c k n e s s t h ee f f e c t sb e t w e e np r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n ds h e l l t h i c k n e s sa l s oh a v eb e e nd i s c u s s e d 一i l 圆坯连铸结晶器铸坯温度场与浓度场数值模拟 c a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e ：t h ec a c u l a t e dt e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u xs u i tp e r f e c t l yt ot h e m e a s u r e dd a t a ；s o l i df r a c t i o nd e c r e a s e dd u et ot h ei n c r e s s eo fc a r b o nc o n t e n t , a n di ti s n o n - u n i f o r m i t ya r o u n dt h ec i r c u m f e r e n c eo fm o u l d ；s t e e lw i t hh i g h e rc a r b o nc o n t e n ti n t e n d s t oh a v el o w e rs e g r e g a t i o n ；t h es h e l lt h i c k n e s sh a sa l s ob e e nc a l c u l a t e d w h i e l ls u i tw e l lt ot h e e x p e r i e n t i a lf o r m u l a s ，a n d i td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e o f c a s t i n gs p e e d ， p o u r i n g - t e m p e r a t u r ea n dc a r b o nc o n t e n t t h eh e a tf l u xa n dt h en o n - u n i f o r m i t yo fs h e l lt h i c k n e s si nt h em o u l do fr e a lp r o c e s s c o n d i t i o n sc o u l db ew e l lr e f l e c t e db yt h em o d e l ，w h i c hb a s e do nt h em e a s u r e dd a t a i th a s p r o v i d e da na v a i l a b l ei m p l e m e n tf o rs t u d y i n gt h e r m a lt r a n s f e r sa n ds o l i d i f i c a t i o n ，a n d i m p r o v i n gs t i c kb r e a k o u ta n db i l l e t sq u a l i t ye f f e e t i v e l y k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o u l d ；r o u n db i l l e t ；h e a tf l u x ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； c o n c e n t r a t i o nf i e l d 独创性说明 作者郑重声明：本硕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： 2 卯s 、 九w 大连理工大学硕士学位论文 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“大连理工大学硕士、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 容编入有关数据潍进行检索，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 益型! 簋 盘递 壶! 年垒月鱼日 人连理j ：人学硕士学位论文 1 引言 1 1 连铸发展概况 钢铁工业是原材料工业，是国民经济发展的基础工业，钢铁产品广泛用于国民经 济的各行各业，它的发展与一个国家整体经济发展规模和速度密不可分。 钢水凝固成型有两种方法，传统的模铸法和连续铸钢、法【”。模铸是将高温钢液浇 注到一个或多个钢锭模内使之凝固成形的方法，是钢液凝固成形的基本方法，其典型 特征是生产过程的间续化；连续铸钢是将高温钢液连续地浇铸到一个或多个强制水冷 的金属型腔内。凝固成形后，再经二次冷却，使之凝固，且成一定形状( 规格) 铸坯 的工艺方法，其典型特征是生产过程的连续化【2 】。 与传统的模型铸造相比，连续铸造有许多无可比拟的优越性。它简化了工序，缩 短了工艺流程，提高了金属收得率，降低了能源消耗，生产过程机械化、自动化程度 高；而且它还能提高产品质量，扩大品种1 2 1 。目前，钢铁产品的数量、质量和生产技 术的先进性已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志之一。 1 1 1 世界钢铁工业生产现状 从原材料角度看，2 0 世纪堪称钢铁世纪，钢铁产品总量逐年增加，质量逐步提 高，品种趋于多元化。1 9 0 0 年全球粗钢产量约为3 0 0 0 万t ，到2 0 0 0 年已超过8 亿t ， 增加了2 8 倍【3 】。在经济、社会和科技进步等多方面因素的推动下，1 0 0 年间全球粗钢 产量得到了迅速增长，据国际钢铁协会( i i s i ) 统计，2 0 0 4 年全球6 3 个主要产钢国及地 区粗钢产量总计1 0 3 5 5 亿吨，同比增长8 9 。其中，欧盟1 5 国、北美、亚洲、独联 体产量分别为1 6 8 3 4 万吨、1 3 2 9 6 万吨、4 8 4 6 2 万吨和111 8 1 万吨，同比增长5 0 、 5 4 、1 3 1 和5 3 1 4 。图1 1 记录了1 9 9 5 2 0 0 4 年世界粗钢产量( 亿吨) 。 n i o 5 l o 9 5 9 8 5 8 7 5 7 1 1 1 1 hl ml 7 i 8i 0 om l2 0 2 0 0 3 数据来源：国际钢铁工业行业协会和海通证券研究所 图1 11 9 9 5 2 0 0 4 年世界粗钢产晕( 亿吨) f i g 1 1t h ep r o d u c t i o no f c r u d es t e e li nt h ew o r l df r o m1 9 9 5t o2 0 0 4 圆坯连铸结晶器铸坯温度场与浓度场数值模拟 从技术创新角度看，2 0 世纪下半叶以来，世界钢铁工业的技术经济面貌发生了 革命性变化，出现了两轮大规模的创新高潮，推动发达国家完成了从产品数量扩张到 结构优化的战略转移。突出的贡献之一在于连续铸钢技术的工业化，基本取代了用钢 锭模铸钢、初轧机开坯的第一代钢液成型技术，不但可以提高成材率8 0 ，1 0 ，节约 能源2 5 5 0 ，而且使从炼钢到轧制成品材的工艺生产线连续化成为可能。目前， 连铸比高低己成为一个国家钢铁工业技术水平的重要指标之一吐 1 1 2 我国钢铁工业生产现状 我国从5 0 年代中期开始对连续铸钢技术做探索性工作，经过5 0 多年的建设和发 展，我国钢铁工业规模由小到大，已经形成了包括由采矿、烧结、焦化、炼铁、轧钢 以及相适应的铁合金、耐火材料、碳素制品和地质勘探、工程设计、建筑施工、科学 研究等部门构成的完整的工业体系。 值得一提的是，近十年来，随着我国钢铁工业结构的不断调整及连铸生产的大力 发展，连铸生产得到了长足的发展。1 9 9 4 年连铸比达4 0 ，铸坯产量达3 6 8 5 万吨【”。 到1 9 9 7 年，我国钢产量达到1 0 8 9 1 万吨，其中平炉钢仅9 4 6 万吨，仅占8 8 。我国 的连铸机从1 9 7 8 年的不足4 0 台发展到1 9 9 7 年的3 4 4 台，成为世界上最庞大的连铸 机群，连铸比达到6 0 6 5 【6 j 。2 0 0 5 年我国连铸坯产量为3 3 7 8 8 万t ，连铸比达到了 9 7 7 。表1 1 给出了1 9 9 0 2 0 0 5 年间中国钢产量、连铸坯产量和连铸比的增长情况。 表ll1 9 9 0 2 0 0 5 年问中国连铸的快速发展 t a b l e l 1 d e v e l o p m e n t o f c o n t i n u o u sc a s t i n g i n c h i n a f r o m l 9 9 0 t o2 0 0 5 产量万t 焦 全国连铸比诱钢铁行业连铸比届 粗钢 增量 连铸坯增量 1 9 9 0 芷6 5 3 53 7 61 4 8 0 ，04 7 5 6 1 1 6 5 2 5 0 7 1 9 9 1 燕 7 1 0 0 5 6 5 1 8 8 3 5 4 0 3 52 6 5 32 7 7 l 1 9 9 2 芷 8 0 9 3 9 9 3 2 4 8 2 ，25 8 8 73 0 6 7 3 1 7 9 1 9 9 3 生 8 5 9 45 0 13 0 3 0 55 4 8 33 5 2 63 6 1 1 1 9 9 4 芷 9 2 6 l6 6 73 6 5 4 26 2 3 73 9 4 64 1 7 5 1 9 9 5 年9 5 3 62 7 54 4 3 2 57 7 8 34 6 4 84 9 3 7 1 9 9 6 年 1 0 1 2 4 5 8 85 3 9 2 99 6 0 4 5 3 2 7 5 5 9 1 1 9 9 7 焦1 0 8 9 l7 6 76 6 0 5 91 2 1 2 06 0 6 56 3 7 8 1 9 9 8 年1 1 4 5 95 6 87 8 8 3 21 2 7 7 36 8 8 07 1 1 l 一2 一 大j 左理 ：大学硕士学位论文 1 9 9 9 盆1 2 3 9 59 3 69 5 9 1 _ 21 7 0 8 07 7 3 87 8 6 2 2 0 0 0 笠 1 2 8 4 94 5 4 1 0 5 2 2 49 3 】28 1 8 98 4 ，8 1 2 0 0 1 芷 1 5 1 6 22 3 1 41 3 3 6 0 0 2 8 3 7 ，68 8 1 18 9 6 8 2 0 0 2 焦 1 8 2 2 53 0 6 2 1 6 6 1 3 o 3 5 2 5 0 9 1 1 59 2 4 1 2 0 0 3 拒2 2 2 3 44 0 0 92 0 8 9 7 04 0 1 2 0 9 3 9 99 5 3 1 2 0 0 4 芷2 7 8 0 05 5 6 62 6 5 0 0 05 6 0 3 09 6 0 39 7 0 0 2 0 0 5 矩3 4 9 0 07 1 0 03 3 7 8 8 07 1 8 8 09 6 7 19 7 7 0 注：钢铁行业连铸比2 歪盾鬲雾笔当焉篙；i i l 萨雷x ，。 先期工业化国家的实践证明，在进入工业化进程后，钢产量开始增长，其后达到 高峰期，并保持若干年。我国正处于工业化过程中，大规模基础设施和生产能力建设 正在进行中，已进入钢产量的高峰期，这段时期将要持续到2 0 2 0 年前后。长期以来 我国人均钢产量低于世界平均水平，到2 0 0 2 年才超过了世界平均值，达到1 4 1 公斤 人。在今后的工业化进程中，进行大规模基础设施建设时，肯定要超过世界平均水平 达到2 0 世纪7 0 年代曾达到过的1 6 0 1 8 0 公斤人的水平。按当时人口计算，我国支 撑工业化的最低钢产量见表1 2 吲。 表1 22 1 世纪支撑我国实现工业化的最低钢产量 t a b l e1 2t h em i n i m u ms t e e lp r o d u c t i o nt os u p p o r ti n d u s t r yo f c h i n ai nt h e2 1 s tc e n t u r y 项目 1 9 9 02 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 52 0 1 02 0 2 0 g d p 美元人 4 4 37 6 02 1 2 53 2 0 0 ( 1 9 9 0 年价) 增长率。 l o7 2 人口数量，1 0 亿 1 1 41 2 71 4 11 5 l 计算钢产量，亿吨 按1 0 0 k r a 年 1 1 41 2 7 _ - - 一 一 按1 1 0 k p j 人年 一 1 3 91 4 l1 4 2 - - 一 按1 4 0 k g a 年一 1 7 91 8 11 8 2 按1 6 0 k g a 年 一一 2 0 82 2 6 2 4 8 按1 8 0 k 人年 一 _ - - 2 3 42 5 42 7 2 实际钢产量，亿吨 0 6 21 2 61 5 11 8 l3 4 9 圆坯迮铸结晶器儒坯温度场与浓度场数值模拟 1 1 3 连铸技术的发展 当前，连铸技术呈现了非常强劲的发展态势，生产过程高效化、操作自动化、铸 坯洁净化、提高连铸坯表面质量、生产无缺陷铸坯等代表了技术的发展方向。特别是 随着连铸设备及工艺的计算机检测和监控系统的逐步完备，有效地提高了连铸坯质 量，提高了劳动生产率。 另外一方面是发展连铸新工艺。薄板坯连铸作为连铸新工艺之一，已经在世界上 广泛的应用；薄带连铸技术是目前冶金及材料领域的一项前沿技术，由于具有其它连 铸技术所无可比拟的优越性，成为近年来各国冶金界研究开发的热点f 7 1 ，国外一些大 的钢铁企业如新日铁、c a s t r i p 等公司已经相继实现薄带连铸的工业化生产【s l 。 高效连铸是以高拉坯速度为核心，生产高质量、无缺陷的高温铸坯，实现高连铸 率、高作业率的技术，高效连铸技术已成为国内外冶金界努力研究的方向。实现高效 连铸的前提条件是有效控制漏钢和铸坯质量，而发生在结晶器内钢水最初的凝固对铸 坯质量至关重要，其中的温度场分布和凝固组织直接影响连铸坯的质量，如何根据连 铸结晶器的内部特征和传热特点有效的提高连铸坯的质量是广大冶金研究者共同努 力的目标。特别是当前，在加入w t o 以后，我国的钢铁企业将面临更大的挑战，在 未完成工业化的情况下，又面临信息化的挑战；在未完成市场化的情况下，又面临全 球化的挑战。因此如何走向钢铁强国的问题是我国钢铁工业进行战略调整必须考虑的 问题，也是冶金工作者义不容辞的责任。 1 2 结晶器传热概述 1 。2 。1 结晶器简介【z 】 结晶器是连铸机的核心设备之一，其基本作用是钢液的蓄含显热和凝固潜热传出 和成形。结晶器内钢液的凝固伴随着传热、传质、流动等复杂过程现象，因此，必须 在传热、材质、结构等方面满足连铸工艺及其使用性能要求。 从传热角度看，结晶器应具有良好的导热特性和导热均匀性，以保证结晶器出口 坯壳厚度和坯壳的均匀性。防止在机械应力、热应力、钢液静压力综合作用下，坯壳 产生变形、裂纹及发生拉漏事故； 从材料角度看，结晶器是钢液成型的关键设备之一，生产过程的连续性决定了结 晶器材料( 尤其是与钢液接触的部件) 应具有好的耐磨性，同时，巨大的热流密度又 决定了材料应具有抗热应力作用的性能； 从运动的动力学角度看，结晶器应在保证使用强度的前提下，应尽可能减轻其重 量，以减小振动过程的惯性力，减轻其它相关设备的损坏； 4 大连理工大学硕士学位论文 从生产使用角度看，结晶器本体应具有较好的结构刚性，便于使用过程中拆装和 调整。 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。结晶器横断面传热见图1 2 所示。 冷 丁乎 图1 2 结晶器横断面传热示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f h e a tt r a n s f e ri nt h et r a n s e c to f m o u l d 1 2 2 结晶器传热影响因素【9 】 生产中的一切机械或人为因素都可能引起结晶器热流的变化，如下所述： ( 1 ) 拉坯速度 拉速的快慢影响结晶器的热流，随着拉速的加快，结晶器热流显著增加，尤其在 弯月面附近尤为明显。这是因为拉速加快，钢液对凝固壳对流换热增强，单位时间传 出的热量增加。更重要的是拉速的加快使凝固壳与结晶器壁紧密接触，使界面热阻显 著降低，结果大大提高结晶器传热效率。 ( 2 ) 钢水的过熟度 钢水过热度对结晶器热流影响不大。但过热度对凝壳凝固影响较大，过热度高， 出结晶器使坯壳较薄，铸坯表面温度高，这种状态下会增加拉漏的危险性。应根据过 熟度选择合适的拉速，保证出结晶器时有足够的凝固壳厚度，以防止拉漏。 ( 3 ) 钢中c 含量 【c 为o 1 时，结晶器热流最小，坯壳内表面有折皱，外表面粗糙甚至有凹陷。 随着c 的增加( c o 1 5 ) ，结晶器热流增大，坯壳折皱减轻。当 c 】 o 4 时，结晶 器热流平移，坯壳表面光滑，坯壳厚度均匀。这是因为：【c 】= 0 1 左右时开始发生 包晶反应，坯壳发生8 一y 的相变并伴随有最大的线收缩( o 3 8 ) ，形成瞬时的局部 气隙而导致传热效率减少，使坯壳厚度生成不均匀。【c 】 0 1 5 时，更多的液体直接 圆坯连铸结晶器，铸坯温度场与浓度场数值模拟 转变为y 相，由包晶反应产生的线收缩就不太显著，收缩减轻，气隙减少，传热均匀， 坯壳变得平滑。 ( 4 ) 保护渣 采用保护渣进行润滑时，结晶器热流主要取决于渣膜热阻和渣一结晶器间界面热 阻，其大小受保护渣的化学成分、物理性质、坯壳与结晶器壁表面温度等因素的影响。 渣膜热阻取决于渣膜厚度和渣膜的热导率，渣膜厚度与拉速和保护渣粘度有关，当拉 速一定时，主要取决于粘度。粘度高，渣膜厚薄不均匀，热阻增加：粘度低，液渣容 易随坯壳拉走，渣膜厚度较薄，热流也增大。为改善结晶器润滑和传热，应根据不同 钢种和不同工艺条件，选择合适性能的保护渣。 ( 5 ) 钢中h 含量 钢液中的氢含量对结晶器传热具有重要影响。随着钢液中氢含量的增加，结晶器 热流降低。这是因为钢液中氢含量较高时会有更多的h 2 进入渣膜，形成气孔，结果 导致渣膜热阻增大而降低结晶器传热效率。应根据不同钢种，采取措施降低钢液中氢 含量和选用适宜的结晶器保护渣。 ( 6 ) 结晶器锥度 结晶器锥度增大，使气隙减少，有利于增加热流和使结晶器内坯壳生长均匀，并 提高拉速。但锥度过大，使结晶器下部磨损增加，板坯结晶器锥度以宽面收缩8 一 9 来考虑。 ( 7 ) 结晶器长度 结晶器传出的热量大约有5 0 是在结晶器上部传出，而结晶器下部主要起支承坯 壳的作用，短结晶器有利于传热，降低成本，现在普遍使用的结晶器长度为7 0 0 8 0 0 r a m 。 ( 8 ) 结晶器材质和厚度 现在连铸结晶器都使用铜合金，如c u c r ，c u a g ，c u z r 等，其主要优点 导热性好，再结晶温度高于3 0 0 c ，在高温下工作可保持足够的强度和硬度。为提高 表面质量，在铜板上采用镀n i c r 合金。 ( 9 ) 结晶器冷却 钢水传给结晶器铜板的热量由冷却水对流换热带走，以使结晶器铜壁保持适当的 温度，防止铜再结晶使硬度和强度降低而导致结晶器交形。 钢水传给结晶器铜板的热量由冷却水对流换热带走，影响对流冷却效率的主要参 数是水与铜板之间的传热系数。传热系数决定于冷却水流速，水流速过低会导致铜壁 6 大连理大学硕十学位论文 温度升高。结晶器传热速率以保持冷面铜板温度低于水的沸点而不使水沸腾为标准， 否则铜板温度会发生波动。 1 2 3 结晶器传热检测 国内外在结晶器测温方面进行许多研究工作。有许多工厂通过检测结晶器温度实 现漏钢在线预报，并取得较好的效果【m - 1 2 】。结晶器和铸坯的温度分布，反映了保护渣 厚度的分布以及两者之间的润滑行为，通过对结晶器温度热流的检测可以评估保护 渣的润滑状态”o 】，同时可以有效的预测铸坯坯壳厚度，防止漏钢事故。结晶器温度的 高低、分布及其变化决定结晶器的寿命，因此通过检测温度还可以评价结晶器的寿命。 张富强等【”】对引进的中薄板坯高拉速铸机结晶器平均热流进行了研究，分析了拉 速、冷却水量、结晶器锥度、浇注温度等因素对平均热流的影响，并对其一些传热特 点进行了讨论。 张立等人f 14 】在宝钢板坯连铸机结晶器埋设热电偶，对结晶器平均热流进行研究发 现，当拉速增加到1 2 m r a i n 以上时，由于结晶器冷却水进、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 之间有明显关系，含碳o 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。 f h a e r s 和s g t h o r n t o n 等 1 5 l 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 和3 5 0 m m 横截面内安装两排热电偶，其水平间距为1 9 0 m m 。一 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 t m ) ，实时提供漏钢预报和铸坯表面缺陷信息。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。不仅仅如此，该系统还评估了浇注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。 a b y r n e 等人f 1 6 】沿结晶器周向安装多只热电偶，建立了圆坯连铸结晶器温度在线 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 m m 高度) 不同，粘度越低，渣膜越薄，热流越高，波动越大。 导致铸坯表面缺陷的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，从而获得良好表面质量的大圆形铸坯。 由以上可知，对热流进行监测和分析其传热特点一直是冶金工作者所关注的焦 点。各类文献较多，研究也比较充分。面研究大多都集中于板坯和方坯，有关小圆坯 连铸结晶器的热检测，尤其是在电磁搅拌条件下局部温度和热流的检测鲜有报道。 圆坯连铸结晶器，铸坯温度场与浓度场数值模拟 1 3 温度场与浓度场数值模拟简介 1 3 1 温度场数值模拟简介 在钢的连铸过程中，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。如果传热速率特别快或不均匀，则产生热应力可能在铸坯中引起裂纹：相反， 如果传热不充分则导致薄的坯壳易于鼓肚并拉漏 1 7 , 1 8 。表面纵裂纹和角裂纹的形成与 凝固壳和结晶器间的传热有重要的关系。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。 建立数学模型后，直接计算是十分困难的，必须借助于计算机。目前常用的数值 计算方法主要有【l9 l ：有限差分法、直接差分法、有限元法、控制容积法、边界元法、 体积力法等。在连续铸造过程中，热量的传输有三种基本方式口o 】：导热、对流和辐射， 实际上的传热过程是这三种基本传热方式的不同组合，其中以传导为主。为了简化上 述问题，e a m i z i k a r 认为液相穴内充分混匀，把对流的影响归于有效导热系数 e f t 上，因而铸坯任何时刻的传热方程就转化为一个导热方程。由e a m i z i k a r 的假设可 知，另外两种传热形式也可以通过有效导热系数转化为导热形式。热量由液固钢界 面传给结晶器包括下列步骤【2 l 】：( 1 ) 钢液熔池的对流传热；( 2 ) 通过坯壳传导传热； ( 3 ) 通过渗入到铸坯与结晶器间隙的保护渣横断面传热；( 4 ) 通过铸坯与结晶器的气 隙传热；( 5 ) 结晶器壁的传导传热；( 6 ) 结晶器冷却水界面对流传热。 国内、外对连铸坯凝固传热也进行了大量的研究。早期人们对凝固过程的研究都 采用热电偶钡0 温，静置倾倒或元素示踪法f 2 2 】。随着计算机和计算数学的发展，用数值 模拟的方法来计算求解连铸结晶器内凝固过程的温度场已达到了一个相当的程度。 j k b r i m a c o m b e l 2 3 】等对结晶器温度和变形进行了系统研究。结合生产实际，采用 有限差分和有限元法对结晶器的热行为和力学行为进行了耦合计算；提出了结晶器温 度场计算的三维数学模型；在结晶器的不同部位布置热电偶，根据实测结果来确定热 边界条件；深入讨论了结晶器的热行为和力学行为对连铸质量的影响。 t h o m a s 等瞄】利用铸坯和结晶器之间固、液渣的质量守恒和动量守恒，并考虑振 痕的影响，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，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。 国内有关结晶器内铸坯凝固传热的研究起步相对较晚，但近几十年来也进行了大 量的研究，取得了许多进展。禁开科和金俊泽等人瞄2 6 】较早把数值模拟技术引入对 一8 一 人连理1 ：大学硕十学位论文 连铸结晶器内的热分析中。近年来张立和朱苗勇等人【2 7 2 8 】通过建立二维横截面或纵 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。 姚曼、尹合壁等人【2 9 3 2 】在结晶器周围布置3 6 对热电偶进行监测，基于圆坯连铸 结晶器实测温度数据，建立结晶器传热问题反问题数学模型，通过确定结晶器和铸坯 之间局部热阻大小及分布计算出结晶器热流场和坯壳厚度，分析热流分布特征与铸坯 凝固状态的关系。 由上述可见，通过铸造凝固过程温度场的数值模拟可以初步了解结晶器内的热行 为，有效预测铸坯的坯壳厚度，改善铸坯的质量，为铸造工艺的优化设计提供依据， 通过改变其凝固条件，从而获得优质的铸坯。但是目前大多数研究都集中在板坯或方 坯，基于它们的对称性通常建立二维模型或四分之一的三维模型，相对于圆坯的研究 较少，除姚曼、尹合壁外大多没能结合实测数据和三维传热特征。 1 3 2 浓度场数值模拟简介 铸坯的凝固组织是决定铸坯性能的关键因素，优质铸坯的获得得益于对铸坯凝固 过程和凝固组织的控制，过去对铸坯凝固组织的研究多采用实验的方法，即对在特定 工艺条件下得到的凝固组织进行金相分析，这种方法虽具有直观性和可操作性等优 点，但费用高、工作量大。而对铸坯凝固组织进行模拟，不仅能弥补宏观模拟的不足 之处，而且有助于预测铸坯的力学，物理性能，从而达到改善铸坯质量的目的i ”j 。 铸坯的凝固不仅仅与温度场相关，铸坯的成分也影响铸坯的凝固组织，铸坯的凝 固是由过冷造成的，当液体金属冷却至凝固温度t m ( 熔点) 时，并不立即凝固，而 是在冷到t m 以下某个温度才开始凝固。通常讲液体实际温度t 与理论结晶温度t m 之差丁( = 丁锄力成为过冷度。过冷度由以下几个部分组成：动力学过冷、曲率过冷、 热过冷、成分过冷和压力过冷，通常情况下可以忽略动力学过冷、曲率过冷和压力过 冷，所以过冷度实际上主要考虑热过冷和成分过冷这两个方面。金属的热过冷联系着 铸坯的温度场，可以由温度场计算而得；而成分过冷则联系着铸坯的浓度场，由铸坯 的浓度分布来计算。 目前可以说宏观温度场模拟技术已经比较成熟，而宏观温度场模拟只能得到铸坯 在凝固过程中温度的变化规律，不能对铸坯凝固组织的形成作出解释及对其特征( 如 晶粒度、形核数) 作出预测【3 4 1 ，这是因为在宏观温度场模拟中，与潜热释放量相关的 固相分数只被考虑成温度的函数，而忽略了结晶动力学方面的影响，实际上铸坯凝固 结晶潜热的释放行为不仅与凝固传热有关，而且还与合金的凝固溶质传输行为、合金 成分及凝固热力学参数等因素密切相关【3 5 1 。它们之间一般存在着非线性r 力一a 强 圆坯连铸结晶器铸坯温度场与浓度场数值模拟 耦合关系，并且合金的液相线温度、溶质分配系数及其他热无性参数一般均为温度和 成分的函数。热熔法难以处理窄结晶温度区间，特别是恒定温度下结晶的潜热释放问 题，对于宽结晶区间的合金凝固问题，若仅基于凝固传热并利用合金初始成分来计算 结晶温度区间，则会产生较大的计算误差。 国外在微观组织数值模拟方面的研究进行得较早，已经提出了很多方法和模型来 预测共晶合金和枝晶合金形核和长大的过程，研究对象包括铝合金、镍基合金、球墨 铸铁等，并且已能进行二维和三维的数值模拟。瑞士联邦洛桑理工学院的r a p p a z 、 t h e v o z 等提出了基于高斯分布的确定性形核模型，该模型认为形核的特征应该是连 续曲线而不是离散分布，并已成功应用于对枝晶和共晶合金的模拟中。r a p p a z 和 t h e v o z 基于浓度场6 条假定，详细提出了等轴枝晶的溶质扩散模型【3 4 】。晶粒生长的 概率模型于2 0 世纪8 0 年代末逐渐兴起。进入9 0 年代，r a p p a z 和g a n d i n 综合确定 性模型和概率模型，提出单元自动控制c a ( c e l l u l a ra u t o m a t i o n ) 模型。之后，r a p p a z 和g a n d i n 3 6 - 3 8 又结合宏观有限元热流计算和微观单元自动控制模型。提出了f e c a 耦合算法模型，并对不同凝固条件下连续铸造碳钢凝固组织铁素体珠光体的进行奥氏 体化，柱状晶生长进行了预测和动态显示。 国内研究起步较晚，大连理工大学的金俊泽【3 9 】利用m o n t e - - - c a r l o 方法，依据对 金属凝固过程的温度场、浓度场的数值模拟和金属结晶过程中的热力学条件，建立了 描述铝合金凝固组织形成过程的宏观一微观耦合模型；清华大学的许庆颜【柏i 等人采用 c e l l u l