（钢铁冶金专业论文）板坯连铸结晶器传热行为的理论研究.pdf

e 云js i 上 责 ，一 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y f i | i l l l llfii l l1 1 1i i ii1 1 1 1 1 j y 1716 4 8 7 t h e o r e t i c a ls t u d yo nh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ri ns l a b c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d b yg a o y a n n i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 l 弋 一 ( 本人声明，所呈交的学 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：匕 思0 学位论文作者签名：琵穆，肥 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 蝴哏 导师签 签字日 一 东北大学硕士学位论文摘要 板坯连铸结晶器传热行为的理论研究 摘要 结晶器是连铸机中最重要的组成部分，其传热行为直接控制着钢液的初始凝固过 程，决定着连铸坯的表面质量。探索结晶器的传热机理与规律对改善结晶器铜板的工作 条件，更好地实现漏钢预报，以及对复杂的铸坯表面质量的诊断和预报工作都有着极其 重要的作用。由于检测手段和现场生产条件的局限性，实际生产中很难通过实测手段直 接获得结晶器热流和铜板温度分布等传热信息。因此，如何正确掌握连铸结晶器的传热 行为以保证连铸过程顺行就显得尤为重要。为此，本文以常规板坯连铸结晶器为研究对 象，根据结晶器保护渣动量和质量守恒，建立了描述连铸结晶器三维传热过程的数学模 型，对板坯结晶器的传热行为进行了数值模拟研究，主要研究内容和已获得的结果如下： ( 1 ) 首先建立保护渣动量、质量守恒以及结晶器稳态传热的数学模型，采用循环反 推算法获得符合实测值的连铸坯表面温度计算值，进而得到结晶器铜板热面沿高度方向 的热流密度分布。 ( 2 ) 采用上述方法所确定的热流密度作为边界条件，建立了结晶器铜板三维传热数 学模型，并进行数值模拟研究，模拟结果表明：沿结晶器壁长度方向，窄面温度大于宽 面温度，且距弯月面2 5 m m 处铜板热面温度最高；镍层连接处，铜板热面温度有较大的 回升。此外，结晶器出口约6 0 m m 范围内，铜板热面温度也有一定程度的回升。结晶器 铜板温度场沿宽度方向温度分布不均匀，温度呈波浪式分布，两组水缝问的温度比水缝 分布区温度高。 ( 3 ) 建立了结晶器内凝固坯壳的二维传热数学模型，模拟结果表明：连铸坯中心温 度和表面温度均呈减小趋势，但铸坯中心温度降低幅度较小，仅i o 。c 左右。宽面表面温 度的降低幅度比窄面大，窄面表面中心温度从1 5 4 8 。c 降低至1 3 0 7 ，宽面表面中心温度 从1 5 4 8 降低至1 2 2 3 。铸坯宽面的坯壳厚度在整个结晶器高度方向上都大于窄面的坯 壳厚度，出结晶器时铸坯宽面坯壳厚度约为1 2 m m ，铸坯窄面坯壳厚度约为l o m m 。 ( 4 ) 对结晶器保护渣、冷却结构参数等影响结晶器内热行为因素的研究表明：沿结 晶器高度方向，固态渣膜厚度逐渐增加，一定拉速下减小保护渣的消耗量会增大结晶器 上部的热流；热流密度和铜板温度随着拉速的增加逐渐增加，拉速每增加0 2 m m i n ，热 面温度增大l o 左右；铜板厚度每减少5 m m ，热面最高温度相应降低3 0 左右；水槽 i i i 东北大学硕士学位论文摘要 深度每增加3 m m ，热面温度平均降低1 3 。c ；随着拉速增大，铸坯内温度逐渐增大，坯 壳厚度减小，拉速每增加0 2 m m i n ，铸坯表面温度升高8 。c 左右，铸坯中心温度升高i 。c 左右，液相线向铸坯中心移动约2 5 m m ，固相线向铸坯中心移动约1 5 m m ，坯壳厚度减 少约1 5 m m 。 关键词：板坯连铸；结晶器；传热；理论研究 i v t h e o r e t i c a ls t u d yo nh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ri ns l a b c o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d a bs t r a c t m o l di si m p o r t a n tp a r t so fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，s i n c ei t st h e r m a lb e h a v i o r c o n t r o l st h ei n i t i a ls o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fm o l t e ns t e e lt h a ta f f e c t ss u r f a c eq u a l i t yo f t h es l a b d i r e c t l y i ti si m p o r t a n tt oh a v ea ni n - d e p t hu n d e r s t a n d i n gt h em o l dt h e r m a lb e h a v i o r sf o r i m p r o v i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d ，r e a l i z i n gb r e a k o u tp r e d i c t i o n p r e c i s e l ya n dd i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o no fm o r es o p h i s t i c a t e ds l a bs u r f a c eq u a l i t yp r o b l e m s d u et ot h el a c ko ft e s t i n gm e a n sa n dt h er e s t r i c t i o no f l o c a lp r o c e s sc o n d i t i o n s ，i ti sd i f f i c u l tt o o b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no fh e a tf l u xa n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h em o l d s og r a s p i n gc o r r e c t t h e r m a lb e h a v i o r so ft h em o l dt oe n s u r es a f ec o n t i n u o u sc a s t i n gi sv e r yi m p o r t a n t a c c o r d i n g t om o m e n t u ma n dm a s sc o n s e r v a t i o no fm o l ds l a ga n ds t e a d yh e a tt r a n s f e ri nt h em o l d ，t h i s r e s e a r c hc a r r i e do u tam e t h o dt od e f i n eh e a tf l u xo ft h eu s u a ls l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d d u r i n g t h e s p e c i f i e dp r a c t i c a l c o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s s b a s e d o nt h i sh e a tf l u x ， t h r e e d i m e n s i o n a lf m i t e e l e m e n th e a t t r a n s f e rm o d e lw a se s t a b l i s h e d t o p r e d i c t t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nas l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n d r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) an u m e r i c a lm o d e lb a s e do nm o m e n t u ma n dm a s sc o n s e r v a t i o no fm o l ds l a ga n d s t e a d yh e a tt r a n s f e ri nt h em o l dw a se s t a b l i s h e d c o r r e c tc a l c u l a t e ds l a bs u r f a c et e m p e r a t u r e w a sg a i n e db yu s i n gi n v e r s ea l g o r i t h m f u r t h e r m o r e ，d i s t r i b u t i o no fh e a tf l u xa tt h ec e n t e ro f h o tf a c ea l o n gt h ed i r e c t i o no fm o l dl e n g t hw a sa c h i e v e d ( 2 ) u s i n gt h ea b o v eh e a tf l u xa st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，at h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n th e a tt r a n s f e rm o d e lo ft h ec o p p e rp l a t ew a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta l o n g t h em o l dh e i g h t ，t e m p e r a t u r eo fc e n t r a ln a r r o wf a c ei sl a r g e rt h a nt h a to fc e n t r a lw i d ef a c e p e a kt e m p e r a t u r ea p p e a r sa t2 5 m mb e l o wm e n i s c u s i nt h el o c a t i o no fn i c k e ll a y e rc o n n e c t i o n ， t h et e m p e r a t u r eo fh o tc o p p e rp l a t es u r f a c er i s e sg r e a t l ya g a i n w h a t sm o r e ，i nt h er a n g eo f 6 0 m mn e a rb yt h ew a y o u to fm o l d ，t e m p e r a t u r eo fh o tc o p p e rp l a t es u r f a c eh a sa l s or i s e n v a g a i nt oac e r t a i nd e g r e e t h em a g n i t u d eo fh o tf a c et e m p e r a t u r ef l u c t u a t e sa n dd i s t r i b u t e da s w a v e sa l o n gm o l dw i d t hd i r e c t i o n a r e ab e t w e e nt w os l o t si sh o t t e rt h a nt h ep o s i t i o no fs l o t ( 3 ) t w o d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n th e a tt r a n s f e rm o d e lo f t h es l a bw a se s t a b l i s h e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tb o t ho fc e n t r a la n ds u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h es l a bd e c r e a s ea l o n gw i t ht h e m o l dh e i g h tt h ed e c r e a s e m e n to fc e n t r a l t e m p e r a t u r ei sa b o u t10 w h i c hi ss m a l l t h e d e c r e a s e m e n to ft h ew i d ef a c ei sl a r g e rt h a nt h a to ft h en a r r o wf a c e s u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h en a r r o wd e c r e a s e sf r o m15 4 8 t o13 0 7 。c w h i l et h a to ft h ew i d ef a c ed e c r e a s e sf r o m 1 5 4 8 t o1 2 2 3 。c t h es t r a n dt h i c k n e s so ft h ew i d ef a c eo fs l a bi s l a r g e rt h a nt h a to ft h e n a r r o wf a c ea l o n gt h ew h o l em o l dh e i g h t t h es t r a n dt h i c k n e s so ft h ew i d ef a c eo fs l a ba tt h e e x i to ft h em o l di s12 m mw h i l et h es t r a n dt h i c k n e s so ft h en a l t o wf a c eo f s l a bi s10 m m ( 4 ) t h et h i c k n e s so fs o l i da n dl i q u i ds l a gi n c r e a s e sa l o n gt h em o l dh e i g h t d e c r e a s i n g m o l ds l a gc o n s u m p t i o nr a t ea tac o n s t a n tc a s t i n gs p e e di n c r e a s e sh e a tf l u xi nt h et o pp o r t i o n o ft h em o l d t h eh e a tf l u xa n dt e m p e r a t u r eo fw i d ea n dn a r r o wf a c ei n c r e a s ew i t hc a s t i n g s p e e d a st h ec a s t i n gs p e e di n c r e a s e se v e r y0 2 r n m i n ，t h et e m p e r a t u r eo fh o tc o p p e rp l a t e i n c r e a s e sa b o u t10d e g r e ec e n t i g r a d e a st h et h i c k n e s so fc o p p e rp l a t ed e c r e a s e se v e r y5 m i l l i m e t e r , p e a kt e m p e r a t u r eo fh o tc o p p e rp l a t es u r f a c ed i m i n i s h e sa l m o s t3 2d e g r e e c e n t i g r a d ec o r r e s p o n d i n g l y a st h ed e p t ho fw a t e rc h a n n e l si n c r e a s e se v e r y5m i l l i m e t e r , t h e t e m p e r a t u r eo fh o tc o p p e rp l a t ed i m i n i s h e s13d e g r e ec e n t i g r a d ea ta v e r a g e t h et e m p e r a t u r e o fs l a bi n c r e a s e sa n dt h es t r a n dt h i c k n e s sd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fc a s t i n gs p e e d a s c a s t i n gs p e e di n c r e a s e s0 2 m m i n ，s l a bs u r f a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s8d e g r e ec e n t i g r a d e ，s l a b c e n t r a lt e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa b o u t1 d e g r e ec e n t i g r a d e ，l i q u i d u sm o v e st ot h ec e n t e ro fs l a b 2 5 m m ，s o l i d u sm o v e st oc e n t e ro fs l a b1 5 m ma n ds t r a n dt h i c k n e s sd e c r e a s e sa b o u t1 5 m m k e y w o r d s ：s l a bc o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o l d ；h e a tt r a n s f e r ；t h e o r e t i c a ls t u d y v i 1 2 结晶器内传热过程4 1 2 1 结晶器的凝固传热。5 1 2 2 钢液与凝固坯壳的传热。6 1 2 3 凝固坯壳与结晶器之间的传热7 1 2 4 结晶器铜壁与冷却水之间的传热。7 1 3 本文研究的内容及意义8 第二章连铸结晶器凝固传热的前人工作分析1 1 2 1 结晶器热行为检测1 1 2 2 传热凝固数值模拟1 2 2 2 1 传热边界条件的研究现状1 2 2 2 2 传热凝固数值模拟1 3 2 2 3 实测和数值模拟相结合数值模拟1 4 2 3 结晶器与凝固坯壳间的相互作用研究1 5 第三章连铸结晶器传热数学模型1 7 3 1 传热数学模型的基本假设17 3 2 数学模型的控制方程1 7 3 3 模型的计算条件1 8 3 4 物性参数的选取2 3 v i i 东北大学硕士学位论文 目 录 3 4 1 结晶器冷却水对流换热系数2 3 3 4 2 连铸坯参数的选择2 4 3 4 3 其他工艺参数的确定2 7 3 5a n s y s 热分析介绍2 8 第四章计算结果及分析3 l 4 1 结晶器铜板温度场模型结果与分析3 1 4 1 1 结晶器铜板温度分布特征3 1 4 1 2 保护渣的形成状态及其对铜板热流的影响3 6 4 1 3 拉速对铜板温度分布的影响3 7 4 1 4 铜板厚度对结晶器铜板温度分布的影响3 8 4 1 5 水槽深度对温度分布的影响4 0 4 2 连铸坯凝固传热结果与分析4 2 4 2 1 连铸坯温度分布4 2 4 2 2 拉速对连铸坯温度分布的影响4 6 第五章结论51 参考文献5 3 致谢5 9 论文包含图、表、公式及文献6 1 v i i i 连续铸钢是钢铁工业发展过程中继氧气转炉炼钢后的又一项革命性技术。连铸是将 钢液用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺，它是连续炼钢与轧钢的环节。 连铸所用的钢水通常需要经过二次精炼。连铸的主要设备由钢包、中间包、结晶器、结 晶器振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分 组成。 美国人b a t h a 和德国土木工程师r m d a e l e n 分别于1 8 6 6 年和1 8 7 7 年提出了以 水冷、底部敞口固定结晶器为特征的常规连铸概念。他们的不同之处在于：亚瑟采用一 个底部敞开、垂直固定的厚壁铁结晶器并与中间包相连，施行间隔式拉坯；达勒恩采用 固定式水冷薄壁铜结晶器、施行连续拉坯、二次冷却，并带飞剪切割、引锭杆垂直存放 装置。1 9 2 0 1 9 3 5 年问，连铸过程主要用于有色金属，尤其是铜和铝的领域【1 1 。 炼钢生产的大炉容量、高浇铸温度和钢本身比热低，这些情况在有色金属生产中未 曾遇到过。因此，要在炼钢领域实现连铸生产，要做的最重要一项开拓性工作是如何提 高一台连铸机的浇铸能力，最关键的是提高浇铸速度。19 1 3 年，瑞典人a h p e h r s o n 提出结晶器以可变的频率和振幅做往复振动的想法。1 9 3 3 年，德国人s j u n g h a n s 真正 将这一想法付诸实施。 振动结晶器的构想和付诸实施，不仅使浇铸速度提高到一个较高的水平，而且是连 铸技术成分通向钢铁领域发展的基石。 1 1 1 结晶器的结构及参数介绍 结晶器是连铸机非常重要的部件，称之为连铸设备的“心脏”。钢液在结晶器内冷 却初步凝固成一定坯壳厚度的铸坯外形，并被连续地从结晶器下口拉出，进入二冷区。 按断面内壁的线形区分，结晶器可分为直形结晶器和弧形结晶器。直形结晶器用在 立式或者立弯式连铸机上，弧形结晶器用在弧形和椭圆形连铸机上。按铸坯断面形状区 分，结晶器可分为方坯、板坯、矩形坯、圆坯及异形坯断面结晶器。按结构形式区分， 结晶器可分为整体式、套管式和组合式三种。 在连铸过程中，结晶器充当着一次冷却的角色，其长度是一个非常重要的参数，确 】 东北大学硕士学位论文第一章绪论 定结晶器长度的主要依据是铸坯出结晶器下口时的坯壳最小厚度。对于大断面铸坯，要 求坯壳厚度大于1 5 m m ，小断面铸坯为8 m m 1 0 m m 。根据大量的理论研究和实践经验， 结晶器长度一般在7 0 0 m m 9 0 0 m m 比较合适，也有的是1 2 0 0 m m 。目前大多数结晶器长 度增加到9 0 0 m m ，以适应高拉速的需要。 为了获得良好的一次冷却效果，凝固坯壳与结晶器铜板必须保持良好的接触。由于 钢液在结晶器内冷却凝固生成坯壳的同时伴随着体积收缩，因此结晶器铜板内腔必须设 计成上大下小的形状，即所谓的结晶器的锥度，这样可以减少因收缩所产生的气隙，改 善结晶器的导热。 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，其主要优点是导热性 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 或镀n i c 合金，镀层材质和厚度对铜板传热有一定影响，当拉速为 1 4 m m i n ，冷却水流速为7 2 m s ，铜板厚度为5 0 m m 时，计算表明镀n i 铜板热面温度 为2 7 0 ，镀n i c r 铜板为3 1 0 。 板坯结晶器铜板厚度包括冷却水槽和承受温度梯度的有效厚度两部分。铜板太厚， 热流降低，把铜板厚度由4 0 m m 减少到2 0 m m ，结晶器热流增加1 0 。方坯管式结晶器 厚度一般为8 m m 1 5 m m ，对传热影响不大。 为防止铸坯坯壳与结晶器内壁黏结，减少拉坯阻力和结晶器内壁的磨损，改善铸坯 表面质量，结晶器必须进行润滑。目前的润滑手段主要有两种：润滑油润滑和保护渣润 滑。润滑剂可以用植物油或矿物油，目前用植物油中的菜籽油居多。对于大方坯和板坯 连铸采用保护渣来达到润滑的目的。保护渣可人工加入，也可由振动给料器加入。 结晶器振动在连铸过程中扮演着非常重要的角色。结晶器上下往复运行，实际上起 到“脱模”的作用。由于坯壳与铜板间的粘附力因结晶器振动而减小，因而防止了在初 生坯壳表面产生过大应力而导致裂纹的产生或引起更严重的后果。当结晶器向下运动的 时候，因为“负滑脱的作用可“愈合”坯壳表面裂痕，并有利于获得理想的表面质量。 目前结晶器的振动有正弦振动和非正弦振动两种方式。正弦波动振动的速度与时间的关 系为一条正弦曲线。正弦振动用一简单的偏心轮连杆机构就能实现，可以提高振动频率、 减小振痕、改善铸坯质量。正弦振动方式在连铸机上被广泛应用。由于拉速提高后，结 晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致漏钢的可能性增加。为 了解决这问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动，使用结晶 器向上振动时间大于向下振动时间，以缩小铸坯与结晶器向上振动之间的相对速度。 ，) - - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 结晶器在连铸生产中的作用和地位 连铸坯的质量决定着最终产品的质量。评价连铸坯质量是从以下几方面入手： ( 1 ) 连铸坯的纯净度。指钢中夹杂物的含量、形态和分布。这主要取决于进入结晶 器之间钢水的纯净度以及钢液在传递过程中被污染的程度。为此应选择合适的精炼方 式，采用全过程的保护浇铸，尽可能降低夹杂物含量。 ( 2 ) 连铸坯的表面质量。主要是指连铸坯表面是否存在裂纹，夹渣及皮下气泡等缺 陷。连铸坯这些表面缺陷主要是钢液在结晶器内坯壳生长过程中产生的，与浇铸温度、 拉坯速度、保护渣性能、浸入式水口的设计、结晶器振动以及结晶器液面的稳定因素有 关。 ( 3 ) 连铸坯的内部质量。指连铸坯是否具有正确的凝固结构，以及裂纹、偏析、疏 松等缺陷的程度。二冷区冷却水的合理分配，支撑系统的严格对中是保证连铸坯质量的 关键。采用铸坯压下技术和电磁搅拌技术，还会进一步改善连铸坯内部质量。 ( 4 ) 连铸坯的外观质量。指连铸坯的行装是否规格，尺寸误差是否符合规定要求。 与结晶器内腔尺寸和表面状态的冷却性有关。 因此，连铸坯质量控制方向是：铸坯洁净度决定于钢水进入结晶器之前的各工序； 铸坯表面质量决定于钢水在结晶器的凝固过程；铸坯内部质量决定于钢水在二冷区的凝 固过程。铸坯表面质量的好坏是后续的热送、热装和直接轧制的前提条件。连铸坯表面 缺陷形成的原因较为复杂，但总体来讲，主要是受结晶器内钢液凝固所控制。 正如前一节所述，结晶器是连铸机中最关键的部件，它的性能对连铸机的生产能力 和铸坯质量起着十分重要的作用。因此，人们称它为连铸机的“心脏”。它的重要作用 表现在【2 】： ( 1 ) 在尽可能高的拉速下，保证出结晶器时铸坯形状合格，并有必要的厚度以抵抗 钢水静压力而不拉漏； ( 2 ) 保证沿结晶器内钢水、渣相、坯壳、铜板之间相互均衡作用，这对铸坯表面质 量有着决定性的影响； ( 3 ) 促进结晶器周边坯壳均匀生长。 上述作用( 1 ) 决定了连铸坯生产率，而( 2 ) 、( 3 ) 两个作用决定了连铸坯表面质量。 连铸结晶器是一个非常强的热交换器，其内部钢水流动、凝固、热传输、坯壳应力 状态是非常复杂的。钢水、保护渣、坯壳和结晶器构成了一个热状态和力学状态耦合的 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 复杂体系。正因为结晶器内钢液的凝固所伴随的传热、传质、流动等复杂过程现象。所 以结晶器设计必须在传热、材质、结构等方面满足连铸工艺及其使用性能要求3 1 。 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，结晶器是钢液成形的关键设备之一，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，减轻其他相关设备的损坏。 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。 1 2 结晶器内传热过程 结晶器内的传输现象包括流动、传热、凝固、溶质再分配等，上述现象之间相互关 联、相互作用。例如，钢液的流动受到坯壳形状的制约，而坯壳的形状又受到钢流冲刷 的影响；钢液的流动影响着温度的分布，而由温差造成的热浮力又影响着钢液的流动。 这就意味着任何单元现象均会受到其他单元现象的影响。假设因为某种原因需要改变坯 壳内的温度分布，一方面可以改变结晶器的冷却条件，另一方面可以改变钢液的流动状 奠： ，l ：一0 结晶器内各个单元传输现象之间的相互关系如图1 1 所示。图1 1 同时也表示了组 成整个连铸过程传输体系的单元现象之间的相互关系及作用。总的来说，整个传输体系 可以分为液相穴、两相区的流动、传热及溶质分配这三类传输过程。结晶器内钢液流动 的涌动力主要来自浸入式水口钢液的惯性流。二冷段铸坯内钢液流动的源动力主要来自 浸入式水口钢液的惯性流、温度梯度及浓度梯度引起的浮力流及凝固前沿产生的体积收 缩引起的钢液流动。上述因素引起的流动待征表现为：液相穴内复杂的湍流流动、两相 区内的多相流动及结晶器内钢液表面的自由流动。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 连铸过程单元传输现象之间的相互关系 f i g 1 1r e l a t i o n s h i po f t r a n s m i s s i o np h e n o m e n ai nu n i t si nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 1 2 1 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【4 1 。结晶器横断面传热及温度分布如图1 2 所示。 趟 嚼 写 气隙 r 届 i - 一 坠 锄 仇 - _ = 一 ， j 阮绮晶帮璧砸高 图1 2 结晶器横截面传热及温度分布示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fh e mt r a n s f e ra n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nt h r o u g hc r o s ss e c t i o ni nt h em o l d 水1ii 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 结晶器内钢液与冷却水之间热量传输过程的总热阻表示为： ! ：三+ 血+ 土+ 血+ 土 h 铂kh okk 式中：h 为总的传热系数，w ( m 2 ) ； h l 为钢液与坯壳之间的传热系数，w ( m 2 ) ： 蟊为凝固壳厚度，m ； a m 为钢的导热系数，w ( m 2 ) ； h o 为坯壳与结晶器间的传热系数，w ( m 2 ) ； 比。为结晶器铜壁的厚度，m ； a 。为铜板的导热系数，w ( m 2 ) ； h w 为铜板与冷却水间的传热系数，w ( m 2 ) i 1 2 2 钢液与凝固坯壳的传热 钢液与凝固坯壳的传热，其热流表示为： g = 昀( 瓦一五) 式中：q l 为钢液与凝固之间的热流，w m 2 ； 疋为钢液的浇铸温度，； 兀钢液的液相线温度，。 h i 一般借助于垂直平板对流传热公式计算【5 1 ，其表达式为： 嗡2 阵v 诃盯 式中：p 为钢液密度，k m 3 ； c p 为液态钢的比热，j ( k g ) ； v 为前沿液态钢运动速度，m s ； 三为结晶器长度，m ； 即为钢液的粘度，k g ( m s ) ； ( 1 2 ) ( 1 3 ) 、 般可分为3 个区域：弯月面区域、紧密接触区域、气隙区域。三个区域的大小决定于钢 种、浇铸工艺、使用的保护渣性能及结晶器锥度等因素。 在弯月面区，钢液与铜壁紧密接触。形成坯壳的区域，其冷却速度可达1 0 0 。c s 。 弯月面形状决定于钢液的表面张力和该区域的温度场。 在紧密接触区，弯月面区形成的凝固坯壳与铜壁紧密接触，或者是坯壳、保护渣、 铜壁的紧密接触，主要以传导方式传热。气隙区的主要特征是6 吖相变产生体积收缩的 积累，使铸坯坯壳与铜壁分离。一般情况下，气隙形成由结晶器角部丌始，并向中心扩 展。气隙形成后由于坯壳过热及钢液静压力作用，使得气隙重新消失，当坯壳达到一定 厚度时，其强度可抵抗钢液静压力时，便形成了稳定的气隙。气隙的形成改变了原有的 传导传热方式，形成了辐射和对流综合作用的传热方式，使传热过程趋于复杂化。 结晶器 图1 3 结晶器内凝固坯壳与结晶器的接触示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o n t a c tb e t w e e ns o l i d i f i e ds h e l la n dt h em o l d 1 2 4 结晶器铜壁与冷却水之间的传热 冷却水与铜壁的传热依据接触状态，可分为三个传热区域：强制对流区、核沸腾区、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 膜态沸腾区。对水缝式结晶器的传热，强制对流传热是理想的传热方式，应尽可能避免 沸腾传热方式的存在。对于强制对流传热，热流与铜壁温度呈线性关系。对流传热系数 主要决定于水缝中水的流速和水缝形状。一般采用下式进行计算【6 】： 删舵3 等( 警九警) 0 4 4 ， 式中：。为冷却水动力粘度，n s m 2 ； h 为冷却水热传导系数，w m 。； c w 为冷却水的比热，j k g ； 巩为冷却水槽的当量直径，m ； p 。为冷却水密度，k g m 3 ； u 。为水槽中冷却水的流速，m s 。 理论分析与实践已经充分证明，对于水缝式结晶器，水流速度大于6 m s 时，可避 免沸腾现象的产生。这也是连铸机结晶器水缝设计的基本依据。 1 3 本文研究的内容及意义 连铸过程中，结晶器铜板控制铸坯的形状和初始凝固，从而影响产品的质量，其稳 定的结构和良好的导热性能对保证正常生产及铸坯质量至关重要【7 _ 9 1 。揭示铜板温度场 变化规律对于提供坯壳与铜板接触状态信息，掌握渣膜润滑层的形成特点，优化设计结 晶器的结构，减少振动磨损，延长寿命并提高产品质量有极其重要的意义。另一方面， 连铸结晶器铜板热面要与1 5 0 0 1 6 0 0 的高温钢水接触，背面又用3 0 左右的水冷 却，在如此巨大的温度梯度下，反复产生的热应力很大，铜板易产生变形，在铜板表面 或冷却水槽底部也容易产生龟裂。结晶器的变形容易使铸坯产生鼓肚变形，无法顺利拉 坯，导致漏钢事故的发生。在连铸过程中，结晶器的维修费用占连铸机操作费用很大一 部分，对生产者来说，结晶器的寿命直接与企业的效益挂钩。如何提高结晶器的寿命成 为了一个热点问题。为了提高结晶器铜板的性能，需要分析铜板的温度分布、热应力分 布及变形等问题，而温度场是研究受热变形的基础，利用数值模拟的方法优化结晶器结 构、改进工艺参数，是高效、节能、环保的好方法。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 本文的研究内容一方面根据保护渣动量与质量守恒，以及结晶器内稳态传热过程， 得到结合实际生产过程的热流密度边界条件。另一方面是在此热流密度边界条件的基础 上建立三维稳态结晶器铜板数学模型和二维瞬态板坯数学模型，使用大型商用软件 a n s y s 进行数值模拟计算。为结晶器结构的优化和实际生产操作提供参考；掌握铜板 温度场的分布是准确实施漏钢预报的基础；计算结晶器铜板的最高温度，使其与铜板再 结晶温度比较，掌握其安全使用的程度。同时计算板坯的固相率和坯壳厚度分布，分析 拉速、保护渣用量以及铜板厚度对结晶器铜板温度以及铸坯温度分布的影响。本文的研 究也可为结晶器热应力的计算及结晶器的设计提供依据。对于延长结晶器的寿命，增加 结晶器的安全性、提高铸坯质量和优化操作工艺参数等方面具有一定的意义。 东北大学硕士学位论文第二章连铸结晶器凝固传热的前人工作分析 第二章连铸结晶器凝固传热的前人工作分析 研究者们通过多种不同的方法和手段，对结晶器进行过广泛和深入的研究。包括昂 贵的现场检测、实验室模拟和数学模型。现场检测有助于了解实际生产中的关键数据， 从而直接指导生产，但当连铸技术变得更加优化和成熟时，单纯依赖检测有很大的局限 性。同时，为了量化成功必须集合更多的数据进行统计，从而使检测变得更加昂贵。因 此，为了j 下确理解结晶器内发生的基本现象，常常采用现场检测和模拟计算相结合的方 法。 2 1 结晶器热行为检测 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【1 0 小】。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 状裂1 0 l 。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。典型的结晶器热行为检测工作有： ( 1 ) h a e r s 和t h o r n t o n 等以板坯为对象，分别在四个铜板内，沿结晶器高度距离项 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 。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掣1 6 j 。 ( 2 ) k u m a r 等人则以方坯为对象，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，对连铸坯质量进 行在线监控。弯月面上安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 液面波动提供很好的评估。并且不同局部位置的热电偶温度也可以评价不同类型的铸坯 缺科17 1 。 ( 3 ) b r i m a c o m b e 等人【1 8 , 1 9 1 开发了智能结晶器系统。该系统综合了各种信息，包括 传感器，信号识别系统，坯壳和结晶器传热模型以及各种缺陷形成的机制( 表面和内部 东北大学硕士学位论文第二章连铸结晶器凝固传热的前人工作分析 裂纹、角部裂纹和横裂纹等以及其它缺陷) 。把这些信息转化