（材料加工工程专业论文）圆坯连铸结晶器保护渣传热及其相关问题研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 基于实测非均匀热流计算圆坯温度场，讨论圆坯周向传热的不均匀性，且同时考虑 表层保护渣和缝隙保护渣的研究并不多，而在实测热流的基础上，计算圆坯温度场、保 护渣的润滑和传热对研究铸坯的各类缺陷和合理化工艺操作都是必不可少的。因此，本 论文以实测热流为边界条件，应用“表面更新”理论，建立圆坯一保护渣一结晶器三维传 热计算模型。另外，拉速变化对弯月面形状、铸坯结晶器间传热和保护渣润滑等影响较 大，是产生铸坯缺陷、漏钢、裂纹等的重要原因之一。所以，本章在第二章计算的基础 上，以连续变化的实测热流为边界条件，实现了拉速变化过程的连续性计算。计算获得 了圆坯温度场、表层渣温度场和缝隙渣膜厚度，计算结果与国内外文献报道相一致，说 明本文计算方法是可行的。对连续变拉速过程中的热流数据分析，发现其变化无明显的 规律性，致使拉速变化过程中各温度场的相应变化较复杂。 此外，液态熔渣流入结晶器和铸坯凝壳之间的缝隙内起润滑作用是连铸结晶器保护 渣的重要作用之一。本论文应用粘性流体力学原理，对结晶器与铸坯间气隙内液渣流动 行为进行了数值计算及分析，计算结果表明液渣在一个振动周期内流入、流出状态与结 晶器振动参数有关，不能简单的划分为正滑脱期或负滑脱期流入；随着结晶器振幅、振 频的增加，液渣平均流动速度减小。 最后，利用o p e n g l 可视化方法实现了高质量、交互式连铸过程温度场后处理图像 的可视化显示。 关键词：连铸；圆坯；保护渣；变拉速；可视化 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 t h er e s e a r c ho nc a l c u l a t i o no fm o l dp o w d e ra n di t sr e l a t i v ep r o b l e m s i nr o u n db i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t b a s e do nm e a s u r e dn o n - u n i f o r mb e a tf l u xa n dc o n s i d e r i n gs u r f a c ep o w d e ra n dg a ps l a g a tt h es a m et i m e ，t h ec a l c u l a t i o no fb i l l e tt e m p e r a t u r ef i e l di sn o ts om u c h ，b u tt h ec a l c u l a t i o n o f b i l l e tt e m p e r a t u r ef i e l d ，s l a g sl u b r i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e ri sn e c e s s a r yf o rr e s e a r c h i n gs l a b d e f e c ta n dr a t i o n a lt e c h n i c so p e r a t i o n s o ，b a s e do nm e a s u r e dh e a tf l u xa n d s u r f a c er e n e w t h e o r y ，t h ep a p e rd e v e l o p sat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fb i l l e t s l a g - m o l d o t h e r w i s e ，v e l o c i t y c h a n g i n gh a sag r e a ti n f l u e n c et ot h es h a p eo fm e n i s c u s ，h e a tt r a n s f e rb e t w e e ns l a ba n dm o l d a n ds l a g sl u b r i c a t i o n 。i t st h em a i nr e a s o nf o rb r i n gs l a bd e f e c t ，b r e a k o u ta n dc r a c k f o rt h i s r e a s o n , o nt h eb a s eo ft h es e c o n dc h a p t e r ，t h ep a p e rr e a l i z e sc o n t i n u o u sc a l c u l a t i o nm e t h o di n v e l o c i t yc h a n g i n gc a l c u l a t i o n a b o v et h i sc a l c u l a t i o n ，b i l l e tt e m p e r a t u r ef i e l d ，s u r f a c ep o w d e r t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h i c k n e s so fs l a gb e t w e e nm o l da n ds l a bw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t o fc a l c u l a t i o na c c o r dw i t ht h ei n t e m a la n do v e r s e ar e p o r t s a n a l y z i n gd a t u mo fh e a tf l u xo f c o n t i n u o u sv e l o c i t yc h a n g i n gp r o c e s s i n g ，t h ec h a n g i n go fd a t u md o n th a v ear u l e 。s ot h e c h a n g i n go f t e m p e r a t u r ef i e l di sc o m p l e xi nv e l o c i t yc h a n g i n gp r o c e s s i n g m o r e o v e r ，t h el u b r i c a t i o nf u n c t i o no fl i q u i ds l a gf l o w i n gi n t ot h eg a pb e t w e e nm o l da n d s l a bi so n eo f t h es l a g sm o s ti m p o r t a n tf u n c t i o n s b a s e do nv i s c o u sf l u i dd y n a m i c st h e o r y t h e p a p e rc o m p u t e sa n da n a l y z e st h ef l o w i n gv e l o c i t ya n db e h a v i o ro fl i q u i ds l a gb e t w e e nm o l d a n ds l a b t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o ns h o wt h a ts t a t eo ff l o w i n gi no ro u to fm o l t e ns l a gi na n o s c i l l a t i o nc y c l er e l a t et om o l do s c i l l a t i o np a r a m e t e r s i tc o u l d n ts i m p l ym e a s u r eo f fw i t h p o s i t i v es t r i pc y c l eo rn e g a t i v es t r i pc y c l e 。w i t ht h ei n c r e a s i n go fa m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ， t h ea v e r a g ev e l o c i t yo fl i q u i ds l a gm i n i s h e s l a s t ，u s i n go p e n g ls c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o nm e t h o dr e a l i z e s t h eh i g hq u a i l t ya n d a l t e r n a t ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r ef i e l dv i s u a l i z a t i o n ， k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；r o u n db i l l e t ；m o l dp o w d e r ；v e l o c i 够：v i s u a l i z a t i o n 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：直邀逮。日期：丝五。厶丝 大连理工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： 火连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 连铸保护渣的重要性 结晶器保护渣技术是现代连续铸钢工艺的关键技术之一，是连铸过程中必备的消耗 性材料，对连铸过程的顺利进行起着重要作用。保护渣性能的好坏是保证连铸坯质量高 低的一个不可忽视的因素。 二十世纪四十年代浸入式水口和保护渣浇铸技术开始应用于连铸中，它对稳定连铸 工艺、扩大连铸品种、提高铸坯质量和产量都是一项极为有效的技术。在以浸入式水口 浇注的前提条件下，使用保护渣浇注技术，对保证铸坯质量，推动连铸技术的发展起到 了重要作用，随着连铸技术的不断发展提高，人们仍在开发适用于特殊产品要求的专用 渣。 连铸保护渣技术已成为现代连铸技术的重要组成部分，而由于铸坯高质量需求的推 动，使得人们对于连铸过程的研究进一步细化，保护渣作为一项主要的连铸技术被单独 列出来，成为连铸研究的一个重要方向。 与传统的油膜润滑相比，保护渣作为润滑剂具有以下优越性： ( 1 ) 保护渣能提供持久的液态润滑膜，有利于减小结晶器与铸坯间的摩擦力； ( 2 ) 使用保护渣润滑剂，减小了结晶器热流，并使径向热流更均匀f 1 1 1 保护渣的作用 ( 1 ) 在结晶器和铸坯之间起润滑作用 钢水表面熔化的保护渣流入铸坯和结晶器之间的缝隙形成液态渣膜，靠近铸坯一侧 的液渣膜可以对铸坯起润滑作用，使铸坯可以顺利的拉出。由于渣膜的润滑属于流体润 滑，所以要求熔渣具有玻璃态的性能，熔渣内不应该有高熔点晶体析出。 ( 2 ) 改善铸坯与结晶器之间的传热 钢液的热量是通过水冷结晶器向外传递的，其传热速度对铸坯质量有很大的影响。 不同的钢种要求的传热速度也不一样。铸坯和结晶器之间的保护渣渣膜可有效的控制传 热速度，而且均匀的渣膜还可以改善传热的均匀性。 ( 3 ) 对裸露的钢水起绝热保温作用 保护渣加入到钢液表面上后形成稳定的层状结构，最上面是固渣层，其温度低、密 度小，能很好的实现保温作用。保护渣中的炭可以控制固态渣的熔化速度，阻止粉末烧 结，使其在液渣层上始终维持足够厚度的固渣层，充分发挥其绝热保温的功能。 ( 4 ) 隔绝空气防止对钢液的二次氧化 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 保护渣加入到钢液面上后迅速形成熔渣层，并均匀的覆盖在钢液表面上，使钢液与 空气隔离，防止了钢液的再次氧化。 ( 5 ) 吸收非金属夹杂物挣化钢渣界面 进入结晶器的钢波不可避免的带入非金属夹杂物，它主要包括浇注系统带入的耐火 材料和脱氧产物。如果这些非金属夹杂物不能被保护渣吸收和溶解，就可能被卷入坯壳， 形成表面和皮下夹杂缺陷。 1 1 2 结晶器内钢液表面的表层保护渣 在连铸过程中，将保护渣加到结晶器内钢液面上时，保护渣受到钢液的高温作用， 随着渣中碳成分的燃烧，其温度逐渐上升，从而使它逐渐烧结乃致熔化，最终形成渣池， 在钢液表面由下至上形成液态渣层、烧结层和固态渣层的层状结构。如图1 1 所示。 一般来说，液渣层的厚度将直接影响保护渣的流入行为和润滑效果，它与钢水温度、 熔渣有效导热系数、保护渣熔化温度、熔化速度等因素有关，维持一定厚度的液渣层厚 度对于防止纵向裂纹的产生是非常必要的 2 1 。液渣层厚度由保护渣的熔化速度和消耗速 率之间的质量平衡来决定。在理想情况下，单位时间保护渣的消耗与保护渣的熔化量达 到平衡时，液渣层可以维持在一个稳定的厚度值。 烧结层温度接近液渣层，温度升高很容易形成熔渣，维持一定厚度的烧结层可以满 足不断补充液渣的需要。对于连铸板坯，熔融层厚度般为l o m m 1 5 r a m ，同时保持 其稳定性也很重要。烧结层厚度与保护渣的熔化速度有关，熔化速度越慢，烧结层厚度 将越薄，甚至趋于消失1 3 1 。 固渣层厚度则取决于保护渣熔化温度和渣的加入速度；加入保护渣后，固渣层应保 持一段时间，换言之，固渣层应有适当的厚度，在有结晶器液面自动控制的条件下，固 渣层还可稍厚一些，以防止“露红”。固渣的熔化速度通常由配入炭质材料的种类、粒 度、数量和配炭方式来控制。 、 1 1 3 结晶器和铸坯之间的缝隙保护渣 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的毛细管 作用，沿着铸坯与结晶器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，而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起脱出结晶器。研究表明，当连铸生产稳 定进行时。渣膜在铸坯与结晶器之间形成由外至内依次为玻璃层、结晶层和液态渣膜的 横向层状结构，如图1 1 所示。 大连理l 大学硕士研究生学位论文 图1 1 结晶器保护渣示意图。1 f i 9 1 1d i a g r a m i l l u s t r a t i n g m o u l d f l u x l a y e r s i nc o n t i n u o u sc a s t i n g 流入的熔渣能否形成厚度适中的润滑渣膜取决于熔渣的凝固温度、析晶温度和析晶 倾向、粘度随温度而升高的幅度、熔渣及其凝渣的导热性等因素。在结晶器上部是液 固摩擦，下部是固固摩擦，总摩擦力是二者之和。因此要得到良好的润滑，必须保证 熔渣本身的特性和相关条件相互配合，一旦润滑不良将会导致拉坯阻力增大、引起铸坯 表面缺陷，甚至造成穿钢拉漏事故。 1 1 4 研究保护渣的意义 目前的连铸生产中仍然存在很多铸造缺陷，主要有裂纹、振痕、夹渣和漏钢等。这 些铸造缺陷长期困扰着连铸生产和铸坯质量，是连铸生产中急需解决的问题之一。据统 计，连铸坯的各种缺陷中大约有5 0 来自裂纹 4 1 。而裂纹的产生主要受结晶器参数、拉 坯速度、保护渣性能、渣耗量及弯月面稳定性等因素影响。此外，满钢也是连铸生产中 较严重的事故。它是由铸坯与结晶器之间粘结摩擦力过大引起的【“，与液态保护渣的 流入和渣膜的润滑直接相关。因此研究保护渣在结晶器中的热、力及润滑行为对于提高 连铸坯质量、改进渣工艺参数都是很必要的。 保护渣选用适当与否，对连铸生产和铸坯质量将产生重要影响。其对铸坯质量的影 响主要发生在结晶器内，其中又以表面质量为甚【7 1 。保护渣的选用对连铸生产和铸坯质 量的影响主要有： ( 1 ) 表面纵裂纹 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传熟及相关问题研究 表面纵裂纹的产生主要是由于铸坯在结晶器内冷却不均匀，从而导致应力集中而发 生的。据文献报道，引起表面纵裂纹的具体原因主要有： 连铸含碳量为0 0 0 8 0 1 4 的钢种时最容易产生表面纵裂纹，这主要是由于6 和 y 相热收缩不同所致【e 】，这是产生纵裂的主要原因。 熔渣池过厚或不稳定，引起液渣流入波动，结晶器热流紊乱，加之结晶器液面 波动和钢水过热度较大，共同构成了铸坯产生纵裂的外因 9 j 。 当凝固壳脱离( 结晶器壁) 时，其表面延性进一步逐渐降低。如果拉伸应力足够大， 表层内裂纹随后可以扩展到上部冷却表面 1 0 】。 结晶器保护渣通过改变铸坯和结晶器之间总的热通量，较大的摩擦力和沿结晶器宽 度上热通量的变化，对纵裂有一个决定性的影响。已证明拉速和结晶器保护渣的特性是 影响结晶器中平均热通量的最主要因素。因此，对于给定钢种，为了消除纵裂，正确选 择保护渣，改善结晶器传热是一项至关重要的内容。 ( 2 ) 粘结漏钢 粘结漏钢即拉漏时，钢水从结晶器下端流出，这是连铸的最大事故，因为它破坏了 生产，并大大地提高了生产成本。t s u n e o k a 【l i j 等报导7 9 的漏钢是由坯壳粘结引起的， 而裂纹和卷渣造成的拉漏各占1 7 和4 。粘结型拉漏是由凝固壳粘结引起的，凝固壳 粘结始于弯月面，并造成凝固壳断裂，沿结晶器向下移动，从而出现拉漏，究其原因主 要是由于结晶器和铸坯之间的粘结摩擦力过大引起的，正是出于保护渣渣膜润滑不良直 接造成的。良好的润滑和保持熔渣流入通道的畅通是减小粘结漏钢的主要因素。减小保 护渣的粘度和玻璃相转变温度可增加保护渣消耗量，增强液体润滑，因此结晶器壁和坯 壳之间的摩擦力减小了，从而减小了粘结漏钢的频率。 ( 3 ) 振痕及表面横向裂纹 振痕的形成主要是连铸保护渣和结晶器振动两者相互作用的结果。振痕深度主要由 结晶器振动特性决定，即振痕深度随振动频率增大和负冲程时间减小而减小1 1 2 】。振痕深 度也随保护渣粘度增大和保护渣消耗量减小而减小【j 3 】。 横向裂纹大多沿着振痕的波谷处发生。保护渣的物性影响振痕的深浅，浅而圆滑的振 痕可获得光滑的铸坯表面，改善保护渣的性能可使振痕深度变浅，减轻横裂纹发生。 ( 4 ) 夹渣 夹渣分表面夹渣和皮下失渣。凡渣子的剥离性不良，会使铸坯表面嵌附成片夹渣， 有的夹渣在加热炉内未能剥离，还会残留在成品钢材上形成表面缺陷。 r 5 、表面增碳 火连理t 大学硕士研究生学位论文 由于浇铸过程中，保护渣熔化性能不良，液渣层过薄，造成钢液与含碳保护渣或富 碳层相接触而渗碳。生产低碳钢和超低碳钢时，钢坯表面增碳的可能性更大，对此类钢 应注意选用低碳或无碳保护渣。 1 2 连铸保护渣的国内夕| 、研究现状 鉴于连铸保护渣技术在现代连铸技术中的重要地位，欧洲奥钢联在2 0 世纪8 0 年代 末、9 0 年代初投入大量资金对保护渣原材料、基本组成及特性、在连铸过程中的行为作 用及连铸保护渣工业化生产等1 7 个项目进行了系统研究，取得了很好效果，促迸了连 铸技术的发展：美国材料协会从1 9 9 6 年开始研究和建立连铸保护渣生产和使用技术标 准，大大促进了保护渣技术的发展：日本和韩国除了进行大量保护渣基础理论研究外 还不断开发连铸保护渣生产的在线检测和控制技术。 保护渣的研究方法有模拟实验、现场测试、理论分析和数学模拟等。由于连铸过程 包含了流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成型的过程，各种行戈相互作用， 相互影响，非常复杂，且在高温下进行，完全采用实验方法研究几乎是没有可能的。而 数学模拟不直接使用物理实体，只考虑输入和输出变量，通过数学模型和计算机就可以 方便的进行研究。因此，数学模拟方法已经成为目前连铸保护渣研究的主流，并被广泛 的应用到连铸过程的研究当中。 f 1 ) 表层渣研究现状： n a k a t o 等 1 4 】用一维热传导方程分析了表面保护渣的热过程，n a k a n o 等【i5 l 改进了以 上模型，针对保护渣从粉状到烧结状再到液态的变化，把保护渣区域分为若干个水平层， 在每一层上应用一维热传导方程，这样得到的温度分布自然较为准确。m c d a v i d 和 t h o m a s 1 6 】建立了三维模型研究表层保护渣，该模型依据三维定常n a v i e r - s t o k e s 方程， 由不可压流体的动量方程和能量方程的互相耦合。他们的工作结果在美国l t v 钢厂 ( l t v s t e e i ，c l e v e l a n d ，o h ，u s a ) 做了实验检验，认为预测基本符合有关文献提供的实测 数据，说明了模型的正确性。 重庆大学伍成波，王谦f i 7 j 等人针对板坯连铸保护渣层的热分布迸行了计算机仿真计 算，着重探讨了渣池深度、浇注温度、渣与结晶器间界面热流以及渣成分对熔融层的影 响，指出保护渣成分对其影响较为显著，而其它几个因素则影响不是很大；e m a c l a s i i 驯 则针对薄板坯弯月面上的保护渣，在精确考虑水口形状、钢液流场以及液面形状等因素 的基础上，建立了保护渣三维稳态传热流动藕合的数学模型，模拟结果合理解释了在 c s p 连铸中液渣层厚度随拉速的变化基本保持不变这一现象，此外还着重讨论了保护渣 熔化热对液态渣层厚度的影响。 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 ( 2 1 缝隙渣研究现状： b o m m a r a j u t 伸l 和a n z a i 【2 0 j 等用数值模拟的方法研究缝隙中保护渣的行为，这是对于 保护渣行为研究的初期，模型比较简单，其计算数据不足以指导实际生产。a y a m a u c h i 【2 l 】建立了保护渣的一维传热模型，对结晶器热流的影响进行研究，并通过实验对数值模 拟所采用保护渣的物理性能进行了评估，数值模拟的结果与实测数据吻合较好； c a m p 汕e i r o 2 2 】根据实测温度建立了反传热模型来计算结晶器的热流，主要考虑保护 渣润滑的影响，并通过实验将使用保护渣润滑和油膜润滑对结晶器热流的影响进行对 比，着重阐述保护渣的润滑行为对铸坯质量的影响。 朱立光等【2 3 应用粘性流体动力学原理及有限差分方法，对结晶器与铸坯间气隙内的 液态保护渣流动行为进行了数值计算，分析了结晶器振动参数对液渣流动行为的影响， 模拟结果表明，液渣在一个振动周期内流入、流出状态和流动速度与结晶器振动参数有 关，小振幅、低频率使液渣平均流动速度提高；为满足渣耗量，高速连铸工艺应采用小 振幅、低频率的正弦波或非正弦波振动形式。朱立光等口4 】建立了考虑保护渣参与传热的 铸坯凝固模型，计算了结晶器内由于铸坯收缩而产生的气隙大小，确定存在于结晶器与 铸坯间保护渣渣膜的温度、厚度和存在状态，分析保护渣的润滑能力及连铸工艺条件对 保护渣的物性要求，得出以下结论：熔化温度越低，液态渣膜越厚，在结晶器内渣膜保 持长度越长；对于一定熔化温度的保护渣，存在最佳拉坯速度以提供最佳液体润滑；浇 铸温度越高，液态渣膜厚度越大。吴夜明等 25 】根据n a v i e r - s t o k e s 方程，并作若干简化 假设之后，建立了描述连铸结晶器内保护渣润滑作用的数学模型。结合凝固规律可以预 测结晶器保护渣物理性能和连铸工艺条件对润滑层厚度、保护渣消耗量、拉坯阻力和结 晶器内传热的影响。 1 3 保护渣研究的局限性 从以上介绍的保护渣研究现状可以看出，有关保护渣的计算大多是将表层渣和缝隙 渣分开计算，所建模型以一维、二维模型居多。三维的情况也主要是针对连铸板坯、薄 板坯，且这些三维模拟大都基于大型机，采用流场与温度场耦合进行有限元数值模拟， 计算时间长，且不易收敛。圆坯的计算很少，对圆坯保护渣传热计算的更不多见，个别 针对圆坯保护渣建立三维模型进行传热计算，却很少考虑周向传热的非均匀性。而实际 生产过程中，由于结晶器冷却水冷却不均匀，圆坯与结晶器接触不一致等一些因素的影 响，致使圆坯在周向上传热不一致，从而导致渣膜厚度分布的不一致。因此本文在前人 工作的基础上，基于某钢厂实测热流数据，着重讨论圆坯- 保护渣结晶器三维传热周向 大连理工大学硕士研究生学位论文 的非均匀性，并对拉速连续变化的变工艺参数问题进行计算，实现了拉速变化过程的动 态模拟。 1 4 数值计算可视化 数据可视化是连铸流程控制的最终目标，而目前数据可视化概念己大大扩展，它不 仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。它的引入可以 大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的大量数据得到有效利用，可以在人与数据、 人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科 学规律提供有力工具，同时可以实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改 变过程所依据的条件并观察其影响，从而为用户发现缺陷、优化改进工艺提供直观准确 的依据 2 6 1 ，本课题在可视化发展的这种前提下，利用大量的温度场计算数据，实现了圆 坯连铸过程的可视化显示。 1 5 论文的主要内容 本文在总结前人工作的基础上，基于圆坯保护渣- 结晶器三维传热的数学模型，计 算圆坯、结晶器温度场，并对钢水表面表层保护渣的温度分布和圆坯与结晶器间的缝隙 渣膜厚度分布分别进行计算。此外，还讨论了在拉速连续变化过程中圆坯温度场、表层 渣温度场和缝隙渣渣膜厚度的变化情况，并基于粘性流体力学原理，对结晶器与铸坯间 气隙内液渣流动行为进行了数值计算及分析。最后，应用基于v c 开发平台的o p e n g l 技术开发了数据处理软件，实现了拉速变化过程结晶器内温度场变化的动态显示，实现 了计算结果的可视化。 主要内容包括： f i ) 基于圆坯保护渣结晶器三维传热计算的物理模型和数学模型，计算得到结晶 器、圆坯和表层保护渣的温度场分布及缝隙渣膜厚度分布，并利用实测数据对模型计算 进行验证： ( 2 ) 基于圆坯保护渣结晶器温度场计算模型，对拉速连续变化过程中结晶器、圆 坯、表层保护渣的温度场及缝隙渣膜厚度的情况进行讨论： ( 3 ) 应用粘性流体力学原理，对结晶器与铸坯间气隙内液渣流动行为进行了数值计 算与分析； f 4 ) 利用以上的计算结果和o p e n g l 技术，实现圆坯保护渣一结晶器传热过程的可 视化。 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 2 圆坯一保护渣一结晶器三维传热计算 2 1 引言 目前，计算机技术已经广泛的应用于连铸生产过程中，用数值模拟方法计算铸坯、 结晶器和保护渣的温度场已经逐渐成为一项成熟而科学的方法，并已用于指导连铸生 产。 国内外很多研究者对连铸凝固过程的温度场进行了研究，并且发表了很多理论解释 和实验结果，现在可以说已经比较成熟了。但是基于实测热流计算圆坯温度场，并且同 时考虑钢水弯月面上的表层保护渣和铸坯结晶器间缝隙保护渣的研究并不多，而在实测 热流的基础上，计算圆坯温度场，计算保护渣的润滑和传热是非常有意义的，对研究铸 坯的各类缺陷和合理化工艺操作都是必不可少的。 本章利用有限差分法，以实测非均匀热流为边界条件，建立圆坯保护渣结晶器三 维传热计算模型，计算得到圆坯温度场、结晶器温度场和表层保护渣温度场，并通过引 入修正的气隙宽度计算公式，计算了缝隙保护渣的渣膜厚度分布，其计算结果与文献所 报道的数据基本符合：计算中引入表面更新理论，实现了连铸过程的稳态模拟。 2 2 圆坯一保护渣一结晶器计算模型的建立 2 2 1 计算模型的提出 为了真实的模拟实际生产中的连铸过程，准确反映表层保护渣的温度分布和缝隙保 护渣的厚度分布，本文在前人工作的基础上建立了圆坯保护渣结晶器热过程的三维数 学模型，如图2 1 所示。在本文计算中，我们对表层保护渣作如下假设： 1 ) 弯月面上保护渣的传热以热传导为主，渣自由表面与环境气体以对流换热方式 发生热交换： 2 ) 温度场为稳定态，钢液表面形状不变，在接近结晶器区域弯月面形状近似为抛 物线型，如图2 1 所示； 3 ) 保护渣的导热系数只依赖于温度； 4 ) 保护渣自由面为平面，保护渣的供给是均匀稳定的。 对圆坯模型作如下假设： 1 ) 圆坯传热以传导传热方式为主，钢液流动对传热的影响通过增大钢液导热性能 来体现； 2 ) 圆坯为不可压缩材料，忽略因粘滞性而引起的能耗； 大连理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 圆坯以拉速v 匀速运动，且圆坯是稳态导热，钢的比热、导热系数只是温度的 函数； 4 ) 连铸过程是空间稳定的温度场问题。 对结晶器模型作如下假设： 1 ) 结晶器的各物性参数为常数，如导热系数、比热容、密度等； 2 ) 忽略结晶器的辐射传热； 3 ) 结晶器底部和顶部不与外界发生热交换； 4 ) 结晶器冷面与冷却水均匀接触，以对流方式发生热交换。 图2 1 结晶器保护渣圆坯计算模型 f i g 2 1t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo f m o u l d b i l l e t - s l a g 本文根据圆坯形状的对称性特点，在圆柱坐标系内建立传热模型，整个模型区域的 网格剖分图如图2 2 所示，结晶器、保护渣的网格单元与铸坯基本相同。 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关趣题研究 图2 2 模型计算区域网格示意图 f i g 2 2t h ed i a g r a mo f n o d ei nc o m p u t a t i o nd o m a i n 为模拟实际生产的连续性，依照前人工作的经验，本文引入了“表面更新理论” 2 7 - 2 9 ， 即在根据拉坯速度计算的一定时间间隔内，钢液表面不断地被新注入的钢液所更新，原 来的表层钢液随着拉坯的进行向结晶器出口以拉速运动。当初始时刻的表层钢液到达结 晶器出口时，浇注过程结束，保护渣消耗开始，整个过程持续稳定进行。其传热计算的 基本控制方程如下： 形a = a + a 2 ：+ 专扩：+ q ( 2 1 ) 式中a = 2 f p c j ，a 、p 、c 分别代表对应模型的导热系数、密度和比热容；一 曲，z 为圆柱坐标系三个方向的坐标：r 为温度变量；q 为内热源。在计算表层保护渣的 温度场时，其熔化热通过液相分数法来体现；计算结晶器温度场时其内热源为零。对( 2 1 ) 式进行等网格剖分，对时间采用向前差分，空间采用中间差分即得到计算用差分方程： 1 lt 墩一t o 口【 f r , d “t 一2 f 0 + t 0 “t r2 f 中) 2 l 三一i z 品，一2 r , 5 ，t + 0 二t ，t ， ( ，) 2 ( 2 2 ) + 塾铲 量h t 一 = 、ll 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 模型的计算条件 1 ) 初始条件：产o 时，瓦2 品。w t 。= 3 0 。c 丁脚”t d = 2 0 0 c 弓。t m i a a t 2 ) 边界条件： 结晶器上、下边界( 捌或z = 7 8 0 ，且r 9 0 ) ： 结晶器冷却水边界( r = 1 0 5 ) ： 表层渣结晶器内壁边界( r = 9 0 ，3 0 = z 7 0 ) ： 表层渣钢水边界( z = 7 0 ，r = 7 0 ，r = 9 0 ) 表层渣自由面( z = 3 0 ，r = 7 0 ，r - - 0 ) ： 一五。婴：o 一五。婴：吃，( t t ，) 以等叶等娟、吲低。 吐鲁一五詈娟一t r ) 畏 以等一粤o r 咿 a 7 以，云鲥，( 巧 “) 一a 。当：0 上述条件中，瓦。为钢水的浇注温度；t t , j t i a t 为保护渣的初始温度；n 删为结晶 器热面温度；r 为温度变量：h 为对流换热系数； ，导热系数；其中。脚标c ，墨c w ， e v 分别代表结晶器、保护渣、圆坯、冷却水和环境；r 一表层渣与结晶器间界面接触 热阻，据文献报道界面热阻月m 在o 0 0 0 4 w r r l k 。左右【3 0 】：r ，表层渣与钢水问界面接 触热阻：牙，本文计算采用的是实测数据，其确定方法如下； 根据某钢厂连铸生产现场的大量实测热流数据，经过分析选取一组工艺参数稳定的 实测热流，分别取各测点位置热流数据的值作为对应高度处的边界热流，由于实测热流 数据中测点值有限，非测点值根据测点数值采用二次差值算法计算得到从而计算得到 圆坯保护渣结晶器的温度分布，再与实测的结晶器测点温度比较，从而可以验证模型 的准确性。 3 ) 弯月面形状的确定 钢水弯月面的形状是钢水和保护渣界面能、钢液静压力、渣膜流动压力以及由于结 晶器振动和内部钢水流动形成的压力等诸多因素相互作用平衡的结果。弯月面区域没有 一个统一的定论，一般认为是与初期凝固关系密切的弯月面相邻区域，包括钢液、钢凝 壳、渣池、渣缝与结晶器壁。 对于静态弯月面的研究自从8 0 年代初就已经开始了，到目前为止主要包括以下3 种研究形式：即通过直接观察所得到的经验公式，将弯月面的形状近似为半圆和贝克曼 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 方程口1 1 描述；其中贝克曼方程较为精确的描述了静态弯月面的形状，是目前主要采用的 方法。本文将弯月面离结晶器壁较远的部分看作平面而在近结晶器壁区，则认为其遵 循贝克曼方程： 。：厄f 7 + 皂i n 尘竺鱼生 ( 2 3 ) 4 2 z = 口一妥l n 陋+ 1 ) 其中：“ 口2 ：_ 兰生 g a p 式中工距结晶器内壁的距离，c m ； z 距钢液液面的距离，c m ； x o 弯月面最高点距结晶器壁的近似距离，c m ； 盯钢一渣界面张力，d y n c m ： p 钢液与保护渣的密度差，g ，c o ： 口弯月面高度，r 帆。 由此可计算距弯月面不同高度处钢液面距结晶器内壁的尺寸，从而得到弯月面的形 状以确定计算网格。 2 2 3 差分方程 本文差分方程的建立是利用能量平衡法，将导热的基本方程直接近似，局部地应用 于围绕每个节点的各单元控制体积，即中心计算单元的内能变化等于与其相邻的六个单 元提供的热量的总和p 2 1 。 结晶器、铸坯和表层保护渣中各内部节点的差分方程见( 2 2 ) 式所示。对于各边界 处单元，根据其边界条件的设定，其差分方程可以分别表示为： 1 ) r = 0 即模型的中心线处，因为娑i = 0 ，那么中心节点的差分方程为： 凹i 吉孥，叫尹) + 警+ 堑番盟眩4 ， 2 】， 9 0 ，z = 3 0 ，由假设知，表层保护渣与外界以对流方式发生热交换，其差分方 程为： 火连理工大学硕士研究生学位论文 文华 - 挚十 五0 。一2 r , d + z 三。i 沁) 2 ( 2 5 ) + 盟铲+ 瞀+ 埘h i ( 7 一j曙( o ) 2池) 2池) “门。“川 其中，h 为保护渣与空气对流换热系数，t r ，为外界对流空气的温度。 3 ) ，= 9 0 ，z 0 ，就产生凝固，由于放出潜热，温度应该回升到正( 假 设没有过冷) 。因此下式成立： 驴p c p v a t ( 2 1 3 ) 假设某个领域( 体积v ) 中固相率增加哦，潜热为l ，其放出的热量g 可以表示 为： g ；p v g ，l ( 2 1 4 ) 联立( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 得到： g ，= c p r ，l ( 2 1 5 ) 此方法利用固相率的增加来代替潜热的放出a 如果圃相率g 。2 h 则表明区域凝 固结束。 保护渣熔化热的计算是应用液相分数法，即对应于铸坯凝固潜热的固相分数法。假 设某个领域中液相率增加g ，其所需的熔化热( 被夺走的热量) q ，可以用下式表示： g = 尸v g ，三， ( 2 1 6 ) 即先考虑熔化热的消耗进行温度计算，求出微小时阔a r 内的温度升高量 a t = 兀一r 。如果a t 0 ，就产生熔化，由于热量的消耗，温度应该回升到t ( 假设没 有过冷) ，因此下式成立： 9 = p c 。v 丁 ( 2 1 7 ) 联立( 2 1 5 ) 和( 2 。1 6 ) 得到： a g ，= c p ，三， ( 2 1 8 ) 即用液相率的增加来代替熔化热的消耗，如果液相率e a g ，= 1 ，则表明区域熔化结 束。 肖洪波：圆坯连铸结晶器保护渣传热及相关问题研究 2 3 结晶器圆坯间缝隙保护渣的计算模型 圆坯通过保护渣渣膜以辐射和传导两种传热方式将热量传输到结晶器铜壁。假设忽 略气隙的存在，认为保护渣充满整个结晶器与圆坯间的空隙，则保护渣的传热主要以传 导传热为主，由于渣膜沿结晶器径向形成玻璃层、结晶层和液渣层的横向层状结构，所 以圆坯与结晶器间的总热阻可以表示为 3 3 】： r 洲= r c u 蚓。+ 魄) g 。+ 阮l 一魄l 。 ( 2 1 9 ) 为了简化计算，假定保护渣渣膜主要由液态渣膜和固态渣膜两层结构组成，其内部 温度大致呈线性分布，如图2 3 所示： d s t m e i t t s h e i i 结 日一d l 铸 日日 坯 器一d t o t a l 2 g h 图2 3 保护渣状态与温度分布的关系 f i g 2 3r e l a t i o nb e t w e e ns l a gc o n d i t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 假定结晶器与圆坯之间的气隙( g ) 由保护渣渣膜完全填充，则气隙宽度即为渣膜总 厚度。朱立光等人【2 4 1 的研究中介绍了板坯气隙宽度的计算方法，为计算方便，文献中忽 略了6 一y 固态相变，认为奥氏体是唯一的固相，同时凝固壳的力学行为、液渣的剪应 力、固体渣摩擦力和钢液的静压力也未考虑。其计算公式如下： g h = 圭( l ，一t , ) e w 2 】一 h 眈一o ；o 】 2 ) ( 2 2 0 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 上式中，何，距离弯月面的距离( 蚴) ；矿，结晶器宽度( m m ) ；目。捌，结晶器 锥度( ) ；e ，钢的线性收缩系数( i c ) ；z k ，钢的固相线温度( k ) ；正，节点i 的温 度( k ) ；f j 凝固前沿最后凝固的节点号。 为将上式应用于圆坯计算，考虑到圆坯与板坯形状上的区别，遂将公式中以结晶 器宽度，近似为圆坯直径。本文计算中，根据上式计算所得数值偏大，经过分析发现是