（材料加工工程专业论文）连铸圆坯保护渣传热计算及可视化研究.pdf

连铸圆坯保护渣传热计算及可视化研究 摘要 保护渣是连铸工艺的关键技术之一，其性能对连铸操作和铸坯质量有着重要的影响。 对保护渣的研究，按照几何区域不同，可分为缝隙保护渣和表面保护渣两部分。 缝隙内渣膜的润滑和流动行为一直是冶金工作者关注的焦点，研究的比较充分，然而弯 月面处保护渣行为对钢液的初期凝固和铸坯表面质量有着很大影响，并直接影响渣子的 流入进而影响其润滑。正是基于这种需要，本论文建立了针对圆坯连铸过程中表面保护 渣的热行为建立了3 维的数学模型，以圆坯和结晶器温度计算为基础，进行了相应的数 值计算，并以实测的某钢厂连铸圆坯生产结晶器数据作为模型计算的原始输入和模型正 确性验证的依据，着重分析了保护渣物理性能和相关的连铸工艺参数对其热分布的影响。 并且通过引入并修正渣膜经验公式，计算了缝隙内保护渣膜的厚度分布以及渣耗量。 计算结果表明：弯月面上保护渣温度沿高度方向由上而下逐渐升高，在接近熔点附 近温升加快；其液态渣层厚度在9 m m 左右，烧结层厚度与此大致相仿。保护渣导热性能? 熔化热、熔化温度对各渣层的温度和厚度分布影响较为明显，随着熔化温度的降低、导 热性能增加、熔化热的减小，液态渣层逐渐增厚，同时烧结层厚度也有不同程度的增加； 提商拉速可适当增加弯月面上液渣层厚度并使其较快达到稳定值：缝隙内液态渣膜厚度 在o i m m 量级，渣膜总厚度在咖的量级，直径为1 8 0 r a m 的圆坯渣耗量为o 1 3 5 k g m 2 ， 而这个数据与文献中提到的实测数据基本一致。 此外，利用上述计算数据，基于v i s u a lc + + 软件开发平台结合0 p e n g l 技术实现了 高质量、交互式凝固过程温度场后处理图像显示，提供了一种直观的铸坯结晶器保护 潜温度变化的静态显示的后处理方法，并实现了表面保护渣热分布的动态显示。在加快 了数据的处理速度的同时，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用，使得人与数据之 间的图像通信成为可能。 关键词：团坯：保护渣数值模拟可视化 垄堕堕堑堡塑堕焦垫盐簦墨里塑些盟墨 h e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho f m o u l d p o w d e r i nr o u n db i l l e tc o n t i n u o u s c a s t i n g a b s t r a c t m o u l dp o w d e ri so d eo ft h ec r u c i a lt e c h n o l o g i e si nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s i t s p r o p e r t i e sh a v ei m p o r t a n t e f f e c to nt h e _ c e c h n i c a lo p e r a t i o na n db i l l e t sq u a l i t y t h er e s e a r c ho f m o u l d p o w d e r i su s u a u yc l a s s i f i e di n t ot w o p a r t sa c c o r d i n g t og e o m e t r yd o m a i n ：g a ps t a ga n d s u r f a c ep o w d e r m o r ew o r kh a sd e v e l o p e da b o u tt h el u b r i c a t i o ns t a t u sa n df l u i db e h a v i o ro f g a p s l a g a n dm a n yb r e a k t h r o u g h sh a v ea c h i e v e d w h i l es u r f a c ep o w d e r sb e h a v i o rp l a y sa l l i m p o r t a n tr o l eo n t h el i q u i ds t e e l si n i t i a ls o l i d i f i c a t i o na n db i l l e t ss u r f a c eq u a l i t ya n dd i r e c t l y a f f e c t sl i q u i ds l a g sf i l t r a t i o na n dl u b r i c a t i o n ，i nt h i sp a p e r , a3 dm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h e s u r f a c ep o w d e r st h e r m a lb e h a v i o rw a se s t a b l i s h e da n dc o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n w a sc o n d u c t e do nt h eb a s eo f b i l l e ta n dm o u l d st e m p e r a t u r ec a l c u i a t i o n ，t h em e a s u r e dm o u i d t e m p e r a t u r e d a t ao ft h es t e e lp l a n t sc o n t i n u o u sc a s t i i l gr o u n db i l l e tw a su s e da st h ec a l c l l l a t i o n i n i t i a l 呻u ta n d t h ef o u n d a t i o no f m o d e l s t e s t i n g t h ee f f e c to f p o w d e r sp h y s i c a l p r o p e r t ya n d r e l a t e d t e c h n i c a l p a r a m e t e r o n t h e t h e r m a l d i s t r i b u t i o n o f s u r f a c e p o w d e r l a y e r s w a se m p h a s i z e d f u r t h e r m o r e ，a l le x p e r i m e n t a le x p r e s s i o nw a si n t r o d u c e da n dc o r r e c t e dc o m b i n e dw i t hr o u n d b i l l e tp r o d u c t i o nt oc a l c u l a t et h et h i c k n e s so f g a ps l a g a n dt h ep o w d e rc o n s u m p t i o nw a s a l s o c a l c u l a t e d t h e m s u i t s s u g g e s t t h a t t e m p e r a t u r e o f s u r f a c e p o w d e r i n c r e a s eg r a d u a l l y f r o m t h e p o w d e r s u r f a c et om e n i s c u sa n dt h ei n c r e a s ew a s q u i c k e n e dw h e nt e m p e r a t u r ew a s c l o s et ot h em e l t i n g 诚t h el i q u i dl a y e ro fp o w d e ri s9 m mt h i c ka n dt h es i n t e r e do n ei s11m mo rs o 。t h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t , m e l t i n gh e a ta n d m e l t i n gt e m p e r a t u r eo f m o u l dp o w d e rh a v ep r e d o m i n a n t e f f e c t so nt h e l i q u i dl a y e r s t h i c k n e s s t h et h i c k n e s so fl i q u i dl a y e ri n c r e a s e sw i t hh e a t c o n d u c t i o nc o e f f i c i e n t si n c r e a s ea n d m e l t i n gh e a t t e m p e r a t u r e s d e c r e a s e p r o p e r l y i m p r o v e m e n to fc a s t h a gs p e e d i sh e l p f u lt oi n c r e a s et h el i q u i dl a y e ra n da s s i s ti tt or e a c ht h e s t e a d y t h i c k n e s s t h es l a gf i l mb e t w e e nt h eb i l l e ta n dm o u l di sa b o u tl m ma n dt h e l i q u i df i l m i s a b o u to 1 m m p o w d e r c o n s u m p t i o n o f r o u n db i l l e tw i t h1 8 0 m md i a m e t e ri so 1 3 5k g ，m 2w h i c h i sc o n s i s t e n tw i t hm e a s u r e dv a l u ec i t e df r o mr e l e v a n t i t e r a t u r e m o r e o v e r ，t h ec a l c u l a t i o nd a t aw a su s e dt o r e a l i z et h e h i g hq u a l i t y a n da l t e r n a t e v i s u a l i z a t i o ni m a g es h o wo nt h ev i s u a lc + + d e v e l o p m e n t p l a t f o r ma n do p e n o lt e c h n o l o g y 连铸圆坯保护渣传热计算及可视化研究 w h i c hp r o v i d ea l li m m e d i a t ep o s t - p r o c e s sm e t h o do fb i l l e t m o u l d p o w d e r t h ea n i m a t i o no f s u r f a c ep o w d e r st h e r m a ld i s t r i b u t i o nw a sa l s or e a l i z e d i ta c c e l e r a t e st h ed a t ap r o c e s ss p e e d a n dt h et i m e l yn e wd a t ac r r l _ b eu s e dm o r e e f f e c t i v e l y ，w h i c hm a d e i tp o s s i b l et h a th u m a n b e i n g m a y c o m m u n i c a t e 、i 也d a t ai ni m a g e k e y w o r d s ： r o u n db ii l e t ；m o u l dp o w d e r ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：v i s u a li 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。 一一一一一一一一一一查堡里三查兰堡主兰堡笙奎一 1 引言 1 1 连铸发展概况 钢水凝固成型有两种方法，传统的模铸法和连续铸钢法。连续铸钢是一项把钢 水直接浇注成形的工艺。它的出现从根本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢锭- 初轧工艺【l 】。 连铸的发展大致经历了连铸浇注金属液思想的启蒙阶段、连续铸造特征技术的 开发阶段、传统连铸技术发展成熟阶段和连铸技术的优化发展阶段。在这期间，一 些关键的技术如采用大包回转台、中间包、水冷铜结晶器、结晶器锥度、保护浇注、 保护渣、水冷、矫直等的进展极大的促进了连铸技术的发展，连铸在生产中的应用 也越来越成熟【2 。 连续铸造有许多优越性，它简化了工序，缩短了工艺流程，提高金属收得率 1 0 1 4 ，节约能源2 5 5 0 3 1 ，使得生产过程机械化、自动化程度高；而且它 还能提高产品质量，扩大品种，已经基本取代了钢锭模铸钢、初轧机开坯的第一代 钢液成型技术。 钢铁工业作为原材料工业，是国民经济发展的基础性工业，钢铁产品广泛应用 于各个行业，它的发展直接关系到国民经济的整体发展。钢铁产品的数量、质量和 生产技术已经成为衡量一个国家工业水平的重要指标，连铸比则在很大程度上成为 反映一个国家钢铁工业水平高低的标志。世界主要产钢国家连铸比逐年上升，尤其 是二次世界大战以后，为了重建欧洲和日本，对于钢材需求的急剧增加极大地促进 了连铸技术地快速发展，各国连铸比迅速增加，到1 9 8 7 年全世界钢产量连铸比平均 已达到5 0 以上，不少工业发达国家如日本、德国、法国、意大利、比利时、西班 牙连铸比已经达到9 0 以上，至2 1 世纪初，欧洲1 2 个国家的连铸比几乎达到了 1 0 0 0 o 4 1 ( 见图1 1 ) ： 震 雹 8 时间 图1 1 欧洲连铸比的变化4 l f i g 1 1t h er a t i oo fc o n t i n u o u s c a s t i n g s t e e li ne u r o p e 壅堑里堑堡芏蓬堡垫盐苎垒里堡些婴窒一一一 我国是连铸技术起步较早的国家之一，1 9 5 5 年在上海建成一台高架立式方坯连 铸试验机，t 9 5 8 年底，在重锅三厂建成1 4 0 1 4 0 方坯立式连铸机，1 9 6 4 年，在重钢 三厂投产一台方坯、板坯兼用机，曲率半径为6 m 。进入6 0 年代，中国连铸技术开 发和应用掀起一股高潮，突出表现在对弧形连铸机技术的开发上。从7 0 年代后期， 加强了学习国外的先进技术和经验，促进了我国连铸生产的发展。8 0 年代末和9 0 年代以来，武锅、宝山钢铁公司和鞍山镪铁公司分别在1 9 8 9 年和1 9 9 0 年投产了从 日本引进的大型双流板坯连铸机，宝钢的两台双流板坯连铸机，在装备技术、操作 水平、铸机利用率和产品质量等几方面都可与国际先进水平相媲荚 2 】。 自1 9 9 0 年以来，中国连铸坯产量开始快速增长，表1 1 给出了1 9 9 0 - 2 0 0 4 年问 中国钢产量、连铸坯产量和连铸比的增长情况。从1 9 9 5 年开始，找国连铸坯的年增 长量超过粗钢的年增长量，是钢产量高速增长的技术动力。2 0 0 4 年上半年中国连铸 坯产量达到了1 1 9 6 m t ，其中钢铁业的连铸比达到了9 6 4 5 ，并呈现出继续增长的 趋势【5 】。 表1 11 9 9 0 2 0 0 4 年问中国连铸的快速发展 t a b l e1 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 gi nc h i n af r o m1 9 9 0t o2 0 0 4 产量? f t全国连铸钢铁行业 比， 年粗钢增量连铸坯增量 连铸比 1 9 9 06 5 3 53 7 61 4 8 0 04 7 5 61 1 6 52 5 0 7 1 9 9 17 1 0 05 6 51 8 8 3 54 0 3 52 6 s 32 7 7 l 1 9 9 28 0 9 39 9 3 2 4 8 2 ，25 8 8 73 0 6 73 1 7 9 1 9 9 38 5 9 45 0 13 0 3 0 ，55 4 8 33 5 。2 63 6 1 1 】9 9 49 2 6 1 6 6 73 6 5 4 26 2 3 73 9 4 64 17 5 1 9 9 59 5 3 62 7 54 4 3 2 5 7 7 8 ，34 6 4 84 9 ，3 7 1 9 9 61 0 1 2 4 5 8 85 3 9 2 99 6 0 45 3 、2 75 5 9 l 1 9 9 71 0 8 9 1 7 6 76 6 0 5 91 2 1 2 06 0 6 56 3 7 8 1 9 9 81 1 4 5 95 6 8 7 8 8 3 ，2】2 7 7 36 8 8 07 】1 】 1 9 9 91 2 3 9 5 9 3 69 5 9 1 ，21 7 0 87 7 3 87 8 6 2 2 0 0 01 2 8 4 94 5 4 1 0 5 2 2 49 3 1 28 1 8 98 4 8 1 2 0 0 11 5 1 6 22 3 1 4 1 3 3 6 002 8 3 7 68 8 1 】8 9 6 8 2 0 0 21 8 2 2 5 3 0 6 2 1 6 6 1 33 5 2 59 1 159 2 4 1 查垄墨三查堂堡主兰堡堡苎一 i2 。， 2 2 2 3 44 0 0 92 0 8 9 7 4 0 1 29 3 9 99 5 - 3 l i2 0 0 4 年1 - - - 6 月 1 2 4 7 52 1 7 3 1 1 9 5 9 62 0 6 2 59 5 8 7 9 6 4 5 注：钢铁行业连铸比= 至歪拜嚣善釜窒专蓦淼x - 。 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各，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i 薄带连铸技术是目前冶金及材料领域的一项前沿技术，由于其具有 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【6 】，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 7 】。 就提高连铸坯质量而言，主要集中解决以下问题： ( 1 ) 改善工艺控制生产无缺陷的连铸坯，为实现直接热送和直接轧制创造条件； ( 2 ) 获得内部均匀的连铸坯，保证产品性能的均匀性。对特殊用途钢种的连铸坯， 关键是改善铸坯内部结构和减少宏观偏析； ( 3 ) 浇注过程的自动控制和计算机跟踪以及与铸坯质量在线统计分析相结合，是 保证连铸坯质量的主要手段。 1 2 保护渣技术 连铸采用浸入式水口和保护渣浇铸，从提出到现在已有6 0 多年历史，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。可以说， 连铸能达到目前水平是与该项技术密不可分的。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，而对铸坯高质量需求的 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f 8 ： 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。 此外，侵入式水口的引入，有助于稳定钢液面，减小液面波动。 1 2 i 保护渣概述 连铸保护渣按形状可分为粉渣和颗粒渣；按生产工艺区分可分外合成渣和预熔 渣；按用途区分，可分为板坯用保护渣、薄板坯用保护渣、管坯用保护渣、小方坯 连铸圆坯保护渣传热计算及可视化研究 用保护渣等【9 】。 保护渣在连铸工艺的核心环节分阶段完成其使命，因而其每个阶段的行为都至 关重要。这里我们可以简单地把它划分为熔融和凝固两个阶段。第一阶段从保护渣 加入到结晶器内，受热逐渐熔化形成渣池为标志，为熔融阶段。第二阶段是渣池中 的液渣由弯月面向结晶器与坯壳的间隙渗流，至渣膜脱出结晶器为标志，为凝固阶 段【1 0 】。 这里以粉状渣为例详细说明其在不同阶段的特征和行为。将粉渣加入结晶器内 液态钢表面，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 1 1 】，渣池在纵向形成由上至下依次为：粉状层、烧结层、液渣 层的层状结构。在液态保护渣之下，则是从长水口流出成环流状的钢液。初熔的保护 渣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。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内至外依次为玻璃层、结晶层和 液态渣膜的横向层状结构，如图1 2 所示。 图1 2 结晶器保护渣示意图【1 2 l f i g 1 2d i a g r a m i l l u s t r a t i n gm o u l d f l u xl a y e r si nc o n t i n u o u sc a s t i n g 随着拉坯的持续进行，结晶器与铸坯之间的渣膜不断被带出结晶器而消耗，与 此同时，机器或人工又不断向结晶器内添加新的保护渣，使得渣池能够连续地生成 液渣，以保证有足够的液渣供给。 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 大连理工大学硕士学位论文 的液渣层厚度对于防止纵向裂纹的产生是非常必要的 1 3 】。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，熔融层厚度一般为1 0 m m 1 5 m 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 。 粉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，粉渣层应 保持段时间，换言之，粉渣层应有适当的厚度，在有结晶器液面自动控制的条件 下，粉渣层还可稍厚一些，以防止“露红”。粉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 2 2 保护渣的冶金作用与物质组成 使用保护渣的基本目标是保证浇铸顺利进行，以获得表面无缺陷的铸坯。在浇 注过程中，保护渣的冶金功能主要包括以下几点： ( 1 ) 对结晶器钢液面绝热保温：钢水表面上覆盖一层保护渣后，通过表匿散失 的热量大大减少，起到隔热保温的作用，避免了钢液的过热度降低。 ( 2 ) 使钢液面不受空气二次氧化：保护渣将钢液与空气接触隔离开来，防止了 钢液的二次氧化。 ( 3 ) 吸收钢液中上浮的夹杂物：通过钢渣界面反应，将钢液中浮出的夹杂物吸 收，起到净化钢液的作用。当然，在保护渣与钢中杂质发生反应后，其物性会发生 一定的变化，但是选择良好的保护渣应当保证熔渣在吸收夹杂后，其粘度、凝固温 度、结晶性能等物性应相对稳定，以避免它们的急剧变化危害铸坯质量和连铸工艺 的顺利进行。 ( 4 ) 润滑运动的铸坯：在结晶器四周的弯月面处，由于结晶器的振动和坯壳与 铜壁之间缝隙的毛细管作用，液渣被吸入并充满铜壁与坯壳的缝隙中形成渣膜。正 常情况下，与坯壳接触的渣膜一侧，由于坯壳温度较高，渣膜具有足够的流动性， 在结晶器与坯壳之间起着良好的润滑作用，从而减少拉坯阻力，防止“粘结”现象 的发生。 ( 5 ) 均匀和调节凝固坯壳向结晶器的传热：在结晶器内由于坯壳收缩产生了气 隙，使热阻增加。加入保护渣，并使气隙充满均匀的渣膜，就可以减少气隙热阻， 从而明显改善结晶器的传热，使坯壳均匀生长，形成足够厚度的坯壳，防止裂纹的 产生。 在实际生产中，保护渣主要由基料、熔剂和炭质材料组成： 基料：提供c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、m g o 等组份，般包括石灰石、石英砂、 废玻璃、硅灰石、水泥熟料等碱性和酸性材料： 熔剂：主要是含n a 2 0 、k 2 0 、f 、l i 2 0 等，如纯碱、萤石、碳酸锂等。 炭质材料：炭黑、石墨、焦粉等，其作用在于调节保护渣的熔化速度和熔融 结构。 堡堡婴堑堡芏堕堡垫生苎墨里塑些翌! 壅一 就保护渣化学成份而言，通常包括： 主要成份一一c a o 、s i 0 2 、n a 2 0 、f 、c ； 辅助成份- - a 1 2 0 3 、m g o 、k 2 0 、l i 2 0 、b 2 0 3 、b a o 、s r o 、f e o ； 有害成份一一p ，s 【1 4 。 保护渣的各种性能均与其物质组成和化学成分密切相关，选择合适的保护渣成 分是保证保护渣性能指标的根本前提。 1 2 3 保护渣熔化特性和性能指标 保护渣的熔化特性主要是指温度特性( 包括熔化温度、凝固温度和结晶器温度) 、 熔速、熔化均匀性和熔化热。 ( 1 ) 温度特性：熔化温度、凝固温度和结晶温度是表征连铸保护渣在结晶器内行 为的重要性能指标。熔化温度直接影响结晶器内弯月面上方的渣层传热和熔渣层的 产生，与连铸保护渣的绝热保温性能和润滑性能密切相关。而凝固温度和结晶温度 则控制结晶器与铸坯之间渣膜的分布和结构，是控制结晶器和铸坯之间传热与润滑 的重要参数 1 5 1 。 熔化温度主要决定于渣子的化学成分。它与基料的组成和化学成分有关，也与 配加助熔剂的种类和成分、渣子粒度的大小等有关。 熔化温度的选择应低于出口处坯壳的表面温度。一般认为，在结晶器出口处的 板坯坯壳表面温度为1 2 5 0 左右，因此，连铸保护渣的熔化温度要求低于1 2 0 0 ， 通常在1 0 0 0 1 1 0 0 左右，个别还要更低一些，才能维持熔渣在结晶器内沿坯壳运 动而不凝固。 ( 2 ) 熔化速度：保护渣的熔化速度决定了弯月面上形成的液渣层厚度和保护渣消 耗量。如果熔化速度过快，粉渣层不易保持，使热损失增大，液渣面易结壳，熔化 速度过慢则易造成液渣层过薄。熔化速度过快或者过慢都容易造成渣膜的厚度不均， 引发铸造缺陷。保护渣熔化速度通常用一定重量的试样在一定的温度下完全熔化所 需的时间来表示。 ( 3 ) 熔化均匀性：保护渣加入结晶器后，不仅要求易于熔化，而且还要求能均匀 熔化，铺展到整个钢液面上，并能沿四周均匀地流入结晶器和坯壳之间。为了保证 熔化的均匀性，保护渣的基料成分选择要得当，最好选择接近液渣矿相共晶线的成 分，渣料的粒度要小，应充分搅拌以达到混合均匀。采用预熔性保护渣，保证成渣 的均匀性是它的优点之一。 ( 4 ) 熔化热：单位质量的保护渣子熔化温度熔化时所需要吸收的热量，保护渣的 熔化是一个类似铸坯凝固释放潜热相反的过程。熔化热对保护渣的热分布产生一定 的影响，所以在对保护渣热行为进行研究时，该熔化特性需要特别加以考虑。 保护渣的性能指标在这里主要是指其粘度、导热性能、吸收夹杂能力以及消耗 量等。 ( 1 ) 粘度：粘度是保护渣最重要的物性之，它直接影响到铸坯振痕的形成和渣 膜的润滑作用，以及渣吸收夹杂物的能力。当浇注条件一定时，渣膜的厚度和均匀 查垄堡三查堂堕主兰堡兰苎 程度与熔渣的粘度有很大关系。熔渣粘度太大或太小，都会造成铸坯表面渣膜的厚 度太薄或太厚，使润滑、传热不良，甚至导致坯壳产生裂纹。因此，要求保护渣应 具有合适的粘度值。 保护渣的粘度取决于渣的化学成分。合适的粘度随钢种、段面、拉速、温度而 定。通常，连铸保护渣的粘度在1 3 0 0 c 时小于0 4 p a s 。目前国内使用的保护渣的 粘度，在温度由1 4 0 0 。c 到1 2 5 0 。c 时，粘度多在0 1 1 p a s 的范围内变化a ( 2 ) 吸收夹杂能力：保护渣应具有良好的吸收融解夹杂物的能力，而溶解a 1 2 0 3 的能力则是保护渣很重要的特性之一，尤其是浇注铝镇静钢时更为重要。为此，要 求液渣能迅速吸收夹杂物。从热力学的观点来看，到达钢渣界面的夹杂物一般都能 被熔渣所吸收，但其溶解速度则受保护渣的物性所制约。相关研究指出，熔渣的碱 度增大，溶解a 1 2 0 3 的速率增大，高碱度保护渣可以减少裂纹的发生，由碱度大的 保护渣组成的熔剂含有较高的结晶相，能降低结晶器热通量，所以在生产中选择保 护渣时一般要考虑其碱度。 ( 3 ) 导热性能：保护渣覆盖在钢液面上，将其与空气隔绝，防止钢液热量散失， 需要粉渣具有很好的绝热性能，这样可以抑制其在结晶器内形成搭桥和浮体，也可 以提高弯月面温度，维持渣流通道，减轻振痕，减少表面及皮下缺陷( 如针孔) 1 6 17 j 。 但是同时为保证一定的液渣层厚度，需维持一定的熔化速度，又要求其具有一定的 导热能力。保护渣的导热性能与渣子的状态、粘度以及温度有关。 ( 4 ) 保护渣消耗量：保护渣消耗量是高速连铸工艺的一项重要操作指标；保护渣 的消耗量对铸坯的润滑非常重要，消耗量不当，可能引起铸坯纵裂纹、粘结漏钢、 振痕过深、横角裂、角部纵裂及铸坯凹坑。 对消耗量的影响因素有拉速、振幅、振频、振动周期、正滑脱时间、保护渣粘 度、凝固温度等。 1 3 研究保护渣的意义和国内外研究现状 1 3 1 研究的意义 连铸保护渣是连铸工艺的关键技术之一，保护渣性能对连铸操作和铸坯质量有 者重要的影响。连铸中仍然存在着许多铸造缺陷问题，如裂纹、振痕、夹渣、漏钢 等，尤其裂纹，是长期困扰连铸生产和铸坯质量的问题。根据统计，造成铸坯废品 的各种缺陷大约有5 0 来自裂纹。解决裂纹问题对于提高连铸坯质量至关重要。有 关研究表明，裂纹的产生受结晶器参数、拉坯速度、保护渣性能、渣耗量及弯月面 稳定性等因素的影响。此外，漏钢是连铸生产中严重的事故，据报道，板坯连铸机 一次典型的拉漏事故所造成的损失达数十万美元 1 8 - 1 9 】，而漏钢事故中主要以粘结 性漏钢( 占6 5 - - 8 5 ) 为主，它是由铸坯与结晶器之间粘结摩擦力过大引起的，与 保护渣液态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 2 0 1 。保护渣的选用对连铸生 垄壁婴竺堡芝望生垫盐竺墨里堡些翌壅一一一产和铸坯质量的影响主要有： 1 ) 粘结漏钢拉漏时，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。据报道，在n i p p o n 钢公司凝固壳粘结造 成7 9 的拉漏，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 是由于保护渣膜润滑不良直接造成的。 2 ) 纵向裂纹碳含量在o 0 8 - 4 ) 1 4 范围内的铜种特别容易出现纵裂纹。碳 的影响归结于6 铁索体在弯月面附近转变成奥氏体时产生相对较大的热收缩。它引 起了凝固壳内的折皱。所以由此引起的结晶器凝固壳缝隙不均匀，造成了局部热点。 这些点集中导致了纵裂的拉伸应力。已经证明由热撕裂形成的裂纹接近弯月面附近 的凝固界面，这里的延性相当低。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 2 t j 。 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，正确选择结晶器保护渣是 控制纵裂的关键。对连铸板坯，熔融保护渣的厚度必须超过1 0 m m 以防止纵裂。 3 ) 表面横向裂纹横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，减轻横裂纹的发生。 4 ) 夹渣一一夹渣分表面夹渣和皮下夹渣。渣子卷入是夹渣的重要来源。凡渣子 的剥离性不良，会使铸坯衷面嵌附成片夹渣，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。 5 ) 表面增碳由于浇铸过程中，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 3 2 国内外研究现状 考虑到保护渣对钢坯的影响，不少钢铁企业的专家学者已调查了保护渣的各种 性态，例如新日铁( n i p p o ns t e e l ，k i m i t s u ，j a p a n ) 的研究组和美国内陆锎厂( i n l a n ds t e e l ， e a s tc h i c a g o ，i n ) 的专家们，他们的研究大部分属于实验性的工作基础。p o h o o l i p r s c h e l l e r 【2 2 2 3 采用实验分析方法研究了铸坯与结晶器之间的保护渣膜，对于渣 膜结构进行了较为细致的分析，着重讨论了渣膜对结晶器热流的影响。 人们对物理现象或者某实际过程进行研究，就方法而言，通常有模拟实验、 现场测试、理论分析和数学模拟等方法。其中，最可靠的数据往往是由实验测量得 到的，采用全比例设备进行研究可以预测由它复制的同类设备在相同条件下的运行 情况，是最好的研究办法。但是对于连铸过程来讲，出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，各种行为相互作用，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办法几乎是没有可能的。而数 查垄型王奎堂婴主堂堡垒苎 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，目前，数学模拟方法已经成为主流的研究方法被广泛的应用到 连铸过程的研究当中。 j 针对保护渣在结晶器内各种行为的研究，大量的应用数学模拟方法进行模拟计 算的论文已经出现了。用数学模型模拟保护渣，按照模拟几何区域不同，可分为缝隙 ( g a p ) 保护渣和表面保护渣两部分 2 4 】。 朱立光等 2 5 】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。 文献 2 6 3 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 2 7 】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，建望了描 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。 b o m m a r a j u 2 8 和a n z a i 2 9 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 1 9 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，数值模拟的结果实测 数据吻合较好：c a m p i n h e i r o 3 0 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；随着 数值模拟技术的发展，对于渣膜的传热及流场的计算与实际过程吻合程度逐渐提高， 目前的部分研究成果已经用于指导生产。 由以上可知，对于渣膜的润滑状态和流动行为的研究一直是冶金工作者所关注 的焦点，各类文献较多，研究的比较充分。而表面保护渣的数值模拟研究相对较少， 其中多数数学模型( 如文献 3 1 ，3 2 ，3 3 】) 都是一维情况。n a k a t o 等 3 l 佣一维热传 导方程分析了表面保护渣的热过程，n a k a n o 等 3 3 3 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。也有研究二维模型的，当然， 更理想的模型是三维问题，如m c d a v i d 和t h o m a s 3 4 亍：1 9 9 6 年8 月发表的论文。 他们的工作结果在美国l t v 钢厂( l t v s t e e l ，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，该模型依据三维 连锌圊坯保护渣传热计算及可视化研究 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。 重庆大学伍成波，王谦 3 5 1 等人针对板坯连铸保护渣层的热分布进行了计算机 仿真计算，着重探讨了渣池深、浇注温度、渣钴晶器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 3 6 贝o 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一流动耦合的数学模型，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。 综上所述，弯月面处保护渣行为对钢液的初期凝固和铸坯表面质量有着很大影 响，进行相关的数值模拟计算对于认识和了解保护渣的热行为及流动状况都是很必 要的，虽然已经有了相关的工作，但是一维情况较多，三维的情况也主要是针对特殊 形状的铸坯，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，且大多数计算主要针对连铸板坯、薄板坯， 而针对圆坯的计算很少，因此建立一个基于微机平台的三维数学模型对弯月面上保 护渣的热行为进行数值计算，对于了解圜坯连铸过程中保护渣的各种行为进而最终 指导生产显得非常必要。 1 3 3 研究方法和立题依据 本论文采用数学模拟方法建立了弯月面上保护渣传热的三维有限差分模型，对 连铸圆坯过程中使用保护渣的热行为进行数值计算，整个的研究模型如图1 3 所示： q 9 i 、 f i l 保护渣热计算 热流温度 k 实 结 j 目 测 日日 数 器 t r i n t 据 热 缝 验 温度热流计 隙 算 证 渣 2 m膜 、 ， 计 算 剖 计算 i一 l 图1 3 本论文研究模型 f i g 1 3m o d e l d i a g r a m o fr e s e a r c hm e t h o di nt h i sp a p e r 火连理工大学硕士学位论文 此外，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已大大 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 3 7 】，本课题正是在可视化发展的这种前提下提出