圓坯連鑄結(jié)晶器內(nèi)熱—力學(xué)行為的分析.pdf

1、在連鑄結(jié)晶器內(nèi)，熱—力學(xué)行為互相影響相互作用。結(jié)晶器傳熱能力和特征決定鑄坯溫度場(chǎng)、坯殼凝固厚度及其分布，影響坯殼收縮和結(jié)晶器變形等力學(xué)行為；反之，鑄坯收縮和結(jié)晶器變形影響鑄坯和結(jié)晶器之間的傳熱。因此，清楚了解結(jié)晶器內(nèi)的熱—力學(xué)行為必須建立合適的耦合數(shù)學(xué)模型。 坯殼和結(jié)晶器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成摩擦力，坯殼受摩擦力的影響而發(fā)生力學(xué)行為的變化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，非理想的復(fù)雜的結(jié)晶器傳熱狀態(tài)使摩擦力發(fā)生異常變化。方坯、板坯的形狀決定了部分

2、坯殼優(yōu)先生長(zhǎng)。圓坯結(jié)晶器由于沿各個(gè)方向都對(duì)稱(chēng)，其生長(zhǎng)不均勻性是隨機(jī)的，由結(jié)晶器各處的傳熱條件決定。因此，理想狀態(tài)下的模擬計(jì)算不能反映實(shí)際生產(chǎn)中連鑄結(jié)晶器內(nèi)的熱—力學(xué)狀態(tài)。 以安裝在圓坯結(jié)晶器不同橫截面和縱截面內(nèi)的熱電偶所獲得的溫度為基礎(chǔ)，建立基于實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的多維反問(wèn)題數(shù)學(xué)模型。通過(guò)確定結(jié)晶器和鑄坯之間的熱阻分布，計(jì)算出能及時(shí)反映實(shí)際生產(chǎn)中沿周向不均勻分布的傳熱。 以結(jié)晶器和鑄坯的溫度場(chǎng)作為熱載荷建立三維力學(xué)模型。該模型

3、耦合了摩擦力和鑄坯/結(jié)晶器的接觸狀態(tài)以及它們的應(yīng)力、變形，并考慮了結(jié)晶器錐度的影響。計(jì)算出生產(chǎn)過(guò)程中圓坯結(jié)晶器和鑄坯的熱—力學(xué)行為，并討論了摩擦力的影響；同時(shí)計(jì)算出結(jié)晶器和鑄坯之間的間隙，包括固液渣膜厚度、氣隙尺寸和接觸狀態(tài)，并分析它們之間的互相影響關(guān)系。由于實(shí)測(cè)的傳熱結(jié)果不均勻，結(jié)晶器和鑄坯的熱—力學(xué)相關(guān)計(jì)算結(jié)果也具有沿周向分布不均勻特征，更加反映了真實(shí)的連鑄狀態(tài)。 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了正常生產(chǎn)過(guò)程中圓坯結(jié)晶器熱流的實(shí)時(shí)分

4、布特性，從而分析結(jié)晶器的傳熱行為，為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控提供基礎(chǔ)。 監(jiān)測(cè)分析表明：熱流沿結(jié)晶器周向分布處于頻繁變化中。彎月面區(qū)傳熱很低，但在液面下70-110mm區(qū)域內(nèi)存在熱流峰值，并且對(duì)工藝參數(shù)變化較為敏感，比如澆注溫度、拉速、鋼水碳含量、保護(hù)渣類(lèi)型等等。本文也分析了正常和異常傳熱條件下局部溫度、熱流的穩(wěn)定性和沿周向不均勻性的變化。在穩(wěn)定拉坯時(shí)，一定變化范圍內(nèi)的工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器傳熱的波動(dòng)性和不均勻性的影響很小，而鋼水碳含量、保護(hù)渣類(lèi)型

5、以及結(jié)晶器安裝等很大程度上決定結(jié)晶器傳熱的波動(dòng)性和沿周向的不均勻性。 研究發(fā)現(xiàn)：結(jié)晶器熱流和坯殼厚度沿周向的分布特征受結(jié)晶器安裝狀態(tài)的影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一次安裝其分布相似，不同安裝分布規(guī)律不同。高熱流區(qū)熱流沿周向分布的特性，在一定程度上反映了不同高度橫截面內(nèi)坯殼厚度沿周向的分布特性；因此可以通過(guò)分析并控制結(jié)晶器熱流分布，尤其是高熱流區(qū)熱流的分布，使鑄坯均勻生長(zhǎng)，從而為提高其表面質(zhì)量提供依據(jù)。 本文在實(shí)測(cè)和計(jì)算的基礎(chǔ)上，定

6、量討論了圓坯連鑄結(jié)晶器熱流分布規(guī)律及其影響因素。淺析了結(jié)晶器熱流和坯殼厚度的關(guān)系，從而掌握了圓坯的凝固狀態(tài)和坯殼的生長(zhǎng)規(guī)律。探索將在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)連鑄結(jié)晶器生產(chǎn)過(guò)程可視化提供基礎(chǔ)。 研究發(fā)現(xiàn)：忽略縱向?qū)岬亩S模型所計(jì)算的彎月面區(qū)結(jié)晶器溫度比三維模型所計(jì)算的高，而計(jì)算的熱流相對(duì)較低。在具有較大縱向?qū)岬膹澰旅娓浇?，通過(guò)埋在沿結(jié)晶器傳熱方向的兩只熱電偶溫度所計(jì)算的熱流值比實(shí)際值小。 計(jì)算結(jié)果表明，在

7、彎月面處厚度超過(guò)1mm的固渣圈和彎月面以上結(jié)晶器的較冷區(qū)，降低了溫度峰值的大小和高度。距彎月面大約80mm高度位置處，大約0.1mm的固渣膜是出現(xiàn)高熱流區(qū)的原因之一。在彎月面附近，液態(tài)潤(rùn)滑對(duì)鑄坯表面應(yīng)力有顯著的影響，而在結(jié)晶器下部主要受固—固摩擦力的影響。彎月面處液渣流入的間隙沿周向的分布，在一定程度上決定熱流沿結(jié)晶器周向的分布。坯殼厚度分布和結(jié)晶器熱流分布一致，在液渣消失前，它們?cè)谀撤N程度上決定于坯殼和結(jié)晶器之間的渣膜厚度。