钢锭凝固过程中锭模温度及换热系数变化的数值模拟

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1、钢锭凝固过程中锭模温度及换热系数变化的数值模拟李志强周建安(武汉科技大学材料与冶金学院，武汉430081)摘要假设钢锭凝固过程中钢锭-锭模边界以辐射换热为主而锭模外侧壁边界同时考虑辐射和对流换热，通过自建模型模拟研究了钢锭凝固过程中钢锭和锭模的温度场变化及锭模内外表面温度和换热系数的变化。结果表明，在钢锭凝固过程中，模壁及底座附近钢液(锭)的温度变化较快，冒口处钢液(锭)温度变化较慢。钢锭-锭模换热系数、锭模内外表面温度和锭模外2表面与空气的对流换热系数均随其对应位置高度的升高而增大，数值分别为150～600W/(m

2、·K)、410～1740K、500~1050K2和20~90W/(m·K)。关键词钢锭凝固锭模边界温度锭模边界换热系数数值模拟NumericalSimulationofTemperatureandHeatTransferCoefficientChangesofMouldinIngotSolidificationProcessLiZhiqiangZhouJianan(SchoolofMaterialsandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,43

3、0081,China)AbstractDuringthesolidificationprocess,thetemperaturechangesoftheingotandmouldandthetemperatureandheattransfercoefficientchangesinsideandoutsidethemouldweresimulatedthroughaselfdesignedmodleontheassumptionsthattheheattransferwaywiththeingot-mouldboun

4、darywasradiationandtheheattransferwaybetweenthemouldandairwereradiationandconvection.Theresultsshowedthat,duringthesolidificationprocess,thetemperaturechangesofsteelingotnearbythebasisandwallofmouldwerefastwhilethetemperaturechangeofsteelingotnearbytheraiserwas

5、slow.Alloftheheattransfercoefficient,thetemperatureinsideandoutsidethemouldandtheheattransfercoefficientbetweenthemouldandairincreasedwiththeheight22increaseofthereferencepoint,andtherangeswere150～600W/(m·K),410～1740K,500~1050Kand20~90W/(m·K)respectively.Keywor

6、dssteelingotsolidificationmouldboundarytemperatureheattransfercoefficientofmouldboundarynumericalsimulation[1-3]重型设备制造业的发展给大锻件的炼钢和铸锭带来了非常大的挑战。由于实验研究代价高，数值模[4]拟成为认识钢锭凝固过程和优化钢锭设计的重要途径之一。以往关于凝固过程中钢锭温度场变化的模拟[5,6]研究往往将换热边界参数设为常数。这一方法与实际情况有明显的差别。本文通过自建模型模拟研究了某48t钢锭凝固

7、过程中温度场的变化及锭模内外表面温度和换热系数的变化，可以为钢锭凝固过程中边界条件的设置提供一定的参考价值。1研究对象本文以国内某重型设备制造公司的48t转子锻造钢锭为研究对象(化学成分见表1)，锭模内壁为多边形。[7]钢液采用精炼炉真空碳脱氧和真空脱氧浇注的方式冶炼，并采用下注法浇注。浇注结束后，按1.4kg/t[6]的标准在钢液表面铺洒发热剂。冒口预热至200℃，内侧为粘土材质耐火材料(物性参数见表2)。钢锭凝固过程中，钢锭及锭模的温度以中轴线为基准呈对称分布。为简化计算过程，本文选取此钢锭及锭模纵截面的一半为研

8、究对象(如图1所示)。表1钢种化学成分(质量百分比，%)Table1Chemicalcompositionofmoltensteel(mass,%)CSiMnPSMoVAlAsSnCrNi0.300.10.270.010.010.050.10.0050.0050.0051.53.4表2材料的热物性参数Table2Therma-physicalp