板坯连铸过程数值模拟分析

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1、第35卷第5期山东冶金Vol-35No．52013年10月ShandongMetallurgy0ctober2013、、、、^-·试验研究‘·、．’～．、．^．^．^．^．^．，‘～．^．，‘·板坯连铸过程数值模拟分析段云波，王皓，董方(内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头014010)摘要：基于传热学基本原理、凝固理论和有限单元法，建立了凝固传热有限差分数学模型，对连铸凝固全过程进行模拟分析，结果表明，拉速越大，铸坯中心及表面温度越高，出结晶器坯壳厚度越薄；过热度增大，铸坯中心及表面温度均上升，出结晶器坯壳

2、厚度减薄；冷却水量相对增大时，铸坯出结晶器坯壳厚度增大，二冷区温度下降较快。连铸坯凝固模型可用来确定常规拉速范围及不同拉速下的凝固壳厚度、凝固末端位置以及铸坯表面温度分布。关键词：板坯连铸；凝固过程；数值模拟；温度场；坯壳厚度中图分类号：TF777．1文献标识码：A文章编号：1004-4620(2013)05—0027—03a。TaTD1aT1前言一‘一Oy。．==一一af在连铸过程中，传热特性是生产效率和铸坯品根据传热微分方程及各阶段的边界条件和初质的重要影响因素n]。为了保证获得良好的铸坯质始条件，可得到连铸

3、过程中铸坯温度分布情况。量，就要控制铸坯在不同冷却区热量的导出速度、1)初始条件。钢液进入结晶器时，初始温度即坯壳的热负荷以适应于钢的高温力学性能的变为浇注温度，即(浇注温度)。化。数值模拟技术已经成为研究不同冶金过程的2)边界条件。铸坯对称面：一种有效、可靠的工具，并被越来越多地运用到冶一l：o金过程的各个方面]，本课题以数值模拟为手段，立0足于生产实际，可以显示铸坯横、纵断面的温度场、铸坯表面结晶器内：节点凝固状态、结晶器出口温度、坯壳厚度等，并以20T。H：ql一20T一．,包钢三炼钢板坯连铸机为研究对象，

4、定性分析了各．1日：q2一I。：g3一；oy了；dT。种工艺参数对连铸凝固全过程的影响。式中日、D分别为铸坯宽度和厚度，g、g：、分别为铸2模型的建立坯宽面固定侧、松动侧及窄面的热流密度。铸坯表面二冷区：2．1基本假设钢液在结晶器内的浇注和流动是一个复杂的=)(一)湍流过程，其中包含传热、凝固和相变理论，为便于式中为铸坯表面温度，为环境温度。分析和研究铸坯在结晶器和二冷区的凝固传热过铸坯表面空冷区热流率()为：程，做出以下假设b：1)结晶器为矩形，忽略结晶器一盯【(+273)‘一(+273)】锥度的影响；2)沿铸

5、坯拉速方向热流很小，可以忽式中为物体黑度，o-为斯蒂芬一波尔兹曼常数。略不计；3)假定钢的密度、导热系数在同相区内均2．3冷却制度的确定为一固定值；4)液相的对流现象归为导热问题；5)连铸过程中对于每一板坯在不同拉速、截面尺连铸机同一扇形冷却区水量分布均匀。计算中连寸、钢种等都有特定的水量分配比例，这是经计算铸机参数如下：有效结晶器长度780mm，铸坯规格和实验反复优化的结果。本模拟中所用的结晶器1950mmx250mm，浇注温度分别为1531、1541、的热流密度和二冷区的换热系数根据包钢宽厚板1551℃，二冷

6、区总长度20455mm，拉速分别为0．8、厂实际生产中对应水量配比计算而来。Q345低合0．9、1．0m／min。金钢厚度250mm板坯连铸过程对应的水量为：铸坯2．2控制方程窄面喷水量360L／min，结晶器进出水温差9．5板坯在整个连铸凝固过程中采用二维温度模1OoC；宽面4500L／min，温差6～6．5oC。型，模拟具体采用的传热微分方程可用下式表示：根据公式q=QC~TJF计算得到结晶器的平均热收稿日期：2013—05—23流分别为：窄面1．16×10w，m；宽面固定侧1．28×作者简介：段云波，男，1

7、983年生，内蒙古科技大学材料工程专业2010级工程硕士研究生。106w，m，宽面松动侧1．25×106w／。计算值与现272013年lO月山东冶金第35卷场测得值较为吻合。不同拉速时热流会有一定变究对象，分析了拉速、过热度、水量变化等因素对铸化，根据拉速计算出结晶器时间，再依据结晶器热坯凝固过程的影响。流分布规律做相应处理，便得到结晶器各对应时间3．1不同拉速下板坯凝固过程比较段的热流密度。不同拉速下铸坯中心及表面温度的变化见图二冷区换热系数的计算是根据各扇形段的喷1、图2，拉速对坯壳增长的影响见图3。从图1可

8、水量及对应的喷水面积计算其水流密度，再由相关知，随着拉速的变化，铸坯中心温度在结晶器和二计算公式得到各扇形段的热流密度。冷区内的温降并不明显，这是由于铸坯在这个阶段没有完全凝固，铸坯中心温度仍然较高，凝固潜热3模拟结果与分析的作用，使得铸坯中心温度下降缓慢。待铸坯进入利用ANSYS有限元分析软件，以Q345钢种为空冷区，不同拉速下的铸坯逐渐完全凝固后，铸坯例，分别计算了拉