铸造速度对钢的连续铸造过程的影响

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1、浇注速度对钢的连续铸造过程的影响摘要采用标准k-ε模型进行对钢液流动、模具中传热和固化以及连续铸造机的二次冷却区的三维模拟。为了这个目的，我们采用计算流体动力学软件FLUENT。从模拟的角度来看，这工作和以前的之间的主要区别在于，相变过程(凝固)和流动（模部分中湍流和在二次冷却区域层流）连接和共同解决，而不是将其划分为“瞬态热传导”和”稳定流体流动”这可以导致更加逼真的模拟。在二次冷却区域确定适当的边界条件是非常复杂的，因为涉及大量的传热形式，包括自然的和强制对流和同步辐射传热。这项工作的主要目的是为了更好的理解连续

2、铸造过程中的传热和凝固。此外，我们讨论了浇注速度对热效应 通量与外壳的厚度的影响和总的传热中辐射的作用。符号列表C1,C2,C3常数cp定压比热[J/(kg.K)]g重力[m/s2]h显焓href参考焓hext对流系数H焓K电导率K[W/(K.m)]L材料潜热[J/kg]∆H潜热[J/kg]Qw喷雾区水流量[L/(m2.K)]S水槽期限T温度[K]Tsolidus固态温度[K]Tliquidus液态温度[K]Tref参考温度[K]Tsurface表面温度[K]Tambient室温[K]Tspray喷雾冷却温度[K]h

3、nat自然对流换热系数[W/(m2.K)]hspray喷雾冷却的传热系数[W/(m2.K)]Text冷却水温度[K]u分速度[m/s]v流体速度[m/s]vp拉速度[m/s]P压力[N/m2]希腊符号α机器相关的校正因子?液体馏分?密度[kg/m3]?0层流粘度[kg/(m.s)]?t湍流粘度[kg/(m.s)]k湍流动能运输[m2/s2]?动能耗散率[m2/s3]?R表面发射系数1引言连续铸造（快速液相冷却）将熔融金属不断浇入结晶器中凝固成“半成品”钢坯、初轧坯或板的一个过程。这个工艺是经常被利用来铸钢。而其他的金

4、属，如铜和铝也可采用连续铸造。这种生产过程具有以下优点 [1—3]：a.近净形状形成的金属材料，这将是伴随着减少的能量，时间和劳动。b.通过结构修改引发新的功能性质的发展，如形成非平衡相。c.通过减少偏析和晶粒精修改进机械性能。同时，“‘数学建模”是一个令人难以置信而可靠的为获取所需的信息和防止为实验研究成本的工具，可增加效率和提高产品质量。然而，一个典型的连续铸造过程中涉及同时存在和有联系的相变（凝固）、溢流和传热。作为这一进程将会建模三个维度，将有大量的计算单元格 ；因此它是非常很难达到足够准确的答案。另一方面，

5、这些耦合现象增加复杂性，所以它是很难达到足够的精确回答。因此，大多数给出的这个相变问题的数值解将这个过程定义为瞬态热传导和稳定流体流动。为了提高算法的收敛性数值解，相变已被分离。在这项工作中，流动和凝固是耦合的和稳步一起解决的。很明显，答案会将更加可靠，因为正如我们所知，薄壳的凝固改变域的物理边界和熔融钢在壁上流动。很明显，这壁的影响在本次模拟中不容忽视。2连续铸造机的主要操作连铸机的主要操作，如下图1所示：图1连铸机的不同部分a.在熔炉中钢在高于其液相线温度加热至所期望的特定温度，我们称之为热度。b.然后，它是由钢

6、包装载并存储在中间，不只为了在进口模具的机器上准备一定量的材料，同时也提供在模具中均匀分布的能力。C.钢水从中间包通过喷嘴的端口进入模具的顶部。事实上，喷嘴在它冲击结晶器窄壁时使它循环流动。如图2所示，模具顶部和顶部两涡的形成是必要的，因为我们知道钢的电导率低于其他典型的金属如铜。因此，让钢液直接进入模具而不是强迫它循环可导致不平衡，也造成钢冷却受阻和难以达到固相线温度甚至是在最后，导致过程的破坏。图2.模具结构模具的深度可以变化到2.5米。模具的热性能和机械性能取决于它的构造和限制，包括几何性能，浇注速度，边界条件

7、，等等。模具基本上是一个开放式的箱体结构，其中包括四个单独的墙壁，含有水冷却内衬捏造的由高纯度铜和其他金属的合金。模具的主辊，这是一种连铸机最重要的部分，旨在建立一个坚实的外壳，它保持强度来维持其液态型芯进入“二次冷却区”。d.在二次冷却区，不同模式的热传导让包括自然对流和强制对流和此外从表面提取热能的辐射。正如我们知道，与其它工业金属如铜比较，钢的电导率很低，因此冶金长度 （从顶长度整个熔融金属转变为固体的模具）对于钢连铸机是很长。垂直脚轮导致大量增加费用的建设必要的基础结构，因此，如图 1 所示，通过控制辊增加角

8、度使板逐节弯曲使其在退出模具期间和之后定位在水平位置。3物理过程3.1传热如前所述，连铸是一个阶段变化过程。一个称为“'enthalpy-porosity”的程序被设计对凝固/熔融过程进行建模。在这种技术中，一个名叫“液体压量”的指标，表明在液相中晶粒体积分数与每个单元的域相关。液体分数采用焓平衡计算每次迭代。在“'mushy区”中，液体分数从