板坯連鑄結(jié)晶器角部幾何特征與鋼液傳輸行為的研究.pdf

1、微合金鋼角部橫裂紋是板坯連鑄生產(chǎn)中亟待解決的質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)控制鑄坯角部傳熱，使其在彎曲矯直時(shí)避開(kāi)裂紋敏感區(qū)，可以較好的減少這一缺陷。鑄坯角部溫度可以通過(guò)改變結(jié)晶器角部幾何特征來(lái)控制，但由于板坯結(jié)晶器鋼液傳輸行為(流動(dòng)、傳熱和凝固)的復(fù)雜相互作用，鑄坯傳熱行為還難以準(zhǔn)確描述，所以不能設(shè)計(jì)合理的結(jié)晶器角部幾何特征，有效控制鑄坯角部傳熱。另外，在結(jié)晶器內(nèi)凝固過(guò)程中的應(yīng)力和摩擦應(yīng)力的作用下鑄坯角部可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋，而鑄坯應(yīng)力狀態(tài)受溫度場(chǎng)的直接影

2、響。因此，完善結(jié)晶器內(nèi)鋼液的傳輸模型，深入理解鋼液流動(dòng)、傳熱和凝固行為，研究結(jié)晶器角部幾何特征對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)的影響，探討鑄坯角部熱應(yīng)力和摩擦應(yīng)力對(duì)裂紋產(chǎn)生的幾率，具有重要意義。
　　論文以某廠(chǎng)板坯連鑄結(jié)晶器為研究對(duì)象，建立耦合冷卻水流動(dòng)的銅板傳熱模型，研究冷卻水和銅板之間的強(qiáng)制對(duì)流換熱行為，比較不同結(jié)晶器角部形狀對(duì)傳熱的影響；基于此模型，構(gòu)建考慮鑄坯收縮的三維板坯結(jié)晶器流動(dòng)傳熱模型，通過(guò)綜合熱阻將鑄坯二維應(yīng)變與結(jié)晶器三維傳熱緊密聯(lián)系

3、起來(lái)，深入研究結(jié)晶器角部幾何特征對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和保護(hù)渣分布的影響；測(cè)量保護(hù)渣斷裂強(qiáng)度，修正鑄坯和銅板的摩擦力模型，分析角部幾何特征對(duì)結(jié)晶器內(nèi)摩擦力分布的影響；最后，計(jì)算鑄坯的熱應(yīng)力和摩擦拉應(yīng)力，分析不同結(jié)晶器幾何特征下鑄坯角部橫裂紋產(chǎn)生的可能性，優(yōu)化結(jié)晶器角部形狀，并進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。論文的主要研究成果如下：
　?、俳⒘笋詈侠鋮s水流動(dòng)的結(jié)晶器銅板傳熱模型，研究了結(jié)晶器角部幾何特征對(duì)銅板局部溫度和冷卻水出口溫度的影響規(guī)律。通過(guò)冷卻水進(jìn)

4、出口溫差驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，對(duì)比了該模型與兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果，發(fā)現(xiàn)溫度的最大差異為5％，耦合模型的傳熱系數(shù)比Sleicher-Reusse模型大3.8%，比Dittus-Boelter大模型17.5%，證明耦合模型比Dittus-Boelter模型更加準(zhǔn)確。倒角結(jié)晶器的棱邊會(huì)使銅板局部溫度降低，倒角角度越小銅板溫度越低，冷卻水溫升也越小。
　?、诮⒘丝紤]鑄坯二維收縮的三維流動(dòng)傳熱模型，據(jù)此研究了角部不同幾何特征(直角、大倒角和多

5、倒角)下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)、傳熱與凝固行為，銅板冷卻水溫度和熱流變化規(guī)律，以及保護(hù)渣和氣隙厚度分布情況。通過(guò)凝固殼厚度與銅板溫度驗(yàn)證了模型的正確性；發(fā)現(xiàn)倒角結(jié)晶器內(nèi)鋼液上回流較強(qiáng)，沖擊窄面的強(qiáng)度更大；直角結(jié)晶器寬面的冷卻水溫升和平均熱流密度最大，多倒角結(jié)晶器在窄面的冷卻水溫升和熱流都高于大倒角結(jié)晶器；倒角結(jié)晶器窄面中心的凝固殼厚度為11 mm，比直角結(jié)晶器小4 mm；直角結(jié)晶器出口鑄坯角部溫度為1320 K，大倒角結(jié)晶器為1400 K，而

6、多倒角為1480 K；直角結(jié)晶器角部的液渣最快降為零，氣隙最早生成同時(shí)最厚，而多倒角結(jié)晶器氣隙最晚出現(xiàn)同時(shí)最薄；結(jié)晶器角部窄面的氣隙比寬面更厚。
　　③通過(guò)測(cè)試保護(hù)渣的斷裂強(qiáng)度，修正了結(jié)晶器摩擦模型，研究了不同角部幾何特征下鑄坯和銅板的摩擦力分布。保護(hù)渣在常溫下拉伸斷裂強(qiáng)度為3.95 MPa，壓縮斷裂強(qiáng)度為35.20 MPa；直角結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的總摩擦力為53.1 kN，比大倒角和多倒角分別小28.3%和14.2%；多倒角結(jié)晶器銅板

7、總摩擦力為17.4 kN，比直角和大倒角分別大11.5%和13.7%。
　　④研究了不同結(jié)晶器角部幾何特征下鑄坯角部的等效應(yīng)力和摩擦力，與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比，判斷了鑄坯微裂紋產(chǎn)生的幾率。直角鑄坯角部最大的摩擦拉應(yīng)力為1.44 MPa，是倒角結(jié)晶器的兩倍；不同角部形狀結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的等效應(yīng)力以及摩擦力，都很難達(dá)到鑄坯抗拉強(qiáng)度，不會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；大倒角鑄坯角部的熱應(yīng)力和摩擦拉應(yīng)力都較小，是最優(yōu)的結(jié)晶器角部幾何特征。
　?、萆a(chǎn)應(yīng)用

8、表明，大倒角結(jié)晶器將250 mm厚微合金鋼鑄坯角部溫度提高了78℃，角部橫裂紋從17.68%降低至0.14%；將300 mm厚鑄坯的角部橫裂紋從10.33%降低到0.65%。大生產(chǎn)中出現(xiàn)的少量角部橫裂紋主要是澆注后期結(jié)晶器錐度和振動(dòng)精度降低導(dǎo)致。
　　綜上所述，本論文以避免微合金鋼鑄坯角部橫裂紋為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液傳輸行為的研究，分析了結(jié)晶器角部幾何特征對(duì)改善鑄坯角部溫度和應(yīng)力狀態(tài)的作用，并在生產(chǎn)應(yīng)用中取得良好的效果。論