连铸大方坯二冷区温度场数值模拟.pdf

第四部分 连铸大方坯二冷区温度场数值模拟 高文江，赵克文’，沈J享发 (1．清华大学机械工程系，先进成形制造重点实验室，北京100084； 2．攀技花钢铁集团公司，四Jil攀枝花617067) 摘要：摹丁^凝固传热学基本理论，建市凝固传热数学模型，模拟连铸大方坯=维温度场。 模型根据糊状区溶质传输和反扩散理论，采用钢中多组元成分的百分含皂计算液、固相线温 度，考虑了组元成分、同相分数、温度等因素对热物性参数的影响。以实际铸坯为对象，以 二冷区铸坯表面实际水流密度分布和辊子接触传热为边界条件，计算整个铸坯任意点、线、 面的温度及固相分数分布。多钢种多拉速条件下铸坯表面温度实测值与计算值吻合的较好。 关键词：连铸；大方坯；二冷：凝固：数值模拟 l前言 2003年9月，国内第一台采用轻压下技术的大方坯连铸机在攀钢正式投产， t要生产重轨钢等高质量钢坯，并日．采用了凝固末端轻压下和电磁搅拌等多项新 技术。为了配合轻压下技术需要精确确定凝固终点的位置及相应的坯壳厚度，以 便精确确定每个压下辊的压F位置和压下量。因此，准确的预测铸坯整个生产过 程中的凝固状态及温度分布是获得高质量铸坯、提高生产效率的前提。影响铸坯 温度分布的因素主要包括钢种、铸坯断面尺tj+、拉坯速度及二次冷却强度等I。61。 数学模型应考虑结晶器壁的热流分布、液态金属流动对熔体对流换热的影 响，及二冷区水雾冷却对流换热、辊子接触导热、空冷热辐射与铸坯变热物性参 数的处理等问题。尽管人们对连铸温度场进行了大量的数值模拟研究[1-4,6-81，但 是目前的数学模型还有待进一步完善。另外，连铸二二冷区传热边界条件及其复杂。 在二冷区，由水冷夹辊带出的热量约占17％；由冷却水强制对流散失的热量约 占33％；由自然对流与辐射散失的热量约各占25％【1】。由此可见，只有合理的 确定不同形式的热量传输，才能准确预测铸坯温度分布。通常，即使是同一台铸 机，不同扇形段可能采用不同型号的喷嘴，并且喷嘴的水流量特性与水压、水流 基金项目：国家自然科学基金暨宝钢“钢铁研究联合基金”资助项目(No 作者简介：高文江(1980一)，男，山东潍坊人，硕士，主要从事连铸凝固传热过程数值模拟研究T作 edu．cn E—mail：gao—wj03@mails．tsinghua ．．197．． 第四部分 有关∞1。然而现有的模型大多采用平均换热系数处理：冷区不同扇裂段的冷却 强度。 本研究以不同钢种铸坯的凝固特性、实际铸机结构、辊列布置弓二冷区真实 水流分布为基础，模拟大方坯凝固过程及温度分布，并做为研究多种工艺因素对 铸坯质量及生产效率影响情况的基础。 2凝固传热数学模型 2．1模型的基本假设 描述铸坯凝固冷却过程的数学模型包括基本假设：(1)由于拉坯速度远大于 拉坯方向的导热速度，故忽略铸坯拉坯方向的导热：(2)忽略由于凝固冷却收缩 引起的铸坯尺寸变化；(3)假设钢液的对流传热可用等效增强导热系数处理； (4)对固定坐标系而言，假设在拉坯速度稳定的情况下铸坯处于任一空间位置 的温度不随时间变化，即方坯连铸凝固传热为稳态传热过程。 2．2能量守恒方程 计‘算铸坯温度分布的能量控制守恒方程为： 亿。P咋瓦OT=妄卜n芸)+毒卜一茜)+置 ㈣ 其中： pcP=sP。cPs+(1-￡)p1％ k。=【政。+(1一e)k1]8+芦(1一e芦J S，；K。。亟肇型阻+(c。一。。)p—Trof)] 式中：V矗。。为拉坯速度，m／s；P为密度，kg／m3；cP为定压比热，J／kg·K；T为温 度，K；z为距离弯月面的距离，m；x为铸坯厚度，m；y为铸坯宽度，m；k。H 为有效导热系数，W／mK；Sl为内热源，W／m3；s为固相分数；口为导热增强因 数；L为潜热，J／kg；％为参考温度，K。 2．3溶质守恒方程 模型考虑组成钢液的15种合金元素。铸坯凝固糊状区温度由不同i组