12-金屬凝固及連鑄-連鑄坯的凝固傳熱資料

金屬凝固及連鑄—連鑄局部

第4講：連鑄坯的凝固傳熱文光華2021.10.192內(nèi)容：1、連鑄坯凝固傳熱特點(diǎn)；2、結(jié)晶器凝固傳熱；3、二冷區(qū)的傳熱；4、連鑄坯的凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型。2021.10.193一、連鑄坯凝固傳熱特點(diǎn)特點(diǎn):1)一熱；2)二遷；3)三傳〔物理化學(xué)〕。2021.10.1941、連鑄坯的凝固過(guò)程就是一個(gè)傳熱過(guò)程鋼液固體+Q

單位重量鋼水放出的熱量Q包括：2021.10.195連鑄機(jī)可分為三個(gè)傳熱冷卻區(qū)：1)一次冷卻區(qū)〔結(jié)晶器〕2)二次冷卻區(qū)〔噴水區(qū)〕3)三次冷卻區(qū)〔空冷區(qū)〕從連鑄機(jī)熱平衡來(lái)看：1)鋼水從結(jié)晶器二冷區(qū)輻射區(qū)大約有50%熱量放出，鑄坯才能完全凝固，這局部熱量的放出速度決定了鑄機(jī)生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量；2)鑄坯切割后約還有50%的熱量放出，為利用此局部熱量，可進(jìn)行鑄坯熱裝和連鑄-連軋。2021.10.1962、連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度區(qū)間把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工過(guò)程3、分階段的凝固過(guò)程鑄坯的凝固經(jīng)歷三個(gè)階段：Ⅰ、鋼水在結(jié)晶器內(nèi)形成初生坯殼，K=20；Ⅱ、帶有液芯的坯殼在二冷區(qū)穩(wěn)定生長(zhǎng)，K=25；Ⅲ、臨近凝固末期的坯殼加速生長(zhǎng)，K=27-30。4、已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷“形變熱處理〞過(guò)程1〕承受熱應(yīng)力和機(jī)械力的作用；2〕隨著溫度的下降，坯殼發(fā)生相變。mm/min1/22021.10.197包晶反響：2021.10.1982021.10.199二、結(jié)晶器的凝固傳熱a-形成坯殼；b-平衡狀態(tài)；c-形成皺紋與凹陷；d-坯殼出結(jié)晶器1、結(jié)晶器內(nèi)坯殼的形成2021.10.19102.結(jié)晶器鋼水熱量導(dǎo)出1〕結(jié)晶器熱流2021.10.19112021.10.1912結(jié)晶器坯殼生長(zhǎng)規(guī)律確定凝固坯殼厚度的方法有：1〕試驗(yàn)測(cè)定利用拉漏的坯殼，沿不同高度鋸開(kāi)，測(cè)定坯殼的平均厚度2〕經(jīng)驗(yàn)法3〕熱平衡法2021.10.1913影響結(jié)晶器傳熱因素1〕錐度的影響2〕結(jié)晶器潤(rùn)滑3〕結(jié)晶器材質(zhì)4〕結(jié)晶器參數(shù)5〕冷卻強(qiáng)度；6〕冷卻水質(zhì)7〕鋼水成分。2021.10.1914結(jié)晶器壁溫度分布2021.10.1915三、二冷區(qū)傳熱1、二冷區(qū)熱平衡其它傳熱變化不大，主要研究噴霧水滴與鑄坯之間的熱交換，這一過(guò)程很復(fù)雜，受噴水強(qiáng)度、外表狀態(tài)、冷卻水溫、水滴速度等因素影響。研究傳熱系數(shù)h，是設(shè)計(jì)二冷制度的根底。2021.10.19161〕鑄坯外表溫度Ⅰ外表溫度小于300℃Ⅱ外表溫度在300-600℃Ⅲ外表溫度大于600℃影響二冷傳熱的因素2021.10.19172〕水流密度3〕水滴速度4〕水滴直徑2021.10.19185〕鑄坯外表狀態(tài)氧化鐵皮降低傳熱13%；采用氣水噴嘴，有利FeO剝落，提高了冷卻。6〕噴嘴類型及的使用狀況水噴嘴〔水滴直徑：200～600μm〕；氣水噴嘴(水滴直徑：20～60μm〕；噴嘴安裝高度〔影響水滴速度〕；噴嘴堵塞。2021.10.19192、二次冷卻路線的制訂傳熱觀點(diǎn)：提高二冷區(qū)的冷卻效率，就是增加傳熱系數(shù)h；冶金質(zhì)量觀點(diǎn)：二冷水量和分布與鑄坯質(zhì)量有關(guān)；一般二次冷卻制度應(yīng)根據(jù)鋼種、鋼的高溫脆性曲線來(lái)決定。2021.10.1920鑄坯溫度曲線：2021.10.1921獲得良好的鑄坯質(zhì)量應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)：1〕良好的鑄坯質(zhì)量，無(wú)皮下夾雜；2〕限制鑄坯的中心偏析；3〕防止內(nèi)部和外表裂紋的產(chǎn)生；4〕鑄坯低倍結(jié)構(gòu)中等軸晶比例要盡可能大一些；5〕鑄坯形狀規(guī)整。3、鑄坯冷卻控制的冶金準(zhǔn)那么2021.10.1922鑄坯缺陷的形成與凝固傳熱的關(guān)系1〕鑄坯純潔度與拉速和過(guò)熱度有關(guān)；2〕中心偏析與鼓肚有關(guān)；3〕鑄坯內(nèi)部裂紋可能來(lái)自于坯殼厚度不均勻性及坯殼回?zé)幔?〕鑄坯外表裂紋可能來(lái)自于鑄坯在脆性區(qū)的變形，的相變以及鑄坯溫度分布的不均勻性等。2021.10.1923鑄坯冷卻冶金準(zhǔn)那么：1〕極限冶金長(zhǎng)度H<H07〕其它控制因素，如鑄坯表層組織結(jié)構(gòu)控制等。6〕外表冷卻速度限制C=200℃/m5〕避開(kāi)脆性區(qū)溫度區(qū)間TS≥TsupTS≤Tint4〕鑄坯外表回?zé)嵯拗埔话銥?00℃/m3〕鑄坯鼓肚極限Ti≤T02〕出結(jié)晶器處最小坯殼厚度e≥e02021.10.19242021.10.1925四、連鑄坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型1、鑄坯凝固傳熱方程描述通過(guò)微元體的熱平衡，可推導(dǎo)此數(shù)學(xué)模型。

微元體熱量=接收熱量-支出熱量2021.10.19261〕初始條件：2、方程的邊界條件2〕鑄坯中心：對(duì)稱傳熱〔絕熱〕3〕鑄坯外表：2021.10.19272、離散化方程的建立〔差分方程〕鑄坯斷面差分網(wǎng)格的劃分

以板坯為例，由于板坯連鑄冷卻具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，模擬計(jì)算中只取鑄坯斷面的二分之一。進(jìn)行顯式差分后可以化成九個(gè)差分方程。2021.10.1928

上述九個(gè)差分方程的穩(wěn)定性條件在角部節(jié)點(diǎn)上，角部節(jié)點(diǎn)的差分方程的穩(wěn)定性條件在九各差分方程中要求最為嚴(yán)格。由角部差分方程有：

方程穩(wěn)定條件：

2021.10.1929模型輸入輸出量的關(guān)系：工藝及介質(zhì)參數(shù)鋼種澆注溫度TC二冷各段水量Qi冷卻水溫TW空氣溫度T0空氣傳熱系數(shù)h0輻射系數(shù)σ外表黑度ε各鋼種的熱物性參數(shù)及計(jì)算條件液、固相線溫度TL、TS導(dǎo)熱系數(shù)λ，熱容c，密度ρ凝固潛熱Lf對(duì)流作用系數(shù)m空間步長(zhǎng)△x，△y，時(shí)間步長(zhǎng)△t初始條件和邊界條件方程式凝固傳熱微分方程式及其差分方程組設(shè)備及鑄坯參數(shù)鑄坯斷面A×B結(jié)晶器內(nèi)鋼液高度Lm二冷各段噴水區(qū)長(zhǎng)度Li鋼液面至矯直點(diǎn)長(zhǎng)度L輸出參量出結(jié)晶器坯殼厚度各段出口坯殼厚度各冷卻段凝固系數(shù)總凝固系數(shù)凝固曲線液相穴深度外表溫度分布各段出口外表溫度矯直點(diǎn)外表溫度鑄坯溫度場(chǎng)Tin2021.10.1930連鑄凝固傳熱計(jì)算模型邏輯結(jié)構(gòu)2021.10.1931仿真軟件初始界面2021.10.1932仿真軟件的參數(shù)輸入界面2021.10.1933選擇鋼種界面

2021.10.1934鑄機(jī)參數(shù)界面2021.10.1935二冷水量等參數(shù)輸入界面2021.10.1936水流密度、傳熱系數(shù)關(guān)系式輸入界面2021.10.1937結(jié)晶器傳熱參數(shù)輸入界面2021.10.1938工藝參數(shù)輸入界面

2021.10.1939結(jié)果輸出文件名界面

2021.10.1940計(jì)算結(jié)果界面

2021.10.1941驗(yàn)證：1)同位素示蹤法—參加時(shí)刻已凝固的金屬不含放射元素；2)射釘法；3)測(cè)定外表溫度。應(yīng)用：1〕工藝操作參數(shù)的優(yōu)化模型的驗(yàn)證和應(yīng)用：2021.