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连铸结晶器是薄板坯连铸的重要设备之一,其传热及温度场与薄板坯质量有直接关系。连铸结晶器设计制造工艺复杂,价格昂贵,且使用寿命不理想,所以掌握其温度场的分布对准确实施漏钢预报、安全使用结晶器、预测结晶器铜板裂纹形成位置等非常重要。本课题的研究必将为优化生产工艺参数和结晶器设计提供重要的理论依据和实际参考数据。
对于薄板坯连铸结晶器温度场,国外学者虽进行了研究,但见诸于期刊的论文都没有详细的方法和过程,且给出的边界条件也不十分确切。前人多采用热电偶测温的方法给出了铜板热流密度的分布,但对于温度场的研究不够透彻,不能给出各个位置的铜板温度分布。前人研究采用的方法大多为有限元软件模拟温度场,虽简便快捷,但收敛性和准确性较差。而本工作基于控制容积法采用的源代码编程实现了对铜板温度场的模拟,这在国内尚属首次。源代码编程不仅成本低,收敛性好,而且能够真实准确地反映实际问题,可以全面掌握生产中结晶器铜板各个位置的温度值。另外,通过参考大量的文献选取了全面、确切、合理的边界条件,这也是本工作的主要特色之一。
本工作对漏斗型结晶器的形状作了必要简化,然后通过建立其物理模型和三维传热数学模型,采用FORTRAN语言自编程序实现了对结晶器温度场的计算,并分析了各种工艺参数(拉速、铜板厚度、冷却水流速等)对结晶器铜板温度场的影响。通过计算分析,结果如下:
(1)结晶器铜板热面温度沿铜板高度方向从结晶器顶部至弯月面处温度逐渐升高,弯月面下60mm左右铜板热面温度最高,可达261℃。随着拉坯距离的继续增加,铜板温度总体上呈下降趋势,且在结晶器下部出口处,由于冷却效果减弱,铜板温度会有所回升。
(2)结晶器热面铜板温度横向看温度分布很不均匀,温度呈波浪式分布,两组水缝之间的温度比水缝分布区的温度高。
(3)在现有的正常生产条件下,结晶器铜板的热面最高温度低于铜的再结晶温度,证明该结晶器的设计是合理的。
(4)随着拉速的增加结晶器铜板的热面温度有所升高,但拉坯速度不宜过高,否则会影响铸坯质量及发生漏钢事故,拉速以4m/min~6m/min为宜。
(5)结晶器铜板热面温度随铜板厚度的增加而增加,因此在保证铜板强度和刚度的情况下,应尽量减小铜板的厚度。
(6)高的冷却水流速可获得较高的冷却强度,从而降低铜板的热面温度。当冷却水流速超过8m/s时,增加冷却水流速对结晶器铜板温度场的影响作用不是很大。