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中锰钢薄板坯结晶器内钢液流动与凝固传热行为研究

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中锰钢薄板坯结晶器内钢液流动与凝固传热行为研究

作者：王林杰辽宁科技大学

学位级别：硕士

目前采用传统工艺生产中锰钢主要存在生产工艺流程长、能耗高、铸坯冷开裂等问题,若采用薄板坯连铸技术生产中锰钢虽然可以解决上述问题,但由于中锰钢线膨胀系数大、导热性较低、热应力和收缩应力较大,在结晶器内容易产生裂纹从而导致... 详细信息

目前采用传统工艺生产中锰钢主要存在生产工艺流程长、能耗高、铸坯冷开裂等问题,若采用薄板坯连铸技术生产中锰钢虽然可以解决上述问题,但由于中锰钢线膨胀系数大、导热性较低、热应力和收缩应力较大,在结晶器内容易产生裂纹从而导致质量变低,因此薄板坯结晶器区钢液的稳定流动以及高效凝固传热控制是实现中锰钢薄板坯连铸技术工业化的关键。本文采用数值模拟方法,以薄板坯连铸结晶器为研究对象,通过建立断面尺寸为1500 mm×90 mm中锰钢薄板坯连铸结晶器数学模型,首先研究了薄板坯结晶器内钢液流动行为规律,并对比分析了拉速(4 m/min、5 m/min、6 m/min)、浸入深度(250 mm、300 mm、350 mm)以及水口倾角(10°、20°、30°)对流场的影响;其次为了明确锰含量对传热的影响,基于稳定流场得出的参数,对比分析了中锰钢与低碳钢凝固行为的差异,并研究了过热度、拉速对中锰钢薄板坯结晶器区钢液流动与传热耦合行为特征的影响规律,为中锰钢薄板坯连铸工艺实现工业化提供理论指导,通过研究得出以下结论:(1)通过分析二分之一三维结晶器流场得出,结晶器内钢液流动呈现非对称性,且非对称行为具有随机性。改变浸入深度、拉速以及水口倾角,发现浸入深度对液面流速影响最大,水口倾角次之,拉速影响最小,最终考虑对保护渣层的扰动得出,当拉速为5 m/min,水口浸入深度300 mm以及水口倾角30°时,结晶器内钢液整体流动较为稳定。(2)在上述参数以及过热度25 K条件下,结晶器窄面中心位置处中锰钢纵向出口处的温度高于低碳钢的温度,约为19 K,而靠近结晶器出口位置处低碳钢的横向最高温度高于中锰钢,约为10 K。低碳钢出口表面横向温差约为48K,中锰钢出口铸坯表面横向温差约为57 K,这种温度不均匀性是产生表面裂纹的主要原因。(3)拉速每增加0.5 m/min,窄面中心坯壳就会减薄6.6%～10%,宽面中心坯壳减薄3.43%～6.94%。改变过热度对中锰钢传热影响不大,且当拉速为4m/min,浸入深度300 mm以及合理的过热度范围时,中锰钢出口坯壳厚度可以达到9 mm以上,此时可以防止漏钢事故的发生。

关键词：中锰钢薄板坯结晶器非对称流动凝固传热坯壳厚度

双辊铸轧5182铝合金薄带布流系统及凝固传热研究

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双辊铸轧5182铝合金薄带布流系统及凝固传热研究

作者：段文雄重庆大学

学位级别：硕士

相比于传统的铝合金铸锭半连续铸造方法,铝合金双带式技术具有冷却速度高等优点,但是双带式铸造铝合金技术存在可生产合金种类少,不能生产某些特殊制品。采用水平双辊连续铸造工艺可制备铝合金薄带坯,其具有冷却速度高、近终成形、能源... 详细信息

相比于传统的铝合金铸锭半连续铸造方法,铝合金双带式技术具有冷却速度高等优点,但是双带式铸造铝合金技术存在可生产合金种类少,不能生产某些特殊制品。采用水平双辊连续铸造工艺可制备铝合金薄带坯,其具有冷却速度高、近终成形、能源消耗少等优势。但是水平双辊薄带连铸技术凝固不均匀,液穴不对称,偏心裂纹倾向高,立式高速双辊薄带连铸技术相比于水平双辊连铸技术来说,其有效冷却距离更长,冷却均匀对称,有利于形成均匀的铸带坯组织,其带来的优势是明显的。但是该技术在国内目前处于实验室研究阶段,未能实现工业化生产,因此开展立式双辊薄带工艺过程的深入研究是非常有必要的。其中,布流系统形式的合理与否关系到铸轧过程能否顺利进行及铸轧板带质量的好坏,铸轧熔池内的凝固传热行为直接影响到铸铝工艺的顺行。因此本文以立式高速双辊铸轧5182铝合金薄带连铸工艺的布流系统为研究对象,对辊径800mm的双辊薄带铸铝过程开展了两方面研究:其一是建立了不同布流系统下的双辊铸轧熔池液面流动数学模型,研究分析了不同布流系统对熔池液面流动状态的影响规律,进而为立式双辊薄带铸轧工艺的布流系统合理设计提供理论依据;其二是建立了有立板组成的布流系统下的双辊铸轧熔池凝固传热数学模型,研究不同工艺参数对熔池内凝固kiss点的位置影响规律,为立式高速双辊铸轧5182铝合金铸轧薄带质量以及工艺过程的准确控制提供理论依据。本文主要研究内容和具体结论如下:(1)分别建立了无立板的布流系统和有立板的布流系统的立式高速双辊薄带铸轧熔池液面流动数学模型。确定了计算区域和几何模型,描述了网格划分,确定了边界条件、材料属性和数值求解策略以及收敛条件。在考虑铝液和空气两相流动的情况下,模型可以描述研究熔池内的液面形状及液面湍动能规律。(2)利用建立的无立板的布流系统下的立式高速双辊薄带铸轧熔池液面流动数学模型研究了铸轧工艺条件以及布流系统结构对熔池内液面流动状态影响规律。结果表明:1)熔池上部的液面湍动能随薄带厚度增加而增加,熔池深度增加而减少,铸辊速度为0.5m/s相对最小。2)熔池上部气液两相区面积随布流器水口倾角增大而增大,水口宽度增加而减小;布流器浸入熔池深度为140mm相对最小。(3)利用建立的有立板的布流系统的立式高速双辊薄带铸轧熔池液面流动数学模型,研究了铸轧工艺条件以及有立板的布流系统结构对熔池内液面流动状态影响。获得了有立板情况下合理的布流系统参数:立板与辊面缝宽2mm、立板与辊面接触角60°、立板浸入熔池深度20mm、布流器水口倾角30°、水口宽度10mm、水口高度50mm、布流器浸入熔池深度为140mm。(4)选取了有立板的布流系统为合理的5182铝合金立式高速双辊薄带工艺布流方案:有立板的布流系统。对比分析了无立板的布流系统和有立板的布流系统下立式双辊铸轧5182铝合金薄带熔池内铝液液面流动状态的影响规律,计算得到薄带厚度为4mm时无立板的布流系统和有立板的布流系统下铝液表面气液两相区面积为8.9×10m和1.9×10m。立板的引入提高了熔池深度,减少了熔池上部液面与辊面接触,降低了铝液表面气液两相区面积。(5)针对得到的合理的布流系统参数,建立了有立板的布流系统下立式高速双辊薄带铸轧5182铝合金薄带的工艺过程二维熔池内凝固传热数学模型,研究了不同铸轧工艺参数(浇铸温度、铸辊传热系数以及铸辊转速)对熔池内凝固kiss点的位置影响规律。结果表明:1)浇铸温度升高,铸辊转速增加,熔池内温度区间下移,传热系数增加,温度区间位置上移;2)浇铸温度升高、铸辊转速增大,凝固kiss点高度下降;传热系数增加,凝固kiss点高度上升。浇铸温度为670°C、680°C、690°C和700°C时,凝固kiss点高度分别为59.75mm、53.21mm、46.71mm和40.43mm,传热系数为8000 W/(m·K)、9000 W/(m·K)、10000W/(m·K)和11000 W/(m·K)时,凝固kiss点高度分别为14.64mm、30.78mm、45.91mm和59.75mm。铸辊转速为0.3m/s和0.5m/s时,凝固kiss点高度分别为59.85mm、32.04mm,铸辊转速为0.7m/s时熔池内部未出现凝固kiss点。低辊速的熔池内金属凝固量比高辊速的多,铸辊转速增加,熔池内最终凝固点位置向着辊缝的方向移动。

关键词：铝合金布流系统液面流动状态凝固传热数值模拟

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连铸凝固传热全过程数值模拟与控制

特种铸造及有色合金 2005年第9期25卷 531-533页

作者：王迎春朱立光李大永彭颖红上海交通大学河北理工大学

基于传热学、凝固理论、熔渣理论,建立了凝固传热有限差分数值模型,对连铸全过程进行热状态、凝固状态分析及工艺控制,模型考虑了钢的热物性参数随温度变化的关系。并根据连铸冶金准则和目标温度控制进行二冷优化,获得合理的温度分布和... 详细信息

基于传热学、凝固理论、熔渣理论,建立了凝固传热有限差分数值模型,对连铸全过程进行热状态、凝固状态分析及工艺控制,模型考虑了钢的热物性参数随温度变化的关系。并根据连铸冶金准则和目标温度控制进行二冷优化,获得合理的温度分布和二冷水量分布,实现最佳铸坯品质,同时针对不同钢种的凝固特点,对保护渣性能进行设计。计算值同现场实测数据进行对比,有较好的一致性。最后研究了浇注温度、拉坯速度、二冷配水等工艺参数对铸坯表面温度、液芯长度和凝固坯壳厚度的影响,以及浇注工艺对连铸保护渣指标的影响。

关键词：凝固传热目标温度控制数值模拟保护渣性能连铸

基于交替方向隐式差分算法的连铸坯凝固传热模型

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过程工程学报 2008年第S1期8卷 152-156页

作者：郑忠胡燕罗小刚占贤辉重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 重庆大学生物工程学院重庆400044

针对连铸板坯的凝固传热问题,考虑板坯形状规则的特点,基于交替方向隐式差分算法建立沿连铸板坯宽度和厚度方向的二维凝固传热模型.该模型可以模拟铸坯液相区和两相区的变化、铸坯坯壳厚度变化及铸坯凝固末端的位置等参量,可实现对铸坯... 详细信息

针对连铸板坯的凝固传热问题,考虑板坯形状规则的特点,基于交替方向隐式差分算法建立沿连铸板坯宽度和厚度方向的二维凝固传热模型.该模型可以模拟铸坯液相区和两相区的变化、铸坯坯壳厚度变化及铸坯凝固末端的位置等参量,可实现对铸坯温度场分布特征的计算跟踪.以某炼钢厂立弯式板坯连铸机为研究对象进行工业测试,铸坯断面尺寸为1082mm×200mm,铸机拉速为1.3 m/min,钢种为Stb32z条件下的模拟计算和实测结果表明,凝固传热模型的计算效率可以满足生产要求,计算结果符合凝固规律,计算温度与便携式红外测温仪的实测温度误差为1.4%.

关键词：连铸板坯凝固传热交替方向隐式算法数学模型

基于图形处理器加速的连铸坯实时凝固传热模拟

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冶金自动化 2022年第3期 57-64页

作者：刘晓玉刘文红东北大学信息科学与工程学院

实时模拟连铸坯的传热过程对于保证二冷动态控制的精确性和压下效果十分重要。实际生产过程中，为了适应工艺参数的不断变化，连铸的动态控制系统需要调整二冷水量以保证铸坯表面温度稳定。对于基于模型的动态系统，其核心是准确的在线... 详细信息

实时模拟连铸坯的传热过程对于保证二冷动态控制的精确性和压下效果十分重要。实际生产过程中，为了适应工艺参数的不断变化，连铸的动态控制系统需要调整二冷水量以保证铸坯表面温度稳定。对于基于模型的动态系统，其核心是准确的在线传热模型。然而，在线模型对求解时间的严苛要求往往使得精确的模型在实际应用中受限。针对这个问题，在保障模型计算精度的基础上，应用图形处理器(graphics processing unit, GPU)技术来加速连铸凝固传热过程模拟，并针对连铸凝固传热过程和GPU硬件特征，对求解算法进行设计和优化。与基于28核中央处理器(central processing unit, CPU)并行的模型相比，GPU加速的传热模型实现了78倍的加速比。此外，模型的准确性通过表面温度测量得到了验证，最大相对误差为0.728%。

关键词：凝固传热 GPU 加速模拟连铸实时模拟

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Q355B板坯连铸凝固传热行为数值模拟

连铸 2023年第2期 43-51页

作者：周国涛陈金黄标彩闫威李晶北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室北京100083 福建三钢闽光股份有限公司福建三明365000

针对某钢厂Q355B板坯在拉速提高后连铸工艺参数不匹配的问题,利用ProCAST软件建立铸坯凝固传热模型,研究了不同连铸工艺参数下的铸坯凝固特征。研究结果表明,拉速对板坯凝固过程影响最大,比水量次之,过热度的影响最小。随着拉速增加、... 详细信息

针对某钢厂Q355B板坯在拉速提高后连铸工艺参数不匹配的问题,利用ProCAST软件建立铸坯凝固传热模型,研究了不同连铸工艺参数下的铸坯凝固特征。研究结果表明,拉速对板坯凝固过程影响最大,比水量次之,过热度的影响最小。随着拉速增加、比水量降低、过热度的提高,除坯壳厚度降低以外,铸坯温度、凝固终点及两相区长度均呈不同程度的增加。在现场实际生产过程中发现,在不改变比水量和轻压下位置的情况下,改变铸坯拉速,三者之间未能有效配合,导致铸坯出现严重的中间裂纹。基于模拟结果,在拉速提高至1.0 m/min的情况下,将比水量由0.38 L/kg提高至0.55 L/kg,中间裂纹产生的概率从70%降低到了11%左右,铸坯中心偏析控制在C1.5级以上的比例提高了24.5%。

关键词： Q355B板坯连铸凝固传热数值模拟中间裂纹

基于热损失率目标的板坯连铸凝固传热过程多目标优化

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钢铁研究学报 2014年第6期26卷 31-37页

作者：冯辉君陈林根丁泽民孙丰瑞海军工程大学热科学与动力工程研究室湖北武汉430033 海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室湖北武汉430033 海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033

基于构形理论,以板坯热损失率、表面温度梯度、矫直点表面温度、表面极限温度和液芯长度组成的惩罚函数为优化目标,在二冷总供水流量一定的条件下对板坯连铸凝固传热过程进行优化,得到二冷区各区段最佳水量分配比,分析水量分配比、二冷... 详细信息

基于构形理论,以板坯热损失率、表面温度梯度、矫直点表面温度、表面极限温度和液芯长度组成的惩罚函数为优化目标,在二冷总供水流量一定的条件下对板坯连铸凝固传热过程进行优化,得到二冷区各区段最佳水量分配比,分析水量分配比、二冷总供水流量和拉坯速度对复合函数(板坯热损失率和表面温度梯度的线性加权函数)、热损失率目标、表面温度梯度目标和板坯表面温度的影响。结果表明:与初始水量分配比结果相比,水量分配比优化后的复合函数、热损失率目标和表面温度梯度目标分别降低35.04%,2.14%和59.48%;优化后的二冷区出口温度和空冷区末端温度分别提高6.79%和1.59%。最佳水量分配比方案在提高板坯蓄能的同时也提高了板坯的质量。

关键词：板坯连铸凝固传热多目标热损失率广义构形优化广义热力学优化

Q460钢3250mm×150mm宽板坯凝固传热数值模拟研究和应用

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特殊钢 2022年第4期43卷 1-4页

作者：齐新霞贾琦北京理工大学珠海学院珠海519088 北京市基础设施投资有限公司北京100101

以Q460钢(/%:0.17C,0.35Si,1.5Mn,0.020P,0.020S,0.020Nb,0.075V)3250mm×150mm宽板坯为研究对象,采用ANSYS软件建立凝固传热模型,研究拉坯速度、比水量、过热度等工艺参数对铸坯凝固过程的影响。模拟结果表明:拉坯速度每增大0.10m/min,矫直段铸坯表面温度升高36.5℃,出坯温度升高50℃,坯壳厚度减薄2.4mm,液心长度增加1.2m;每增加1℃的过热度,矫直点铸坯上表面中心温度增加1.73℃,延长液芯长度0.11m;因此,拉坯速度是影响铸坯质量的关键。生产应用表明,3250mm×150mm板坯拉速1.20~1.25m/min,过热度15~20℃时板坯表面矫直温度大于950℃,降低了铸坯中心疏松和偏析,表面质量显著提高。

关键词： Q460钢超宽板坯凝固传热数值模拟

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微合金钢连铸方坯凝固传热过程数值模拟

连铸 2023年第5期 51-56页

作者：蔡大为陆靖洲窦坤潘伟明湘江实验室湖南长沙410205 湖南钢铁集团技术研究院湖南长沙410004 中南大学冶金与环境学院湖南长沙410083

针对微合金钢方坯连铸过程拉速波动大,二次冷却区水量分配均匀性低的实际问题,本文运用有限元法建立了针对目标钢种连铸过程的二维非稳态凝固传热数学模型。在计算相图技术的基础上首先明确了覆盖连铸全流程温度范围内的钢种热物性参数... 详细信息

针对微合金钢方坯连铸过程拉速波动大,二次冷却区水量分配均匀性低的实际问题,本文运用有限元法建立了针对目标钢种连铸过程的二维非稳态凝固传热数学模型。在计算相图技术的基础上首先明确了覆盖连铸全流程温度范围内的钢种热物性参数变化规律与凝固特性,并以此为输入参数,结合实际连铸过程工艺参数进行了计算求解,定量化分析了浇铸温度、拉速对铸坯凝固传热过程的影响。结果表明,相对于拉速,浇铸温度的提高对铸坯表面温度的影响不大。当拉速从0.50 m/min提高到0.55、0.60 m/min时,矫直点处铸坯宽面中心温度依次提高33.7、28.6℃,角部温度依次提高21.8、19.1℃,但回温过大的现象依然存在,需要进一步通过调整水量分配的研究来改善。

关键词：连铸微合金钢有限元凝固传热数值模拟