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硕十论文 大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 摘要 现代板坯连铸机由结晶段、扇形段、矫直压下装置、香蕉座组成。其中香蕉座支 撑着扇形段，香蕉座的支撑刚度决定扇形段的对弧精度，从而影响正常拉坯阻力及正 常下压力。因此在生产过程中保证运行稳定，设备使用寿命，铸坯表面质量，铸坯内 部质量，香蕉座起关键作用。 针对梅山钢铁公司钢坯连铸机，应用f l u e n t 有限元软件对铸坯矫直过程进行了 热传导、热辐射、热对流的有限元分析，获得了铸坯在矫直过程中香蕉座的温度分布 情况。应用a n s y s 有限元软件并通过手工热机耦合法论文最后得出香蕉座应力分布情 况。结果将对扇形段设计、工艺制度以及分析铸坯质量问题具有很好的指导意义。 本文的主要研究内容为： 1 香蕉座的三维几何模型：香蕉座几何模型；香蕉座部件几何模型。 2 香蕉座的物理模型：香蕉座约束模型；香蕉座部件力学模型和接触模型。 3 香蕉座热场模型和测试：二冷蒸汽对流传热模型；板坯高温辐射传热模型； 香蕉座结构内热场反演模型； 4 香蕉座复杂热变形数值仿真和测量：香蕉座温度场仿真； 5 香蕉座复杂热变形的关键因素分析和结构优化分析：香蕉座复杂热变形的关 键因素分析；防范和抑制热变形的措施分析；香蕉座结构优化分析。 关键词：连铸钢坯；有限元仿真；热分析：辐射 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h em o d e ms l a bc a s t e ri sc o m p o s e do fc r y s t a ls e c t i o n ，s e g m e n t ，s t r a i g h t e n i n gd e v i c e 、 b a n a n a - s e a tw h i c hs u p p o r tt h ef a n - s h a p e ds e c t i o n t h es u p p o r ts t i f f n e s so ft h eb a n a n a - s e a t d e c i d e dt h ea c c u r a c yo ft h ef a n s h a p e ds e c t i o na r c t h u sa f f e c t i n gt h en o r m a lr e s i s t a n c ea n d n o r m a lp r e s s u r e t h e r e f o r e ，i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，b a n a n a s e a tp l a y e dak e yr o l et o e n s u r es t a b l eo p e r a t i o n ，e q u i p m e n tl i f e ，s l a bs u r f a c eq u a l i t y , s l a bi n s i d eq u a l i t y t oa d d r e s st h eb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ei n s t e e l m a k i n gp l a n to fm e i s h a ni r o n ， u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo ff l u e n tt od ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h i c ta b o u tt h e h e a tt r a n s f e r , t h et h e r m a lr a d i a t i o n ，t h et h e r m a lc o n v e c t i o ni nt h ep r o c e s so ft h es l a b s t r a i g h t e n i n g ，a n do b t a i n e dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h eb a n a n a s e a ti nt h ep r o c e s so f t h es l a bs t r a i g h t e n i n g f i n a l l y , i to b t a i n e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h eb a n a n a - s e a tb yu s i n g t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fa n s y sa n dt h em e t h o do fh a n dh e a te n g i n ec o u p l e d t h e r e s u l t sw i l lh a v eag o o dg u i d ef o rt h es e g m e n td e s i g n ，t h ep r o c e s ss y s t e ma n dt h ea n a l y s i s o fs l a bq h a l i t y t h em a j o rr e s e a r c hc o n t e n t sa r ec o n c l u d e da st h ef o l l o w i n g s ： 1 t h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e lo ft h eb a n a n a - s e a t ：g e o m e t r i cm o d e l ；g e o m e t r i c m o d e lo fp a r t s 2 p h y s i c a lm o d e lo f t h eb a n a n a - s e a t ：c o n s t r a i n tm o d e l ；m e c h a n i c a la n dc o n t a c tm o d e lo f p a n s 3 t h e r m a lf i e l dm o d e lo ft h eb a n a n a - s e a ta n dt e s t s ：c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rm o d e lo f s e c o n d c o o l i n gs t e a m ；h e a tt r a n s f e rm o d e lo f 。s l a b i n h ig ht e m p e r a t u r er a d i a t i o n ； i n v e r s i o nm o d e lo fs t m c t u r a lt h e r m a lf i e l d 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n to fc o m p l i c a t e dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h e b a n a n a s e a t ：s i m u l a t i o no ft h e r m a lf i e l d 5 k e y f a c t o r sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n a l y s i so fc o m p l i c a t e dt h e r m a ld e f o r m a t i o no f t h eb a n a n a - s e a t ：k e yf a c t o r sa n a l y s i so fc o m p l i c a t e dt h e r m a ld e f o r m a t i o n ；p r e v e n t i o n a n di n h i b i t i o nm e a s u r e sf o rt h e r m a ld e f o r m a t i o n ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n a l y s i s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gs t e e lb i l l e t ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；t h e r m a la n a l y s i s ； r a d i a t i o i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 伽旃乡月如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕上论文 大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 1 绪论 自从2 0 0 1 年加入世界贸易组织后，国内钢铁企业受到国外一些一流企业的优质 而且低价钢铁产品的挑战。在这种大环境下，虽然我国钢铁工业结构在这些年来不断 优化改革，已取得不错发展，但我国钢铁连铸生产水平跟国外先进国家的生产水平仍 然存在较大差距。其具体体现主要有如下几个方面n 5 1 ：常规连铸生产技术在国外已 趋成熟( 整个连铸生产流程平稳、流畅、基本能保持无故障、无事故) ，作业率普遍 大于9 0 ，也已经基本可生产无缺陷铸坯( 包括合金钢) 。而相对于国外，国内铸坯 机生产稳定性偏差，事故发生率偏高，作业率普遍偏低，铸坯质量偏低。 1 1 工程背景 连铸技术是一种将钢水直接浇铸成钢坯的工艺技术。各种炼钢方法所得到的规定 成分和温度的钢水，被连续不断地浇注在一个或一组实行强制水冷并带有“活底”的 铜模内，待钢水凝固成一定厚度的凝壳后，钢水便与“活底”粘结在一起，用拉辊咬 住与“活底”相连接的装置，这样铸坯就会连续从铜模下口被拉出来，这就是连续铸 钢。连铸生产工艺具有以下优点：提高金属收得率；降低能源消耗；生产过程机械化 和自动化程度高；连续钢种扩大，产品质量日益提高【6 吲。 连铸机型主要有立式连铸机；立弯式连铸机；弧形连铸机；椭圆形连铸机；超低 头连铸机；水平连铸机。如表1 1 。此外，国内外还出现了同步旋转式连铸机、轮带 式连铸机、离心连铸机、薄板坯连铸机。 表1 1 连铸机演变和特点 连铸机型立式立弯式 全弧形直弧形 出现时间2 0 世纪5 0 年代2 0 世纪6 0 年代2 0 世纪7 0 年代2 0 世纪8 0 年代 铸机高度 3 3 4 52 2 3 0 6 1 26 1 4 设备优点夹杂物易上浮，液夹杂物易上浮，液 设备高度低，投资设备高度低，钢 芯坯无弯矫变形，芯坯无弯矫变形，少，钢水静压小，水静压小，鼓肚 可减轻裂纹产生。可减轻裂纹产生。鼓肚轻。量小，弯矫应力 小。 设备缺点占用空间大，投资占用空间大，投资夹杂物易向内弧设备较复杂，设 大，钢水静压大，大，钢水静压大，面聚集。备投资大。 鼓肚严重。鼓肚严重。 梅山钢铁公司钢坯连铸机属于弧形连铸机【9 1 ，如图1 1 。 砸”论空 孽写；孕 图11 弧形连铸机生产流程示惹凹 j 钢水罐：2 中间罐；3 结晶器；4 一二次冷却装置；5 - 振动装置： 6 铸坯：7 一运输辊道；8 切割设备：9 拉坯矫直机 从上图可以看出钢液由盛钢桶经中间罐连续不断地注八个或一组水玲铜制结 晶器。结晶器底部由引锭头承托，引锭头与结晶器内壁四周严格密封。注入结晶器的 钢液受到强烈冷却后，迅速形成一定形状和坯壳厚度的铸坯。当结晶器内钢水浇注到 规定高度时，启动拉矫机，结晶器同时振动，拉辊夹住引锭杆以一定速度将带液芯成 形的铸坯拉出结晶器，进入二冷却区域。继续喷水冷却，直至完全凝固。铸坯经矫直 后，脱去引锭装置，再切割成定尺陡度，由输送辊道运走。理论上连铸生产的工艺流 程为：钢包一中间包一结晶器一一次冷圭| j 一拉坯矫直一切割呻辊道输送_ + 推钢机一 铸坯。 弧形连铸机的几个重要参数： 1 ) 铸坯断面形状及尺寸：为保证连铸坯轧制后轧材的质量，根据铜种及成材要 求应用31 0 的压缩比。 2 ) 拉坯速度：以每分钟拉出的钢坯长度来计算，最大拉速受结晶器下口铸坯凝 壳厚度的限制。可以下面的经验计算公式计算：= 专，m m i n 式中叶为工 作拉坯速度；l 为铸坯断面周长；a 为铸坯断面面积；k 为速度换算系数。 3 ) 圆弧半径：由图卜1 可咀看出铸坯离开结晶器后，大约经过1 1 4 个圆周长度 就进入矫直辊。如果圆弧半径选得过小则铸坯矫直时内层纤维变形太大容 易开裂。 由于铸机圆弧半径与选定铸机类型、钢种、铸坯厚度和拉坯速度有关，可用下 式计 r = m 露$ 垆 ( 1 1 ) 式中，r 为初定的铸机圆弧半径，计算结果可取为5 0 的整数倍数，b l c 为铸机类 型系数，直弧形铸机通常取1 0 ；a 】i l 为铸坯厚度，s e 为钢种系数，普碳钢为l ，中高 顶论女大型镕连诗机香燕复杂热变形行为分析 碳钢为2 ，中高台盒钢为3 ：v c 为拉速，m m i n 。 4 ) 算初定的铸机圆弧半径 5 ) 铸机流数的选择 6 ) 连铸机的生产能力：由理论小时产量计算和年生产能力计算。 梅钢2 号板坯连铸机主要技术参数：如下表l2 。 表12 梅钢2 号板坯连铸机主要技术参数 项目2 号连铸机参数 铸机k 度m m4 13 2 9 铸机机型直弧形、连续弯曲矫直 铸机基本半径m i n 80 0 0 铸机流数1 机2 流 段数1 个垂直弯曲段，5 个扇形段，2 个矫直段，1 0 个水平段 铸坯断面尺j 。口i m ( 2 1 0 2 3 0 ) ( 7 0 0 l3 2 0 ) 结晶器度m m 9 0 0 上作拉遮 08 24 m t l i1 结晶器振动方式液压振动，正弦和非正弦振动，振幅o 1 2 衄，振频4 0 0 扶m i n 二次冷却方式气雾冷却 辊子及其冷= 日打式分节辊、内冷却方式 原有梅钢2 # 连铸机一流香蕉座v a i 设计选择材料为s 2 3 5 j r g 2 ，常冶转化为 q 3 4 5 ，在现在使用中发现香蕉座出现开口现象，5 # 弧形扇形段需要加2 m m 的垫片。 2 # 连铸机香蕉座在工作状态下受二冷蒸汽对流传热和板坯高温辐射传热，造成发杂变 形，导致香蕉座及安装在其上部的扇形段几何精度降低( 弧度超差) ；进而影响板坯 的拉矫阻力、辊组接触应力和径向载荷显著升高。图12 为钢坯辐射情形。圈1 3 为 扇形段对钢坯进行二冷水雾冷却情况。 图12 高温钢坯圈l3 扇形段水雾冷却 l 绪论硕十论文 1 2 连铸机发展简介 自加入世界贸易组织以来我国钢铁工业发展迅速，成为世界上第一产钢大国。继 2 0 0 2 年全国钢铁产量达到1 8 2 亿吨后，2 0 0 3 年钢产量已超过2 亿吨。钢产量的迅猛 增长同时钢铁连铸技术也在高速发展和进步，从而带动了了连铸生产规模的大幅提 高。2 0 0 2 年全国的连铸比已达到9 3 7 ，2 0 0 3 年上半年达到9 4 6 5 ，从而达到了工 业发达国家的连铸比水平。随着我国国民经济的快速发展，对板带材需求越来越高。 有关资料统计表明，我国目前的板带比大约为3 6 ，每年从国外进口的1 0 0 0 多万顿 钢材中9 0 以上为板带材，其中主要包括冷轧板、彩涂板、镀层板、不锈钢板、硅 钢片等附加值比较高的产品。为此，结合钢铁领域发展需要，我国钢铁工业产品和工 艺结构调整重点是增加板带生产设备投资，提高板带材及高附加值产品质量和产量 1 1 2 ? o 板带整个生产流程中板坯连铸为其重要环节，板坯的质量好坏将直接影响到工艺 后期板带的轧制。因此，近年来板坯连铸技术主要是围绕无缺陷铸坯生产技术、高效 连铸机生产技术、高可靠性连铸机设备设计、制造技术、先进实用的连铸机自动化控 制技术及工艺操作软件、炼钢一连铸一轧钢全流程生产衔接和管理技术等方面进行改 进。 1 2 1 常规板坯连铸技术 常规板坯连铸机发展已有几十年的历史，机型发展经历了立式一立弯式一全弧型 一直弧型等几个阶段。近年来，直弧型板坯连铸机成为现代常规板坯连铸机的主导机 型是因为它在减少和改善铸坯内部夹杂物方面有其较大优势。常规板坯连铸机较其他 连铸技术的进步主要表现在工艺设备技术的优化、自动化控制水平的不断提高和完 善、满足生产实际需要的工艺操作软件的开发和应用。 现代常规板坯连铸机采用的新技术如下【1 3 】： 1 ) 全程无氧化保护浇注； 2 ) 钢包下渣检测； 3 ) 大容量及流场优化的中间罐； 4 ) 结晶器液面和中间罐液面自动控制； 5 ) 高精度结晶器液压振动装置； 6 ) 连续( 或多点) 弯曲和连续( 或多点) 矫直： 7 ) 铸坯导向段全程多支点密排辊； 8 ) 动态调节的二冷气水冷却； 9 1 全程动态轻压下； 1 0 ) 结晶器在线调宽； 4 硕士论文大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 l1 ) 结晶器漏钢预报及控制系统； 1 2 ) 计算机控制、管理及质量判定； 1 3 ) 在线辊缝自动测量； 。 1 4 ) 中间罐浸人式水口快换及线外维修： 1 5 ) 中间罐快换技术； 1 6 ) 主机没备的整体吊换及线外维修； 1 7 ) 在线喷印及去毛刺技术： 1 8 ) 板坯热送热装技术。 1 2 2 中厚板坯连铸技术 中厚板坯连铸技术主要用于中板和炉卷生产。中厚板坯连铸机所浇注的板坯厚度 范围为1 0 0 1 5 0 r r n n ，介于常规板坯和薄板坯之间。中厚板坯连铸技术主要是以西马 克一德马克、奥钢联、达涅利为代表的国外公司开发研制。其生产工艺是将连铸机生 产出的中厚板坯热送至加热炉加热后进炉卷轧机轧制，既可进行中厚板的单张* l n ， 也可采用卷轧工艺生产中板。与传统的中厚板生产工艺相比中厚板坯连铸技术可大幅 度降低能耗、显著提高中板成材率。国内已引进并正在建设三条宽板坯连铸一炉卷轧 机生产线。国内中厚板坯连铸机概况【1 4 】见表1 3 。 表1 3 国内中等厚度板坯连铸机概况 l 绪论硕士论文 中厚板坯连铸采用的新技术与常规板坯连铸相同，由于所浇注的板坯宽度较大， 除采用常规连铸技术外，特别应用如下技术： 1 ) 采用特殊优化设计的结晶器浸入式水口在全拉速范围内保证钢水在结晶器内的 分配和合理的流动，从而保证了结晶器内流场和热流的均匀分配，提高铸坯表面 质量，减少漏钢危险。 2 ) 二冷系统采用纵、横两方向上分区控制保证不同宽度铸坯最佳冷却条件，使铸坯 全宽 3 ) 面上冷却均匀，获得最佳的铸坯质量。 4 ) 浸人式水u 位置控制模型在浇注过程中通过安装在中间罐车的位置传感器自动调 整浸入式水u 在结晶器内的位置，提高水u 的使用寿命。 5 ) 整个扇形段区域采用动态轻压下技术。 1 2 3 薄板坯连铸技术 薄板坯连铸连轧是2 0 世纪9 0 年代国际钢铁工业中的一项重大新技术，自1 9 8 9 年第一套生产设备在美国的纽克厂投入工业生产以来，其推广应用的速度很快。尤其 是德国西马克公司开发的c s p 工艺和意大利达涅利公司开发的f i s r 工艺，近1 0 年 来得到迅速地发展。到目前为止，我国已经建成投产及正在建设的薄板坯连铸连轧生 产线已达到7 条、1 4 流连铸机。表1 4 列出我国已建成投产及正在建设的薄板坯连铸 机概况。从表中可以看出，薄板坯连铸机采用的是c s p 和f i s r 这两种最先进的主导 工艺。 表1 4 我国建成投产及在建的薄板坯连铸机概况 6 硕士论文 大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 口 铸坯导向3 4 3 1 0 441 0 段( 扇形 段) 数量 投产日期 1号1 号2 0 0 2 1 0 1号2 0 0 3 92 0 0 4 42 0 0 5 4 1 9 9 8 1 1 2号 2 0 0 3 2 1 9 9 0 1 2 2号 2 0 0 2 1 0 2 0 0 3 2 2 号 2 0 0 4 6 薄板坯连铸除采用常规的连铸技术外还具有其独特的新技术【1 5 】。 1 ) 漏斗形结晶器：c s p 工艺和f y s r 工艺均采用漏斗形结晶器，但是其形状和尺 寸不同。经多年的改进和生产实践证明，二者均能满足生产要求。 2 ) 液芯压下和动态轻压下c s p 工艺可实现铸坯的带液芯压下减薄功能，但凝固末 端轻压下功能尚未成熟，大多数c s p 连铸机未采用此技术；而f i 。s r 工艺则同时具备 二项功能。液芯压下和动态轻压下的优点是可以满足轧钢对坯厚的要求，同时也提高 了铸坯质量。 3 ) 电磁制动：薄板坯连铸由于拉速高，钢液从浸入式水口高速流出后，易对坯壳 7 l 绪论 硕士论文 形成冲刷和造成液面波动。应用电磁制动可以减轻冲刷，稳定钢液面。 4 ) 自动开浇：薄板坯连铸拉速高，手动操作难以控制开浇过程，因此大多数薄板 坯连铸机均采用此技术。 5 ) 液压振动：采用液压振动可以灵活地调整和改变振动参数，不限于单一的正弦 振动，有利于改善铸坯的润滑和减轻振痕，改善铸坯表面质量。目前，所有薄板坯连 铸工艺均采用形式不同的液压振动装置、以适应高拉速和多钢种浇注要求。 6 ) 优化设计的浸入式水口。 7 ) 适合高拉速的各种保护渣。 1 3 连铸坯质量缺陷及影响因素 1 3 1 连铸坯质量控制 最终产品质量决定于所提供的铸坯质量。根据产品用途的不同，提供合格质量的 铸坯，这是生产中所考虑的主要目标之一。从广义来说，所谓铸坯质量是得到合格产 品所允许的铸坯缺陷的严重程度。所谓铸坯质量的含义是指【1 6 2 0 】： 铸坯的纯净度( 夹杂物含量、形状、分布) ； 铸坯表面缺陷( 裂纹、夹渣、皮下气泡等) ； 铸坯内部缺陷( 裂纹、偏折等) 。 有关常见的铸坯内外缺陷如图1 4 和图1 5 所示。 图1 4 铸坯表面缺陷示意图图1 5 铸坯内部裂纹示意图 1 表面纵裂纹2 表面横裂纹3 网状裂纹1 角裂2 中间裂纹3 矫直裂纹 4 角部裂纹5 边部纵裂纹6 表面夹渣4 皮下裂纹5 - 中心线裂纹 7 皮下气泡8 深振痕 6 星状裂纹 铸坯的纯净度主要决定于钢水进入结晶器之前的处理过程，也就是说要把钢水搞 干净些，必须在钢水进入结晶器之前各工序下功夫，如选择合适的炉外精炼，钢包、 中间包、结晶器的保护浇注等。 r 硕：i ：论文大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器内坯壳的形 状、结晶器振动、保护渣性能、浸入式水口设计及钢液面稳定性等因素有关的，必须 严格控制影响表面质量的各参数在合理的目标值以内，以生产无缺陷的铸坯，这是热 送和直接轧制的前提。 铸坯的内部质量主要决定于铸坯在二冷区的凝固冷却过程和铸坯的支撑系统的 精度。合理的二冷水量分布、支撑辊的严格对中、防止铸坯鼓肚变形等，是提高内部 质量的关键。 因此为了获得良好的铸坯质量，我们可以根据钢种和产品不同要求，在连铸的不 同阶段如钢包、中间包、结晶器、二冷区采用不同的工艺技术，对铸坯质量进行有效 的控制，以消除铸坯缺陷或把缺陷降低到不影响产品质量所允许的范围内。 1 3 2 连铸坯质量缺陷及防止措施 总的来说连铸坯比模铸钢锭的质量要好。表现在：钢材各部分化学成分比较均匀； 连铸坯激冷层铰钢锭厚，晶粒也更细，而且可得到铸坯特有的无侧枝的细而致密的柱 状晶，如低碳铸坯的密度为7 6 9 c m 3 ，而同钢种模铸钢锭的密度为7 4 9 c m 3 连铸坯 的非金属的含量比较低，一般连铸坯中非金属夹杂比模铸钢锭低2 0 左右；连铸坯表 面质量较好，表面缺陷比模铸钢锭少。 但是弧形连铸坯内侧的偏折比较严重，影响了钢材性能的均匀性。 连铸坯与模铸钢锭结晶过程基本相同，产生的缺陷也基本上一样。连铸坯的缺陷 包括表面缺陷、内部缺陷和形状缺陷三部分平 2 1 - 2 2 1 。连铸坯缺陷的严重程度决定于机 型。铸坯断面、钢种及操作条件，每种缺陷的危害程度也因钢种和用途不同而有显著 差别。 一、表面缺陷 1 纵向热裂纹 纵向热裂纹是在铸坯表面沿长度方向发生的裂纹。扁坯上的纵向热裂纹多出现在 宽板坯的宽面上。方坯多发生在棱角部位。表面纵向热裂纹是由于在结晶器内生成的 凝固壳不均匀，张应力集中在某一薄弱部位情况下发生的。凝固壳厚度的不均匀与气 隙的均匀程度有关。因为气隙形成后，向结晶器的热传递减少，所以当气隙不均匀时 将是凝固壳的厚度也不均匀。 防止措施如下： 1 ) 正确设计结晶器； 2 ) 选用性能合适的保护渣浇注； 3 ) 采用形状合适的伸入式水口； 4 ) 合适注温注速的控制； 9 1 绪论硕：j ：论文 5 ) 化学成分对热纵裂的影响； 2 横向热裂纹 横向热裂纹在铸坯的宽面、窄面及角部均可产生。一般认为它是由矫直时产生的 抗张应力造成的。所以可以防止横向热裂纹产生，可采用调整二冷却水的分布，使铸 坯到矫直点时的表面温度保持在7 0 0 度以下或9 0 0 度以上的措施。 3 表面冷纵裂 表面冷纵裂产生在铸坯表面凝固后继续冷却到相变的温度范围内，铸坯的冷却速 度越快，相变引起的组织应力越大，越容易引起冷纵裂。 应采取坑冷或缓冷退火。 4 星状裂纹 铸坯表面的细小裂纹，呈星状分布。可以通过控制钢中铝的含量来减少形状裂纹。 5 气泡 使用强脱氧剂减少钢中氢含量，防止钢流二次氧化，提高浇注速度，增加钢水静 压力等都能抑制气泡的产生。 6 凹坑、划痕、振痕、夹渣、重皮、重接。 二、内部缺陷 1 内部裂纹 1 ) 皮下裂纹： 主要原因：二冷水分布不均匀，因喷嘴堵塞或二冷水太强；支承辊对弧不准，尤 其是二冷区第一对导辊对弧不准。 2 ) 压下裂纹： 铸坯带液芯矫直，在外力作用下凝固前沿断裂，并伴随有偏析线。 改进措施：加强二冷和控制拉速，使铸坯在进入拉矫机时完全凝固，避免带液芯 矫直。 3 ) 中间裂纹： 4 ) 星型裂纹： 5 ) 角部裂纹t 6 ) 菱形裂纹： 7 ) 中心裂纹： 中心线裂纹，是指在板坯厚度中心线上出现的裂纹，也叫做断面裂纹。这种裂纹 由于在板坯进一步加热时会氧化，因此中心线裂纹虽然很少出现，但其危害却很大。 中心线裂纹的产生与操作条件有较大关系。例如，在浇注中更换钢包和中间包等异常 操作情况下容易发生。特别是在液相穴末端附近，由于辊子不正和在该处受到强烈冷 却，或中间包钢水过热度太高时都会出现中一t l , 裂纹。它是由于钢水补缩中断产生大量 1 0 硕士论文大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 缩孔形成的，而不是在完全凝固之后产生的。因此，它是和树枝晶“搭桥 造成中心 缩孔具有同样性质的缺陷。另外，如果钢中含氢在l o p p m 以上时，凝固末期发生的 氢压力大于钢水的静压力，从而妨碍了钢水补缩而生成大量缩孔，结果导致中心线裂 纹的产生。 中心星状裂纹是指方坯中心缩孔附近呈放射状的裂纹，它是与板坯中心线裂纹形 成原因相似的一种缺陷，也是由于钢水温度过高、浇注太快和二冷过激造成的。 2 中心疏松 在连铸坯剖面上可看到不同程度的分散的小空隙。 防止和减少中心疏松的措施： 1 ) 根据钢种、钢液温度和二次冷却强度，确定合适的拉速。对于凝固温度范围 宽的钢种，要降低二次冷却强度，拉速也要减慢。 2 ) 选择合适的浇注温度。浇注温度高将增加中心疏松，但注温也不能过低，应 该选择注温中限，以保证钢液有足够的流动性来补充铸坯凝固中的体积收缩。 3 ) 二冷区采用电磁搅拌【2 3 2 4 1 。 4 ) 加大压缩比。 3 中心偏析【2 5 1 通过对凝固过程中的钢液实施电磁搅拌，在完全凝固之前，防止铸坯鼓肚变形， 对于减轻中心偏析是很有效的。 4 大型夹杂物 降低大型夹杂物的重要措施是：尽量减少脱氧产物的生成量和促进脱氧产物从钢 液中上浮分离：防止空气氧化钢流；钢水罐和中间罐吹起净化；中间罐设置挡渣墙； 减少对耐火材料的机械冲刷和化学上的溶损。 三、形状缺陷 1 鼓肚 鼓肚常发生在板坯上，板坯鼓肚程度是以中央与边缘的厚度差来衡量。产生鼓肚 的原因是铸坯出结晶器后得不到有效的支撑，钢水在静压力作用下造成的坯面外凸。 鼓肚严重时往往伴有纵向裂纹、偏析等内部缺陷产生，还会使拉坯阻力增加，甚至损 坏辊子和其他设备，使浇注被迫停止。易产生鼓肚的环节为：二冷夹辊( 特别是弧面 夹辊) 间距过大，或刚度不够，或辊子定心调整不良，使铸坯产生鼓肚；在工艺方面 拉速过快；二冷控制不当，均会导致铸坯鼓肚阳。 鼓肚变形是指带液芯的高温连铸坯在钢水静压力作用下，两导辊间发生鼓胀成凸 面的现象。板坯宽面中心凸起的厚度与边缘厚度之差称为鼓肚变形量，以此衡量鼓肚 变形程度。板坯鼓肚会引起液相穴内富集溶质元素钢液的流动，从而加剧铸坯的中心 偏析；也有可能形成内部裂纹，影响铸坯质量。为防止鼓肚变形，应选择合适的辊间 l 绪论硕士论文 距、良好的辊子刚度、保证辊子对中精度及合理的二冷强度。通常采用小辊径、密排 分节辊防止鼓肚发生，以提高铸坯表面质量。选择合适的鼓肚变形量计算公式，是计 算鼓肚应变的重要前提。由于蠕变在高温坯壳的鼓肚变形中占有极其重要的地位，因 此所选的计算公式必须包含蠕变项，且不能含有不确定的参数，同时参数需经过实验 数据的验证。基于梁的弹性变形理论推导出来的鼓肚变形量如式( 1 1 ) ，这里把鼓肚 近似地看成是梁弯曲时所发生的变形： 万：翌! 竺i 翌! ! 皇!( 1 2 ) 3 2 e s 。 式中，艿、l 、p 、s 和e 分别为鼓肚变形量、辊间距、钢静水压力、坯壳厚度和弹性 系数；t 为铸坯经过辊间距l 所用的时间，m i n ，用于表示与时间相关的蠕变影响； 为铸坯宽度形状系数，r 。为的修正系数，对于板坯取7 7 = 2 5 。 铸坯鼓肚量是按弹性变形计算的，弹性系数表达式为： e ：玉丛1 0 6 ( 1 3 ) 丁l 一1 0 0 式中，t 。为钢水凝固温度；乙为坯壳平均温度，可取铸坯表面温度与钢水凝固温度 的平均值。鼓肚应变的计算式为：1 6 i 0 0 一s 6 2 菱形变形 菱形变形是在结晶器内发生的。主要原因是结晶器内冷却不均匀造成。 1 3 3 连铸香蕉支座与铸坯质量 在现代大型板坯连铸机中为了提高弯曲诱导段后缘线的对中精度，便于更换扇形 段简化基础，大都采用其侧面形状类似香蕉的大型焊接结构支撑框架，俗称香蕉座【2 7 1 。 1 2 硕i 。论女 大型钢坯连锌目l 香燕座复杂热变形行为分析 图16 香蕉座 香蕉座在工作状态下受二冷蒸汽对流传热和扳坯高温辐射传热，造成发杂变形， 导致香蕉座及安装在其上部的扇形段几何精度降低( 弧度超差) i 进而影响板坯的拉 矫阻力、辊组接触应力和径向载荷显著升高。在连铸铸坯质量问题上将出现鼓肚、表 面纵向热裂纹、皮下裂纹、压下裂纹等。如图l6 ，圈17 所示。 保证香蕉支座对弧精度在提高铸坯质量上有重要作用，而且也具有保护连铸设备 有重要作用。其中主要要解决的是热应变如图1 - 4 所示：由于凝固坯壳外表面被强制 冷却，而铸坯内部液芯接近于钢液温度，在凝固坯壳内会存在很大的温度梯度。这种 温度分布的强烈不均，使得坯壳各部分的自由伸缩受到相互制约，从而在坯壳内部产 生很大的热应力，过大的热应力会使铸坯在内部和表面生成裂纹或使原有的裂纹扩 展。通常，热应力的精确计算比较困难，需要建立有限元数学模型，通过复杂的数值 造代进行求解。一般热应力可依式f 11 ) 进行估算： 口= ；敝一瓦) 芝( 13 ) 式中，2 3 表示沿铸坯厚度方向温度分布的修正系数：口为坯壳表面热应力，m p a ： t s 为钢的囿相线温度，摄氏度；t s 为坯壳表面温度，摄氏度；a 、e 和，分别为铸坯 的收缩系数、弹性模量和泊橙比。 热应变是指在热应力作用下凝固坯壳发生的应变，根据蠕变理论，热应变计算式 为： r 盯1 3 1 唧。【五：i 耳面j o4 ) 砸i 论z 式中，为热应变，0 1 02 ；o - 为热应力，n m 2 ：a 为材料蠕变系数，n m 2 ； b 为材料蠕变指数，o c ；t 为坯壳温度，o c 。 最大应变是上述四种应变同时出现，假设凝固前沿产生的各种应变可以线性叠 加，则铸坯凝固前沿承受的综合应变量为 毛= 岛+ s + 勃+ 辱 式中，印。、。、f 。、s ，分别为铸坯凝固前沿综合应变量、鼓肚应变、矫直应 变、辊子不对中应变和热应变。 图l7 香蕉座复杂热席变 l 论文 大型荆坯蛙铸机香蕉庄复杂m 变形行为廿析 2 本文的主要研究内容及分析思路 2 1 香蕉支座研究现状 陈伟、王距东、张春捷l 对本钢1 6 0 0 连铸机7 1 3 r 框架的装配及测量方法进行分 析、探讨，确定台理的装配方案，保证支撑框架即香蕉支座的最终装配精度。金正瑞、 戴广惠口”以舞钢1 9 0 0 m m 板坯连铸机香蕉的结构、安装特点及载荷情况为背景对香蕉 座在不同工况下进行载荷分析得出了最大基础符合。并推导出相应的计算公式。这些 计算方法及公式适用于各种规格板坯连铸机类似结构的香蕉座基础负荷计算。高玉 芳，于维民，宋剐兵【3 0 j 通过对宝钢1 4 5 0 板坯连铸机香蕉座的有限元分析，给出了应力 场、位移场的详细分布，为今后的香精座设计提供了可靠的依据。通过阅读我们可以 看出此次研究并未对香蕉座进行细致建模，物理模型与实际相差较大，有待较大的改 进。李东辉、闫小林，陈伟1 3 1 1 1 3 j 等对连铸坯在结晶段二冷区的传热过程进行细致 的有限元分析，从中可以得到铸坯在香蕉座区域的表面温度分布，对本文所进行的热 场分布有较大帮助。下圈21 为拉速为13 m s 情况下连铸机板坯在二冷区的温度曲线， 圈2i 拉速为13 m s 情况f 连铸机板坯在二玲区的温度曲线 目前国内外对香蕉座热场分析的课题较为少见而结晶段内的热流场分析则较为 成熟。用计算机对连铸过程进行数值模拟是近十多年来发展的一门新兴研究手段，因 其具有成本低、速度快、资料完备、能模拟真实条件及模拟理想条件的能力等优点， 在连铸过程模拟中得g g t 广泛的应用，国内外很多研究学者对其进行了研究。国外起 步比较早，有r m m e h d a v i d 3 3 】t h o m a s b g t 3 ”，f l i n t l 3 5 峰。l a u n d e r 和s p a l d i n g 使用 k - e 双方程模型比较合理的解决了流场的数值计算；在国内从事这方面研究的典型代 表有：东北大学的萧泽强、朱苗勇p q 、赫冀成、李宝宽等，包头钢铁学院的贺友多即i ， 北京科技大学的杨秉拴【3 引，重庆大学的文光华【”1 1 4 0 等。 2 本文的主要研究内容及分析思路硕士论文 2 2 本文的主要研究内容 1 6 图2 2 本文主要研究任务 硕士论文 大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 原有梅钢2 拌连铸机一流香蕉座v a i 设计选择材料为s 2 3 5 j r g 2 ，常冶转化为 q 3 4 5 ，在现在使用中发现香蕉座出现开1 ：3 现象，5 撑弧形扇形段需要加2 m m 的垫片。 2 群连铸机香蕉座在工作状态下受二冷蒸汽对流传热和板坯高温辐射传热，造成发杂变 形，导致香蕉座及安装在其上部的扇形段几何精度降低( 弧度超差) ；进而影响板坯 的拉矫阻力、辊组接触应力和径向载荷显著升高。因此有必要对香蕉座的复杂热形变 行为进行精确的计算和数值仿真，获得防范和抑制复杂热变形的有效措施。 2 3 本文的主要分析思路 h e p m e s h 和手动扫掠技术建立三维接触有限元模型 u l 通过非线性有限元并行运算技术进行香蕉座复杂热变形数值仿真 上土 找出影响香蕉座复杂热变形的关键因素 o 获得防范和抑制复杂热变形的有效措施 图2 3 主要分析思路流程图 1 7 3 热分析的理论硕十论文 3 热分析的理论 铸坯由中心把热量传到表面，而表面接受喷水冷却，使温度降低，这样在铸坯内 外形成了较大的温度梯度，这是铸坯传热的动力。弧形段铸坯表面热量传递方式旮4 1 】： 1 ) 纯辐射2 5 ； 2 ) 喷雾水滴蒸发3 3 ； 3 ) 喷淋水加热2 5 ； 4 ) 辊子与铸坯的接触传热1 7 ； 3 1 传热学基本理论 3 1 1 热传递的方式 在连铸过程中，钢水由液态变为固态，放出的热量主要有以下三种传输方式【4 2 1 ： 1 、传导热量：为完全接触的两物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而 引起的内能的交换。连铸中为坯壳中的热传递、坯壳表面与导辊之间的热量传递、液 体中由于温度不同引起的热量传输。 a r 热传导遵循傅里叶定律：q 2 一九n 瓦 ( 3 1 ) 式中g 热流密度( 形m 2 ) ； 丸热导率 w ( m k ) ； 罢沿向的温度梯度； 一热量流向温度降低的方向。 2 、对流传热：指固体表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量 交换，连铸中主要为二冷水与坯壳之间的换热。热对流可以分为两类：自然对流和强 制对流。对流一般作为面边界条件施加。 用牛顿冷却方程描述为：矿= h a t , 一瓦) ( 3 2 ) 式中 ，表面传热系数； z 固体表面的温度； 瓦周围流体的温度； 1 8 硕：卜论文大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 3 、辐射传热：指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物 体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐 射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高【4 3 】。 工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并 吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯忒藩一玻耳兹曼方程来计算： q - 6 e r a l e 2 ( 石4 一巧) ( 3 3 ) 式中q 热流率( w ) ； 占吸收率( 黑度) ； 仃斯忒藩一玻耳兹曼常数； 彳l 辐射l 的面积； 厩：由辐射面1 到辐射面2 的形状系数； 五辐射面l 的热力学温度； 互辐射面2 的热力学温度； 由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。 3 1 2 热力学第一定律 经过长期的生产实践和科学实验证明：能量既不能消灭，也不能创造，但可以从 一种形式转化为另一种形式，也可以从一种物质传递到另一种物质，在转化和传递过 程中能量的总值保持不变。这是自然界的一个基本规律，即能量守恒定律。在热力学 中称为热力学第一定律【4 4 】。 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q w = u + 天z + 尸e ( 3 4 ) 式中q 热量； 做功； u 系统热力学； a k e 系统动能； 艘e 系统势能。 l o 3 热分析的理论硕士论文 对于大多数工程传热问题：a k e = a p e = 0 通常考虑没有做功：w = 0 ，则，q = a v 。 对于稳态热分析：q = z i u = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量。 。du 对于瞬态热分析：g2 百，即流入或流出的热传递速率g 等于系统内能的变化。 将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。 3 1 3 热分析的控制方程 热传导的控制微分方程为【删： 丢( 欠罢) + 号( 向号) + 昙( ，罢) + 孑= 胪i d t c 3 渤 其中面d t = 百o t + k 瓦a t + v ，a 却t + 圪暑；屹，_ ，为媒介传导速率。 3 2 热分析的有限元法 前面我们已经介绍了流动和传热是微分方程，数学界已经有了不少对于该方程的 解法。其中，主要的解法被分为两大类解析解( a n a l y t i c a ls o l u t i o n ) 和数值解 ( n u m e r i c a ls o l u t i o n ) 。解析解主要求解整个区域内连续变化的函数，但是只有少量简 单的问题，才能获得解析解，对于大量具有实际工程意义的问题，则无法获得精确的 解析解，我们只好求助于数值解法。由于数值解法解决问题的普遍性，数值解法越来 越得到广泛是工程运用【4 5 却j 。 硕士论文 大型钢坯连铸机香蕉座复杂热变形行为分析 3 2 1 数值传热求解问题的基本思想 图3 1 数值解法求解问题的基本过程 数值传热( n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r ) ，是指对描述流动与传热的控制方程采用数值 计算方法，并通过计算机予以求解，它是传热学与数值方法相交叉是一种解法。数值 传热解决问题的基本思想是：把原先在时间与空间坐标下联系的物理量的速度场和温 度场等，使用一系列有限个离散点上的值来替代，通过一定的法则建立这些离散点上 的变量值之间的数学关系方程( 称为离散方程) ，求解离散方程从而获得变量的近似 解。下图是使用数值解法求解问题的基本过程。 在过去的半个世纪内已经发展出了很多种数值解法，其主要区别在于区域的离散 方式、方程的离散方式和代数方程求解的方法这三点上。在流体与传热计算中应用比 较广泛是发放主要有：有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 、有限元法( f i n i t e e l e m e n tm