薄板坯连铸二次冷却制度分析与优化

1、薄板坯连铸二次冷却制度分析与优化王秋君 【摘要】：随着薄板坯连铸技术的发展和进步,连铸机的产量和铸坯质量已成为人们关注的热点问题。连铸的二次冷却对连铸机的产量和质量都有重要的影响。为了获得良好的铸坯质量和较高的产量,有必要对板坯的二冷制度进行深入研究,通过制定连铸机合理的二次冷却制度,使铸坯快速均匀的冷却,在保证铸坯质量的同时,进一步挖掘连铸机的生产潜力。 本文建立了薄板坯凝固的二维传热数学模型,基于邯钢薄板坯连铸的实际生产情况,应用ANSYS有限元分析软件对铸坯的凝固过程进行数值模拟。通过与现场数据相比较,验证了数学模型的可靠性。从模拟得到的铸坯凝固过程的温度分布可以看出,在X.0和X.1的

2、过渡区处由于冷却水量分布不合理导致横向温差过大,这样极易产生裂纹。 依据优化设计基本理论,并结合二次冷却制度应遵循的冶金原则,建立了二冷优化数学模型。以CSP薄板坯连铸机3.8m/min拉速的工况为例,采用两种优化方法进行优化运算,并分析和对比了两种优化算法。在优化运算中,通过调整各冷却段的水量,使铸坯均匀冷却,温度场分布均匀。文本还研究了不同拉速下二冷区各冷却段的最佳水量,采用最小二乘算法分别对二冷各段总水量和各环路水量进行一次线性和二次曲线回归,参照实际生产的配水经验,得到相应的二冷区各段最佳水量分布与拉速的关系,给出二冷的最佳配水工艺。 本文根据铸坯凝固过程中过渡区易产生裂纹的问题,通过

3、大量的数值模拟计算,找出了薄板坯二次冷却制度改善的方法,为指导实际生产提供了重要的参考依据。【关键词】：薄板坯连铸 CSP 二次冷却制度 数值分析 优化 【学位授予单位】：河北科技大学【学位级别】：硕士 摘要4-5 Abstract5-9 第1章 绪论9-13 1.1 选题背景及意义9-10 1.2 铸坯温度场数值模拟国内外研究现状10-11 1.3 课题的研究任务11 1.4 技术路线11-13 第2章 薄板坯连铸二次冷却理论基础13-30 2.1 邯钢CSP 生产线工艺流程13-14 2.2 薄板坯连铸的传热特点14-19 2.2.1 结晶器的凝固传热16-17 2.2.2 二冷区的凝固传

4、热17-19 2.3 薄板坯连铸二次冷却制度19-26 2.3.1 二次冷却的重要性19 2.3.2 二冷区传热的影响因素19-22 2.3.3 二次冷却与铸坯质量22-23 2.3.4 二次冷却的冶金原则23-24 2.3.5 二次冷却装置24-26 2.4 二次冷却水的分配原则26-29 2.4.1 二次冷却强度的确定26-27 2.4.2 二次冷却水量的分配27-28 2.4.3 二次冷却水的动态控制准则28-29 2.5 本章小结29-30 第3章 薄板坯连铸二次冷却传热模型30-41 3.1 薄板坯模型的基本假设30 3.2 薄板坯凝固传热的基本微分方程30-33 3.3 初始条件和

5、边界条件33-34 3.3.1 初始条件33 3.3.2 边界条件33-34 3.4 邯钢CSP 工艺参数34-36 3.4.1 钢种成分及其工艺参数34-35 3.4.2 CSP 的主要参数35 3.4.3 二冷工艺参数35-36 3.5 热物性参数36-40 3.5.1 固相率37 3.5.2 固相线、液相线温度37-38 3.5.3 Q235 的密度38 3.5.4 导热系数38-39 3.5.5 比热和凝固潜热39 3.5.6 结晶器的热流密度39-40 3.5.7 二冷的综合传热系数40 3.6 本章小结40-41 第4章 薄板坯二次冷却凝固过程数值模拟41-51 4.1 有限元法简

6、介41-42 4.2 有限元法分析软件ANSYS 简介42 4.3 网格与时间步长42-43 4.3.1 网格的划分42-43 4.3.2 时间步长的选择43 4.4 薄板坯凝固传热模型的验证43-45 4.4.1 邯钢CSP 生产现场提供的数据44 4.4.2 模拟结果的验证44-45 4.5 薄板坯温度场模拟结果分析45-50 4.6 本章小结50-51 第5章 薄板坯连铸二次冷却制度的优化51-65 5.1 优化理论51-53 5.1.1 优化概念51-52 5.1.2 二次冷却制度优化的常用方法52 5.1.3 ANSYS 优化方法52-53 5.1.4 iSIGHT 集成优化方法53 5.2 薄板坯二次冷却制度优化的数学模型53-57 5.2.1 二次冷却制度优化的冶金原则54-55 5.2.2 优化变量55-57 5.3 薄板坯二次冷却制度优化的结果分析57-59 5.3.1 优化前后的水量变化57-58 5.3.2 优化前后的温度场变化