铸造速度对钢的连续铸造过程的影响

1、浇注速度对钢的连续铸造过程的影响摘要 采用标准k-模型进行对钢液流动、模具中传热和固化以及连续铸造 机的二次冷却区的三维模拟。为了这个目的，我们采用计算流体动力学软件 FLUENT。从模拟的角度来看，这工作和以前的之间的主要区别在于，相变过程 (凝固)和流动(模部分中湍流和在二次冷却区域层流)连接和共同解决，而不 是将其划分为“瞬态热传导”和”稳定流体流动”这可以导致更加逼真的模拟。 在二次冷却区域确定适当的边界条件是非常复杂的，因为涉及大量的传热形式， 包括自然的和强制对流和同步辐射传热。这项工作的主要目的是为了更好的理解 连续铸造过程中的传热和凝固。此外，我们讨论了浇注速度对热效应通量与外

2、 壳的厚度的影响和总的传热中辐射的作用。符号列表C1,C2,C3 常数 g 重力m/s2 href参考焓 H焓L材料潜热J/kgQw喷雾区水流量L/(m2.K)T温度KTliquidus液态温度KTsurface表面温度KT喷雾冷却温度Ksprayhw 喷雾冷却的传热系数W/(m2.K) sprayu分速度m/svp拉速度m/s希腊符号。机器相关的校正因子P 密度kg/m3片湍流粘度kg/(m.s)动能耗散率m2/s31引言c定压比热J/(kg.K)h显焓hext对流系数eX K 电导率 KW/(K.m)H 潜热J/kgS水槽期限Tsolidus固态温度KTref参考温度KTambient室温

3、的hnat自然对流换热系数W/(m2.K)Text冷却水温度Kv流体速度m/sP 压力N/m20液体馏分心层流粘度kg/(m.s)k湍流动能运输m2/s2r表面发射系数连续铸造(快速液相冷却)将熔融金属不断浇入结品器中凝固成“半成品” 钢坯、初轧坯或板的一个过程。这个工艺是经常被利用来铸钢。而其他的金属， 如铜和铝也可采用连续铸造。这种生产过程具有以下优点1 3：近净形状形成的金属材料，这将是伴随着减少的能量，时间和劳动。通过结构修改引发新的功能性质的发展，如形成非平衡相。通过减少偏析和晶粒精修改进机械性能。刀曰.同时，数学建模”是一个令人难以置信而可靠的为获取所需的信息和防止为 实验研究成本

4、的工具，可增加效率和提高产品质量。然而，一个典型的连续铸造 过程中涉及同时存在和有联系的相变(凝固)、溢流和传热。作为这一进程将会建模三个维度，将有大量的计算单元格；因此它是非常很难达到足够准确的答 案。另一方面，这些耦合现象增加复杂性，所以它是很难达到足够的精确回答。 因此，大多数给出的这个相变问题的数值解将这个过程定义为瞬态热传导和稳定 流体流动。为了提高算法的收敛性数值解，相变已被分离。在这项工作中，流动和凝固是耦合的和稳步一起解决的。很明显，答案会将 更加可靠，因为正如我们所知，薄壳的凝固改变域的物理边界和熔融钢在壁上流 动。很明显，这壁的影响在本次模拟中不容忽视。2连续铸造机的主要操

5、作连铸机的主要操作，如下图1所示：iai Molten Steei From burnnce (b顷ndiwhnzzleCcIMnld坤 fiecnndariCnnling Zone图1连铸机的不同部分a.在熔炉中钢在高于其液相线温度加热全所期望的特定温度，我们称之为热度。b.然后，它是由钢包装载并存储在中间，不只为了在进口模具的机器上准 备一定量的材料，同时也提供在模具中均匀分布的能力。C.钢水从中间包通过喷嘴的端口进入模具的顶部。事实上，喷嘴在它冲击结 品器窄壁时使它循环流动。如图2所示，模具顶部和顶部两涡的形成是必要的，因为我们知道钢的电导 率低于其他典型的金属如铜。因此，让钢液直接进入

6、模具而不是强迫它循环可导 致不平衡，也造成钢冷却受阻和难以达到固相线温度甚至是在最后，导致过程的 破坏。图2.模具结构模具的深度可以变化到2.5米。模具的热性能和机械性能取决于它的构造和 限制，包括几何性能，浇注速度，边界条件，等等。模具基本上是一个开放式的箱体结构，其中包括四个单独的墙壁，含有水冷 却内衬捏造的由高纯度铜和其他金属的合金。模具的主辊，这是一种连铸机最重 要的部分，旨在建立一个坚实的外壳，它保持强度来维持其液态型芯进入“二次 冷却区”。在二次冷却区，不同模式的热传导让包括自然对流和强制对流和此外从表 面提取热能的辐射。正如我们知道，与其它工业金属如铜比较，钢的电导率很低， 因此

7、冶金长度（从顶长度整个熔融金属转变为固体的模具）对于钢连铸机是很 长。垂直脚轮导致大量增加费用的建设必要的基础结构，因此，如图1所示，通 过控制辊增加角度使板逐节弯曲使其在退出模具期间和之后定位在水平位置。3物理过程3.1传热如前所述，连铸是一个阶段变化过程。一个称为“enthalpy-porosity ”的程序 被设计对凝固/熔融过程进行建模。在这种技术中，一个名叫“液体压量”的指标， 表明在液相中品粒体积分数与每个单元的域相关。液体分数采用焓平衡计算每次 迭代。在“mushy区”中，液体分数从0到1,并且在相变过程中，当金属凝固时 孔隙率从1降到0。当金属完全凝固，孔隙率变为0，结果速度也

8、降0。材料的热焓为显焓h和潜热H的总和，表达式如下：H = h 十其中h =蛔+ /七灯液体分数定义为：潜热部分被表达成如下材料潜热的形式：AH = PL最后能量等式被写成：十同 , (ATT)十 3实际上，温度的解决方案是从根本上在能量方程和液体之间的迭代分式方程 反复循环的。3.2动量不可压缩牛顿流体的稳定性流体溢流的连续性方程和Navier-Stokes方程是:忐（瞄咛）=一务十（险+商+ P& + $焓孔隙程序将糊状区（部分凝固区）看作多孔介质。每一个单元格中的孔隙 率被设定为等于该单元格中液体馏分。在完全凝固的区域，孔隙率等于零，在这 些区域不存在运动。在糊状区由于降低的孔隙率动量汇

9、有如下形式：其中3是一个小数目（0.001）,以防止分割为零，Amush是糊状区常数，* 是由于拉凝固材料出域产生的固体速度（也被称为拉速度）。当熔融钢完全凝固（6 = 0），：国叫被增到糊状区段恒定，这导致了大水槽内，因此速度变为拉 动速度。当金属是完全为液体形式（6= 1），水槽项变为零，并终止动量方程。 糊状区恒定测量阻尼的振幅；此值越高，材料凝固时它的速度变为0的坡度越陡。 拉速度包括凝固材料在连续铸造过程中它不断从域中排出的移动。动量汇方程中 这个阶段的情形允许新的凝固材料以拉速度移动。3.3湍流由于使流体加速和波动的喷嘴结构以及使流体循环的通向模具窄壁的喷嘴 冲击的影响，流动非常剧

10、烈。在预测靠近有喷射冲击的壁的流体行为的复杂任务 中，有大量的已完成的工作是来计算不同湍流模型的精确度8他们表明，k-紊 模型将适用于这一目的。在k-紊模型中，湍流粘度是：包括湍流动能输运和湍流动能耗散率的两补充偏微分方程:/ 十 3&但是，为了在粗网格中达到合理的精度，k - 8模型需要特殊的壁功能”作为 边界条件。因此，壁上无量纲单元格尺寸或者y+被定义为：(在一些常见的直到现在已被用于连续铸造模拟的代码中，像CFX、y+被保 持在30左右。它已被证明，尽管用标准k-模型预测的流体样式与实验测量匹 配，热传导的计算有一定的问题8 。湍流方程中用于孔隙率减少的接收器与动 量方程中用的接收器相

11、似，具有几乎相同的功能。4边界条件正如前文所述，钢的连续铸造中第二冷却区有三种热传导类型：4.1强制对流虽然在这个区域其他传热类型很重要，但是，强制对流是最重要的。实际上， 通过定位具有特定水流量、温度和表面分布的喷水射流，可提取大部分表面热。 4.1.1强制对流系数强制对流系数采用半经验Nozaki方程等计算。相关性为：.(I D. 15_ ,570 g.(l -(HK)75rspriJ.铲叶_对于向下的表面，（1 - 0.15cos（e）是包括取向影响的已经被修改的系数，而 0是从水平方向的铸坯表面角。对向下表面的修改是基于Bolle and Moureau的 测量12。一个a值（依赖于机

12、器的校准系数）已通过自动迭代计算确定，因此，调整 的超过机器的相应长度直到稳态连铸机模型的结果的hspray与表面温度测量一致。 4.1.2冷却水流量第二冷却区中冷却水流量的测定是非常重要的。实际上通过不同的配电器配 置以及控制冷却水的温度和流量，各种形式的强制对流情况都可以被创建，它取 决于：a.连铸机的设计，功能状态，能力和条件。b.冶金因素。图3显示了一个标准配电器定位。这些配电器都可以有效覆盖直径约230 毫米的面积，因此，在一个平方米范围内必须有24个配电器。图3标准配电器定位4.2自然对流以前用在连续铸造模型的自然对流换热系数相关性如下13：与其他传热类型相比，自然对流不是很重要，

13、而且它经常作为一个恒定值(约 8 W / (m2.k)被添加到强制对流系数。4.3辐射进入第二冷却区的凝固外壳温度高。它表明计算整个铸件表面热辐射的必要 性。钢的表面发射率是一个从touloulian等人收集的数据确定的表面温度函数(16)_(),85 花 一 ：1 + exp(42.68 - 0.02682测定各种传热后，第二冷却区壁上的边界条件被写成:q h海(T心一Ku心q 中 犬岩扁汕一彳)(】7)(18)Thath&N = spray + 如at-5结果和讨论5.1验证为了显示当前工作的准确性，我们比较了传热、流体流动和相变。由托马斯 和OMalley 4 进行的连铸过程的仿真是用于

14、此目的的优选。虽然在传热中有一 个很好的匹配但正如之前提到的，他们的工作分别模拟了传热、相变和流动的过 程，因此我们期待流动模式的不同之处。图4、5、6分别显示和比较了两种模拟情况下模具宽壁上的热流量分布、 喷嘴中心的速度和凝固壳厚度。Oi-Slatice frcuti tiop of ihioJd ( rti 4 Heat flux ooi wide walls of mold* Kesult of 5 r reset st Work0-2S -CLg rt.210-33 O.U60.5蓉0.7 n.R2 0.-11.073.25 -1-75 -Horizontal distance fro

15、m center of mold ( mm )Hg 5 Velocity on jet center line0.025 iDistance from top of mold (in )(!凑言亩Fig6 Shell thickness on wide wall5.2浇注速度5.2.1模具连续铸造的模具是它最重要的部分。选择最合适的浇注速度完全取决于两个 因素，包括在模具壁上产生有效冷却流量以提取系统中的热和形成固体壳的连续 铸造能力以及冶金因素。 Casting Speed|5 (叩/刃Casing Speedg/s)5.2.1.1热流量 为了有更高的浇注速度，我们增加了由喷嘴进入模具的整

16、个流动速率。因此，模具壁由液态形成壳的时间更少，这有助于保持强度，因为 它被更快从模具中拉出。然而，考虑金属影响非常重要（本文不讨论），它导致 对窄壁和宽壁上热流重要性的极大关注，因为它可能非常重要，既然每个铸造系 统在有最大热流的窄壁上的冲击点处有受限的冷却潜力。图7和图8显示了不 同浇注速度下窄壁和宽壁的热流。U0 -2.34) -2.10 -L9D 1.70 -1.50 -1.30、1.10，(1.9。0.70 -0.21 0.29 0_3S 0.46 (1.54 fl.62 0.7fi 0.78 0.86 0-94 103Distance from top of mold (in )F

17、ig. 7 Heat flux (MW/m2) on uide wall of moldFig. S Heat flux (MW/m-) on narrow walls of moldFig. 9 Effect of casting sped on shell iliickness far narrow wall5.2.1.2壳厚度系统的浇注速度不仅增加需要的热流，而且还影响模具窄 壁和宽壁的壳厚度，如图9和图10所示。所以在为一台连续铸造机选择最佳浇 注速度时考虑冶金和经济因素是非常重要的。0.021 10.250.33(M2 O.SU O.FS 1).660-740.S2Distance

18、from lop of mold (m )012 -M(I9-Distance From top of mold ( m) Casting Speed (W5(m/s) -Casting Speed:0.020 (m/s) Casting Speed:(wl5 (m/s)018O1S Ci5(in Speed；0L05 (m/sCiting Speed: 0.020 (m/s . . Casting Speed: 0,025 (m/s)0.0275 i 0.(1250 0.0225 -omoo 0.01750.01500.012S -0.1)100 -0.00750.005(1 0.0025

19、&.000 0 0.1 0.2 A3 Ol4 ftS M 0.7 土& 0.9 1.0 1.1 1.2 1J L4 1.5Distsrtte from top of rttold ( m Pig. Ill Effect of casiing spee-d oti shell thickness for wide *115.2.2第二冷却区如前所述，在连续铸造的这个区域涉及三种传热类型，包括强制对流、自然 对流和辐射。考虑到退出模具后通过辐射冷却热表面是完全免费的和喷嘴产生冷 却水对于系统并不产生成本是极其重要的。另一方面，由于热辐射对温度的影响， 如公式17所示，更高的表面温度使辐射传热更重要

20、。因此，我们将讨论以下参 数：5.2.2.1温度 如图11所示，预计观察到，通过对浇注速度的提高平板壁面 温度大大增加。但意想不到的现象是温度增大的速率在降低。1. 11 Tis dfsrt df cusiinj snssd 廿】蔬邯犬迎博 dirihibai in tZLisiiry Dflkng ianr5.2.2.2冶金长度很明显，提高浇注速度和因此造成的壁上的温度分布， 将有很大的提高冶金长度。这将是在设计脚轮方式的一个非常关键的和根本性的 因素。图12显示了浇注速度对脚轮中心平面上冶金长度的影响。（A：浇注速 度=0.025，B = 0.020，C：浇注速度：浇注速度=0.015）

21、6结论在薄板坯连续铸造机我们对模具和二次冷却区中的湍流流动和凝固进行了 三维模拟。该模型耦合并同时解决了 k-e流动和热传导问题，从这个角度看它是 有优势的。虽然因为一些无法证实的的因素而导致模型的精度与模拟的有一点不 同，但是还是比较接近的。此外，它显示了一些研究的重要因素和不同的工作条件。我们对浇注速度对 必要的热流及模具壳厚度的影响结果进行了分析。最后，我们讨论了第二冷却区 的温度分布和冶金长度以及总传热中辐射的占比。参考文献Hagiwara M, Inoue A (1993) Production techniques of alloy wires by rapid solidific

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