多层结构钢水热流密度控制的数值模拟

多层结构钢水热流密度控制的数值模拟

在连续铸造过程中，钢溶液的冷却条件和流动形式影响了硬化壳体的形成，影响了铸造板材的质量。保持结晶器中温度场的稳定有利于凝固壳的形成,而钢水通过浸入式水口(SEN)的热损失是影响该温度场的重要因素之一。Masanori等对钢水通过浸入式水口的散热情况进行了测试研究,并提出了降低热损失的方法,而这同样有利于防止水口堵塞的发生。对于多层结构浸入式水口来说,各层厚度及热导率(CTC)对其热损失的影响还不清楚,所以对此进行了研究。浸入式水口实际使用时的状态如图1所示。由图可知,通过浸入式水口的散热损失包括:(1)水口内钢水流的径向热损失B;(2)结晶器内钢水的轴向热损失A。造成热损失的原因是钢水与外界存在温差,由于水口轴向温差较小,因而通过浸入式水口的散热损失主要为B。浸入式水口的散热损失主要与其壁厚及热导率有关,与其形状的关系不大,为简便起见,假设分析所用水口为圆筒形,其断面结构如图2(a)所示。其中,水口的本体为铝碳材质,内面层为无碳材质,外面层则为包裹在水口外壁的耐火纤维(渣线部位对整个传热影响较小,这里未加考虑)。在计算过程中,水口内径恒为80mm,壁厚(本体+内面层)恒为25mm。考虑到通过浸入式水口的热损失主要为B,而且此处主要研究各层厚度及热导率对其热损失的影响,因此设水口的轴向不存在温差。鉴于此,计算所用有限元模型如图2(b)所示。虽然浸入式水口的传热情况可通过数学解析法得到,然而对于本次分析来说,水口表面的换热系数是随温度的变化而变化的,所以采用数学解析的方法十分繁琐。当采用有限单元方法时,变化的换热系数可采用表面效应单元实现,计算过程简单方便。2galileo准数twp浸入式水口内壁与钢水接触,设其温度为1873K,而周围环境温度为323K。水口外壁(或通过耐火纤维)与空气接触,根据文献,其对流辐射换热系数α可根据:α=λl0A(GrPr)n+ωC0Tw−Tf[(Tw100)4−(Tf100)4](1)α=λl0A(GrΡr)n+ωC0Τw-Τf[(Τw100)4-(Τf100)4](1)进行计算。式中:Gr为Galileo准数;Pr为Prandtl准数;λ为空气热导率,W·m-1·K-1;l0为SEN定型尺寸,m;A、n为与SEN形状、位置和空气流态等有关的常数;ω为SEN或耐火纤维表面黑度;C0为黑体辐射系数,等于5.669W·m-2·K-4;Tw为SEN或耐火纤维的表面温度,K;Tf为环境温度,K。3内铺设热导率及耐火纤维热导率变化范围物理性能参数仅涉及材料的热导率。设本体热导率变化范围为5～25W·m-1·K-1,内面层热导率变化范围为0.5～2.5W·m-1·K-1,耐火纤维热导率变化范围为0.08～0.16W·m-1·K-1。4结果与讨论分析所用浸入式水口为轴对称结构,其外壁各点的热流密度相同,而该热流密度的变化反映了钢水通过浸入式水口的散热情况,以下对此进行考察。4.1石墨含量对抗热震性的影响本体热导率对浸入式水口热流密度的影响见图3。由图可知,热流密度随着本体热导率的降低而呈抛物线形下降。对于常用浸入式水口来说,其热导率主要取决于石墨含量,而大幅度降低石墨含量势必会影响水口的抗热震性。因此,本体热导率的调整范围有限。4.2堵塞,一般是自然表面设置的,一般在其内设置3个内土内土的内土面在连铸过程中,为防止浸入式水口被Al2O3堵塞,一般是在其内壁设置无碳内面层。除了防止水口堵塞,它对于降低水口的热损失也是十分有利的,因内面层具有较低的热导率。4.2.1内抗冲层厚度对热流密度的影响在保持本体和内面层热导率分别为21.7和2W·m-1·K-1的情况下,首先考察了内面层厚度对浸入式水口热损失的影响,计算结果如图4所示。由图4可知,随着内面层厚度增加,浸入式水口的热流密度逐渐降低。其中,当内面层厚度由0增至4mm时,热流密度降低幅度较大。考虑到内面层在浇钢过程中会逐渐被冲蚀,因此其厚度不宜过小。与本体相比,无碳内面层具有较高的热膨胀系数,为防止水口在浇钢时出现纵向裂纹,其厚度不宜超过总厚(本体+内面层)的20%。若浸入式水口的总厚为25mm,则其内面层厚度为5mm左右时,浸入式水口的热应力和热损失可得到较好的平衡。4.2.2口热流密度的影响保持内面层厚度为5mm,其热导率变化对水口热流密度的影响见图5所示。由图可知,热流密度随着内面层热导率的降低呈抛物线关系下降。内面层热导率可通过材质及其孔隙率的改变来调节。4.3小口压缩内压在浸入式水口外壁,一般均包裹一定厚度的耐火纤维(外面层)。由于浸入式水口通常是预热至约1000℃以后使用的,所以耐火纤维可防止其因降温过多而引起的断裂现象。以下主要研究外面层对水口热损失的影响。4.3.1表面层厚度对热流密度的影响保持本体和外面层的热导率分别为21.7和0.12W·m-1·K-1不变,考察外面层厚度对浸入式水口热流密度的影响,计算结果见图6。由图6可知,因耐火纤维的热导率很低,当其厚度仅为1mm时就能大幅度降低浸入式水口的热流密度。当外面层厚度由1mm增至3mm时,热流密度降低不多。而当内面层厚度由3mm增至4mm时,热流密度基本不变。所以,外面层厚度以3mm左右为宜。在实际生产中,耐火纤维包裹层的厚度一般大于3mm。这是因为,浸入式水口的外壁温度很高,紧贴着它的耐火纤维会出现一定程度的烧结,以致增大了它的热导率。4.3.2抗热流密度的测定外面层热导率对浸入式水口热流密度的影响见图7。由图可知,随着外面层热导率的降低,水口热流密度基本呈线性关系下降。因为当外面层厚度超过3mm时,再增加其厚度基本不影响水口的热流密度,所以若要进一步降低水口的热损失,最有效的方法就是降低外面层的热导率。4.4不同表面层对热流密度的影响以上分别研究了本体、内面层和外面层厚度及热导率变化对浸入式水口热流密度的影响。为了对比不同结构层对浸入式水口散热情况的影响,设计了以下4种不同形式的水口:(1)25mm厚的本体(SN1);(2)20mm本体和5mm内面层(SN2);(3)25mm厚的本体和3mm厚的外面层(SN3);(4)20mm厚的本体、5mm厚的内面层和3mm厚的外面层(SN4)。它们热流密度的差异见图8。由图8可知,与设置内面层的浸入式水口SN2相比,设置外面层的SN3和SN4更能有效降低浸入式水口的热流密度。对于SN3和SN4来说,它们的热流密度相差不大,也就是说,外面层对热流密度的影响较大。因此,在浸入式水口外壁包裹耐火纤维是降低其热损失的最有效措施,特别是对于没有设置内面层的普通浸入式水口。5加内统一表面厚度(1)钢水通过浸入式水口的热流密度随浸入式水口本体热导率的降低而呈抛