异形坯连铸结晶器锥度的优化设计

发布时间：2016-11-14 20:33

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异形坯连铸结晶器锥度的优化设计

2016-05-04 11:00:25 中国安装信息网

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 黄  文周建川申  权杨拉道高  琦 

（1．燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心；2．中国重型机械研究院）

摘要针对750 mm×450 mm×120 mm异形坯，使用有限元软件建立了铸坯在结晶器内的传热、凝固、收缩及异形坯结晶器铜板热力耦合分析模型。在分析拉速对铸坯收缩、结晶器铜板温度及其变形的影响的基础上，确定了异形坯结晶器铜板的参考锥度，为异形坯结晶器的设计提供参考。

 异形坯属于近净成形连铸产品，用其轧制H型钢具有耗能低、工序少、成材率高、成本低等优点。连铸结晶器的锥度是直接影响结晶器传热效率进而影响连铸坯质量的关键参数。目前，国内对于方坯、板坯、圆坯的结晶器的研究取得了一定的成果，其设计技术基本成熟。但是，对于异形坯结晶器锥度的研究报道不多。本课题采用有限元分析方法，分别建立了异形坯结晶器铜板三维稳态热力耦合分析模型和铸坯二维非稳态凝固传热和收缩分析模型，得出了不同拉速下结晶器铜板和异形铸坯在结晶器内的收缩变形情况。在此基础上，计算了不同拉速下异形坯结晶器内腔的锥度，为结晶器的设计提供参考。

1  结晶器锥度设计原则

 结晶器的倒锥度是指结晶器内腔上大下小的锥度程度，其作用是使铸坯在冷却收缩后仍能与结晶器内表面保持良好接触。一般用在结晶器长度方向上，单位长度内腔尺寸的变化率来表示：

 式中，Tap为结晶器倒锥度；S上为结晶器上口边长；SF为结晶器下口边长；L为结晶器实际长度。钢种、拉速不同，铸坯在结晶器中的收缩量不同，从而所需要的结晶器锥度也不同。因此，结晶器锥度的设计应考虑钢种、拉速等影响。为提高异形坯结晶器锥度的设计精度，将拉速设置为从0.6 m／min到1 m／min，分别计算不同拉速下所需的结晶器锥度，然后将各拉速下的锥度平均得出结晶器的设计锥度。异形坯结晶器锥度的计算程序见图1。

2  结晶器内铸坯热力耦合模型的建立

2.1模型的基本假设

 典型的连铸异形坯横断面形状见图2。对模型作如下假设：①由于拉坯方向的传热速率远小于铸坯横断面方向的传热速率，故可以忽略拉坯方向上的传热，将铸坯的凝固传热按二维非稳态问题处理；②假设铸坯横断面的变形为广义的平面应变问题；③忽略结晶器振动对传热和凝固的影响；④由于钢在高温下极易产生塑形变形，因此采用弹塑性模型进行计算，使用Mises屈服准则。根据模型假设把结晶器内异形坯的传热凝固问题简化为二维非稳态导热问题，有限元分析网格见图

3，变形分析采用与温度场分析相同的网格划分。

 采用间接耦合法，即首先模拟铸坯的温度场，然后将温度场的计算结果加载到变形分析模型中进行变形分析，从而得出铸坯从进入结晶器到离开结晶器时的温度场和收缩变形情况。

2.2边界条件

 (1)热边界条件在实际生产中，连铸机类型、断面尺寸、浇注温度、铜板镀层及拉速等参数变化时，结晶器与铜板之间的热流密度qi有所差异。qi通常都可以近似认为是钢水在结晶器内停留时间t的函数，可表示为：

式中，A，B为常数。

 Savage通过测定静止水冷结晶器内热流的变化规律，得到式(2)中的常数A和B的值：

在大量实践的基础上，对式(3)进行修正：

 模型的对称面采用绝热边界条件。考虑到角部气隙对传热的影响，角部的热流为中心部分的0.6～0.8倍。

 (2)力学边界条件  在铸坯对称面上施加对称位移边界条件。坯壳内表面受到随距弯月面距离变化的钢水静压力P作用；坯壳外表面与结晶器铜板接触，受铜板支撑的反作用，二力大小相等方向相反。由于坯壳厚度较小，在此二力作用下的变形也较小，因此忽略此二力的作用。

3  结晶器铜板热力耦合模型建立

3.1基本假设

 模型的建立基于如下假设：①结晶器处于静止状态，忽略振动影响；②结晶器传热处于三维稳定状态；③结晶器铜板材料各向同性，且只发生弹性变形；④忽略镀层对结晶器铜板传热的影响。取结晶器1／4为研究对象建立模型，网格划分见图4。

3.2边界条件

 (1)热边界条件  铸坯表面与结晶器铜板紧密接触，稳态导热时，结晶器铜板的热流密度与铸坯的热流密度相同，结晶器铜板内侧的宽面与窄面的等效热流密度可采用式(4)进行计算。

 结晶器铜板上、下面分别与空气，自由液面以上的顶部铜板热面与空气，背面与冷却水都为对流传热，热边界条件：

 式中，λ为铜板的导热系数；h对流传热系数，Ta为空气或水温度，Tb为结晶器铜板表面温度，冷却水温度从结晶器上部到下部成线性变化。铜板与水的对流传热系数hw可以采用管内强制对流的Dittus-Boelter方程给出：

 式中，DH为冷却水缝的当量直径，m；λw为冷却水导热系数，W／(m·℃)；pw为冷却水密度，kg/m3；uw为冷却水平均流速，m/s；μw为冷却水粘度，Pa·s；cw为冷却水比热容，J/(kg·℃)。

结晶器对称面采用绝热边界条件：

 (2)力学边界条件  结晶器冷面与背板刚性接触，其位移为0；结晶器的两对称面设为对称位移边界条件；结晶器铜板热面的自由液面以上部分，设定其边界条件为自由表面；结晶器铜板的上表面与下底面，不受约束，设定其边界条件为自由表面；结晶器热面与铸坯接触部分受到线性变化的钢水静压力作用。

4  材料物性参数的选择

4.1  铸坯材料参数的选择

 模拟浇注的钢种为Q235，由经验公式求得其固、液相线温度分别为1 454和1 510℃。

 由于金属在液相时存在强制对流现象，因此传热系数相比于固态时较高。为了考虑对流与传导的综合作用，引入有效导热系数，大小相当于固相传热系数的n倍，n为经验常数，通常取5～8，试验中n取7，即λ1一7λs。

 铸坯固相时的导热系数一般为温度的线性函数，本研究采用以下公式：

 式中，T为铸坯温度。对于固液两相区，由于形成的树枝晶削弱了钢水的对流能力，视其导热系数介于固相区和液相区之间，采用如下线性插值公式计算：

 在浇注过程中，钢的密度随温度变化不大，对模拟的结果影响不大，因此取常数7 200 kg/m3。铸坯在凝固时会释放大量潜热。这里用等效比热容来处理潜热，两相区的等效比热容计算如下：

 式中，ceff为两相区等价比热容，J/(kg．℃);CI为液相区比热容，J/( kg．℃)；cs为固相区比热容，J/(kg·℃)；fs为固相率；L f为凝固潜热，J/( kg·℃)，对于中碳钢和中高碳钢，Lf取272 kj/kg。

钢的弹性模量E采用下式计算：

泊松比的选取根据Uehara的数据回归公式：

由式(11)和式(12)计算得出弹性模量与泊松比见表1。

热膨胀系数采用的试验数据，见图5。

4.2铜板材料参数

 为满足结晶器铜板强度，硬度和耐腐蚀性方面的要求，结晶器铜板材料选择Cu-Cr-Zr-Al合金，其具体物性参数见表3和表4。

5  结果讨论及锥度设计

5.1  铸坯的凝固收缩变形结果与分析

 图6为以0.6 m／min拉速出结晶器下口时凝固收缩后的铸坯变形云图。可以看出腹板和翼梢相交圆角处和翼板内侧处位移几乎为O，收缩主要发生在翼板外侧面，窄边中心的收缩变形量最大。故在设计异形坯结晶器锥度时忽略腹板和翼梢相交圆角处和翼板内侧处的锥度，只考虑翼梢、窄面和腹板3处的锥度。

 不同拉速下铸坯各面的收缩变化规律见图7。可以看出，铸坯的收缩量随距离弯月面距离的增加呈抛物线状增大；铸坯在结晶器内的收缩量随着拉速的增大而变小。当拉速分别为0.6、0.8、1．0 m／min时，在结晶器出口处铸坯的窄面中心、翼梢及腹板处的收缩量分别为4. 11、3.13、0.64 mm,3. 74、2.81、0.56 mm,3.38、2. 53、0.51 mm。在距离弯月面150 mm左右时，初生坯壳与铜板接触紧密，热阻小，温度下降快，收缩量增加快；随着坯壳的厚度增加，气隙出现，热阻变大，温度下降慢，坯壳的收缩速度减慢。

5.2铜板的热变形结果与分析

 图8为不同拉速下结晶器铜板各特征点变形量沿结晶器高度方向上的变化曲线。可以看出，3种拉速下弯月面以上部分曲线基本重合，之后出现明显的变化，直到出结晶器口。最大位移均出现在离结晶器出口160 mm下方60 mm左右位置处，窄面中心、翼梢中心、腹板中心变形量分别为0. 197、0.124、0.217 mm,0. 206、0.129、0.223 mm,0. 213、0.133、0.227 mm。在结晶器出口处变形量分别为0. 034、0.024、0.080 mm，0. 052、0.036、0.109 mm,0. 067、0.045、0.132 mm。

 从不同拉速下结晶器内铸坯的收缩情况来分析，从弯月面到结晶器底部大致分为3个区间，即：0～250mm、250～500 mm、500～700 mm。结晶器设计原则是铸坯在结晶器内凝固收缩曲线与结晶器的倒锥度应一致，因此为减小气隙对传热的影响，整个结晶器可分为3锥度。

 图9为结晶器窄面、翼梢和腹板处不同拉速下的锥度。从图9可以看出，当拉速为0.6 m/min时翼梢、窄面和腹板从上到下锥度分别为1. 716、0. 781、0. 432%／m,1. 368、0. 631、0. 316%／m,1.470、0. 798、0. 445 %1m。拉速为0.8 m/min时，翼梢、窄面和腹板从上到下

锥度分别为1. 409、0.747、0.495%/m,1.  106、0.615、0.398%/m,1. 300、0.687、0.399%/m。拉速为1.0m／min时翼梢、窄面和腹板从上到下锥度分别为1. 162、0.748、0.474%／m,0.894、0.620、0.401 %／m,1. 100、0.660、0.367 %/m。由此可见，异形坯结晶器翼梢和窄面，腹板处锥度从上到下逐渐减小，呈现明显的上大下小的特点；随着拉速的提高，整体呈现下降趋

势。

5.3异型坯结晶器锥度设计与考查

 根据图9可知，750 mm×450 mm×120 mm三锥度结晶器的锥度见表5。

 为便于加工，结晶器也常设计成单锥度的。基于上述模拟结果设计的单锥度结晶器的锥度与马钢引进的单锥度结晶器的锥度的对比结果见表6。

 通过对比可以发现，基于模拟结果设计的单锥度异型坯结晶器的锥度与马钢所用的单锥度结晶器的锥度有很好的一致性，，符合结晶器设计的要求。

6  结  论

 铸坯腹板和翼梢相交圆角处和翼板内侧处的收缩位移几乎为0，这是异型坯不同于其他形状铸坯的地方，因此，结晶器在此处的锥度可以设计为0；铸坯的收缩主要发生在翼板外侧面，其中，窄边中心的收缩变形量最大，这些地方相应的结晶器锥度也需增大。综合考虑铸坯在结晶器内的收缩变形及结晶器铜板的热变形情况以及拉速对结晶器锥度的影响，提出了异形坯结晶器内腔三锥度设计方案，并给出了750 mm×450 mm×120 mm异形坯结晶器的参考设计锥度。

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本文编号：174833