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圆坯连铸结晶器内热—力学行为的分析

尹合壁  
【摘要】:在连铸结晶器内,热—力学行为互相影响相互作用。结晶器传热能力和特征决定铸坯温度场、坯壳凝固厚度及其分布,影响坯壳收缩和结晶器变形等力学行为;反之,铸坯收缩和结晶器变形影响铸坯和结晶器之间的传热。因此,清楚了解结晶器内的热—力学行为必须建立合适的耦合数学模型。 坯壳和结晶器之间的相对运动形成摩擦力,坯壳受摩擦力的影响而发生力学行为的变化。在实际生产过程中,非理想的复杂的结晶器传热状态使摩擦力发生异常变化。方坯、板坯的形状决定了部分坯壳优先生长。圆坯结晶器由于沿各个方向都对称,其生长不均匀性是随机的,由结晶器各处的传热条件决定。因此,理想状态下的模拟计算不能反映实际生产中连铸结晶器内的热—力学状态。 以安装在圆坯结晶器不同横截面和纵截面内的热电偶所获得的温度为基础,建立基于实测温度数据的多维反问题数学模型。通过确定结晶器和铸坯之间的热阻分布,计算出能及时反映实际生产中沿周向不均匀分布的传热。 以结晶器和铸坯的温度场作为热载荷建立三维力学模型。该模型耦合了摩擦力和铸坯/结晶器的接触状态以及它们的应力、变形,并考虑了结晶器锥度的影响。计算出生产过程中圆坯结晶器和铸坯的热—力学行为,并讨论了摩擦力的影响;同时计算出结晶器和铸坯之间的间隙,包括固液渣膜厚度、气隙尺寸和接触状态,并分析它们之间的互相影响关系。由于实测的传热结果不均匀,结晶器和铸坯的热—力学相关计算结果也具有沿周向分布不均匀特征,更加反映了真实的连铸状态。 基于现场实测数据,研究了正常生产过程中圆坯结晶器热流的实时分布特性,从而分析结晶器的传热行为,为达到实时监控提供基础。 监测分析表明:热流沿结晶器周向分布处于频繁变化中。弯月面区传热很低,但在液面下70—110mm区域内存在热流峰值,并且对工艺参数变化较为敏感,比如浇注温度、拉速、钢水碳含量、保护渣类型等等。本文也分析了正常和异常传热条件下局部温度、热流的稳定性和沿周向不均匀性的变化。在稳定拉坯时,一定变化范围内的工艺参数对结晶器传热的波动性和不均匀性的影响很小,而钢水碳含量、保护渣类型以及结晶器安装等很大程度上决定结晶器传热的波动性和沿周向的不均匀性。 研究发现:结晶器热流和坯壳厚度沿周向的分布特征受结晶器安装状态的影响。统计发现,同一次安装其分布相似,不同安装分布规律不同。高热流区热流沿周向分布的


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