7月-连铸初始凝固温度波动数学模拟与解析-连铸自动化研讨会论文上海大学雷作胜.doc
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1、连铸初始凝固过程温度波动数学模拟与解析* 国家自然科学基金50604010和上海市教委2006AZ003资助项目作者简介:雷作胜(1975-),男,博士,副研究员.雷作胜,金小礼,马宁博,任忠鸣,邓康, 钟云波(上海大学,上海市现代冶金与材料制备重点实验室, 上海 200072)摘 要 通过独特设计的实验测量了结晶器振动过程中,连铸初始凝固点温度变化情况,发现初始凝固点温度存在与结晶器振动相对应的温度波动现象。一个将结晶器振动考虑进来的三维非稳态传热数学模型的计算结果,也表明该温度波动现象的存在。另外,传热数学解析表明,在结晶器内侧存在温度波动的情况下,无论有无保护渣,在钢水内部每一点都存在着
2、与表面温度波动频率一致的温度波动,但其幅值随深度的增加而下降;在无保护渣的情况下,表面温度波动在钢水中的渗透深度约为12mm;保护渣的存在对温度波动有很大的衰减作用,因而能提高铸坯表面的质量;另外,采用高频率小振幅的振动,降低保护渣导热率,增加保护渣道宽度,都能有效地减小温度波动对初始凝固坯壳的影响。这一现象可以用来解释现有的一些技术改善铸坯表面质量的原因。关键词 连铸 结晶器振动 振痕 表面质量 温度波动The Mathematical Modeling and Analyses on Temperature Fluctuation of Initial Solidified Process
3、 in Continuous CastingLEI Zuosheng, JIN Xiaoli, MA Ningbo,REN Zhongming, DENG Kang,ZHONG Yunbo(Shanghai University, Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy & Material Processing, China)Abstract The Initial Solidified Point (ISP) temperature fluctuation during continuous casting caused by mold r
4、eciprocation was measured by a newly developed method. The repeated experiments results show that the ISP temperature varied periodically along with mold oscillation. The phenomena of temperature fluctuation during continuous casting were confirmed by a newly developed 3-dimension non-steady heat tr
5、ansfer mathematical modeling. A one-dimension heat transfer mathematic model shows that when there was a temperature fluctuation in the inner mould wall, there were corresponding temperature fluctuations at every point in the molten steel, whose frequency is the same as the boundary condition and am
6、plitude decreased along with the increasing depth whether there was mould flux between mould and steel or not. The influence depth of surface temperature fluctuation in molten steel is about 12 mm when there was no mould flux. The surface temperature fluctuation attenuated rapidly when there was mou
7、ld flux. Therefore mould flux was helpful to improve the billets surface quality. In addition, high frequency and low amplitude mould oscillation, decrease the thermal conductivity of mould flux and increase the mould flux channel width are all helpful to decrease the influence on early solidified s
8、hell caused by surface temperature fluctuation. Based on the phenomenon, the mechanism of how some technologies improve surface quality of continuous casting billets is analyzed. Their common mechanism was the decreasing of the temperature fluctuation of early solidification shell.Key words Continuo
9、us casting, Mold oscillation, Oscillation marks, Surface quality, temperature fluctuation.1. 前言随着技术的日益成熟,连铸朝着近终形、高速度、高质量方向发展1,对铸坯质量的要求不断提高,铸坯表面振痕受到越来越多的关注。弄清铸坯表面振痕的形成机理,从而提出有针对性的减轻甚至消除振痕的技术,对于无缺陷铸坯的生产和实现高速连铸连轧,具有非常重大的意义。关于铸坯表面振痕形成机理的研究,目前大都从连铸结晶器内初始凝固过程中结晶器振动导致的“力的作用”和“热的作用”两个方面出发2。关于前者,已有较多的研究工作。而对
10、于结晶器振动所产生的初始凝固坯壳的“热的作用”,已有的初步研究表明3,在结晶器的振动过程中,连铸结晶器内初生坯壳与结晶器壁的接触点周期性地变化,这势必导致连铸弯月面区域初始凝固的传热过程始终处于不稳定、非平衡状态中,该处的温度也始终处于变化中,这一变化对连铸坯表面振痕及相关缺陷的形成影响深远。研究结晶器振动对连铸初始凝固坯壳温度变化的影响规律,对于深入理解振痕的形成,具有重要的意义。本文通过低熔点金属连铸过程初始凝固坯壳温度直接测量,结合三维非稳态传热数学模型,证实了结晶器振动导致的初始凝固坯壳“温度波动”现象的存在。同时,发展了一个有周期性边界条件的传热模型来定量分析了这种温度波动现象对初始
11、凝固过程的影响,分析了温度波动对铸坯表面振痕形成的可能作用。2连铸过程初始凝固点温度波动测量2.1 实验设备及方法考虑到用单只热电偶来测量结晶器振动过程初始凝固点的温度变化的困难,本文设计了一套独特的连铸过程初始凝固点温度波动测量装置,如图1所示,主要由连铸部分和数据测量采集两大部分组成,其中热电偶的布置如图1中的右半部分所示。该方法采用一个两两相隔L的热电偶“序列”代替单只热电偶,让这个热电偶序列依次通过初始凝固区域并凝入坯壳来进行测量。其测量的具体思路和方法是:在连铸过程中将此热电偶序列的测量端紧贴着结晶器壁缓慢插入弯月面区域,假设在 时刻,由热电偶1测到初始凝固点的温度(由该点测到的温度
12、与连铸金属的熔点比较,如果相等就认为此处为“初始凝固点”。事实上,由于弯月面的存在,这一点是初始凝固坯壳与结晶器接触的地方,为了叙述的方便,本文称为“初始凝固点”)。然后,让此热电偶排凝入铸坯并随其以拉坯速度和铸坯一起向下运动。显然,在时间之后,第2只热电偶将运动到刚才测到的“初始凝固点”处,此时它测到的温度即为刚才找到的初始凝固点的温度。在时间之后,由第3只热电偶测到的温度也是这同一点的温度,依次类推,在时刻,第只热电偶测到的温度也是这同一点的温度。于是数列, 其中,n=1,2,(1)就是由第1只热电偶所确定的“初始凝固点”的温度变化行为。本文采用8根直径为1mm的K型不锈钢铠装热电偶,其时
13、间常数为0.2s,热电偶排中每只间距。温度信号经AD595芯片放大并滤波后,由NI-PCI6014数据采集卡采集以供分析。在测量之前,整个测试系统在沸水以及液态金属Sn中进行温度标定,以保证热电偶序列的误差在1内。2.2 实验结果及分析 连铸实验在上海大学小型连铸机上进行。连铸过程中,保持拉坯速度为12.5cm/min,一冷采用喷淋式冷却,水流量为12L/min,二冷水量为13.6L/min。采用浸入式水口进行浇注,浇注金属用Sn(浇注温度为2805)来模拟钢液,保护渣采用硅油(其密为960 kg/m3,表面张力为0.02 N/m,粘度为0.096Pa.S)。结晶器材质为紫铜,大小为768mm
14、,高为120mm,连铸时保持液位在距结晶器顶部40mm处,并控制其波动在1mm以内。结晶器在整个测量过程中保持振动频率为0.5Hz,振幅为5mm。图2就是按前述方法测量得到的连铸过程中热电偶序列的温度变化行为,可以看到整个温度变化过程分三个阶段。首先,热电偶序列在引导铁丝的牵引下依次进入液态金属,其温度按顺序迅速升高。在结晶器冷却阶段,液态金属开始凝固,温度下降,热电偶序列按先后顺序通过初始凝固点并记录下该点的温度。在铸坯出结晶器之后进入二冷区直接喷水冷却,温度迅速降低。通过对8只热电偶测得的数据进行分析,得到初始凝固点的温度变化情况和结晶器振动的可能位置如图3所示。由实验条件可知,8只热电偶
15、全部通过初始凝固点的总时间为4.8s。在热电偶序列全部通过初始凝固点的过程中,结晶器大约振动了两个周期。从图3可以看出,初始凝固点的温度变化也大致上下变化了两次,这与结晶器振动的周期相吻合。同时初始凝固点温度的最大值为240.2,最小值为223.9,与金属Sn的熔点231.9上下偏差近似相等。由于连铸实验中的不确定性,难以保证每次实验热电偶序列都在结晶器振动的同一相位进入凝壳,这导致在多次实验中初始凝固点的温度变化波形不尽相同。多次重复实验表明,初始凝固点温度变化周期大致与结晶器振动周期一致,其变化幅度在411内。2.3 弯月面处初始凝固点温度波动三维非稳态传热数值模拟在以往的连铸结晶器传热数
16、值模拟中,结晶器振动这一重要信息往往出于简化计算的目的而背忽略或简化。而根据上面的测量结果,结晶器振动正是导致初始凝固区域温度变化的最主要原因。为了定量地考察这一过程,本文针对上述小型连铸实验,建立了二维非稳态传热模型,对弯月面处初始凝固区域温度波动进行计算。计算的几何模型如图4所示。由于是圆坯,在纵截面上沿中心轴对称,在计算中取1/2为计算区域。在该模型中,忽略钢水液面的变化,将其看作平面。2.3.2 控制方程本模型采用一般传热模型,控制方程为:(2)在该模型中,结晶器振动是通过对流项中的u来实现的。对钢水区域,u=12.5cm/min,对结晶器铜板区域,m/s。2.3.3 边界条件 对称边
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