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1、金属凝固及连铸连铸部分,第4讲：连铸坯的凝固传热,文 光 华,2,内容：,1、连铸坯凝固传热特点；2、结晶器凝固传热；3、二冷区的传热；4、连铸坯的凝固传热的数学模型。,3,一、连铸坯凝固传热特点,特点:1)一热；2)二迁；3)三传（物理化学）。,4,1、连铸坯的凝固过程就是一个传热过程 钢液固体+Q 单位重量钢水放出的热量Q包括：,5,连铸机可分为三个传热冷却区：1)一次冷却区（结晶器）2)二次冷却区（喷水区）3)三次冷却区（空冷区）从连铸机热平衡来看：1)钢水从结晶器二冷区辐射区大约有50%热量放出，铸坯才能完全凝固，这部分热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯质量；2)铸坯切割后约还有50
2、%的热量放出，为利用此部分热量，可进行铸坯热装和连铸-连轧。,6,2、连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程 3、分阶段的凝固过程 铸坯的凝固经历三个阶段：、钢水在结晶器内形成初生坯壳，K=20；、带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长，K=25；、临近凝固末期的坯壳加速生长，K=27-30。4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程 1）承受热应力和机械力的作用；2）随着温度的下降，坯壳发生相变。,mm/min1/2,7,包晶反应：,8,9,二、结晶器的凝固传热,a-形成坯壳；b-平衡状态；c-形成皱纹与凹陷；d-坯壳出结晶器,1、结晶器内坯壳的形成,10,2.结晶器钢
3、水热量导出1）结晶器热流,11,12,结晶器坯壳生长规律,确定凝固坯壳厚度的方法有：1）试验测定利用拉漏的坯壳，沿不同高度锯开，测定坯壳的平均厚度,2）经验法,3）热平衡法,13,影响结晶器传热因素,1）锥度的影响2）结晶器润滑3）结晶器材质4）结晶器参数5）冷却强度；6）冷却水质7）钢水成分。,14,结晶器壁温度分布,15,三、二冷区传热,1、二冷区热平衡,其它传热变化不大，主要研究喷雾水滴与铸坯之间的热交换，这一过程很复杂，受喷水强度、表面状态、冷却水温、水滴速度等因素影响。,研究传热系数h，是设计二冷制度的基础。,16,1）铸坯表面温度,表面温度小于300,表面温度在300-600,表面
4、温度大于600,影响二冷传热的因素,17,2）水流密度3）水滴速度4）水滴直径,18,5）铸坯表面状态 氧化铁皮降低传热13%；采用气水喷嘴，有利FeO剥落，提高了冷却。6）喷嘴类型及的使用状况 水喷嘴（水滴直径：200600m）；气水喷嘴(水滴直径：2060m）；喷嘴安装高度（影响水滴速度）；喷嘴堵塞。,19,2、二次冷却路线的制订,传热观点：提高二冷区的冷却效率，就是增加传热系数h；冶金质量观点：二冷水量和分布 与铸坯质量有关；一般二次冷却制 度应根据钢种、钢的高温脆性曲 线来决定。,20,铸坯温度曲线：,21,获得良好的铸坯质量应满足的标准：1）良好的铸坯质量，无皮下夹杂；2）限制铸坯的
5、中心偏析；3）避免内部和表面裂纹的产生；4）铸坯低倍结构中等轴晶比例要尽可能大一些；5）铸坯形状规整。,3、铸坯冷却控制的冶金准则,22,铸坯缺陷的形成与凝固传热的关系,1）铸坯纯净度与拉速和过热度有关；2）中心偏析与鼓肚有关；3）铸坯内部裂纹可能来自于坯壳厚度不均匀性及坯壳回热；4）铸坯表面裂纹可能来自于铸坯在脆性区的变形，的相 变以及铸坯温度分布的不均匀性等。,23,铸坯冷却冶金准则：,1）极限冶金长度 HH0,7）其它控制因素，如铸坯表层组织结构控制等。,6）表面冷却速度限制 C=200/m,5）避开脆性区温度区间 TSTsup TSTint,4）铸坯表面回热限制 一般为100/m,3）
6、铸坯鼓肚极限 TiT0,2）出结晶器处最小坯壳厚度 ee0,24,25,四、连铸坯凝固传热数学模型,1、铸坯凝固传热方程描述,通过微元体的热平衡，可推导此数学模型。微元体热量=接收热量-支出热量,26,1）初始条件：,2、方程的边界条件,2）铸坯中心：对称传热（绝热）,3）铸坯表面：,27,2、离散化方程的建立（差分方程）,铸坯断面差分网格的划分,以板坯为例，由于板坯连铸冷却具有对称性的特点，模拟计算中只取铸坯断面的二分之一。进行显式差分后可以化成九个差分方程。,28,上述九个差分方程的稳定性条件在角部节点上，角部节点的差分方程的稳定性条件在九各差分方程中要求最为严格。由角部差分方程有：,方程
7、稳定条件：,29,模型输入输出量的关系：,工艺及介质参数钢种浇注温度TC二冷各段水量Qi冷却水温TW空气温度T0空气传热系数h0辐射系数表面黑度,各钢种的热物性参数及计算条件液、固相线温度TL、TS导热系数，热容c，密度凝固潜热Lf对流作用系数m空间步长x，y，时间步长t,初始条件和边界条件方程式,凝固传热微分方程式及其差分方程组,设备及铸坯参数铸坯断面AB结晶器内钢液高度Lm二冷各段喷水区长度Li钢液面至矫直点长度L,输出参量出结晶器坯壳厚度各段出口坯壳厚度各冷却段凝固系数总凝固系数凝固曲线液相穴深度表面温度分布各段出口表面温度矫直点表面温度,铸坯温度场Tin,30,连铸凝固传热计算模型逻辑
8、结构,31,仿真软件初始界面,32,仿真软件的参数输入界面,33,选择钢种界面,34,铸机参数界面,35,二冷水量等参数输入界面,36,水流密度、传热系数关系式输入界面,37,结晶器传热参数输入界面,38,工艺参数输入界面,39,结果输出文件名界面,40,计算结果界面,41,验证：1)同位素示踪法加入时刻已 凝固的金属不含放射元素；2)射钉法；3)测定表面温度。,应用：1）工艺操作参数的优化,模型的验证和应用：,42,2）二冷喷水设计计算铸坯表面温度分布传热系数h分布由hW，计算二冷区水量确定二冷区各段水量分布，选择喷嘴，决定喷水压力和喷嘴分布。,43,作业：,1、连铸坯凝固传热有什么特点？2、影响二冷传热的因素有哪些？3、传输原理课程学习对连铸过程物理现象理解有何帮助？,
