12-金属凝固及连铸-连铸坯的凝固传热资料.ppt

《12-金属凝固及连铸-连铸坯的凝固传热资料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《12-金属凝固及连铸-连铸坯的凝固传热资料.ppt（43页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、金属凝固及连铸连铸部分 第第4 4讲：连铸坯的凝固传热讲：连铸坯的凝固传热文文 光光 华华2012.10.192内容：内容：1、连铸坯凝固传热特点；、连铸坯凝固传热特点；2、结晶器凝固传热；、结晶器凝固传热；3、二冷区的传热；、二冷区的传热；4、连铸坯的凝固传热的数学模型。、连铸坯的凝固传热的数学模型。2012.10.193 一、连铸坯凝固传热特点一、连铸坯凝固传热特点特点特点:1)1)一热；一热；2)2)二迁；二迁；3)3)三传（物理化学）。三传（物理化学）。2012.10.194 1 1、连铸坯的凝固过程就是一个传热过程、连铸坯的凝固过程就是一个传热过程 钢液钢液固体固体+Q+Q 单位重量

2、钢水放出的热量单位重量钢水放出的热量Q Q包括：包括：2012.10.195 连铸机可分为三个传热冷却区：连铸机可分为三个传热冷却区：1)1)一次冷却区一次冷却区（结晶器）（结晶器）2)2)二次冷却区二次冷却区（喷水区）（喷水区）3)3)三次冷却区三次冷却区（空冷区）（空冷区）从连铸机热平衡来看：从连铸机热平衡来看：1)1)钢钢水水从从结结晶晶器器二二冷冷区区辐辐射射区区大大约约有有50%50%热热量量放放出出，铸铸坯坯才才能能完完全全凝凝固固，这这部部分分热热量量的的放放出出速速度度决决定定了了铸铸机机生生产率和铸坯质量产率和铸坯质量；2)2)铸铸坯坯切切割割后后约约还还有有50%50%的的

3、热热量量放放出出，为为利利用用此此部部分分热热量，可进行铸坯量，可进行铸坯热装和连铸热装和连铸-连轧连轧。2012.10.196 2 2、连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为、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固体的加工过程 3 3、分阶段的凝固过程、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 4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理形变热处理”过程过程 1）承受热应力和机械力的作用；2）随着温

4、度的下降，坯壳发生相变。mm/min1/22012.10.197包晶反应：2012.10.1982012.10.199二、结晶器的凝固传热二、结晶器的凝固传热a-形成坯壳；形成坯壳；b-平衡状态；平衡状态；c-形成皱纹与凹陷；形成皱纹与凹陷；d-坯壳出结晶器坯壳出结晶器1、结晶器内坯壳的形成、结晶器内坯壳的形成2012.10.19102.2.结晶器钢水热量导出结晶器钢水热量导出1 1）结晶器热流）结晶器热流2012.10.19112012.10.1912结晶器坯壳生长规律结晶器坯壳生长规律 确定凝固坯壳厚度的方法有：确定凝固坯壳厚度的方法有：1 1）试验测定）试验测定 利用拉漏的坯壳，沿不同高

5、度锯开，测定坯壳的平均厚度利用拉漏的坯壳，沿不同高度锯开，测定坯壳的平均厚度2 2）经验法）经验法3 3）热平衡法）热平衡法2012.10.1913影响结晶器传热因素影响结晶器传热因素1 1）锥度的影响）锥度的影响2 2）结晶器润滑）结晶器润滑3 3）结晶器材质）结晶器材质4 4）结晶器参数）结晶器参数5 5）冷却强度；）冷却强度；6 6）冷却水质）冷却水质7 7）钢水成分。）钢水成分。2012.10.1914结晶器壁温度分布结晶器壁温度分布2012.10.1915三、二冷区传热三、二冷区传热 1 1、二冷区热平衡、二冷区热平衡 其其它它传传热热变变化化不不大大，主主要要研研究究喷喷雾雾水水滴

6、滴与与铸铸坯坯之之间间的的热热交交换换，这这一一过过程程很很复复杂杂，受受喷喷水水强强度度、表表面面状状态态、冷冷却却水水温温、水水滴滴速速度度等因素影响。等因素影响。研究传热系数研究传热系数h h，是设计二冷制度，是设计二冷制度的基础。的基础。2012.10.19161 1）铸坯表面温度）铸坯表面温度 表面温度小于表面温度小于300300表面温度在表面温度在300-600300-600 表面温度大于表面温度大于600600影响二冷传热的因素影响二冷传热的因素2012.10.1917 2 2）水流密度）水流密度 3 3）水滴速度）水滴速度 4 4）水滴直径）水滴直径2012.10.1918 5

7、 5）铸坯表面状态）铸坯表面状态 氧化铁皮降低传热氧化铁皮降低传热13%13%；采用气水喷嘴，有利采用气水喷嘴，有利FeOFeO剥落，提高了冷却。剥落，提高了冷却。6 6）喷嘴类型及的使用状况）喷嘴类型及的使用状况 水喷嘴（水滴直径：水喷嘴（水滴直径：200200600600m m）；）；气水喷嘴气水喷嘴(水滴直径：水滴直径：20206060m m）；喷嘴安装高度（影响水滴速度）；喷嘴安装高度（影响水滴速度）；喷嘴堵塞。喷嘴堵塞。2012.10.1919 2 2、二次冷却路线的制订二次冷却路线的制订传热观点：传热观点：l提高二冷区的冷却效率，就是增加传热系数提高二冷区的冷却效率，就是增加传热系

8、数h h；冶金质量观点冶金质量观点：l二冷水量和分布二冷水量和分布 与铸坯质量有关；与铸坯质量有关；l一般二次冷却制一般二次冷却制 度应根据钢种、度应根据钢种、钢的高温脆性曲钢的高温脆性曲 线来决定。线来决定。2012.10.1920 铸坯温度曲线：铸坯温度曲线：2012.10.1921获得良好的铸坯质量应满足的标准：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；）良好的铸坯质量，无皮下夹杂；2）限制铸坯的中心偏析；）限制铸坯的中心偏析；3）避免内部和表面裂纹的产生；）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；）铸坯低倍结构中等轴晶比例要尽可能大一

9、些；5）铸坯形状规整。）铸坯形状规整。3 3、铸坯冷却控制的冶金准则、铸坯冷却控制的冶金准则2012.10.1922铸坯缺陷的形成与凝固传热的关系铸坯缺陷的形成与凝固传热的关系1 1）铸坯纯净度与拉速和过热度有关；）铸坯纯净度与拉速和过热度有关；2 2）中心偏析与鼓肚有关；）中心偏析与鼓肚有关；3 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；）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 4）铸坯表面裂纹可能来自于铸坯在脆性区的变形，）铸坯表面裂纹可能来自于铸坯在脆性区的变形，的相的相 变以及铸坯温度分布的不均匀性等。变以及铸坯温度分布的不均匀性等。2012.10.1923铸

10、坯冷却冶金准则：铸坯冷却冶金准则：1 1）极限冶金长度）极限冶金长度 HHHH0 0 7）其它控制因素，如铸坯表层组织结构控制等）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）表面冷却速度限制 C=200/m 5）避开脆性区温度区间）避开脆性区温度区间 TSTsup TSTint 4 4）铸坯表面回热限制）铸坯表面回热限制 一般为一般为100/m100/m3 3）铸坯鼓肚极限）铸坯鼓肚极限 T Ti iTT0 02 2）出结晶器处最小坯壳厚度）出结晶器处最小坯壳厚度 eeee0 02012.10.19242012.10.1925四、连铸坯凝固传热数学模型四、连铸坯凝固传热数学模

11、型1 1、铸坯凝固传热方程描述、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。通过微元体的热平衡，可推导此数学模型。微元体热量微元体热量=接收热量接收热量-支出热量支出热量2012.10.1926 1）初始条件：2 2、方程的边界条件、方程的边界条件2）铸坯中心：对称传热（绝热）3）铸坯表面：2012.10.19272 2、离散化方程的建立（差分方程）、离散化方程的建立（差分方程）铸坯断面差分网格的划分铸坯断面差分网格的划分 以以板板坯坯为为例例，由由于于板板坯坯连连铸铸冷冷却却具具有有对对称称性性的的特特点点，模模拟拟计计算算中中只取铸坯断面的二分之一。进行只取铸坯断面的二分之

12、一。进行显式显式差分后可以化成九个差分方程差分后可以化成九个差分方程。2012.10.1928 上上述述九九个个差差分分方方程程的的稳稳定定性性条条件件在在角角部部节节点点上上，角角部部节节点点的的差差分分方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：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：方程稳定条件：方程稳定条件：2012.10.1929模型输入输出量的关系：模型输入输出量的关系：工艺及介质参数工艺及介质参数钢种钢种浇注温度浇注温度TC二冷各段水量二冷各段水量Qi冷却水温冷却水温TW空气温度空气温度T0空气传热系数空气传热系数h0辐射系数辐射系数表

13、面黑度表面黑度各钢种的热物性参数及计算条件各钢种的热物性参数及计算条件液、固相线温度液、固相线温度TL、TS导热系数导热系数，热容，热容c，密度，密度凝固潜热凝固潜热Lf对流作用系数对流作用系数m空间步长空间步长x，y，时间步长，时间步长t初始条件和初始条件和边界条件方边界条件方程式程式凝固传热微分凝固传热微分方程式及其差方程式及其差分方程组分方程组设备及铸坯参数设备及铸坯参数铸坯断面铸坯断面AB结晶器内钢液高度结晶器内钢液高度Lm二冷各段喷水区长度二冷各段喷水区长度Li钢液面至矫直点长度钢液面至矫直点长度L输出参量输出参量出结晶器坯壳厚度出结晶器坯壳厚度各段出口坯壳厚度各段出口坯壳厚度各冷却

14、段凝固系数各冷却段凝固系数总凝固系数总凝固系数凝固曲线凝固曲线液相穴深度液相穴深度表面温度分布表面温度分布各段出口表面温度各段出口表面温度矫直点表面温度矫直点表面温度铸铸坯坯温温度度场场Tin2012.10.1930连铸凝固传热计算模型逻辑结构连铸凝固传热计算模型逻辑结构2012.10.1931仿真软件初始界面仿真软件初始界面 2012.10.1932仿真软件的参数输入界面仿真软件的参数输入界面2012.10.1933选择钢种界面选择钢种界面 2012.10.1934铸机参数界面 2012.10.1935二冷水量等参数输入界面二冷水量等参数输入界面 2012.10.1936水流密度、传热系数关

15、系式输入界面水流密度、传热系数关系式输入界面2012.10.1937结晶器传热参数输入界面结晶器传热参数输入界面 2012.10.1938工艺参数输入界面工艺参数输入界面 2012.10.1939结果输出文件名界面结果输出文件名界面 2012.10.1940计算结果界面计算结果界面 2012.10.1941 验证：验证：1)1)同位素示踪法同位素示踪法加入时刻已加入时刻已 凝固的金属不含放射元素；凝固的金属不含放射元素；2)2)射钉法；射钉法；3)3)测定表面温度。测定表面温度。应用：应用：1）工艺操作参数的优化）工艺操作参数的优化模型的验证和应用：模型的验证和应用：2012.10.19422 2）二冷喷水设计）二冷喷水设计l计计算算铸铸坯坯表表面面温温度度分分布布传传热热系系数数h h分分布布由由h h W W，计计算算二二冷冷区区水水量量确确定定二二冷冷区区各各段段水水量量分分布布，选选择择喷喷嘴嘴，决定喷水压力和喷嘴分布决定喷水压力和喷嘴分布。2012.10.1943作业：作业：1 1、连铸坯凝固传热有什么特点？连铸坯凝固传热有什么特点？2 2、影响二冷传热的因素有哪些？影响二冷传热的因素有哪些？3 3、传输原理课程学习对连铸过程物理现象理解有何帮助？、传输原理课程学习对连铸过程物理现象理解有何帮助？