H形坯连铸钢液流动传热及其对铸坯变形与结晶器锥度的影响研究

摘要

H型钢以优良的力学性能和高效承载等特点在世界范围内迅速发展，H形连铸坯作为一种近终形连铸产品，利用其轧制制备 H型钢具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等优点，是轧制生产H型钢的最佳原料。由于H形坯断面结构的复杂性，在连铸过程中比常规坯形更容易出现质量问题。连铸过程中钢液的流动传热行为直接影响铸坯质量和工艺的顺行，研究 H形坯连铸过程中的流动传热等传输过程，深入探讨各因素的影响规律，可为深入了解H形坯连铸技术及获得高品质的H形连铸坯提供理论依据，具有十分重要的学术与应用价值。通过深入探讨 H形坯连铸过程的流动、传热行为，对中间包及结晶器内的流动传输行为、结晶器内凝固收缩行为及锥度影响机理进行了系统的研究。
　　本研究主要内容包括：①面向两个断面的H形坯连铸多流中间包具有每流双出口、入口与出口不对称分布的特点。通过构建物理模拟模型和基于CV定权的TOPSIS多目标优化流程，研究了控流装置对中间包向每流结晶器分流一致性的影响规律。优化的控流装置可以使中间包在两个断面的结晶器浇铸工况下都能发挥优秀的冶金效果。②中间包包体在工作时与高温钢液接触而升温变形，通过数值模拟，发现四流H形坯中间包的横向变形量可高达约8mm。如若在中间包包体设计时不考虑消除这一变形，将引起中间包下方结晶器内水口的偏移。通过结晶器铜板/钢液3D流动传热模型，分析了水口偏移程度对结晶器内流动行为及凝固坯壳分布的影响。研究结果表明，6mm的水口偏移即可引起结晶器内流场特征发生显著变化，并且水口的偏流将直接影响H形坯结晶器内凝固坯壳周向分布的均匀性。③全保护浇铸是大多数H形坯连铸结晶器的浇铸方式，合理的结晶器内流场是保证连铸工艺顺行、获得高品质产品的基础。构建了1:1物理模拟模型，采用示踪剂模拟、波高测量、夹杂物模拟、刺激-响应实验方法，研究了全保护浇铸下水口个数、水口设计参数、水口插入深度及工况对结晶器内流场的影响规律，为结晶器流场的优化提供了理论依据。④半敞开浇铸是目前小断面H形坯结晶器的主要浇铸方式，但是目前的研究缺乏对半敞开浇铸情况下 H形坯结晶器内流场的研究分析。本研究建立了气体、保护渣、钢液三相VOF数值模型和基于卷气相似的1:1水模型，研究了半敞开浇铸状态下的H形坯结晶器流场，系统阐述了气/钢液/保护渣3相相互作用的流动行为。通过分析气泡冲击深度、气/液接触面积数据，定量研究了漏斗形水口对流场的影响规律，为获得高质量铸坯提供了理论依据。⑤结晶器内的传热过程同时受到钢液强制流动、拉速、结晶器铜板设计参数的影响，本研究同时对结晶器铜板及结晶器内的钢液进行数学建模，分析了结晶器段的流动传热行为。通过结合文献和自身研究对象的特点，为模型设定了结晶器内三维的气隙分布规律。研究详细分析了流动对结晶器内凝固坯壳三维分布的影响，得到的凝固坯壳分布结果在周向上和拉坯方向上均与实测数据合理吻合。该模型可以准确模拟H形坯结晶器内的流动传热行为。⑥提出了考虑3D强制流动及传热行为的结晶器锥度确定方法，采用该方法详细讨论了H形坯凝固坯壳表面及结晶器铜板热面上21个特征点的形变特征。研究表明H形坯连铸凝固坯壳表面在结晶器内的形变复杂，铸坯断面尺寸、钢种性能对凝固坯壳的形变特征有显著影响。通过结合H形坯的易发缺陷特性，对H形坯结晶器铜板各个部位的锥度曲线进行了研究讨论。⑦通过对435×320×90mm、500×360×102mm两个断面的H形坯连铸过程进行研究，加深了对H形坯连铸过程中钢液流动传热与形变机理的理解，明确了中间包与结晶器进一步优化设计的方向。工厂试生产实验表明，所得结果可以满足和确保生产顺行。中间包包体形变研究、H形坯结晶器内水口偏流研究、半敞开浇铸结晶器流场研究和H形坯结晶器锥度设计研究中，弥补了目前H形坯连铸研究领域存在的不足，为高品质H形坯连铸提供了基础依据。

目录

1 绪 论

1.1 近终形连铸技术及H形坯连铸的发展

1.2 H形坯连铸技术特点

1.3 H形坯连铸技术的研究现状

1.4 论文研究的目的与主要内容

2H形坯多流多断面中间包钢液流动与各流一致性研究

2.1 面向多流多断面H形连铸结晶器的中间包结构特点

2.2 中间包内流动行为的物理模拟模型及实验方案

2.3 不同浇铸断面情况下的单因素分析

2.4 基于多目标优化方法的中间包布流均匀性优化研究

2.5 本章小结

3H形坯连铸中间包热膨胀及对结晶器钢液流动的影响研究

3.1中间包包体热应力应变模型的建立

3.2 H形坯连铸中间包应力应变结果与讨论

3.3 H形坯中间包热膨胀对结晶器钢液流动传热行为的影响

3.4 本章小结

4 全保护浇铸方式下H形坯连铸结晶器内的动量传输行为

4.1 实验方案及模型的建立

4.2 水口个数对结晶器流场的影响

4.3 水口内径对结晶器流场的影响

4.4 水口插入深度对结晶器流场的影响

4.5 本章小结

5 半敞开浇铸方式下H形坯连铸结晶器内的流场研究

5.1 半敞开浇铸方式下H形坯结晶器内多相流数学模型

5.2 物理模型的构建

5.3 多相流流场特征

5.4 气泡对保护渣流动的影响

5.5 水口插入深度对结晶器流场的影响

5.6 水口内径对结晶器流场的影响

5.7 现场实验

5.8 本章小结

6H形坯结晶器/钢液的流动传热耦合数值模型研究

6.1 模型的建立

6.2 模拟结果及验证

6.3 拉速对结晶器流动传热行为的影响

6.6 本章小结

7H形坯凝固收缩行为及结晶器锥度研究

7.1 铸坯2D运动切片热弹塑性模型

7.2 结晶器铜板3D热弹性模型

7.3 凝固坯壳表面变形结果分析

7.4 结晶器铜板热面形变结果分析

7.5 H形坯连铸结晶器的锥度研究

7.6 不同研究方法下的锥度曲线

7.7 本章小结

8 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间所发表的文章：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：