板坯连铸结晶器角部几何特征与钢液传输行为的研究

摘要

微合金钢角部横裂纹是板坯连铸生产中亟待解决的质量问题。通过控制铸坯角部传热，使其在弯曲矫直时避开裂纹敏感区，可以较好的减少这一缺陷。铸坯角部温度可以通过改变结晶器角部几何特征来控制，但由于板坯结晶器钢液传输行为(流动、传热和凝固)的复杂相互作用，铸坯传热行为还难以准确描述，所以不能设计合理的结晶器角部几何特征，有效控制铸坯角部传热。另外，在结晶器内凝固过程中的应力和摩擦应力的作用下铸坯角部可能会产生微裂纹，而铸坯应力状态受温度场的直接影响。因此，完善结晶器内钢液的传输模型，深入理解钢液流动、传热和凝固行为，研究结晶器角部几何特征对铸坯温度场的影响，探讨铸坯角部热应力和摩擦应力对裂纹产生的几率，具有重要意义。
　　论文以某厂板坯连铸结晶器为研究对象，建立耦合冷却水流动的铜板传热模型，研究冷却水和铜板之间的强制对流换热行为，比较不同结晶器角部形状对传热的影响；基于此模型，构建考虑铸坯收缩的三维板坯结晶器流动传热模型，通过综合热阻将铸坯二维应变与结晶器三维传热紧密联系起来，深入研究结晶器角部几何特征对流场、温度场和保护渣分布的影响；测量保护渣断裂强度，修正铸坯和铜板的摩擦力模型，分析角部几何特征对结晶器内摩擦力分布的影响；最后，计算铸坯的热应力和摩擦拉应力，分析不同结晶器几何特征下铸坯角部横裂纹产生的可能性，优化结晶器角部形状，并进行生产应用。论文的主要研究成果如下：
　　①建立了耦合冷却水流动的结晶器铜板传热模型，研究了结晶器角部几何特征对铜板局部温度和冷却水出口温度的影响规律。通过冷却水进出口温差验证了模型的准确性，对比了该模型与两种经验模型的结果，发现温度的最大差异为5％，耦合模型的传热系数比Sleicher-Reusse模型大3.8%，比Dittus-Boelter大模型17.5%，证明耦合模型比Dittus-Boelter模型更加准确。倒角结晶器的棱边会使铜板局部温度降低，倒角角度越小铜板温度越低，冷却水温升也越小。
　　②建立了考虑铸坯二维收缩的三维流动传热模型，据此研究了角部不同几何特征(直角、大倒角和多倒角)下结晶器内钢液流动、传热与凝固行为，铜板冷却水温度和热流变化规律，以及保护渣和气隙厚度分布情况。通过凝固壳厚度与铜板温度验证了模型的正确性；发现倒角结晶器内钢液上回流较强，冲击窄面的强度更大；直角结晶器宽面的冷却水温升和平均热流密度最大，多倒角结晶器在窄面的冷却水温升和热流都高于大倒角结晶器；倒角结晶器窄面中心的凝固壳厚度为11 mm，比直角结晶器小4 mm；直角结晶器出口铸坯角部温度为1320 K，大倒角结晶器为1400 K，而多倒角为1480 K；直角结晶器角部的液渣最快降为零，气隙最早生成同时最厚，而多倒角结晶器气隙最晚出现同时最薄；结晶器角部窄面的气隙比宽面更厚。
　　③通过测试保护渣的断裂强度，修正了结晶器摩擦模型，研究了不同角部几何特征下铸坯和铜板的摩擦力分布。保护渣在常温下拉伸断裂强度为3.95 MPa，压缩断裂强度为35.20 MPa；直角结晶器内铸坯的总摩擦力为53.1 kN，比大倒角和多倒角分别小28.3%和14.2%；多倒角结晶器铜板总摩擦力为17.4 kN，比直角和大倒角分别大11.5%和13.7%。
　　④研究了不同结晶器角部几何特征下铸坯角部的等效应力和摩擦力，与抗拉强度进行了对比，判断了铸坯微裂纹产生的几率。直角铸坯角部最大的摩擦拉应力为1.44 MPa，是倒角结晶器的两倍；不同角部形状结晶器内铸坯的等效应力以及摩擦力，都很难达到铸坯抗拉强度，不会导致裂纹产生；大倒角铸坯角部的热应力和摩擦拉应力都较小，是最优的结晶器角部几何特征。
　　⑤生产应用表明，大倒角结晶器将250 mm厚微合金钢铸坯角部温度提高了78℃，角部横裂纹从17.68%降低至0.14%；将300 mm厚铸坯的角部横裂纹从10.33%降低到0.65%。大生产中出现的少量角部横裂纹主要是浇注后期结晶器锥度和振动精度降低导致。
　　综上所述，本论文以避免微合金钢铸坯角部横裂纹为目标，通过对连铸结晶器内钢液传输行为的研究，分析了结晶器角部几何特征对改善铸坯角部温度和应力状态的作用，并在生产应用中取得良好的效果。论文的研究为板坯连铸结晶器传输行为的模拟开拓了新的途径，为解决微合金钢铸坯角部横裂纹提供了理论依据和实践基础。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 微合金钢铸坯角部横裂纹的形成与控制

1.2 板坯连铸结晶器角部几何特征的研究现状

1.3 结晶器内铸坯应力研究现状

1.4 连铸结晶器铜板与钢液的传热行为

1.5 论文研究目的、内容与创新点

2 耦合冷却水流动的结晶器角部铜板传热行为研究

2.1 耦合冷却水流动的铜板传热数学模型

2.2 连铸工艺参数对水缝传热的影响

2.3 耦合模型与经验模型的对比研究

2.4 不同结晶器角部形状的铜板温度分布

2.5 本章小结

3 考虑铸坯收缩的三维板坯倒角结晶器流动传热模型

3.1 三维流动传热数学模型的建立

3.2 二维应力应变模型的建立

3.3 铜板与铸坯之间的热阻

3.4 数学模型的计算流程与验证

3.5 本章小结

4 板坯结晶器不同角部几何特征下钢液的流动传热研究

4.1 结晶器角部形状对钢液流动的影响

4.2 角部几何特征对结晶器传热的影响

4.3 本章小结

5 结晶器角部几何特征对保护渣分布与摩擦的影响

5.1 不同角部几何特征下保护渣与气隙的分布规律

5.2 结晶器铜板与铸坯摩擦力模型的建立

5.3 结晶器角部几何特征对摩擦力分布的影响

5.4 本章小结

6 板坯结晶器不同几何特征下铸坯角部受力分析

6.1 凝固过程中不同角部形状下铸坯的应力分布

6.2 不同角部形状下铸坯角部的摩擦应力分布

6.3 本章小结

7 板坯连铸倒角结晶器的应用

7.1 大倒角结晶器现场应用结果

7.2 大倒角铸坯角部横裂纹成因分析

7.3 本章小结

8 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间获得的科研成果