连铸结晶器弯月面动压润滑行为机理研究

摘要

结晶器是连铸机中最重要的组成部分，过热钢液在其内由液态转变为固态，完成初始凝固过程，其弯月面行为直接决定了连铸坯的表面质量。探索保护渣在弯月面处结晶器铜板与初始凝固坯壳间的润滑机理及规律对完善漏钢预报，提高铸坯表面质量等都有着极其重要的意义。由于检测手段和现场生产条件的限制，要直接获得弯月面处的保护渣润滑状态几乎不可能。因此，通过数值模拟手段研究弯月面处保护渣润滑行为就显得尤为重要。为此，本文以某钢厂宽厚板坯连铸结晶器为研究对象，建立结晶器弯月面区域保护渣动压润滑理论模型，优化结晶器振动参数，主要研究内容和获得结论如下:
　　(1)结晶器弯月面处保护渣分布规律研究。通过建立的结晶器铜板三维热-力耦合模型和二维铸坯非稳态传热模型，得到结晶器铜板热面温度场和法向变形量分布以及凝固坯壳表面温度分布和凝固坯壳厚度，从而计算得出保护渣厚度分布。液态渣膜厚度沿结晶器高度方向逐渐降低，在距弯月面200 mm处液态渣消失，满足收敛性形状要求。取距弯月面80 mm的范围，对保护渣厚度作线性拟合，建立弯月面处的结晶器保护渣动压润滑模型。
　　(2)结晶器弯月面动压润滑行为理论研究。在动压润滑理论建立的基础上，根据保护渣动量、质量守恒方程，推导出液态保护渣渣道内的速度、压力、摩擦力分布计算公式。计算结果表明:黏度为0.1 Pa·s的保护渣在正弦振动条件下，在弯月面区域内液态渣的相对速度呈连续分布，越靠近铸坯界面速度梯度越大，且同一位置处振动速度越大，相对速度梯度越大;因振动形成的压力分布在研究范围内先增大后减小，正滑脱时期内产生相对正压，发挥承载作用抵抗钢水静压，形成动压润滑，负滑脱时期内产生的相对压力为负压，将保护渣吸入渣道;摩擦力随距弯月面的距离和结晶器振动速度的增大而增大，且摩擦力增大幅度与振动速度增加幅度一致。
　　(3)结晶器弯月面动压润滑效果主要影响因素研究。
　　①改变结晶器保护渣黏度时，对渣道内速度分布影响较小，压力分布和液态摩擦力影响较大。保护渣黏度分别为1.0 Pa·s，0.5 Pa·s和0.1 Pa·s，结晶器以1.25 m/min的最大上振速度运动时，随着保护渣黏度的增大，渣道内产生的压力越大，抵抗钢水静压力作用越强;润滑状态越差，液态摩擦力变化越剧烈。
　　②改变拉速时，液态渣道内的速度分布变化趋势、压力以及液态摩擦力分布方式基本不变，随着拉速的增大，渣道内产生的压力减小，摩擦力增大。
　　(4)结晶器振动参数优化准则研究。动压润滑理论分析表明:非正弦振动时，在最大上振速度尽量大的前提下，延长正滑动时间是维持良好润滑效果的首要考虑因素。在保证结晶器顺行的前提下，可以适当增大非正弦因子α，振动频率f和振幅s，提高动压润滑效果，利于铸坯的脱模、裂纹愈合和增加液渣消耗。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 结晶器内传热与润滑行为的研究

1．2．1 结晶器内的凝固传热

1．2．2 传热研究的前人工作分析

1．2．3 结晶器内的润滑与摩擦行为

1．2．4 摩擦行为的前人工作分析

1．3 结晶器保护渣相关基础理论研究

1．3．1 保护渣在结晶器中的冶金功能及分布

1．3．2 保护渣在结晶器内的润滑与传热

1．4 机械流体润滑行为的研究

1．4．1 流体润滑与密封

1．4．2 黏性流体动压润滑理论的建立

1．5 论文研究背景、意义及主要内容

1．5．1 论文背景及意义

1．5．2 主要内容

第2章 板坯连铸结晶器热-力耦合数学模型

2．1 结晶器内传热问题假设及模型描述

2．2 结晶器热／应力问题假设及模型描述

2．3 数学模型的相关计算条件

2．3．1 初始条件

2．3．2 边界条件

2．4 传热计算的相关参数的选取

2．4．1 结晶器冷却水对流换热系数

2．4．2 连铸坯高温物性参数的选择

2．5 小结

第3章 结晶器保护渣动压润滑模型

3．1 动压润滑研究范围的确定

3．2 渣道形状要求

3．3 渣道内液态渣的流动

3．3．1 承载机理-压力分布

3．3．2 流动阻力-液态摩擦力分布

3．4 小结

第4章 动压润滑模型的验证与分析

4．1 结晶器热-力耦合计算模型的验证

4．1．1 工艺参数简介

4．1．2 模型验证

4．2 结晶器内凝固坯壳传热模型的验证

4．2．1 工艺参数简介

4．2．2 模型验证

4．3 动压润滑模型的验证

4．3．1 工艺参数

4．3．2 模型验证

4．4 动压润滑模型影响因素分析

4．4．1 拉速的影响

4．4．2 保护渣黏度影响

4．4．3 结晶器振动参数优化

4．5 小结

第5章 结论

参考文献

致谢

论文包含图、表、公式及文献