发布时间 : 星期一 文章宽厚板坯凝固微观组织的研究 - 图文更新完毕开始阅读9392170e168884868662d606
东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪 论
对连铸技术的实验研究始于1957年，1958年在重钢三厂建成立式双流连铸机。从1958到1980年，仅建了25台连铸机，设计能力为年产铸坯345万吨。1980年生产铸坯230万吨，连铸比6.18%，至1985年，铸机数量仅为49台，连铸比10.83%。这五年的连铸比平均增长不足1%。经过认真总结经验和教训，于1988年提出了大力发展连铸技术的战略思想[5]。1990年中国连铸坯产量为1480万吨，钢铁工业连铸比为25.07%。至2000年，连铸坯产量达到10522.4万吨，连铸比达到84.81%。从2000～2007年，中国粗钢产量增加幅度为280.7 %，而连铸坯产量的增幅为350.8%，连铸比在这期间继续保持了高速增长的趋势。至2007年中国钢铁工业连铸比己经达到98.86%[6]。
虽然中国的连铸技术通过最近十几年的飞速发展达到了很高的水平，而且已经在国外(越南、伊拉克等)得到了应用，但中国的连铸技术还存在很多不足，和发达的工业国家相比还有很大的差距。具体表现在，中国连铸机生产稳定性较差，事故相对较多，作业率还偏低，铸坯质量还存在一定的差距。近终形连铸连轧技术在国外已产业化或加快产业化步伐，而中国还处于起步阶段。国外的连铸生产自动控制水平迅速提高，而中国自行设计的连铸机总体控制水平还较低。
1.3 连铸二冷在连铸生产中的地位和作用
连铸二冷工艺是连铸的三大核心工艺之一，它不仅决定铸坯的凝固过程，同时对连铸生产和铸坯质量有着直接的影响。连铸二次冷却是直接并且最终决定铸坯内部质量的关键环节，二次冷却强度大，凝固速度快，连铸坯中的柱状晶发达，等轴晶比较少，对于厚板坯和大方坯，通过计算等轴晶所占比例的多少可以判断连铸坯的内部质量状况。
1.3.1 二冷对铸坯产量的影响
二冷对铸坯的凝固、连铸机的产量有着重要影响，由凝固定律：
?k?V????H (1.1)
?e?式中：V—连铸机拉速，m·min-1；
e—铸坯厚度，m； k—冷却强度，m·min1/2； H—液相穴长度，m。
可见，铸机的拉速决定于冷却强度、坯壳厚度、液相穴长度。当坯壳厚度和液相穴长度一定时，拉速主要决定于冷却强度。在合理的冷却强度范围内，冷却强度越大，拉
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速就越大，单位时间拉出的铸坯越多，相应产量也会增大。
1.3.2 二冷对铸坯质量的影响
连铸坯质量是指合格产品所允许的铸坯缺陷程度。在连铸生产过程中，连铸坯会发生各式各样的缺陷，这些连铸坯的缺陷会使生产出的连铸坯不能满足使用要求，降低连铸的生产效率。如果铸坯发生严重缺陷时，还可能延长连铸机的停机时间，造成巨大的经济损失。连铸过程控制不当可能导致的连铸坯缺陷主要分为三类[7]，即形状缺陷、表面缺陷和内部缺陷。铸坯表面缺陷主要表现为各种表面裂纹；铸坯的内部缺陷包括：内部裂纹、中心偏析和疏松。铸坯产生的缺陷会使铸坯降级甚至报为次品，降低连铸机的生产率，因此，优化和控制连铸二冷区的二次冷却具有十分重要的意义。
铸坯的表面质量主要取决于钢水在结晶器内的凝固过程。铸坯的表面纵裂纹、表面横裂纹、表面星状裂纹、表面夹渣以及铸坯皮下气孔等表面缺陷，多数是铸坯在结晶器内形成坯壳的过程中产生的。影响铸坯表面质量的因素主要有：浸入式水口的插入深度和出口倾角，保护渣的性能，结晶器内钢水液面的稳定性，结晶器铜板的质量、冷却水缝的布置和冷却效果等[8]。
铸坯内部质量主要是指铸坯低倍结构（柱状晶和等轴晶的比例）、内部裂纹、中心疏松和中心偏析等。铸坯的内部质量主要取决于铸坯在二次冷却区的凝固冷却过程和铸坯支撑导向系统的精度，铸坯内部缺陷多发生在二次冷却区，影响因素主要是二冷水量的分布和控制，二冷喷嘴的特性及二冷喷嘴的布置，铸坯支撑导向系统的精度，支撑导向辊的夹持对中等[8]。
1.3 连铸凝固传热的研究
1.3.1 连铸凝固传热
连铸过程就是钢液凝固成铸坯的过程，主要是在三个冷却区内完成，包括：结晶器冷却区、二冷区以及空冷区。铸坯凝固过程就是一个传热的过程，过热和潜热从钢液中释放出来，铸坯在二冷区的散热量约为散热总量的23%~28%[9]。
连铸坯出结晶器进入二冷区后，还需继续对铸坯进行冷却，使铸坯在切割前完全凝固。铸坯的表面受到喷淋水的冷却，温度逐渐降低，铸坯表面和内部形成的温度梯度是连铸坯热量传递的驱动力。
喷水冷却可使铸坯的凝固速度提高20%[9]。由于钢的导热系数是一定的，同时从连铸坯内部向表面的传热速度随坯壳厚度的增加而减慢，也就是说，连铸坯传递的热量并
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不是跟铸坯表面冷却速度的增加成比例地增加。因此，提高对铸坯的二冷效率主要可以从改善喷雾水滴与铸坯表面的热交换进行分析。
由于连铸机的种类、生产的铸坯类型以及连铸操作工艺条件差异性的存在，决定了连铸机二冷区铸坯表面传热方式存在着很大的区别。在板坯连铸中，二冷区发生喷淋水滴蒸发散热、辐射传热、喷淋水加热和辊子与铸坯的接触传导这四种传热方式，但占主导地位的还是喷雾水滴与铸坯表面之间的热交换。可用对流传热方程来描述板坯的这一传热过程[10]，对流传热表达式如下：
Φ = h(Tb - Tw) (1.2)
式中：Φ—热流，W·m-2；
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h—传热系数，W·m-2·℃；
Tb —铸坯表面温度，℃； Tω—冷却水温度，℃。
实际上，连铸坯散热的热流跟铸坯表面温度并不完全是线性关系，说明二冷区铸坯传热除与铸坯的表面温度、冷却水的温度有关系外，还与其他的影响因素有关，但总的传热效果最终可归纳到传热系数上。铸坯表面的传热系数h与水流密度W的关系可由经验公式表示。
水喷嘴：
h = AWn(1 – bTw) (1.3)
气-水喷嘴：
h = KWn + a (1.4)
式中：A、K、a—实验常数
W—水流密度，L·m-2·s-1。
在许多学者的研究中，传热系数的测量具有一定的差异性，但总的趋势是一致的，即在一定的温度范围内，铸坯传热的热流密度随水流密度的增大而增加。因此在进行数值仿真计算时，应该要考虑到二冷区铸坯合理的传热系数分布，是设计合理的二次冷却制度的基础。连铸坯在凝固过程中，控制铸坯在二冷区的冷却传热是连铸工艺中的重要环节，合理的二冷区传热能够保证获得优质的铸坯。
1.3.2 连铸凝固传热数学模型
连铸生产过程实际是一个连铸坯凝固传热的过程，对于这一传热过程的研究有很多
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种方法，主要可分为实验研究[11,12]和数值模拟研究[13]两大类方法。实验研究方法是在现场或实验室条件下，对连铸坯的传热凝固过程进行实验验证。实验研究具有直观、准确且研究的可信度高的特点，但是由于实验室条件限制，对钢液的凝固传热过程很难做出全面的解释，且投入也很大，而数值模拟方法的适用范围广，不受现场条件的限制，操作较简便，通过数值仿真就可以获取实验无法获取的信息，是对实验研究的补充和完善，可以说实验研究和数值模拟是相互验证与促进，因此，数值模拟在研究过程中就有很大的指导作用。
在连铸过程中，在从液态钢水转变为铸坯的冷却凝固过程中，铸坯内的过热度和潜热在结晶器和二冷区内被冷却水带走，在热量的释放过程中包括传导传热、对流传热以及辐射传热等传热方式，因此，连铸过程中铸坯的凝固过程就是传热的过程。铸机的产量和铸坯的质量都与铸坯凝固过程中传热的控制密切相关。
在连铸过程中，二冷铸坯的冷却速率和拉坯速度对铸坯的质量具有很大的影响[14]。铸坯表面的不合理的喷淋水量会使铸坯表面冷却不均匀，导致裂纹的产生；二冷喷淋水量过多，铸坯表面温度过低，在铸坯矫直时，就会产生矫直裂纹；喷淋水量过少，铸坯的温度过高，在剪切点，铸坯内部还没有完全凝固，对铸坯剪切时就会出现剪切漏钢。通过使用数值仿真铸坯的凝固过程，能够得到铸坯的表面温度、中心温度、液芯长度、在拉坯方向上铸坯坯壳厚度的变化以及断面的温度场。连铸过程的数值仿真模拟，在铸机二冷结构设计与改进以及铸坯二冷制度设计与改进的研究中成为一种必不可少的工具[15]。
国外对连铸坯二次冷却传热数学模型的研究起始于20世纪70年代[16]，并建立了比较完善铸坯凝固传热模型，对模型解析的方法主要有解析法和数值法[17]。
我国从20世纪80年代开始对连铸凝固传热数学模型进行了研究[18]，也相继取得一定的成果。在使用数值计算连铸过程中的热传导时，建立的传热模型多采用有限元法和有限差分法。
在利用建立的数学模型研究连铸过程中，把连铸坯的温度场当成是以浇铸参数为变量的函数，其中浇铸参数包括：浇注速度、中间包钢水过热度、结晶器传热、冷却水流量、浇注的钢种、断面尺寸等。利用数学模型，结合连铸冷却的边界条件，对连铸过程进行模拟，可以获得铸坯表面温度分布、铸坯内部温度场、凝固坯壳厚度、液相穴深度等连铸坯的一系列参数，并把研究的结果用来指导连铸的生产。在过去的几十年中，研究学者开展了大量关于连铸凝固传热过程的数值模拟研究[19-21]，获得的研究成果在优化
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