鑄造速度對(duì)鋼的連續(xù)鑄造過程的影響

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1、澆注速度對(duì)鋼的連續(xù)鑄造過程的影響摘要采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行對(duì)鋼液流動(dòng)、模具中傳熱和固化以及連續(xù)鑄造機(jī)的二次冷卻區(qū)的三維模擬。為了這個(gè)目的，我們采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT。從模擬的角度來看，這工作和以前的之間的主要區(qū)別在于，相變過程(凝固)和流動(dòng)（模部分中湍流和在二次冷卻區(qū)域?qū)恿鳎┻B接和共同解決，而不是將其劃分為“瞬態(tài)熱傳導(dǎo)”和”穩(wěn)定流體流動(dòng)”這可以導(dǎo)致更加逼真的模擬。在二次冷卻區(qū)域確定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件是非常復(fù)雜的，因?yàn)樯婕按罅康膫鳠嵝问?，包括自然的和?qiáng)制對(duì)流和同步輻射傳熱。這項(xiàng)工作的主要目的是為了更好的理解連續(xù)

2、鑄造過程中的傳熱和凝固。此外，我們討論了澆注速度對(duì)熱效應(yīng)?通量與外殼的厚度的影響和總的傳熱中輻射的作用。符號(hào)列表C1,C2,C3常數(shù)cp定壓比熱[J/(kg.K)]g重力[m/s2]h顯焓href參考焓hext對(duì)流系數(shù)H焓K電導(dǎo)率K[W/(K.m)]L材料潛熱[J/kg]?H潛熱[J/kg]Qw噴霧區(qū)水流量[L/(m2.K)]S水槽期限T溫度[K]Tsolidus固態(tài)溫度[K]Tliquidus液態(tài)溫度[K]Tref參考溫度[K]Tsurface表面溫度[K]Tambient室溫[K]Tspray噴霧冷卻溫度[K]h

3、nat自然對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2.K)]hspray噴霧冷卻的傳熱系數(shù)[W/(m2.K)]Text冷卻水溫度[K]u分速度[m/s]v流體速度[m/s]vp拉速度[m/s]P壓力[N/m2]希臘符號(hào)α機(jī)器相關(guān)的校正因子?液體餾分?密度[kg/m3]?0層流粘度[kg/(m.s)]?t湍流粘度[kg/(m.s)]k湍流動(dòng)能運(yùn)輸[m2/s2]?動(dòng)能耗散率[m2/s3]?R表面發(fā)射系數(shù)1引言連續(xù)鑄造（快速液相冷卻）將熔融金屬不斷澆入結(jié)晶器中凝固成“半成品”鋼坯、初軋坯或板的一個(gè)過程。這個(gè)工藝是經(jīng)常被利用來鑄鋼。而其他的金

4、屬，如銅和鋁也可采用連續(xù)鑄造。這種生產(chǎn)過程具有以下優(yōu)點(diǎn)?[1—3]：a.近凈形狀形成的金屬材料，這將是伴隨著減少的能量，時(shí)間和勞動(dòng)。b.通過結(jié)構(gòu)修改引發(fā)新的功能性質(zhì)的發(fā)展，如形成非平衡相。c.通過減少偏析和晶粒精修改進(jìn)機(jī)械性能。同時(shí)，“‘?dāng)?shù)學(xué)建模”是一個(gè)令人難以置信而可靠的為獲取所需的信息和防止為實(shí)驗(yàn)研究成本的工具，可增加效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量。然而，一個(gè)典型的連續(xù)鑄造過程中涉及同時(shí)存在和有聯(lián)系的相變（凝固）、溢流和傳熱。作為這一進(jìn)程將會(huì)建模三個(gè)維度，將有大量的計(jì)算單元格?；因此它是非常很難達(dá)到足夠準(zhǔn)確的答案。另一方面，

5、這些耦合現(xiàn)象增加復(fù)雜性，所以它是很難達(dá)到足夠的精確回答。因此，大多數(shù)給出的這個(gè)相變問題的數(shù)值解將這個(gè)過程定義為瞬態(tài)熱傳導(dǎo)和穩(wěn)定流體流動(dòng)。為了提高算法的收斂性數(shù)值解，相變已被分離。在這項(xiàng)工作中，流動(dòng)和凝固是耦合的和穩(wěn)步一起解決的。很明顯，答案會(huì)將更加可靠，因?yàn)檎缥覀兯さ哪谈淖冇虻奈锢磉吔绾腿廴阡撛诒谏狭鲃?dòng)。很明顯，這壁的影響在本次模擬中不容忽視。2連續(xù)鑄造機(jī)的主要操作連鑄機(jī)的主要操作，如下圖1所示：圖1連鑄機(jī)的不同部分a.在熔爐中鋼在高于其液相線溫度加熱至所期望的特定溫度，我們稱之為熱度。b.然后，它是由鋼

6、包裝載并存儲(chǔ)在中間，不只為了在進(jìn)口模具的機(jī)器上準(zhǔn)備一定量的材料，同時(shí)也提供在模具中均勻分布的能力。C.鋼水從中間包通過噴嘴的端口進(jìn)入模具的頂部。事實(shí)上，噴嘴在它沖擊結(jié)晶器窄壁時(shí)使它循環(huán)流動(dòng)。如圖2所示，模具頂部和頂部?jī)蓽u的形成是必要的，因?yàn)槲覀冎冷摰碾妼?dǎo)率低于其他典型的金屬如銅。因此，讓鋼液直接進(jìn)入模具而不是強(qiáng)迫它循環(huán)可導(dǎo)致不平衡，也造成鋼冷卻受阻和難以達(dá)到固相線溫度甚至是在最后，導(dǎo)致過程的破壞。圖2.模具結(jié)構(gòu)模具的深度可以變化到2.5米。模具的熱性能和機(jī)械性能取決于它的構(gòu)造和限制，包括幾何性能，澆注速度，邊界條件

7、，等等。模具基本上是一個(gè)開放式的箱體結(jié)構(gòu)，其中包括四個(gè)單獨(dú)的墻壁，含有水冷卻內(nèi)襯捏造的由高純度銅和其他金屬的合金。模具的主輥，這是一種連鑄機(jī)最重要的部分，旨在建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的外殼，它保持強(qiáng)度來維持其液態(tài)型芯進(jìn)入“二次冷卻區(qū)”。d.在二次冷卻區(qū)，不同模式的熱傳導(dǎo)讓包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流和此外從表面提取熱能的輻射。正如我們知道，與其它工業(yè)金屬如銅比較，鋼的電導(dǎo)率很低，因此冶金長(zhǎng)度?（從頂長(zhǎng)度整個(gè)熔融金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的模具）對(duì)于鋼連鑄機(jī)是很長(zhǎng)。垂直腳輪導(dǎo)致大量增加費(fèi)用的建設(shè)必要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此，如圖?1?所示，通過控制輥增加角

8、度使板逐節(jié)彎曲使其在退出模具期間和之后定位在水平位置。3物理過程3.1傳熱如前所述，連鑄是一個(gè)階段變化過程。一個(gè)稱為“'enthalpy-porosity”的程序被設(shè)計(jì)對(duì)凝固/熔融過程進(jìn)行建模。在這種技術(shù)中，一個(gè)名叫“液體壓量”的指標(biāo)，表明在液相中晶粒體積分?jǐn)?shù)與每個(gè)單元的域相關(guān)。液體分?jǐn)?shù)采用焓平衡計(jì)算每次迭代。在“'mushy區(qū)”中，液體分?jǐn)?shù)從