工程科学学报，第38卷，增刊1：243-249,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:243-249,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.040:http://journals.ustb.edu.cn 小方坯结晶器锥度优化 曹一飞，张炯明，王博 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:caoyifei2012@163.com 摘要利用商业软件Thercast建立了描述水冷结晶器内钢液凝固传热和弹塑性变形的有限元模型，对凝固过程进行三维 热力耦合求解.首先在坯壳表面施加热流密度，从而得到铸坯结晶器内凝固收缩量和坯壳温度分布，并分析钢水静压力的影 响，提出结晶器锥度的设计原则，以确定合适的结晶器纵断面锥度.然后在结晶器铜管冷面施加水冷换热系数，并考虑保护 渣和气隙对坯壳凝固的影响，研究坯壳在结晶器内的凝固过程，从而验证所提锥度的合理性. 关键词连铸：结晶器：锥度设计：优化：有限元模型 分类号TF777.3 Taper optimization for small billet moulds CAO Yi-fei,ZHANG Jiong-ming,WANG Bo State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:caoyifei2012@163.com ABSTRACT A finite element model to describe the solidification and heat transfer process and the elastoplastic deformation in a mould is built by using the commercial software Thercast to study the thermomechanical behavior of the billet.Firstly,applying the heat flux on the billet shell surface,we obtain the solidification shrinkage and the shell temperature distribution of the billet,analyze the effect of molten steel static pressure,and propose the taper design principle of the mould to determine an appropriate mould taper profile.Then,applying the water cooling heat transfer coefficient on the cold side of the mould and considering the effect of casting slag and gap on the solidified shell,we study the solidification process of billet shell in the mould,and thus verify the rationality of taper design. KEY WORDS continuous casting:moulds:taper design:optimization;finite element models 结晶器是连铸机的心脏，由于水冷器壁的冷却作坯壳的收缩，从而使坯壳与结晶器接触良好、传热均 用钢液在弯月面处形成薄的新生坯壳，随着坯壳的下匀，并且不对坯壳产生额外的压力.锥度的大小是随 行而温度降低，厚度增加，硬度增大.坯壳由于冷却收着钢种和工艺参数而变的，如结晶器长度、拉坯速度和 缩和结晶器的热膨胀而脱离结晶器壁，在坯壳与结晶 润滑剂.锥度不足将会在坯壳和结晶器之间产生 器壁间出现气隙，随后坯壳在高温钢液的回热和静压 气隙从而传热变差，坯壳温度上升，厚度变薄，增加拉 力的双重作用下又被重新推回结晶器四.因此，气隙 漏的几率.铁水静压力将会挤压坯壳，如果坯壳厚度 的形状和厚度动态变化、坯壳的生长和热流的分布也 不够，将会导致鼓肚甚至漏钢.锥度过大会对坯壳产 是不均匀的.为改善冷却条件，提高拉坯速度和产品 生过大的挤压力，增加摩擦力，横裂纹、鼓肚甚至坯壳 质量，结晶器内腔带有锥度，呈上大下小的形状，以减 堵塞就会发生可 小气隙厚度四.研究表明合适的结晶器锥度可以弥补 为了设计理想的锥度，Li和Thomas、蔡少武 收稿日期：201603-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1360201,51474023)工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 243--249，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 243--249，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 040; http: / /journals． ustb． edu． cn 小方坯结晶器锥度优化 曹一飞，张炯明，王 博 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: caoyifei2012@ 163． com 摘 要 利用商业软件 Thercast 建立了描述水冷结晶器内钢液凝固传热和弹塑性变形的有限元模型，对凝固过程进行三维 热力耦合求解． 首先在坯壳表面施加热流密度，从而得到铸坯结晶器内凝固收缩量和坯壳温度分布，并分析钢水静压力的影 响，提出结晶器锥度的设计原则，以确定合适的结晶器纵断面锥度． 然后在结晶器铜管冷面施加水冷换热系数，并考虑保护 渣和气隙对坯壳凝固的影响，研究坯壳在结晶器内的凝固过程，从而验证所提锥度的合理性． 关键词 连铸; 结晶器; 锥度设计; 优化; 有限元模型 分类号 TF777. 3 Taper optimization for small billet moulds CAO Yi-fei ，ZHANG Jiong-ming，WANG Bo State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: caoyifei2012@ 163． com ABSTＲACT A finite element model to describe the solidification and heat transfer process and the elastoplastic deformation in a mould is built by using the commercial software Thercast to study the thermomechanical behavior of the billet． Firstly，applying the heat flux on the billet shell surface，we obtain the solidification shrinkage and the shell temperature distribution of the billet，analyze the effect of molten steel static pressure，and propose the taper design principle of the mould to determine an appropriate mould taper profile． Then，applying the water cooling heat transfer coefficient on the cold side of the mould and considering the effect of casting slag and gap on the solidified shell，we study the solidification process of billet shell in the mould，and thus verify the rationality of taper design． KEY WOＲDS continuous casting; moulds; taper design; optimization; finite element models 收稿日期: 2016--03--11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( U1360201，51474023) 结晶器是连铸机的心脏，由于水冷器壁的冷却作 用钢液在弯月面处形成薄的新生坯壳，随着坯壳的下 行而温度降低，厚度增加，硬度增大． 坯壳由于冷却收 缩和结晶器的热膨胀而脱离结晶器壁，在坯壳与结晶 器壁间出现气隙，随后坯壳在高温钢液的回热和静压 力的双重作用下又被重新推回结晶器［1］． 因此，气隙 的形状和厚度动态变化、坯壳的生长和热流的分布也 是不均匀的． 为改善冷却条件，提高拉坯速度和产品 质量，结晶器内腔带有锥度，呈上大下小的形状，以减 小气隙厚度［2］． 研究表明合适的结晶器锥度可以弥补 坯壳的收缩，从而使坯壳与结晶器接触良好、传热均 匀，并且不对坯壳产生额外的压力． 锥度的大小是随 着钢种和工艺参数而变的，如结晶器长度、拉坯速度和 润滑剂［3--4］． 锥度不足将会在坯壳和结晶器之间产生 气隙从而传热变差，坯壳温度上升，厚度变薄，增加拉 漏的几率． 铁水静压力将会挤压坯壳，如果坯壳厚度 不够，将会导致鼓肚甚至漏钢． 锥度过大会对坯壳产 生过大的挤压力，增加摩擦力，横裂纹、鼓肚甚至坯壳 堵塞就会发生［5］． 为了设计理想的锥度，Li 和 Thomas［6］、蔡少 武