Vol.27 No.2 娄娟娟等：连铸异型坯凝固过程的数值模拟 ·175。 其中，B为热流密度系数，。为钢水在结晶器中的 不加条件的直接采用已有的经验关系式是不合 平均停留时间，可用下式表示： 适的.根据现场跟踪记录数据，目前二冷比水量 tm=60L/V (7) 一般为0.40.6Lkg钢.在足辊处采用喷雾水强 其中，L为结晶器内钢液面的高度，m:V为拉速， 冷，冷却水量占二冷区水量的20%以上.此处采 m/min. 用E Bolle总结的经验公式： 不同的结晶器，B有所不同.本研究利用现场 h=0.36W56 (9) 采集的结晶器水量和升温数据确定结晶器传热 三个二冷段采用公式： 的平均热流.浇铸钢种为SS400,断面尺寸是750 h=a+0.35W (10) mm×450mm×120mm,结晶器内钢水液面高度为 其中，0<W≤0.35L/(m2.s),a=0.27,>0.35L/(m2-s), 0.6m,平均拉速为0.78m/min,结晶器平均水量为 a=0.35 239.78mh,冷却水平均温升为7.95℃，由此可得 (3)空冷区传热.当铸坯出二冷区进入矫直段 出平均热流密度与拉速的关系为： 之前，有一段空冷区，该区长度为5.8m,主要传热 9=268.0-19.61√60L/v (8) 方式是辐射换热.空冷区辐射换热按第三类边界 (2)二冷区传热，对于二冷区，通常以综合传 条件处理： 热系数h来描述二冷区铸坯表面的传热过程： q=e0[(T+273/-(T,+273)] (11) 9=h(T-T). h=εo[(T.+2732+T.+273)][(T+273)+(T.+273)](12) 其中，T为铸坯表面温度，T,为二冷水温度. 式中，e为辐射系数，σ为波兹曼常数， 由于二冷传热系数的重要性，国内外学者进 2.6工艺条件 行了大量的研究，得到许多经验公式.虽然这些 本次研究采用中科院自动化所研制的CT- 公式不尽相同，但总的趋势是，在一定条件下，水 M型红外测温线性化传感器，对连铸过程中H型 流密度增加，传热系数增大.不同研究者给出的 铸坯的表面温度进行了测定，测温时对应的工艺 换热系数公式一般只能在所给实验条件下适用， 参数如表1所示， 表1SS400操作工艺参数记录表格 Table 1 Technical parameters of SS400 beam blank in operation 中包温拉速m·结晶器水 二冷水量L 取值 度℃ min)量/Lmin) 3 4 5 6 7 平均值 1534 0.78 240.25 3.43 6.47 3.89 4.80 2.91 2.99 2.96 最大值 1550 0.82 243.34 3.48 6.99 4.66 5.69 3.13 3.74 3.75 最小值1519 0.69 237.35 3.35 5.60 3.27 3.92 2.40 2.55 2.32 N 3 计算结果及讨论 本次计算使用ANSYS软件.大异型坯的尺 寸为750mm×450mm×120nm,根据其形状的对 称性以横截面的14为计算区域，建立传热有限 元模型，其网格划分参见图5. 3.1异型坯表面温度 图6是SS400异型坯腹板中心和R角处的温 度从结晶器液面到第4矫直辊处的温度分布，为 验证该模拟结果，将现场实测温度也标在图6. 由图6可见：模拟结果和实际测温结果吻 合：在二冷区，由于间隙喷水造成的铸坯腹板中 图5热模拟有限元模型 心温度波动，模拟结果和实测结果也较一致， Fig.5 Finite element model for temperature analysisV匕】.2 7 N 0 . 2 类 娟娟 等 :连 铸异 型坯 凝 固过程 的数 值 模拟 一 1 7 5 - 其 中 渭为 热 流密 度 系 数 , mt 为钢 水 在 结 晶器 中 的 平 均停 留时 间 , 可用 下 式表 示 : mt 二 6 0 L /犷 ( 7 ) 其 中 , L 为结 晶器 内钢 液 面 的 高度 , m ; V为 拉速 , m 1/ n in . 不 同 的结 晶器 渭有 所 不 同 . 本研 究 利用 现场 采 集 的结 晶 器水 量 和 升 温 数据 确 定结 晶器 传热 的平均 热流 . 浇 铸钢 种 为 5 5 4 0 , 断 面 尺 寸是 7 50 m m ` 45 0 ~ ` 1 2 0 ~ , 结 晶器 内钢 水液 面 高度 为 .0 6 m , 平均 拉速 为 .0 78 n 州m in , 结 晶器 平均 水 量为 23 .9 78 m 3爪 , 冷却 水 平均 温 升 为 7 . 95 ℃ , 由此可 得 出平均 热流 密 度 与拉 速 的 关系 为 : 互一 2 6 8 . 0 一 19 . 6 1丫反店下 (8 ) (2 ) 二冷 区传 热 . 对 于 二冷 区 , 通 常 以综合 传 热系 数 h来 描 述 二冷 区铸 坯 表 面 的传 热 过程 : q = h( 兀一 wT ) . 其 中 , 兀为 铸坯 表 面温 度 , wT 为二 冷 水温 度 . 由于二 冷传 热 系 数 的重要 性 , 国 内外学 者进 行 了大 量 的研究 , 得 到 许 多经验 公式’I1 . 虽然 这些 公式不 尽相 同 , 但 总 的趋势 是 , 在一 定 条件 下 , 水 流 密度 增 加 , 传 热 系 数增 大 . 不 同研 究者 给 出 的 换 热系 数 公式 一般 只 能 在所 给 实验 条件 下适 用 , 不 加 条 件 的 直接 采 用 已 有 的 经验 关 系 式 是 不合 适 的 . 根据 现 场跟 踪 记 录数 据 , 目前 二冷 比 水量 一 般 为 0 . 小.0 6 L k/ g 钢 . 在 足 辊处 采用 喷 雾水 强 冷 , 冷 却水 量 占二冷 区 水 量 的 20 % 以上 . 此处 采 用 E B of le 4I] 总结 的经验 公式 : h = 0 . 36 尸 乃, 6 ( 9 ) 三个 二 冷 段采 用 公式 : h = +a 0 . 3 5 砰 ( 10 ) 其 中 , 0 < 牙` 0 . 3 5 L/ (耐 · s ) , a = 0 . 2 7 ) 于卜 0 . 3 5 L /(m , · s ) , a 二 0 . 3 5 . (3 ) 空冷 区传 热 . 当铸 坯 出二冷 区 进 入 矫直段 之前 , 有 一段 空冷 区 , 该 区长 度为 5 . 8 m , 主要 传热 方 式 是辐 射换 热 . 空冷 区 辐 射 换热 按第 三类 边界 条 件 处理 : , 二 。 。 「(兀+ 2 7 3丫一 ( aT + 2 73 ) 4 1 ( 11 ) h = e。 〔(式+ 2 7 3 ) 2+ (兀+ 2 7 3 ) 2 〕〔(兀+ 2 73 ) + (aT + 2 7 3 ) ] ( 12 ) 式 中 , : 为 辐 射系 数 , 6 为波 兹曼 常 数 . .2 6 工 艺条 件 本 次研 究采 用 中科 院 自动化 所研 制 的 CI T 一 M 型 红外 测 温 线性 化传 感 器 , 对 连铸 过 程 中 H 型 铸坯 的表 面 温度 进行 了测 定 . 测温 时对应 的工 艺 参 数如 表 1 所 示 . 表 1 5 5 40 。 操作 工艺参 数记 录表 格 aT b l e I eT 比 n i e a l P a ar m e t e 月 o f S 4S 0 0 b ea . b l a n k i n o p e ar it o n 取值 中包 温 度 /℃ 拉 速汉m · 结 晶器水 量 (/ L · m in 一 协 二冷 水量几 1 2 3 4 5 6 7 9 户b12 0 26 … 内j J 峥伟j 7 0了 0 峥`月O了U 娜 : 6 飞ù只一、J 尹D尸、ú 4 内、ù … 内飞,j 78269 平 均值 0 最 大值 最 小值 1 5 3 4 1 5 5 0 1 5 1 9 2 9 1 3 . 13 2 . 4 0 3 . 7 4 2 . 5 5 2 9 6 3 . 75 2 . 3 2 3 计 算结 果 及 讨 论 本 次 计算 使用 A N SYS 软 件 . 大 异 型坯 的尺 寸 为 7 50 m m x 4 5 0 r o r n x 12 0 r n 们n , 根 据 其 形状 的对 称性 以横截 面 的 l 4/ 为 计算 区 域 , 建 立 传热 有 限 元模 型 , 其 网 格划 分 参 见 图 5 . .3 1 异型 坯 表面 温 度 图 6 是 5 54 0 异型 坯 腹 板 中心 和 R 角处 的温 度 从 结 晶器 液面 到第 4 矫 直辊 处 的温 度 分布 . 为 验 证 该模 拟 结 果 , 将现 场 实 测温 度 也标 在 图 6 . 由 图 6 可 见 : 模 拟 结 果 和 实 际测 温 结 果 吻 合 ; 在二 冷 区 , 由于 间 隙喷 水 造成 的铸 坯 腹 板 中 心 温度 波 动 , 模 拟 结果 和 实 测结 果 也较 一 致 . 图 5 热模 拟有 限元 模型 F i g . S F恤i抚 e l e m e n t m o d e l fo r t e m P e ar t u er . o a ly s is