第10期 季晨曦等：双辊薄带连铸柱状晶组织模拟 ,1109 Pagy为y方向重力分量，m·s2；p为密度， Q=hi(T-Ti) (9) kgm3;μ为绝对黏度，Pa·s;k为热传导率， 式中，T为钢水温度，℃；T:为冷却水温度，℃； Wm1.℃-l；K为渗透率，m2;cp为比热容， h:为换热系数，W(m℃)一1. Jkg1K1;t为时间，s:L为凝固潜热，Jkg; 流动：弧形辊面固相的传输按照Calcosoft软件 T为节点温度，℃；H为热焓，Jmol1. 的用户函数处理 1.2.2初始条件和边界条件 对于左半部分的辊面，x方向的速度分量为u= (1)初始条件和材料物性参数 cast sin0,y方向的速度分量为u=Veast Cos0,其中 熔池钢液的初始温度T=T0,初始速度为0. 6为接触角，如图1中所示 (2)边界条件 数学模型忽略了浸入式水口插入深度的影响， 其他边界条件如下 (a)入口 传热：T=To(To为浇注温度)； 流动：u=0;v=v0(v0为水口流速的y方向分 量) (b)出口 传热-0： 带 冷却铜把 流动：u=0,v=vcat(vat为薄带拉速)， (c)熔池表面 '(薄带拉速) I二0： 传热：ay 图1双辊薄带连铸示意图 流动：u=0 Fig.I Sketch map of twin roll strip casting process (d)熔池的中心线 1.2.3物理模型及物性参数 aT=0: 传热： 因为水口的宽度几乎等于辊子的宽度，因此采 流动：u=0. 用了侧封板绝热和加热装置后，铸带的边缘效应可 (e)冷却辊与钢液接触界面 以忽略，从而将双辊薄带连铸过程的数值模拟简化 传热：冷却辊和钢液之间的界面采用等效的对 为二维问题，铸机的主要参数见表2，模型计算所用 流传热方式处理， 的物性参数见表3. 表2双辊薄带连铸机主要参数及生产条件 Table 2 Production condition and main parameters of a twin roll strip caster 参量 冷却辊直径/mm 冷却辊宽度/mm水口宽度/mm铸辊转速/(ms) 薄带厚度/mm 液面高度/mm 数值 800 1100 6 1.2 2 120 表3AISI304不锈钢的物性参数 Table 3 Physical property parameters of AlS1304 stainless steel 热传导率/ 比热容/ 密度/ 凝固潜热/ 液相线 固相线 黏度/ 参量 (Wm1.℃- (J-kg1.K) (kg'm3) (kJ-kg) 温度/℃ 温度/℃ (Pa's) 数值20.0(L),31.9(S) 670(L),644(S)7400(L),7600(S) 270 1446 1416 0.0063 注：L表示液相：S表示固态 2 柱状晶组织模拟结果与讨论 内区域的放大图像，图中可看到铸辊表面密集的柱 状晶组织，柱状晶粒直径在100m左右，柱状晶区 图2是本模型有限元计算的网格；图3是模拟 宽度在600~700m,约占薄带一半厚度的2/3.模 计算的结果，图3(a)是模拟计算的全貌图，不同颜 拟的结果与文献[1]中的实验结果基本吻合 色代表不同的晶粒取向，由于柱状晶粒细小，柱状晶 2.1液面高度对柱状晶区宽度的影响 在全貌图中无法识别，图3(b)是图3(a)蓝色线圈 为了研究液面高度对柱状晶区宽度的影响，在Pa；gy 为 y 方 向 重 力 分 量‚m·s —2 ；ρ 为 密 度‚ kg·m —3 ；μ 为 绝 对 黏 度‚Pa·s；k 为 热 传 导 率‚ W·m —1·℃—1 ；K 为 渗 透 率‚m 2 ；cp 为 比 热 容‚ J·kg —1·K —1 ；t 为时间‚s；L 为凝固潜热‚J·kg —1 ； T 为节点温度‚℃；H 为热焓‚J·mol —1． 1∙2∙2 初始条件和边界条件 （1） 初始条件和材料物性参数． 熔池钢液的初始温度 T＝ T0‚初始速度为0． （2） 边界条件． 数学模型忽略了浸入式水口插入深度的影响‚ 其他边界条件如下． （a） 入口． 传热：T＝ T0（ T0 为浇注温度）； 流动：u＝0；v＝v0（ v0 为水口流速的 y 方向分 量）． （b） 出口． 传热： ∂t ∂y ＝0； 流动：u＝0‚v＝v cast（ v cast为薄带拉速）． （c） 熔池表面． 传热： ∂T ∂y ＝0； 流动：v＝0． （d） 熔池的中心线． 传热： ∂T ∂x ＝0； 流动：u＝0． （e） 冷却辊与钢液接触界面． 传热：冷却辊和钢液之间的界面采用等效的对 流传热方式处理‚ Q＝hi（ T— Tf） （9） 式中‚T 为钢水温度‚℃；Tf 为冷却水温度‚℃； hi 为换热系数‚W·（m·℃） —1． 流动：弧形辊面固相的传输按照 Calcosoft 软件 的用户函数处理． 对于左半部分的辊面‚x 方向的速度分量为u＝ v castsinθ‚y 方向的速度分量为 v ＝ v cast cosθ‚其中 θ为接触角‚如图1中所示． 图1 双辊薄带连铸示意图 Fig．1 Sketch map of twin-roll strip casting process 1∙2∙3 物理模型及物性参数 因为水口的宽度几乎等于辊子的宽度‚因此采 用了侧封板绝热和加热装置后‚铸带的边缘效应可 以忽略‚从而将双辊薄带连铸过程的数值模拟简化 为二维问题．铸机的主要参数见表2‚模型计算所用 的物性参数见表3． 表2 双辊薄带连铸机主要参数及生产条件 Table2 Production condition and main parameters of a twin-roll strip caster 参量 冷却辊直径／mm 冷却辊宽度／mm 水口宽度／mm 铸辊转速／（m·s —1） 薄带厚度／mm 液面高度／mm 数值 800 1100 6 1∙2 2 120 表3 AISI304不锈钢的物性参数 Table3 Physical property parameters of AISI304stainless steel 参量 热传导率／ （W·m —1·℃—1） 比热容／ （J·kg —1·K —1） 密度／ （kg·m —3） 凝固潜热／ （kJ·kg —1） 液相线 温度／℃ 固相线 温度／℃ 黏度／ （Pa·s） 数值 20∙0（L）‚31∙9（S） 670（L）‚644（S） 7400（L）‚7600（S） 270 1446 1416 0∙0063 注：L 表示液相；S 表示固态． 2 柱状晶组织模拟结果与讨论 图2是本模型有限元计算的网格；图3是模拟 计算的结果．图3（a）是模拟计算的全貌图‚不同颜 色代表不同的晶粒取向‚由于柱状晶粒细小‚柱状晶 在全貌图中无法识别．图3（b）是图3（a）蓝色线圈 内区域的放大图像‚图中可看到铸辊表面密集的柱 状晶组织‚柱状晶粒直径在100μm 左右‚柱状晶区 宽度在600～700μm‚约占薄带一半厚度的2／3．模 拟的结果与文献［1］中的实验结果基本吻合． 2∙1 液面高度对柱状晶区宽度的影响 为了研究液面高度对柱状晶区宽度的影响‚在 第10期 季晨曦等： 双辊薄带连铸柱状晶组织模拟 ·1109·