D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.006 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2000 沟槽内壁结晶器铸坯初期凝固过程 沈明钢》金山同)朱俊) 张贤平) 新山英辅》 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)鞍山钢铁学院，鞍山1140023)日本东北大学 摘要以初期凝固坯壳为研究对象，在结晶器内壁纵向划分沟槽，建立数学模型，计算划分沟 槽与不划分沟槽结晶器内铸坯的温度场和应力场，研究沟槽内壁结晶器对铸坯初期凝固过程 的影响，结果表明，沟槽内壁结晶器可显著改善铸坯传热，降低坯壳应力并使其均匀分布. 关键词连铸坯：初期凝固：沟槽内壁：应力场：温度场 分类号T℉777.1文献标识码：A 铸坯表面质量主要取决于坯壳在结晶器 程为： 内的初期凝固过程.表面裂纹是铸坯表面质量 Q-AxkiTi(I-Axicd(Ti-T)+ △x 最主要的缺陷，坯壳厚度不均匀是产生裂纹的 h(T-T)】 (3) 主要原因，因此前人对改善传热均匀坯壳厚度 式中A为加权系数，在沟槽处节点单元为0，在 作了很多的工作，如增加锥度、加保护渣等，但 两沟槽中心节点单元为1，其余节点单元为0至 还存在一定问题.日本采用将结晶器内壁划分 1之间，越接近两沟槽中心节点的单元，其加权 沟槽，以若干个相同小的传热不均匀单元，代替 系数越大，接近于1. 整个长边大的传热不均匀，改善传热以达到整 1.3模型的验证 个长边的坯壳厚度均匀，降低应力，改善表面质 将计算值与木下胜雄等实测的板坯宽边 量.本文建立数学模型，计算划分沟槽与不划 中心点热流值对比如图1所示，可见计算值与 分沟槽结晶器的铸坯温度场和应力场，研究沟 实测值基本吻合.用0.2mm宽的沟槽将边长为 槽内壁结晶器对铸坯初期凝固过程的影响. 60mm的水冷铜板表面划分为6段，将其以一 1传热的数学模型 定的速度向铅液中浸渍，待初期坯壳形成后，再 以一定的速度从铅液中将水冷铜板及初期坯壳 11模型的假设 提取出来，观察初期坯壳厚度及形状，与传热数 (1)拉坯方向（垂直方向）的传热很小，可以 学模型计算结果对比如图2所示.可见二者基 忽略；(2)忽略液相穴对流传热；(3)凝固壳为传 本吻合，证明模型可行 导传热；(4)钢的热物理性能（如导热系数k,密 度p、比热容c)仅为温度的函数. 3000 一计算值 1.2模型的建立 2500 一*一实测值 传热方程 2000 入 e部v船)k股+ (1) E 1500 忽略z方向传热，由泰勒展开式导出的差 1000 分方程如下： k人Ay+k△rkA△x对 500 △x △x △y t-tu△x△y 0 kAx=pc,公E (2) 0 10 20 30 40 △y s 铸坯外壁与结晶器内壁间传热热流差分方 图1铸坯中心点热流密度 2000-01-10收稿沈明解男，36岁，教授 Fig.1 Density of heat flow rate at center point in casting第 ￾ 卷 第 ￾期 ￾￾￾ 年 ￾￾ 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾七￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾ ￾匕￾￾￾ ￾￾ ￾ ￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾ 沟槽 内壁结 晶器铸坯初期凝 固过程 沈 明钢 ” 金山 同 ‘， 朱 ￾￾北京科技大学冶金学 院 ， 北京 ￾￾￾￾￾￾ 俊 ” 张 贤平 ” ￾￾鞍 山钢铁学 院 ， 鞍 山 ￾￾￾￾￾ 新 山 英辅 ” ￾日本 东北大学 摘 要 以初 期凝 固坯 壳为研究对象 ， 在 结 晶器 内壁 纵 向划 分沟 槽 ， 建立数 学模型 ， 计算划 分沟 槽与不 划 分 沟槽 结 晶器 内铸坯 的温度场 和 应力场 ， 研 究沟槽 内壁 结 晶器对铸坯初 期凝 固过程 的影 响 ￾ 结果表 明 ， 沟槽 内壁 结 晶器 可 显 著改善铸坯 传热 ， 降低坯 壳应 力并使其均匀分布 ￾ 关键词 连铸坯 ￾初 期凝 固 ￾沟槽 内壁 ￾应 力场 ￾ 温度场 分 类号 作 ￾￾ ￾ ￾ 文献标识码 ￾￾ 铸 坯 表 面 质 量 主 要 取 决 于 坯 壳在 结 晶器 内的初 期 凝 固过程 ￾ 表 面 裂 纹是 铸 坯 表面 质 量 最 主 要 的缺 陷 ， 坯 壳厚 度 不 均 匀是 产 生 裂 纹 的 主 要 原 因 ， 因 此前 人 对 改善 传 热 均 匀 坯 壳厚 度 作 了很 多 的工 作 ， 如增 加 锥 度 、 加保护渣 等 ， 但 还存在 一 定 问题￾ ￾ 日本采用将 结 晶器 内壁划 分 沟槽 ， 以若 干个相 同小 的传 热 不 均匀 单元 ， 代替 整 个长 边 大 的传热 不 均匀 ， 改善传 热 以达 到 整 个长边 的坯 壳厚度 均 匀 ， 降低 应 力 ， 改 善表面 质 量 ‘￾ ￾ 本 文 建 立 数 学 模 型 ， 计算 划 分沟 槽 与 不 划 分 沟 槽 结 晶 器 的铸 坯温度 场 和 应 力 场 ， 研 究沟 槽 内壁 结 晶器对铸 坯 初 期 凝 固过 程 的影 响 ￾ 程 为 ￾ 。一 ，· ￾气子 ￾￾‘一￾￾ · 〔。 ‘￾￾厂 ￾“，￾ ︵￾ · 、︶日 ￾ 传热 的数学模型 ￾￾ 模型的假设 ￾ 拉 坯方 向 ￾垂 直 方 向￾的传 热 很 小 ， 可 以 忽 略 ￾￾ 忽 略 液相 穴对 流 传 热 ￾￾￾凝 固壳 为传 导 传 热 ￾￾￾￾钢 的热 物理性 能 ￾如 导 热 系数 ￾ ， 密 度￾ 、 比热 容 伟￾仅 为 温度 的 函 数 ￾ ￾￾ 模型 的建立 传 热 方程 ， ￾￾ ￾ ， ， ￾￾ 、 刁 ， ， 刁￾ 、 ￾ ， ， 刁￾ 、 ￾马￾ ￾一污口 不汁￾毛口分￾ ￾一 ￾ 惰口七￾ ￾一 ￾气￾士￾ ￾’ ￾苦口 拭￾气宁丁￾ ￾ 夕 ’ 口夕 ’ 忽 略 ￾ 方 向传热 ， 由泰勒展 开 式 导 出 的差 分 方 程 如 下 ￾ ￾￾兀厂 ￾￾〕 ￾￾￾ 式 中 ￾ 为加 权 系数 ， 在 沟 槽 处 节 点 单 元 为 ￾ ， 在 两 沟槽 中心 节 点单元为 ￾ ， 其余节 点单元 为 ￾至 ￾之 间 ， 越 接 近两 沟 槽 中心 节 点 的单元 ， 其 加 权 系数越 大 ， 接近 于 ￾ ￾ ￾￾ 模型的验证 将 计 算 值 与 木 下 胜雄 等 『￾，实测 的板 坯 宽边 中心 点 热 流 值 对 比如 图 ￾所 示 ， 可 见 计 算值 与 实测 值基 本 吻 合 ￾ 用 ￾￾￾￾￾￾ 宽 的沟 槽将边长 为 ￾￾￾￾￾￾￾ 的水 冷铜 板 表面划 分 为 ￾段 ， 将其 以一 定 的速度 向铅 液 中浸渍 ， 待初期坯 壳形成后 ， 再 以一 定 的速度 从铅液 中将 水 冷铜 板及初 期坯壳 提取 出来 ， 观察初期坯 壳厚度及形 状 ， 与传热数 学 模 型计 算 结 果 对 比如 图 ￾所 示 ￾ 可 见 二 者基 本 吻 合 ， 证 明模 型 可行 ￾ ￾￾￾￾ ￾￾￾￾ 一 计算值 ， 一 实测值 ￾￾￾￾ ￾￾￾￾ ￾些上立二鱿￾ 八 ， 、￾ 些纽二兰里￾ 八 、 、￾ 鱿上」二鱿交￾ 、 ￾ ， ￾￾ ’ 肠 ￾ ， ￾才 ’ 几 ￾ 二 “人 ’ ‘￾ 人 ‘孟 人 ￾少 逗 合 ￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾气 ‘义△￾ 一 ￾‘书沪 △ 、 ￾ 铸坯外壁 与 结 晶器 内壁 间传 热 热流 差 分 方 ￾￾￾￾ 一 ￾￾ 一 ￾￾ 收稿 沈 明钢 男 ， ￾￾ 岁 ， 教授 ￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾ ￾￾ 图 ￾ 铸坯 中心点热流密度 ￾馆 · ￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ￾￾￾￾￾￾ ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．２０００．０５．００６