连铸坯凝固传热过程的数学模型分析

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连铸坯凝固传热过程的数学模型分析

　2006年10月第29卷第10期重庆大学学报(自然科学版)

JournalofChongqingUniversity(NturlScienceEdition)

Oct.2006　Vol.29　No.10

　　文章编号:1000-582X(2006)10-0100-05

连铸坯凝固传热过程的数学模型分析

郑　忠,胡　燕

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆　400030)

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摘　要:连铸坯凝固传热数学模型对定量分析连铸过程中的热量传递、改善连铸坯质量及实现过程

级的动态控制有重要意义.分析了连铸坯在结晶器和二次冷却区凝固传热的特点;重点讨论了建立连铸坯凝固传热数学模型的主要方法,给出了当前代表性的定解条件及参数确定方法;对凝固传热模型的主要数值计算方法,如有限差分法、有限元法以及边界元,进行了对比分析;热模型,.

关键词:连铸坯;凝固传热;数学模型　　中图分类号:TF777:　　[1]

3%～6%,而钢水沿结晶器壁冷却水的水平方向传热,

.其散热量约占结晶器总散热量的94%～97%

[1]

.

,钢水在连铸机内分别经结晶器、,以对流、传导和辐射等多种方式将热量从凝固前沿向外界传递.由于钢液的凝固和传热极大地影响着连铸坯的质量和铸机的生产效率,因此,采用先进的计算机数值模拟技术与实验技术对连铸坯的凝固传热进行研究,充分认识连铸坯的凝固传热过程,定量分析热量在连铸过程中的传递,迅速找出影响连铸坯凝固过程的规律和工艺控制措施,对控制和改善铸坯内部组织结构和质量,实现生产过程的动态控制有着重要意义.

理论上讲,通过测定结晶器传热过程的各项热阻可以计算出结晶器的传热系数,然而,由于实验测定铸坯和铜壁之间的传热比较困难,因此在实际研究中,一般采用热平衡方法来研究结晶器的传热速率,即:结晶器导出的热量=冷却水带走的热量.虽然结晶器设计参数及结构不同,但一般采用以下形式晶器的平均热流密度:

q=A-β1

tm　kJ/(m s).

2

[3-5]

来描述结

(1)

　　通过数学运算可以得到结晶器在一定拉速条件下沿拉坯方向瞬时热流密度的函数表达式,即:

q=A-β2

tm　kJ/(m s),

2

1　连铸坯凝固传热的特点

1.1　结晶器传热

(2)

ββ式中:A、1、2为实验常数,其中A通常取2680;tm为钢水通过结晶器的时间,s

.1.2　二冷区传热

结晶器是铸坯传热的关键部位,钢水在结晶器内导出的热量对形成表面质量良好的铸坯、保证铸坯初生坯壳的均匀性以及提高连铸机的生产率具有决定性的作用.

结晶器中的传热

[2]

二冷区铸坯表面热量的传递方式为喷淋水与铸坯表面的对流传热、铸坯表面向空气中的辐射传热、空气与铸坯之间的对流传热、支撑辊与铸坯之间的接触传热、喷淋水滴的蒸发传热以及水滴沿内弧表面浸渍而带走的热量.在设备和工艺条件一定时,铸坯辐射传热和支撑辊传导传热变化不大,而喷淋水的传热占主导地位.由于喷淋水滴打到铸坯表面,使得铸坯中心与表面形成较大的温度梯度,因此,喷淋水的冷却是铸坯凝

包括钢液的对流传热、凝固壳

的传导传热、渣膜的导热、气隙的辐射和对流换热、铜板的导热以及冷却水和铜板的对流换热.结晶器内钢水导出的热量包括垂直方向散热和水平方向散热.其中,铸坯垂直方向散热量很小,仅占结晶器总散热量的

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收稿日期:2006-06-15作者简介:郑　忠(1963-),女,浙江淳安人,重庆大学教授,博士生导师,主要从事冶金过程计算机模拟与物流仿真研究

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