高铝钢结晶器内渣-钢反应动力学及流场模拟研究
发布时间：2022-01-03 01:32
铝作为合金元素加入到钢中,通过相应的炼钢、连铸及轧制等工艺生产出的高铝钢,性能优良,应用广泛。然而,由于钢液中高含量的Al易与保护渣中的SiO2反应,进而导致保护渣粘度和结晶性能等物理化学性质发生极大变化,引发铸坯表面质量问题。本文针对高铝钢连铸过程中渣-钢反应与结晶器流场进行模拟研究,讨论渣-钢反应动力学调控机制,系统分析调控机制对流场流速、液面波动和液面卷渣等方面的影响,以期为该钢种连铸工艺进一步优化提供理论指导。主要研究内容如下:（1）针对国内某钢厂现用的高铝钢保护渣开展渣-钢反应平衡试验,发现渣-钢反应初始10 min内,保护渣完成了由CaO-SiO2-Al2O3系向CaO-Al2O3系的演变。随着SiO2的消耗和Al2O3的生成,保护渣熔点迅速升高随后趋于稳定,而粘度升高后出现小幅波动,最后趋于稳定。另外,伴随着渣-钢反应,保护渣会出现结晶因子更大、熔点更高和边界更粗糙的结晶相,CaF2由树枝状结构演变为多面结构,钙硅酸盐逐渐演变为钙铝酸盐。（2）应用双膜传质理论,分析渣-钢反应平衡试验结果,确定了钢中Al传质为本试验条件下渣-钢反应的限制性环节;建立了渣-钢反应动力学模型,...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１各类汽车用板的屈服强度和延伸率的关系ｍ??
此拉速还影响钢??中的Ａ１向渣－钢界面的扩散行为，针对特定成分＊高铝钢连铸的拉速设计十分??必要。??０．９０｜???？?？??０．８０?■??０．７０?，??？??｜０?５０?－?？Ｘ?？??｜０．４０．??Ｓ?０．３０?＾??０．２０?？?４?？??？??０．１０??〇?■■■?Ｉ?？?１?ｆｃ—．．．．．．ｔ?－Ａ－藝…？ｉ?，丨丨■■ｌｍｍ？丨丨，■晒画ｊｎｍ??５?１０?１５?２０?２５?３０?３５?４０?４５?５０?５５??过热度ｒｃ??图２－５钢液过热度与裂纹指数之间的关系??１．００１?＊???０．９０??０．８０?－禱??０．７０?ｍ?＊??ｍ?〇．６〇?＿?＾??０．５０?＊?■?＊?＿??＾?０．４０?＊?＼?Ｊ??０．３０?？?？?＊?＂＊??０．２０．??Ｏ．ｉＯ?＊?又?Ｊ??０．００?，＼?Ｘ?■?１＾１－?１?ＭＵ?＊?＿?＿??０．６０?０．７０?０．８０?０．９０?１．００?１．１０?１．２０?１．３０?１．４０?１．５０??拉速／ｍ．ｍｉｉｒ１??图２－６拉速与裂纹指数之间的关系??（４）结晶器传热的影响［２１，２２，２６，２７１：结晶器热流密度是结晶器传热功能强弱??的重要指标，它对铸坯尤其是包晶钢铸坯表面纵裂纹发生率有重要影响。结??晶器弯月面的热流不均匀导致坯壳生长厚度不均匀，就会引起横向温度梯度??不均匀，导致了横向张应力的产生，引起裂纹。目前对结晶器传热的控制思??路是降低弯月面传热速率，推迟坯壳的相变收缩，达到使坯壳均匀生长，避??免产生裂纹的目的。??－６?－??
畅地流入坯壳与铜??板间，起良好的润滑作用，铸坯表面质量良好。如果钢液对液面冲击过大，??则会造成结晶器液面急剧波动，当液面波动幅度大于液渣层厚度时，会阻碍??液渣均匀流入气隙，不能使整个坯壳表面覆盖液态渣膜，引起如裂纹、凹陷、??夹渣等表面缺陷。??２．３保护渣的冶金作用及主要特性??连铸保护渣是一种特殊的硅酸盐材料，它通常以Ｃａ０－Ｓｉ０２－Ａｌ２０３为基料，??以碳质物质为主要框架，并且用Ｎａ２０、ＣａＦ２等为熔剂。连铸过程中保护渣起??着至关重要的作用，其在结晶器内分布如图２－７所示［２Ｇ】。覆盖在钢液上的保??护渣自上而下可分为原渣层、烧结层和液渣层。连铸过程中，保护渣不断加??入和熔化，完成自原渣层一烧结层一液渣层的演变。最后在结晶器振动作用??下，液渣层中的液态保护渣流入结晶器与铸坯之间的缝隙，形成渣膜。因此，??保护渣能够形成稳定的层状结构，具备隔热保温、防止钢液二次氧化、吸附??夹杂物、润滑、控制传热五项基本功能［２８？＼从而保证连铸工序的顺行。??Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ?Ｅｎｔｒｙ?Ｎｏｚｚｔｅ?漏?！??：Ｐ。二厂?Ｉ?；???－１?１１?Ｖ．??！??Ａｉｒ?Ｇａｐ?Ｍｏｌｔｅｎ?Ｓｔｅｅｌ?Ｐｏｏ（??ＳＨｎｉｆｌｌ?＂?ＳｏＨｄＨｙｉｎｇ?Ｓｔｏ？ｌ?Ｓｈｅｌｌ??图２－７＇保护渣在结晶器内的分布Ｍ??（１）绝热保温（主要由烧结层完成）??渣－钢界面保护渣的多层结构能够有效降低钢液热辐射。因此，在实际生??产中通常采用黑渣操作，也就是保持一定厚度的烧结层。在保护渣中适当增??加碳含量，改善含碳材料的类型可以增加保护渣保温性能。而对于保温性的??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状[J]. 文光华,杨昌霖,唐萍. 工程科学学报. 2019(01)
[2]连铸保护渣对20Mn23AlV铸坯表面微裂纹的影响[J]. 李建民,姜茂发. 钢铁. 2017(09)
[3]连铸结晶器内偏流及漩涡卷渣的实验研究[J]. 刘中秋,李宝宽. 东北大学学报(自然科学版). 2017(05)
[4]基于PIV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究[J]. 任磊,张立峰,王强强,赵星. 工程科学学报. 2016(10)
[5]板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究[J]. 邓小旋,季晨曦,潘宏伟,崔阳,李林平,索金亮. 连铸. 2016(02)
[6]插钉法研究板坯连铸结晶器液面特征[J]. 任磊,张立峰,王强强. 钢铁. 2016(02)
[7]Vortex Flow Pattern in a Slab Continuous Casting Mold with Argon Gas Injection[J]. Zhong-qiu LIU,Feng-sheng QI,Bao-kuan LI,Mao-fa JIANG. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(12)
[8]板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟[J]. 杨静波,李京社,张江山,高向宙,杨树峰. 北京科技大学学报. 2014(S1)
[9]高锰TWIP/TRIP钢研究进展与应用[J]. 张维娜,刘振宇,王国栋. 中国工程科学. 2014(01)
[10]液-液流动边界层传质系数的实验研究[J]. 李明明,李强,李琳,邹宗树. 东北大学学报(自然科学版). 2012(05)
博士论文
[1]高铝钢连铸保护渣的物理化学研究[D]. 黎江玲.北京科技大学 2016
[2]CSP结晶器钢液流动及传热行为对薄板坯表面纵裂的影响[D]. 张晓峰.北京科技大学 2015
[3]连铸保护渣结晶与传热机理研究[D]. 周乐君.中南大学 2013
硕士论文
[1]高铝硅钢保护渣反应性及流变性能的研究[D]. 黄挺.重庆大学 2017
[2]连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固数值模拟[D]. 王杰.武汉科技大学 2015
[3]连铸保护渣液/固渣膜传热与润滑行为模拟研究[D]. 孔令伟.大连理工大学 2015
[4]高铝钢保护渣结晶性能及渣膜传热的研究[D]. 王欢.重庆大学 2010
本文编号：3565293
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１各类汽车用板的屈服强度和延伸率的关系ｍ??
此拉速还影响钢??中的Ａ１向渣－钢界面的扩散行为，针对特定成分＊高铝钢连铸的拉速设计十分??必要。??０．９０｜???？?？??０．８０?■??０．７０?，??？??｜０?５０?－?？Ｘ?？??｜０．４０．??Ｓ?０．３０?＾??０．２０?？?４?？??？??０．１０??〇?■■■?Ｉ?？?１?ｆｃ—．．．．．．ｔ?－Ａ－藝…？ｉ?，丨丨■■ｌｍｍ？丨丨，■晒画ｊｎｍ??５?１０?１５?２０?２５?３０?３５?４０?４５?５０?５５??过热度ｒｃ??图２－５钢液过热度与裂纹指数之间的关系??１．００１?＊???０．９０??０．８０?－禱??０．７０?ｍ?＊??ｍ?〇．６〇?＿?＾??０．５０?＊?■?＊?＿??＾?０．４０?＊?＼?Ｊ??０．３０?？?？?＊?＂＊??０．２０．??Ｏ．ｉＯ?＊?又?Ｊ??０．００?，＼?Ｘ?■?１＾１－?１?ＭＵ?＊?＿?＿??０．６０?０．７０?０．８０?０．９０?１．００?１．１０?１．２０?１．３０?１．４０?１．５０??拉速／ｍ．ｍｉｉｒ１??图２－６拉速与裂纹指数之间的关系??（４）结晶器传热的影响［２１，２２，２６，２７１：结晶器热流密度是结晶器传热功能强弱??的重要指标，它对铸坯尤其是包晶钢铸坯表面纵裂纹发生率有重要影响。结??晶器弯月面的热流不均匀导致坯壳生长厚度不均匀，就会引起横向温度梯度??不均匀，导致了横向张应力的产生，引起裂纹。目前对结晶器传热的控制思??路是降低弯月面传热速率，推迟坯壳的相变收缩，达到使坯壳均匀生长，避??免产生裂纹的目的。??－６?－??
畅地流入坯壳与铜??板间，起良好的润滑作用，铸坯表面质量良好。如果钢液对液面冲击过大，??则会造成结晶器液面急剧波动，当液面波动幅度大于液渣层厚度时，会阻碍??液渣均匀流入气隙，不能使整个坯壳表面覆盖液态渣膜，引起如裂纹、凹陷、??夹渣等表面缺陷。??２．３保护渣的冶金作用及主要特性??连铸保护渣是一种特殊的硅酸盐材料，它通常以Ｃａ０－Ｓｉ０２－Ａｌ２０３为基料，??以碳质物质为主要框架，并且用Ｎａ２０、ＣａＦ２等为熔剂。连铸过程中保护渣起??着至关重要的作用，其在结晶器内分布如图２－７所示［２Ｇ】。覆盖在钢液上的保??护渣自上而下可分为原渣层、烧结层和液渣层。连铸过程中，保护渣不断加??入和熔化，完成自原渣层一烧结层一液渣层的演变。最后在结晶器振动作用??下，液渣层中的液态保护渣流入结晶器与铸坯之间的缝隙，形成渣膜。因此，??保护渣能够形成稳定的层状结构，具备隔热保温、防止钢液二次氧化、吸附??夹杂物、润滑、控制传热五项基本功能［２８？＼从而保证连铸工序的顺行。??Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ?Ｅｎｔｒｙ?Ｎｏｚｚｔｅ?漏?！??：Ｐ。二厂?Ｉ?；???－１?１１?Ｖ．??！??Ａｉｒ?Ｇａｐ?Ｍｏｌｔｅｎ?Ｓｔｅｅｌ?Ｐｏｏ（??ＳＨｎｉｆｌｌ?＂?ＳｏＨｄＨｙｉｎｇ?Ｓｔｏ？ｌ?Ｓｈｅｌｌ??图２－７＇保护渣在结晶器内的分布Ｍ??（１）绝热保温（主要由烧结层完成）??渣－钢界面保护渣的多层结构能够有效降低钢液热辐射。因此，在实际生??产中通常采用黑渣操作，也就是保持一定厚度的烧结层。在保护渣中适当增??加碳含量，改善含碳材料的类型可以增加保护渣保温性能。而对于保温性的??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状[J]. 文光华,杨昌霖,唐萍. 工程科学学报. 2019(01)
[2]连铸保护渣对20Mn23AlV铸坯表面微裂纹的影响[J]. 李建民,姜茂发. 钢铁. 2017(09)
[3]连铸结晶器内偏流及漩涡卷渣的实验研究[J]. 刘中秋,李宝宽. 东北大学学报(自然科学版). 2017(05)
[4]基于PIV技术的板坯连铸结晶器内钢水流动行为研究[J]. 任磊,张立峰,王强强,赵星. 工程科学学报. 2016(10)
[5]板坯高拉速连铸台阶状水口的水模型研究[J]. 邓小旋,季晨曦,潘宏伟,崔阳,李林平,索金亮. 连铸. 2016(02)
[6]插钉法研究板坯连铸结晶器液面特征[J]. 任磊,张立峰,王强强. 钢铁. 2016(02)
[7]Vortex Flow Pattern in a Slab Continuous Casting Mold with Argon Gas Injection[J]. Zhong-qiu LIU,Feng-sheng QI,Bao-kuan LI,Mao-fa JIANG. Journal of Iron and Steel Research（International）. 2014(12)
[8]板坯连铸结晶器内钢液流动的数值模拟[J]. 杨静波,李京社,张江山,高向宙,杨树峰. 北京科技大学学报. 2014(S1)
[9]高锰TWIP/TRIP钢研究进展与应用[J]. 张维娜,刘振宇,王国栋. 中国工程科学. 2014(01)
[10]液-液流动边界层传质系数的实验研究[J]. 李明明,李强,李琳,邹宗树. 东北大学学报(自然科学版). 2012(05)
博士论文
[1]高铝钢连铸保护渣的物理化学研究[D]. 黎江玲.北京科技大学 2016
[2]CSP结晶器钢液流动及传热行为对薄板坯表面纵裂的影响[D]. 张晓峰.北京科技大学 2015
[3]连铸保护渣结晶与传热机理研究[D]. 周乐君.中南大学 2013
硕士论文
[1]高铝硅钢保护渣反应性及流变性能的研究[D]. 黄挺.重庆大学 2017
[2]连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固数值模拟[D]. 王杰.武汉科技大学 2015
[3]连铸保护渣液/固渣膜传热与润滑行为模拟研究[D]. 孔令伟.大连理工大学 2015
[4]高铝钢保护渣结晶性能及渣膜传热的研究[D]. 王欢.重庆大学 2010
本文编号：3565293
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