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1、钢铁连续铸造中模具温度场的实验研究与数值模拟（1）铸造工程研究中心,大连理工大学,中国大连116024（2） 材料科学与工程学院, 鞍山科技大学,中国鞍山114044原稿收于2005年11月9日,校订于2006年2月16日模具是连续铸造机械中的核心, 水冷模中的热传输与凝固在钢铁连续铸造中是最重要的因素，为了研究模具壁的温度分布，设计了一个模具模拟设备，并且用其做了一些实验，实验结果表明模具壁温度接近了冷却水的温度，在这个实验结论的基础上，提出并推论了一个等效热传导系数。这个系数可用来解决熔融水和冷却水之间的热传输，还可用来描述模具的热传输体积。通过这个等效热传导系数，可以非常容易和方便的对连
2、续铸造的凝固过程进行数值模拟。并且计算结果和实验结果是一致的，铸造速度和水流量对模具温度场的影响也进行了讨论。关键词：连续铸造模 温度场 数值模拟1引言钢铁工业是国家经济的支柱行业，连续铸造技术的水平也一直是现代化的象征。在中国钢铁连续铸造的比例接近了90%，而世界其余地区在2003年底就超过了这个水平。中国钢铁产业的规模大但不强。创造高附加值产品是中国钢铁产业在未来的发展方向。钢铁连续铸造的示意图如图1。浇铸钢水连续通过模具冷却1区，喷水2区，辐射冷却3区。从方坯的表面到中心发生凝固，然后完成整个方坯的铸造。 作为一个主要的热提取装置，要求模子能够把钢水中的热量转移到冷却水中，并能够凝固一个
3、有足够厚度的壳以能够承受钢水的压力。方坯的大部分缺陷形成于模子中，并在喷水区中扩展，所以，研究模子的温度分布是非常重要的。它不仅能够优化模具获得更热应力，从而改善钢坯质量，而且还可以延长模具寿命提高生产效率和经济效益。 许多研究人员已经花了很多时间在这个领域上，其中包括在模具中凝固的研究和模具粉末的热传递。在钢铁的连续铸造中，模具壁受1500摄氏度的高温钢和20摄氏度大流程率的冷却水的影响。如果在古典的理论基础上根据热的导电率处理边界热传递的情况，模具壁温度超过铜的熔点。实际上，在模子边界有热抵抗成分存在, 比如模子粉末和空气缝隙。热抵抗减少了能够使得模子温度发生软化处理行为的边界热流，所以减
4、少了模子扭曲的可能性。它确保了铸造能够连续正常的进行。通过实验研究，论文得出了模具壁的热传递规律并推论出了等效热传导系数，这使得在连续铸造过程中能够对包括模子在内的方坯钢的凝固过程进行数值模拟。模拟结果和实验结果是一致的，除此之外，论文中计算并且讨论了铸造速度和水流率对模具温度场的影响。2实验模具的实验装置和模具壁的热流如示意图2所示，锡铅合金已经用于该实验，因为它的密度和热传导与钢铁接近。加热合金到大约到260度，放进保温装置中，用装甲热点偶测量温度，并用DUT3000温度采集模块收集数据。把冷却水通过模子，水的入口与流量表相连接。水的初温为20摄氏度。制造一个高5mm和8mm的铜模子，根据
5、图2，a=8h,b=2h。热电偶T1插入到接近模子底面的铁水中，测量的结果是钢坯的表面温度。热电偶T2、T3和T4分别测量模具壁和冷却水的温度。图3和图4显示了水流率和模具壁厚度对模具壁界面上温度分布的影响，可以看出来，当水流率沿着模具壁的热传递方向增加时，熔融金属和模具壁界面之间的热梯度随着冷却水流率的增加而增加。总的来说，模具壁的温度接近冷却水的温度而不是熔融金属的温度。图3和图4表明，测量的结果指示出熔融金属和模具壁之间的模子界面存在热抵抗，阻碍了热传递。然而，模具壁和冷却水之间的模具界面的热抵抗却很小。3边界等效热传导系数建模在连续铸造中，从模具界面到冷却水之间熔融铁热量的热传递是一个
6、复杂的过程，模具壁边界和熔融铁同时发生热传递有几种方法，如图5所示。空气缝隙和模子粉是阻碍熔融铁和模子界面之间热传递的空气缝隙和模子粉是热抵抗，如图3和图4所示。这篇论文提出了一个等效热传导系数，在经典理论的基础上以热系数的形式，处理熔融钢铁和模具之间、模具和冷却水之间的边界热传递。在稳定的生产条件下，被冷却水从熔融金属中放出的热量在模子可以估计为3.1模子和水之间的边界等效热传导系数在图3和图4中模具壁和冷却水之间的模具界面的热抵抗很小，基于这个原因，边界等效热传导系数用来处理基于古典理论的热传导，其复杂关系为：其中下标m和w分别指模具和水32熔融铁和模具之间的边界等效热传导系数在稳定的生产
7、条件下，由冷却水吸取的热率为：其中，W指水流率，单位；指比热容，单位，kJ(t)；Pw指密度，单位,和分别指冷却水的流入温度和流出温度，单位在稳定的生产条件下，从熔融金属的进入到熔融金属的出来，模子中的总热传递量可以被估计出来，以致模子能有一个足够厚度的凝固壳。当铸造速度是V，模子高度是l时，模子中熔融金属的热流率则为：实际上，在连续铸造的情况下，热量的损失则更小，在模子中可以忽略不计，根据热量平衡原理有： 测量结果表明，在熔融金属和模具壁之间的模子界面存在热抵抗，所以，边界等效热传导系数为： 其中下标mo和m分别指熔融金属和模子。根据傅立叶法，熔融金属和模具壁之间的边界热传递关系为：其中qm
8、o指热流量当模子壁的边界面积是A时，就有：结合式(4)，(2)，(5)一(7)，可给出边界热抵抗的公式为：33冷却水流率W的设计：在模子中稳定的生产情况下，从进口熔融金属到出口熔融金属就会有一个足够厚度的凝固壳，总传递的热量可以估计出来。目前，提高连续铸造的速度是提升钢铁产量的一个重要因素，因此，确定冷却水的流率W是一个重要的任务。结合式(4)，(2)和（3)，模子中冷却水流率W和连续铸造速度V之间的关系就可以得出以下公式：分析结果表明，等效热传导系数取决于连续铸造速度和冷却水，它使得在连续铸造过程中能够对包括模子在内的方坯钢的凝固过程进行数值模拟变得可能。4对连续铸造模的温度场数值模拟仿真4
9、1温度场的数值模拟仿真热平稳衡方程式：连续铸造的温度场是空间中的一个稳态场，它有以下假定：（1）热物理参数不变（2）模子的锥度和振动可以忽略不计（3）用温度补偿方法计算潜伏热在热平衡理论的基础上，公式（10）转变成交变的有限差分方程，对方坯连续铸造的温度场的数值模拟仿真也可以进行。模具尺寸是l02mmx 102mm,高度是700mm，壁厚是26mm，冷却水沟道的尺寸是12mmxl5mmx680mm，过程参数列在表1中。 在表1的情形中，钢坯loomm xloomm连续铸造的温度场是由连续铸造模的温度场的数字模型模拟而来的。所得数字结果能够满足天然新产品的要求，模具部分的温度如图6所示，可以看出
10、来模子壁的最高温度分布在模子中金属高度5到10mm的热壁上。在离模子热壁2-3mm的地方，温度在模子垂直的部分有最高的级别。这个部分最可能会被扭曲和破裂，在靠近模子角落地方的温度比较低，因为二维热传递的缘故，计算结果和9式结果相当吻合。42处理模子壁温度参数的效果421冷却水流率对模子的初步冷却是成功获得连续铸造产品的一个重要因素，如图7所示，随着冷却水流率的减少，模子的温度明显上升。422铸造速度如图8所示，如果铸造速度增加到0.1m/min,那么模子壁温度就会增加4度，高温区就会消耗。当铸造速度超过到3m/min时，模子热壁的温度就会达到或才超过模子的熔融温度。所以铸造速度必须要伴随水流率
11、的增加而增加。5结语（1）本文设计了一个模子模拟装置以能演示出模具壁的温度分布实验。结果表明模子壁的温度总接近冷却水的温度。引入了等效热传导系数来考虑熔融金属和冷却水之间的热传递。它使得在连续铸造过程中能够对包括模子在内的方坯钢的凝固过程进行数值模拟变得可能。（2）完成连续柱铸造的实验以及相应的模拟，实验结果和计算结果的一致使得连续铸造的温度场计算计划有效。（3）连续铸造过程中对模子的温度场进行数字模拟仿真的VC计划正在进行，论文还计算和讨论了铸造速度和水流率对模子壁温度的影响。后记这篇作品得到了中国自然科学基金会的支持(No599995442)参考文献：Green Package mecha
12、nical design of the key technologiesAbstract: Green product design from the content and characteristics of full life cycle, concurrent engineering, removable and modular design method to study the mechanical design of green packaging of the key technologies required to explain the packaging machiner
13、y to carry out the need for green design and urgency of unforced.20 since the early 70 century, industrial pollution caused by global environmental degradation, to an unprecedented degree, the increasingly serious ecological crisis calls for all countries in the world to strengthen environmental pro
14、tection, in order to save human life on Earth, to ensure that the quality of human life and economic sustainable development. Entered since the 90s, especially the June 1992 World Conference on Environment and Development adopted Agenda 21 In the future, national environmental protection strategy ha
15、s experienced a new change, the global industrial restructuring takes on a new strategy for the green trend, which resource utilization is to rationalize the production of a small amount of waste on the environment pollution-free, less pollution direction. In such a green wave Under the impetus of green design emerged, corresponding to green product design technology has also become a hot topic at home and abroad Packaging machine
