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1、第二届中国C A E 工程分析技术年会不锈钢板坯的空冷和缓冷效果分析韩志伟丁小林毛敬华丁永立( 中冶奏迪工程技术股份有限公司炼钢室，重庆，4 0 0 0 1 3 )要本文建立了不错铜板坯岭却数学模型，利用有限元软件M s c M z r e 进行了数值模拟对不锈钢板坯的空冷 和缓玲效果进行了分析，同时模拟结果可以为工程设计提供谩计依据关健词不锈钢板坯空岭缓岭1 前言与碳钢板坯相比。不锈钢板坯由于在冷却过程存在相变。所以部分不锈钢板坯要设缓冷坑缓慢冷却，避免相变时在板坯内部较脆弱的部分形成内裂。在进行不锈钢连铸工厂设计时，需要确定缓冷坑的数量、大小，同时要考虑空冷场的堆坯砸积。而在不锈钢板坯产量
2、、品种一定的情况下，决定上述结果的主要因素就是不锈钢板坯的空冷时间和缓冷时间。本文根据板坯冷却转热原理，建立了不锈钢板坯冷却数学模型，利用高度非线性的有限元软件M S C M a r c 进行了数值模拟计算。对不锈钢板坯的空冷和缓冷效果进行了分析，同时为工程设计确定缓冷坑的数量、大小以及空冷场面积提供依据。2 不锈钢板坯冷却数学模型2 1 基本假设及条件( 1 ) 板坯的长度显著大于厚度，因此可作为宽、厚两个方向的二维导热问题处理，即忽略板坯长度方向的传热；( 2 ) 垛内各板坯间紧密接触，板坯垛底与空冷场的碎石或缓冷坑的坑底紧密接触，即不计接触传热；( 3 ) 板坯宽度方向的传热看作是轴对称
3、，只计算1 2 板坯截面的温度场；( 4 ) 板坯与环境之间的传热以辐射和自然对流形式进行热交换。根据以上假设，建立如图1 示坐标系2 2 控制方程心，磊O T = 去c 五罢，+ 导c 丑茜，式中：P 为板坯密度，k g m 3 ：。P 为板坯比热容，J ( k g 畸( ) 五为板坯导热系数，w ( m 畸( ) ：T 为板坯温度，。第二届中国C A E 工程分析技术年会y 。12 S127 ，1 1：，( ( 乞。1O7 ， 9：哆Z 形。 87 厂 7：力( f 6( 形巧丢形f ， 5：( f 形 d俘 3：Z ， 2形厂，1。， O娑图1 坐标系示意图2 3 初始条件和边界条件计算
4、的初始条件为板坯到达空冷场或缓冷坑时的板坯温度。边界条件分空冷和缓冷两种情况，空冷和缓冷的边界条件形式上一致，但环境温度不一样。( 1 ) 板坯上表面( y = s ) 边界条件：一五面O T = 刮( 巧一巧) + ，( t 一咒)( 2 )( 2 ) 铸坯侧面( X = w 2 ) 边界条件一瑶= 叫( 零一巧M ( r 训( 3 )( 3 ) 铸坯下表面( y = O ) 边界条件一A 娶：岛( r L )( 4 ) o yf 4 ) 对称面( x = 0 ) 为绝热面式中：s 为板坯辐射换热的黑度系数；盯为斯蒂芬一玻尔兹曼常数( S t e f e n B o I t z m a n
5、) 5 6 71 0 “w m 2 k ；妒为辐射角度系数；抚为上表面的自然换热系数，w m 2 k ；h ，为侧面的自然换热系数w m 2 k ；岛为下表面的自然换热系数，, v d k ；C 为板坯表面温度，：T w 为环境温度，。自然换热系数分别按下式计算：h l = 1 7 0 x ( A D3h 2 = 1 1 3 X ( A T ) 3( 5 )( 6 )第二届中国C A E 工程分析技术年会h 3 ：0 5 9 。( 等) ；( 7 ) o式中：丁为板坯表面与环境温度之差，在缓冷坑内h 3 取o 。2 4 物性参数太钢1 5 0 万t 不锈钢炼钢工程的产品方案中有A I S I2
6、 0 0 、3 0 0 、4 0 0 系列不锈钢，其中3 0 4不锈钢占5 7 2 ，所以本研究就以3 0 4 不锈钢为例进行计算。虽然3 0 4 不锈钢板坯不需要进行缓冷，但为了比较空冷和缓冷的效果，缓冷计算的物性参数仍取3 0 4 不锈钢的数据。3 0 4 不锈钢的物性参数如下：密度( k g m 3 ) ：P = 7 8 1 3 2 4 3 4 4 2 1 T( 8 )比热( J k g K ) ：C p = ( O 1 1 0 1 4 + 4 8 8 2 x 1 0 。r ) 4 1 8 0( 9 )导热系数( w m K ) ：A = 4 6 9 5 1 6 5 x 1 0 _ 2
7、T( 1 0 )3 模型求解模型求解采用世界著名的高度非线性有限元软件M a r c 进行隶解。求解扳坯空冷、缓冷 过程中板坯温度变化情况，并由此确定不锈钢板坯空冷和缓冷的时闻4 计算结果及讨论图2 、3 空冷和缓冷1 小时的板坯温度云图，虽然在高温区以辐射传热为主，但是由于缓 冷坑 勾环境温度、及坑壁的温度影响，缓冷1 小时的板坯表面温度比空冷约高5 0 ，角部温 差约高7 00 C 。图4 、图5 空冷和缓冷2 4 小时的板坯温度云图，随着冷却时间的增长，辐射传热减弱， 缓冷坑内坑壁温度及坑内环境温度对板坯温度的影响逐渐增强，二者表面温度温差加大，超过1 5 0 。图6 、图7 空冷4 8
8、 和7 2 小时的板坯温度云图。空冷后期由于板坯温度降低，辐射传热不 是主要的传热方式以自然对流传热为主，而自然对流传热的传热系数较小，板坯与环境的换 热速度较慢，所以板坯温度下降较慢。在冷却至三天时最上面一块板坯( 即第1 2 块) 表面温 度约为6 0 ，第2 块板坯的表面温度最大，约为8 8 ，详见图8 。图2 空冷1 小时的板坯温度云图图3 缓冷1 小时的板坯温度云图第二届中国C A E 工程分析技术年会p 糕 赠 陶 麟图4 空冷2 4 小时的板坯温度云图图6 空冷4 8 小时的板坯温度云图 一56789I o1 11 2板坯( n )图8 空冷3 天后每块板坯的表面温度图5 缓冷2
9、 4 小时的板坯温度云图图7 空持7 2 小时的扳坯温度五图图9 空冷7 2 小时各块扳坯表面温度变化情况帅鲫仰加o第二届中国C A E 工程分析技术年会p魁 赠 旧 懈024681 0 l Z l 4 1 6 1 82 02 22 42 62 8冷却时间( h )图1 0 缓冷至3 5 0 “ C 各块板坯表面温度变化情况图9 是板坯空冷7 2 小时各块板坯表面温度的变化情况。图1 0 为板坯缓冷至3 5 0 “ C 各板坯表面温度的变化情况。通过测量各块板坯表面处网格的温度，计算出各块板坯的冷却速度，见表l 。表1 1 空冷和缓冷的冷却速度对比板坯( nO )1234567891 0l l
10、1 2平均冷却速空 O 3 3O 3 2O 3 20 3 2O 3 30 3 50 3 70 40 4 50 5 0O 5 60 6 30 4 1度( 冷缓 m i n )0 1 5O 1 5O 1 50 1 5o 1 5O 1 5O 1 5O 1 5o 1 50 1 5O 1 50 1 6O 1 5冷第1 2 块板坯的冷却速度约是第2 块板坯的2 倍由此可知空冷板坯温度梯度大，那么产生的热应力也大；缓冷板坯的冷却速度较小，各块板坯的冷却速度比较相近，板坯温度梯度较小，则板坯产生的热应力也较小。5 结论及验证( 1 ) 一垛板坯冷却到常温大约需要3 天时间，这与我们的经验吻合较好。( 2 )
11、板坯空冷冷却速度较大，板坯内部温度梯度较大，产生的热应力较大，对相同的裂纹敏感性钢种，产生裂纹的几率增大。( 3 ) 一垛板坯在缓冷坑内缓冷至3 5 0 “ C ，大约需要5 3 小时，这个数值是设计缓冷坑大小及堆垛方式的重要依据之一。( 4 ) 缓冷坑的缓冷速度较小大约在0 1 5 O 1 6 “ C a i n ，这与有关文献报道的的冷却速度约为0 1 8 “ C r a i n 比较接近；某外商的技术附件中要求缓冷坑的冷却速度小于1 0 “ C h ( 0 1 7r a i n ) ，我们的计算结果也符合某外商的技术要求。( 5 ) 由于板坯在缓冷坑内缓冷速度较满，板坯内部温度梯度小，相
12、应产生的热应力较小。产生裂纹的几率降低，这也是存在热应变和组织应变的马氏体不锈钢选择缓冷或直接进加热炉的主要原因。3啪珈伽咖伽删姗第二届中国C A E 工程分析技术年会参考文献： I 李桂荣，王宏明连铸板坯辊道输送和保温过程传热模型安徽工业大学学报 2J 高家锐动量、热量、质量传输原理重庆大学出版社，1 9 9 1作者简介：作者姓名：韩志伟出生年月：】9 7 6 年】2 月性别：男民旌：汉籍贯：云南省弥勒县职称：T 程师学位：工学硕士单位：中冶赛迪工程技术股份有限公司炼钢设计室邮编：4 0 0 0 1 3E - m a i ：2 Q ! ! ! 女! ：! ! ! ：! ! ，h a n z w 2 5 0 8 s i n a c o l n联系电话：0 2 3 6 3 5 4 8 2 5 6 1 3 6 2 9 7 8 9 1 9 3研究方向：连铸凝固过程的数值仿真3 2
