| 题名 | 薄板坯连铸凝固过程数值模拟 |
| 作者 | 李中原 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-03-04 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 赵九洲 |
| 关键词 | 薄板坯 连铸 凝固 模拟 三场 耦合 |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 薄板坯连铸连轧工艺自上世纪九十年代投入生产以来，由于具有投资少，效率高，能耗低等特点，引起全世界的高度重视，在短短的十多年时间里得到了迅猛发展。连铸薄板坯的厚度介于50至100mm之间，拉速达到4-6m/min，和传统连铸板坯及方坯相比，拉速提高很多。对薄板坯连铸过程中流动、传热、传质等传输现象的深入理解有助于优化连铸工艺和凝固过程，提高薄板坯的质量。长期的研究表明，对凝固过程中的传输现象进行实验研究极为困难，结晶器内流场、温度场、溶质分布随时间的变化等都很难直接测量，因此，数学物理方法成为深入研究连铸凝固过程的有力手段。本论文利用计算机数值模拟方法，耦合模拟了平行板型薄板坯连铸凝固过程的传热、紊流流动及溶质传输，全面分析了薄板坯内的流动、凝固坯壳的分布及溶质分布的情况，研究了各项工艺参数的影响规律，揭示了薄板坯质量的影响因素，宏观偏析的形成机理等。具体研究内容如下： 1. 本文采用连续介质模型及体积平均概念，结合薄板坯连铸工艺，建立了一种统一的三维三场耦合数学模型。该模型综合考虑了凝固收缩、重力、紊流及多种溶质元素在宏微观范围内的传输等现象。使用C++语言，自行编制了计算程序。应用该程序对已有实验进行了模拟，模拟结果与实验结果吻合很好，验证了本文所建模型的可靠性。 2. 针对Fe-C二元合金平行板形薄板坯连铸凝固过程，结合薄片状两孔浸入式水口的二维紊流分析，对薄板坯内的流体流动、凝固坯壳的厚度分布及形貌、溶质的宏观偏析等进行了模拟计算和分析。揭示了平行板形薄板坯连铸凝固过程中各传输现象的特点。 3. 模拟分析了连铸工艺参数对薄板坯连铸凝固过程的影响，指出铸坯拉速的提高将导致铸坯内钢液流速增大，凝固坯壳平均厚度减小，溶质偏析严重的区域逐渐向窄壁处靠近。水口角度影响弯月面处钢液流动，合理的选择水口角度有利于防止卷渣现象的发生。铸坯宽度及厚度方向尺寸的变化对铸坯内温度的分布有较大影响，进而影响凝固坯壳厚度的分布及溶质偏析情况。 4. 针对鞍钢中厚度薄板坯连铸连轧生产线（ASP）现行工艺条件，计算分析了提高铸坯拉速后三孔浸入式水口紊流流场的分布，并模拟计算了铸坯内的钢液流动、凝固壳厚度分布及溶质偏析等现象，指出在现行工艺条件下，提高拉速将导致凝固坯壳生长极不均匀，并造成弯月面紊流波动严重，使铸坯易产生表面裂纹、夹渣及溶质偏析等质量问题，并易于发生拉漏现象。通过对三孔水口结构的改进，增加了底孔通钢量，可以使底孔钢液流股对铸坯下部的冲击得以加强，同时，侧孔对铸坯窄面的冲击减弱，弯月面处的波动减弱，铸坯内的温度分布得到改善，凝固壳的生长均匀、稳定，铸坯中溶质偏析程度减弱，有利于铸坯内、外部质量的改进和生产稳定性的提高。 计算分析了鞍钢中厚度薄板坯现行生产工艺条件下，低碳钢中C、Si、Mn、P、S等五种元素的宏观偏析情况，指出这五种元素在铸坯内浓度分布规律相似，其在铸坯宽面对称面沿x轴方向100~400mm范围内均产生明显的正偏析，而铸坯其他部分宏观成分偏析较小。与传统板坯相比，宏观偏析的位置从铸坯中心向窄壁方向发生偏移。而五种元素的偏析程度随各自溶质平衡分配系数的不同有所差异，其中S元素偏析程度最大，而Mn最小。铸坯中心S的浓度是铸坯表面的4~5倍，这一结果与实验结果十分一致。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 147 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16909]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李中原. 薄板坯连铸凝固过程数值模拟[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
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