连铸板坯结晶器温度分布的研究崔立新张家泉陈志平北京科技大学冶金学院炼钢所宝钢集团上海梅山有限公司连铸板坯结晶器温度分布的研究The Research for the Distribution of Temperature in the Mould of the SlabContinuous Caster崔立新1 张家泉1陈志平2(1- 北京科技大学冶金学院炼钢所； 2-宝钢集团上海梅山有限公司)摘要:本研究利用MSC.Marc软件建立了连铸结晶器内热状态有限元分析模型，从物理现象的本质特征出发，掌握了结晶器铜板的温度分布。

利用工厂实测数据对模型进行了验证。

讨论了拉速、冷却水流速、铜板厚度对铜板温度分布的影响，进而准确实施漏钢预报并得到提高结晶器寿命的措施。

关键词:板坯连铸结晶器温度场 MSC.MarcAbstract: Using MSC. Marc software, this paper studied and established the casting thermal field FEM analysis model in mould, from the essential feature of physical phenomenon modeling the temperature field of the copper mould wall. Qualitative agreement was found between model and operating temperature data．The effect of following variables on mould temperature distribution was studied：speed，water velocity and wall thickness in order to gain accurate enforcement leaks steel forecast, and get the measure that raises mould life.Key words: s lab continuous casting；mould；temperature field；MSC.Marcl前言结晶器是连铸机的“心脏”，钢水在结晶器的凝固实质上是把钢水热量通过铜板传给冷却水的过程，铜板的传热状况对铸机产量和铸坯质量有重要影响。

板坯结晶器是由两块宽面铜板和两块窄面铜板组合而成所需浇铸的断面。

结晶器铜板的温度分布对于热量传递，提供坯壳与铜板接触状态的信息，渣膜润滑层的形成以及铜板寿命都有十分重要的影响。

为了解铜板的温度分布，通常是在铜板厚度方向的不同高度处设置热电偶，测定拉坯过程中铜板温度变化。

板坯结晶器铜板中有水槽和螺钉，传热状态较复杂，可用数值计算方法模拟铜板的温度分布来开展研究工作。

本文目的是利用所建立的连铸坯在结晶器内温度场的有限元分析模型，研究铜板温度分布并讨论工艺参数对铜板温度分布的影响。

2数学模型的描述如图1所示，在建立数学模型时，对于结晶器铜板作了如下假设：（1）铜板导热系数λ各向同性；（2）铜板密度ρ和比热C视为常数；（3）拉坯方向（Z向）铜板传热忽略不计。

图1板坯结晶器示意图图2铜板边界条件和网格划分示意图取铜板中一个微元体做热平衡，可导出：t T yT x T C ∂∂=∂∂+∂∂)(2222ρλ 求解此方程的条件： 初始条件：(x,y)0),(T y x T =边界条件：如图2所示，结晶器铜板宽面温度场求解的边界条件有以下几种情况；（1）钢水与铜板交界面（AB 、AC 面）q y T=∂∂−λ（1）（2）结晶器宽面铜板与窄面铜板交结面（AD 面）0=∂∂−=∂∂−y T x T λλ（2）（3）结晶器铜板与支持钢板接触面（IJ 面）：0=∂∂−=∂∂−y T x T λλ（3）（4）铜板水槽与冷却水接触面（EG 、FH 面）：)(w w T T h y T x T −=∂∂−=∂∂−λλ（4）4.05.0Re 023.0P dh ww λ= （5）综合以上各式，便得到求解板坯结晶器铜板温度场的二维传热数学模型。

3模型求解与验证3.1网格划分把沿结晶器高度方向整个结晶器和连铸板坯作为研究对象，考虑到对称性，取1/4作为计算域进行研究。

有限单元网格全部划分为四边形单元，单元总数为1036个，节点总数为1286个。

所计算的结晶器铜板宽面尺寸为45mm ×1150mm ，窄面尺寸为40mm ×215mm ，重点考虑了结晶器的水槽分布。

其结构尺寸和网格划分如图2所示。

图中AC 面为与钢水接触面，BD 面为与固定钢板接触面，为非均匀网格。

3.2计算参数选取(1) 结晶器铜板外表面与冷却水进行对流换热，其对流换热系数，有相关文献[1]得到其值。

)./(106952.224K m W h out M ×=−(2) 结晶器锥度本模型中，结晶器铜板被处理成不发生变形的刚性体，对其施加随时间变化的刚体运动，通过控制其运动轨迹来模拟结晶器锥度。

由于结晶器在铸坯厚度方向上没有锥度，所以对于控制铸坯厚度的铜板的位置为固定值，即速度为零。

结晶器在铸坯宽度方向上刚体移动速度取决于结晶器锥度。

对于梅山实际铸机的结晶器的锥度为1.2%/m 。

（3） 结晶器铜板的热和力学参数[2]导热系数取常数：℃⋅=m W k Cu 380比热取常数：℃⋅=kg J C Cu 700密度取常数：38940m kg Cu =ρ弹性模量取常数：GPa E 110= 泊松比取常数：36.0=ν热膨胀系数α随温度变化，其变化关系见表1。

表1 铜的热膨胀系数温度 (℃) 15 71 127227 327热膨胀系数×10-6(1/℃) 15.215.716.517.6 18.33.3模型的验证对于宝钢集团上海梅山炼钢厂2#连铸机，在结晶器宽面和窄面铜板上，距铜板顶部200、400、600mm 处分别装有28个热电偶（离铜板冷面23mm ），康铜热电偶从螺栓中心孔插入与仪表连接，在控制室的屏幕上显示所测点的温度瞬时值，可起漏钢预报的作用。

在现场记录了拉速为 1.0m/min 、1.2 m/min 、1.4m/min 三种工况下离铜板上口 200mm 、400 mm 、600mm 处的温度值。

以拉速为 1.2m/min 为例，计算铜板温度与实测温度如图3所示。

图3计算的铜板温度与测定值比较由图可知，计算值与实测值基本接近，其相对误差＜10％。

说明建立的模型是可行的。

4结果分析与讨论本课题的研究中共计算了整个结晶器的温度场，并作出了其等温度线图。

4.1沿铜板厚度方向温度分布如图4所示，沿铜板厚度从热面到冷面铜板温度分布基本上为一簇平行的等温曲线。

由图可知：①铜板热面温度为302.7℃，在冷却水槽区域铜板温度曲线呈弓形。

②水槽两边铜板温度比中间铜板温度低约15℃。

③与冷却水接触的铜板温度＜70℃，不会使水沸腾。

图4铜板温度分布4.2拉速对铜板温度的影响如图5所示，拉速从0.8m/min增加到1.6m/min，铜板热面温度明显增加，最大相差50 ℃。

图5拉速对铜板热面温度的影响拉速为1.0m/min 时沿结晶器高度热面和冷面的铜板温度如图6所示。

在弯月面区铜板热面温度最高约为335℃，出结晶器铜板温度约为180℃；弯月面区冷面铜板温度约为100℃。

图6沿结晶器高度铜板温度分布4.3冷却水流速对铜板温度的影响冷却水流速从3m/s 增加到11m/s ，铜板热面温度大大降低，如图 7所示。

由边界换热系数公式可知，水流速度增加，传热系数h 增大，使铜板与冷却水传热效率增加，铜板温度降低。

当水速为3m/s 时，铜板热面温度大大提高，而使铜板的强度和硬度降低。

当水速为11m/s 时铜板热面温度为240℃左右。

若再增加冷却水流速，对铜板传热便无多大影响。

因此采用冷却水流速为7～8m/s ，可使铜板热面和冷面达到合适的温度值，取得良好的传热效果。

结晶器冷却水的流速对于铸坯和结晶器铜板的温度分布具有重要的影响。

水流速度增加，传热系数会明显增大，使得铜板与冷却水之间的传热效率增加，铜板温度明显降低。

图7 冷却水速度对铜板热面温度的影响4.4铜板厚度的影响当拉速为1.0m/min，冷却水流速为7m/s时计算结果表明：随铜板厚度变小，铜板热面温度呈下降趋势。

铜板厚度从45mm减小到30mm，铜板热面温度下降约50℃。

但是选择结晶器铜板厚度时还应考虑水槽尺寸和固定螺栓的安装，以保证使用过程中铜板所需的强度和刚度。

图8 铜板厚度对铜板热面温度的影响5结论（l）本文利用所建立的连铸坯在结晶器内温度场有限元分析模型，计算的铜板温度分布与现厂结晶器漏钢预报实测的温度基本接近，其相对误差小于10%，说明模型是可行的。

（2）拉速是影响铜板温度场的主要因素。

拉速增大，钢板温度升高。

计算表明，对250mm厚板坯，拉速由1.4m/min增加到1.6m/min，铜板热面温度不会超过再结晶温度，铜板冷面温度不会达到水的沸点。

（3）冷却水流速增大，可使铜板温度降低。

冷却水流速由5m/s增加到8m/s，铜板温度下降28℃；而由8m/s增加到11m/s，铜板温度仅下降10℃；冷却水再增加，铜板温度变化更小。

因此保持冷却水7～8m/s的水速是适宜的。

（4）铜板厚度越薄，铜板温度越低，但选择铜板厚度还应同时考虑水槽大小和结晶器强度和刚性，以保证必需的抗变形能力。

6参考文献[1] W. H. Acadams. Heat transmission. McGraw-Hill. New York. 195[2] J. K. Brimacombe, I. V. Samarasekera and R. B. Mahapatra, Basic knowledge and the achievement of quality in continuous casting, Proceedings. 6th Internat. Iron and Steel Congress, Nagoya, Japan, Vol.3, Oct.1990, 246~255。