多層結(jié)構(gòu)鋼水熱流密度控制的數(shù)值模擬

多層結(jié)構(gòu)鋼水熱流密度控制的數(shù)值模擬

在連續(xù)鑄造過程中，鋼溶液的冷卻條件和流動形式影響了硬化殼體的形成，影響了鑄造板材的質(zhì)量。保持結(jié)晶器中溫度場的穩(wěn)定有利于凝固殼的形成,而鋼水通過浸入式水口(SEN)的熱損失是影響該溫度場的重要因素之一。Masanori等對鋼水通過浸入式水口的散熱情況進(jìn)行了測試研究,并提出了降低熱損失的方法,而這同樣有利于防止水口堵塞的發(fā)生。對于多層結(jié)構(gòu)浸入式水口來說,各層厚度及熱導(dǎo)率(CTC)對其熱損失的影響還不清楚,所以對此進(jìn)行了研究。浸入式水口實際使用時的狀態(tài)如圖1所示。由圖可知,通過浸入式水口的散熱損失包括:(1)水口內(nèi)鋼水流的徑向熱損失B;(2)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的軸向熱損失A。造成熱損失的原因是鋼水與外界存在溫差,由于水口軸向溫差較小,因而通過浸入式水口的散熱損失主要為B。浸入式水口的散熱損失主要與其壁厚及熱導(dǎo)率有關(guān),與其形狀的關(guān)系不大,為簡便起見,假設(shè)分析所用水口為圓筒形,其斷面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其中,水口的本體為鋁碳材質(zhì),內(nèi)面層為無碳材質(zhì),外面層則為包裹在水口外壁的耐火纖維(渣線部位對整個傳熱影響較小,這里未加考慮)。在計算過程中,水口內(nèi)徑恒為80mm,壁厚(本體+內(nèi)面層)恒為25mm。考慮到通過浸入式水口的熱損失主要為B,而且此處主要研究各層厚度及熱導(dǎo)率對其熱損失的影響,因此設(shè)水口的軸向不存在溫差。鑒于此,計算所用有限元模型如圖2(b)所示。雖然浸入式水口的傳熱情況可通過數(shù)學(xué)解析法得到,然而對于本次分析來說,水口表面的換熱系數(shù)是隨溫度的變化而變化的,所以采用數(shù)學(xué)解析的方法十分繁瑣。當(dāng)采用有限單元方法時,變化的換熱系數(shù)可采用表面效應(yīng)單元實現(xiàn),計算過程簡單方便。2galileo準(zhǔn)數(shù)twp浸入式水口內(nèi)壁與鋼水接觸,設(shè)其溫度為1873K,而周圍環(huán)境溫度為323K。水口外壁(或通過耐火纖維)與空氣接觸,根據(jù)文獻(xiàn),其對流輻射換熱系數(shù)α可根據(jù):α=λl0A(GrPr)n+ωC0Tw?Tf[(Tw100)4?(Tf100)4](1)α=λl0A(GrΡr)n+ωC0Τw-Τf[(Τw100)4-(Τf100)4](1)進(jìn)行計算。式中:Gr為Galileo準(zhǔn)數(shù);Pr為Prandtl準(zhǔn)數(shù);λ為空氣熱導(dǎo)率,W·m-1·K-1;l0為SEN定型尺寸,m;A、n為與SEN形狀、位置和空氣流態(tài)等有關(guān)的常數(shù);ω為SEN或耐火纖維表面黑度;C0為黑體輻射系數(shù),等于5.669W·m-2·K-4;Tw為SEN或耐火纖維的表面溫度,K;Tf為環(huán)境溫度,K。3內(nèi)鋪設(shè)熱導(dǎo)率及耐火纖維熱導(dǎo)率變化范圍物理性能參數(shù)僅涉及材料的熱導(dǎo)率。設(shè)本體熱導(dǎo)率變化范圍為5～25W·m-1·K-1,內(nèi)面層熱導(dǎo)率變化范圍為0.5～2.5W·m-1·K-1,耐火纖維熱導(dǎo)率變化范圍為0.08～0.16W·m-1·K-1。4結(jié)果與討論分析所用浸入式水口為軸對稱結(jié)構(gòu),其外壁各點(diǎn)的熱流密度相同,而該熱流密度的變化反映了鋼水通過浸入式水口的散熱情況,以下對此進(jìn)行考察。4.1石墨含量對抗熱震性的影響本體熱導(dǎo)率對浸入式水口熱流密度的影響見圖3。由圖可知,熱流密度隨著本體熱導(dǎo)率的降低而呈拋物線形下降。對于常用浸入式水口來說,其熱導(dǎo)率主要取決于石墨含量,而大幅度降低石墨含量勢必會影響水口的抗熱震性。因此,本體熱導(dǎo)率的調(diào)整范圍有限。4.2堵塞,一般是自然表面設(shè)置的,一般在其內(nèi)設(shè)置3個內(nèi)土內(nèi)土的內(nèi)土面在連鑄過程中,為防止浸入式水口被Al2O3堵塞,一般是在其內(nèi)壁設(shè)置無碳內(nèi)面層。除了防止水口堵塞,它對于降低水口的熱損失也是十分有利的,因內(nèi)面層具有較低的熱導(dǎo)率。4.2.1內(nèi)抗沖層厚度對熱流密度的影響在保持本體和內(nèi)面層熱導(dǎo)率分別為21.7和2W·m-1·K-1的情況下,首先考察了內(nèi)面層厚度對浸入式水口熱損失的影響,計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著內(nèi)面層厚度增加,浸入式水口的熱流密度逐漸降低。其中,當(dāng)內(nèi)面層厚度由0增至4mm時,熱流密度降低幅度較大?？紤]到內(nèi)面層在澆鋼過程中會逐漸被沖蝕,因此其厚度不宜過小。與本體相比,無碳內(nèi)面層具有較高的熱膨脹系數(shù),為防止水口在澆鋼時出現(xiàn)縱向裂紋,其厚度不宜超過總厚(本體+內(nèi)面層)的20%。若浸入式水口的總厚為25mm,則其內(nèi)面層厚度為5mm左右時,浸入式水口的熱應(yīng)力和熱損失可得到較好的平衡。4.2.2口熱流密度的影響保持內(nèi)面層厚度為5mm,其熱導(dǎo)率變化對水口熱流密度的影響見圖5所示。由圖可知,熱流密度隨著內(nèi)面層熱導(dǎo)率的降低呈拋物線關(guān)系下降。內(nèi)面層熱導(dǎo)率可通過材質(zhì)及其孔隙率的改變來調(diào)節(jié)。4.3小口壓縮內(nèi)壓在浸入式水口外壁,一般均包裹一定厚度的耐火纖維(外面層)。由于浸入式水口通常是預(yù)熱至約1000℃以后使用的,所以耐火纖維可防止其因降溫過多而引起的斷裂現(xiàn)象。以下主要研究外面層對水口熱損失的影響。4.3.1表面層厚度對熱流密度的影響保持本體和外面層的熱導(dǎo)率分別為21.7和0.12W·m-1·K-1不變,考察外面層厚度對浸入式水口熱流密度的影響,計算結(jié)果見圖6。由圖6可知,因耐火纖維的熱導(dǎo)率很低,當(dāng)其厚度僅為1mm時就能大幅度降低浸入式水口的熱流密度。當(dāng)外面層厚度由1mm增至3mm時,熱流密度降低不多。而當(dāng)內(nèi)面層厚度由3mm增至4mm時,熱流密度基本不變。所以,外面層厚度以3mm左右為宜。在實際生產(chǎn)中,耐火纖維包裹層的厚度一般大于3mm。這是因為,浸入式水口的外壁溫度很高,緊貼著它的耐火纖維會出現(xiàn)一定程度的燒結(jié),以致增大了它的熱導(dǎo)率。4.3.2抗熱流密度的測定外面層熱導(dǎo)率對浸入式水口熱流密度的影響見圖7。由圖可知,隨著外面層熱導(dǎo)率的降低,水口熱流密度基本呈線性關(guān)系下降。因為當(dāng)外面層厚度超過3mm時,再增加其厚度基本不影響水口的熱流密度,所以若要進(jìn)一步降低水口的熱損失,最有效的方法就是降低外面層的熱導(dǎo)率。4.4不同表面層對熱流密度的影響以上分別研究了本體、內(nèi)面層和外面層厚度及熱導(dǎo)率變化對浸入式水口熱流密度的影響。為了對比不同結(jié)構(gòu)層對浸入式水口散熱情況的影響,設(shè)計了以下4種不同形式的水口:(1)25mm厚的本體(SN1);(2)20mm本體和5mm內(nèi)面層(SN2);(3)25mm厚的本體和3mm厚的外面層(SN3);(4)20mm厚的本體、5mm厚的內(nèi)面層和3mm厚的外面層(SN4)。它們熱流密度的差異見圖8。由圖8可知,與設(shè)置內(nèi)面層的浸入式水口SN2相比,設(shè)置外面層的SN3和SN4更能有效降低浸入式水口的熱流密度。對于SN3和SN4來說,它們的熱流密度相差不大,也就是說,外面層對熱流密度的影響較大。因此,在浸入式水口外壁包裹耐火纖維是降低其熱損失的最有效措施,特別是對于沒有設(shè)置內(nèi)面層的普通浸入式水口。5加內(nèi)統(tǒng)一表面厚度(1)鋼水通過浸入式水口的熱流密度隨浸入式水口本體熱導(dǎo)率的降低而呈拋