基于環(huán)縫式冷卻水口的方坯連鑄過熱度在線控制研究.pdf

1、高碳鋼方坯連鑄在澆注過程中常出現(xiàn)中心偏析質(zhì)量缺陷。工藝研究表明:提高連鑄方坯的等軸晶率可以有效的解決該問題。降低鋼液的過熱度和減小凝固前沿的溫度梯度是促進形核、提高等軸晶率的兩個非常有效的手段，而將這兩種技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際的工業(yè)實踐一直是連鑄過程控制的難題，相關(guān)的成功應(yīng)用還未見報道。本文以過熱度控制為目的，設(shè)計開發(fā)出一種環(huán)縫式水冷水口裝置，并在此基礎(chǔ)上研究環(huán)縫式水冷水口的冷卻控制模型，對澆鑄鋼水的過熱度實現(xiàn)在線控制，進而實現(xiàn)了對高碳鋼方坯凝

2、固組織的在線控制。
　　本文的研究來源于國家“973”計劃“提高鋼鐵質(zhì)量和使用壽命的冶金學(xué)基礎(chǔ)研究”項目中的“鋼鐵材料凝固組織均質(zhì)化的基礎(chǔ)研究”課題，連鑄過程中過熱度控制及基于環(huán)縫式水冷水口低過熱度澆鑄的相關(guān)技術(shù)研究是該課題的重點內(nèi)容之一。
　　論文主要工作和創(chuàng)新如下:
　　(1)環(huán)縫式水冷水口裝置的研制
　　以降低和控制鋼水的過熱度、提高鑄坯等軸晶率為目標(biāo)，對過熱度控制問題進行了研究，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際應(yīng)用情況，

3、對耐材水口進行了優(yōu)化，并進行了環(huán)縫式水冷水口設(shè)計和研制。通過水口冷卻水傳熱數(shù)值模擬計算和實驗室實驗驗證:該水口提高了熱導(dǎo)率，在降低鋼水過熱度的同時，不會造成水口凍結(jié)或結(jié)瘤。最終確定水冷水口外徑為115mm，內(nèi)徑為87mm，高度為160mm。水縫寬度選擇3mm，氣量為0.18MPa，水量選擇2～3.25 L/min。
　　(2)環(huán)縫式水冷水口裝置控制模型的建立
　　在進行冶金過程熱力學(xué)和動力學(xué)耦合分析的基礎(chǔ)上，建立了水口流動模

4、型和傳熱模型，采用離散化的方法確定了計算方案和收斂標(biāo)準(zhǔn)，借助CFX數(shù)值模擬軟件，計算了環(huán)縫式水冷水口的傳熱過程，建立了環(huán)縫式水冷水口的過熱度控制模型。
　　數(shù)值分析結(jié)果表明:在流場方面，鋼水由上水口進入下水口時，速度迅速衰減，并在角部區(qū)域形成回流;回流區(qū)域是水口內(nèi)速度最小的區(qū)域，幾乎不流動，容易發(fā)生凝固;水口中部被冷卻區(qū)域內(nèi)壁附近的速度也比較小;在水口下部，由于管徑的收縮及凝固殼的消失，鋼水速度又變大;拉速在1.8～2.2m/mi

5、n、水口入口過熱度在30～50℃范圍變動時，流場變化不大。在傳熱及凝固方面，冷卻系統(tǒng)對水口內(nèi)的鋼水有明顯的冷卻效果，水口出口過熱度可穩(wěn)定控制在10℃左右，水口內(nèi)壁有凝固現(xiàn)象發(fā)生，凝固殼厚度較小，不會造成水口堵塞而影響鋼水的正常流出。同時，在保持氣體壓力為0.18MPa不變的情況下，通過計算確定了噴水量的控制模型，控制模型參數(shù)為:模擬確定的W1=0、W2=6、W3=12、k1=0.04、k2=0.06、k3=0.1。
　　(3)環(huán)縫

6、式水冷水口在線控制系統(tǒng)建立
　　在明確生產(chǎn)工藝對環(huán)縫式水冷水口控制系統(tǒng)要求的前提下，基于已建立的冷卻水口控制模型，開發(fā)了環(huán)縫式水冷水口的在線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了連鑄鋼水過熱度在線穩(wěn)定控制。
　　(4)基于環(huán)縫式水冷水口的過熱度控制應(yīng)用研究
　　基于環(huán)縫式水冷水口的過熱度在線控制系統(tǒng)在淮鋼進行了生產(chǎn)應(yīng)用研究，現(xiàn)場工業(yè)試驗結(jié)果表明:對耐材水口進行優(yōu)化后，導(dǎo)熱系數(shù)上升到了12W/m·℃，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對過熱度的自動化控制和水口