热管连铸结晶器数值模拟.doc
精品论文热管连铸结晶器数值模拟商丹，童明伟重庆大学热能动力工程学院，重庆（400030）E-mail: 710936761摘要：传统连铸加工过程中采用水冷却，水冷却方式传热效率低还容易发生金属反应。热管由于其具有的高效传热效率、良好的等温性能，用其代替水冷将提高连铸的生产效率，得 到品质优良的型材。本文将对连铸结晶器内的钢液凝固过程进行数值模拟，了解其凝固过程 的温度分布，为后期的实验做指导。关键词：热管；连铸；结晶器；数值模拟中国分类号： TF03+1文献标识码：AApplication of Heat Pipe Technology in Magnesium AlloyContinuous CastingDan Shang, Ming Wei tongAcademy of Power and engineering, Chongqing University, Chongqing (400030)AbstractIn traditional continuous casting procedure, water cooling as main method with lower efficiency heattransfer and easier metal reaction is not suitable. It is used heat pipe as replaced plant in continuous casting due to its fine performance in high heat transfer efficiency and isothermal character. This paper simulates the solidification process to find out the solidification temperature distribution and as a guidance to the latter experiment.Key words: Heat pipe; Continuous casting; Mold; Numerical simulation- 3 -0. 引言当前连铸技术呈现了非常强劲的发展 态势，生产高效化、操作自动化、铸坯洁净 化、提高连铸坯表面质量、生产无缺陷铸坯 等代表了技术的发展方向。特别是随着连铸 设备及工艺的计算机检测和监控系统的逐 步完备，有效的提高了连铸坯质量，提高了 劳动生产率。高效连铸是以高拉坯速度为核 心，生产高质量、无缺陷的高温铸坯，实现 高连铸率、高作业率的技术，高效连铸技术 已经成为国内外冶金界努力研究的方向。实 现高连铸的前提条件是有效控制漏钢和铸1. 热管连铸结晶器热管是一个封闭系统，即在一个密闭的 高度真空管（通称为金属管）中，靠近管内 壁贴装以某种毛细结构（称为吃液芯）后装 入某种工作介质即成热管。其工作原理即为 热管利用工质相变的物理过程。工作时，管 的一端从热源吸热使工质蒸发气化，蒸汽流 往另一端，该端向冷源放热，蒸汽冷凝液化。 冷凝液借重力、离心力或毛细管压力的作 用，流回蒸发端，完成工质的自动循环。在 物质循环的过程中，同时进行着热量的传 输，从热管的工作原理看可分为三区段：蒸4坯质量，而发生在结晶器内钢水最初的凝固对铸坯质量至关重要，其中温度场的分布和 凝固组织直接影响连铸坯的质量，如何根据 连铸结晶器的内部特征和传热特点有效的 提高连铸坯的质量是广东冶金研究者共同1-3发段、绝热段和冷凝段。如图 1 所示。努力的目标。热管由于具有超导热性和恒温性，因此我们把分离式热管技术应用于 连铸器中，以此来提高铸坯质量。C = cN T N dV2.3 边界条件设定1）铸坯铜板边界： cTcr= sTsr=q c2）铸坯中心：Ts图 1 热管工作原理Fig.1 Circuit truth of heat pipe operation s = 0r3)铸坯保护渣边界： sTSz= fT fz= (TS T f ) / R式中 为导热系数，下标 c ,s，f 分别表示结晶器、铸坯和渣。图 2 分离式热管连铸结晶器原理图Fig2 Principle of separate heat pipe continuous casting mould2. 温度场模拟2.1 连铸圆坯温度场计算模型的建立对铸坯计算模型做以下假设：1）铸坯传热以热传导方式为主，钢液 流动对传热的影响通过增大钢液的导热性 能来体现；52）铸坯为不可压缩材料，忽略因粘滞 性而引起的能耗；3）铸坯也拉速 V 匀速运动，钢的比热， 导热系数与空间位置无关，只是温度的函数4）连铸过程是空间稳定的温度场问题2.4 主要计算参数圆坯直径 178mm，钢水密度 7200kg/m3,铸坯比热 680/(kg·), 铸坯导热系数 34w/(m·),潜热 272kj/kg,浇铸温度 1523， 拉坯速度 2.5m/min。2.5 模拟结果及其分析图（3）显示的是在不同半径处铸坯温 度沿结晶器高度方向的变化。由图可知，随 着距离弯月面越远铸坯温度越低；半径越 大，温度越低，下降的速度越快。图（4） 显示的是在不同高度处铸坯温度沿圆坯半 径方向的变化。由图可知距离中心 60mm 处 是铸坯温度保持在一个较为恒定的值，随着 半径的增大温度逐渐降低；距离弯月面越远 温度越低。16001500Temperature ()140070mm90mm2.2 控制方程TC . + K T = Q 13001200110060mm t tf10000200400600800其中：图 3 不同半径位置圆坯温度变化Temperature of different radius in the round billet18001600140012001000800170mm370mm770mm6004002000020406080Temperature ()图 4 不同高度位置圆坯温度变化 Temperature of different heights in the round billet图 5 模拟结晶过程The process Simulation crystallization经过模拟我们可以看出热管连铸结晶 器比传统水冷式结晶器冷却效率更高，而且 拉坯速度可以达到 2.5m/min,提高了生产率。 采用了热管传热方式后可节约电费，假设水 泵电机功率为 15kw,每度电按照 0.6 元计算， 每年按照 10 个月运行时间计算：15×24×30×10×0.6=64800 元可节约 64800 元电费，节约了成本。 由于模拟过程存在偏差，所以还需要我们后 期实验来进行验证。3. 结论针对连铸水冷却方式效率低，生产过程 存在危险的问题，采用分离式热管的冷却方 法后可明显提高冷却效率，并可得到品质优 良的铸坯。我们后期还将进行实验，完善热 管连铸结晶器的各个方面，为我国的冶金事 业做出贡献。参考文献1 蔡开科,和士富.连续铸钢原理及工艺.北京:冶金 工业出版社,2002.2张寿荣.进入 21 世纪我国钢铁工业面临的机遇和 挑战 . 中国科 协 2003 年学 术年会大会 报告汇 编,2003:201-213.3P.J.zasowski et al.Control of Heat Removal in the Continuous Casting Mould. Steelmaking Conference Proceedings. Iss, 1990:197-2174庄骏,张红.热管技术及其工程应用M.北京:化学工业出版社,2000,6. 5蔡凌宇.连铸小方坯温度场、浓度场的数值模拟及组织预测: 硕士学位论文）. 北京: 北京科技大 学,2001.
