發(fā)布時(shí)間：2020-09-23 07:48

　　 H型鋼以?xún)?yōu)良的力學(xué)性能和高效承載等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展,H形連鑄坯作為一種近終形連鑄產(chǎn)品,利用其軋制制備H型鋼具有能耗低、工序少、成材率高和成本低等優(yōu)點(diǎn),是軋制生產(chǎn)H型鋼的最佳原料。由于H形坯斷面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在連鑄過(guò)程中比常規(guī)坯形更容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。連鑄過(guò)程中鋼液的流動(dòng)傳熱行為直接影響鑄坯質(zhì)量和工藝的順行,研究H形坯連鑄過(guò)程中的流動(dòng)傳熱等傳輸過(guò)程,深入探討各因素的影響規(guī)律,可為深入了解H形坯連鑄技術(shù)及獲得高品質(zhì)的H形連鑄坯提供理論依據(jù),具有十分重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)深入探討H形坯連鑄過(guò)程的流動(dòng)、傳熱行為,對(duì)中間包及結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)傳輸行為、結(jié)晶器內(nèi)凝固收縮行為及錐度影響機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要研究結(jié)果如下:(1)面向兩個(gè)斷面的H形坯連鑄多流中間包具有每流雙出口、入口與出口不對(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn)。通過(guò)構(gòu)建物理模擬模型和基于CV定權(quán)的TOPSIS多目標(biāo)優(yōu)化流程,研究了控流裝置對(duì)中間包向每流結(jié)晶器分流一致性的影響規(guī)律。優(yōu)化的控流裝置可以使中間包在兩個(gè)斷面的結(jié)晶器澆鑄工況下都能發(fā)揮優(yōu)秀的冶金效果。(2)中間包包體在工作時(shí)與高溫鋼液接觸而升溫變形,通過(guò)數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)四流H形坯中間包的橫向變形量可高達(dá)約8mm。如若在中間包包體設(shè)計(jì)時(shí)不考慮消除這一變形,將引起中間包下方結(jié)晶器內(nèi)水口的偏移。通過(guò)結(jié)晶器銅板/鋼液3D流動(dòng)傳熱模型,分析了水口偏移程度對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)行為及凝固坯殼分布的影響。研究結(jié)果表明,6mm的水口偏移即可引起結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)特征發(fā)生顯著變化,并且水口的偏流將直接影響H形坯結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼周向分布的均勻性。(3)全保護(hù)澆鑄是大多數(shù)H形坯連鑄結(jié)晶器的澆鑄方式,合理的結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)是保證連鑄工藝順行、獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。構(gòu)建了1:1物理模擬模型,采用示蹤劑模擬、波高測(cè)量、夾雜物模擬、刺激-響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法,研究了全保護(hù)澆鑄下水口個(gè)數(shù)、水口設(shè)計(jì)參數(shù)、水口插入深度及工況對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律,為結(jié)晶器流場(chǎng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。(4)半敞開(kāi)澆鑄是目前小斷面H形坯結(jié)晶器的主要澆鑄方式,但是目前的研究缺乏對(duì)半敞開(kāi)澆鑄情況下H形坯結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的研究分析。本研究建立了氣體、保護(hù)渣、鋼液三相VOF數(shù)值模型和基于卷氣相似的1:1水模型,研究了半敞開(kāi)澆鑄狀態(tài)下的H形坯結(jié)晶器流場(chǎng),系統(tǒng)闡述了氣/鋼液/保護(hù)渣3相相互作用的流動(dòng)行為。通過(guò)分析氣泡沖擊深度、氣/液接觸面積數(shù)據(jù),定量研究了漏斗形水口對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律,為獲得高質(zhì)量鑄坯提供了理論依據(jù)。(5)結(jié)晶器內(nèi)的傳熱過(guò)程同時(shí)受到鋼液強(qiáng)制流動(dòng)、拉速、結(jié)晶器銅板設(shè)計(jì)參數(shù)的影響,本研究同時(shí)對(duì)結(jié)晶器銅板及結(jié)晶器內(nèi)的鋼液進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,分析了結(jié)晶器段的流動(dòng)傳熱行為。通過(guò)結(jié)合文獻(xiàn)和自身研究對(duì)象的特點(diǎn),為模型設(shè)定了結(jié)晶器內(nèi)三維的氣隙分布規(guī)律。研究詳細(xì)分析了流動(dòng)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼三維分布的影響,得到的凝固坯殼分布結(jié)果在周向上和拉坯方向上均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合理吻合。該模型可以準(zhǔn)確模擬H形坯結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)傳熱行為。(6)提出了考慮3D強(qiáng)制流動(dòng)及傳熱行為的結(jié)晶器錐度確定方法,采用該方法詳細(xì)討論了H形坯凝固坯殼表面及結(jié)晶器銅板熱面上21個(gè)特征點(diǎn)的形變特征。研究表明H形坯連鑄凝固坯殼表面在結(jié)晶器內(nèi)的形變復(fù)雜,鑄坯斷面尺寸、鋼種性能對(duì)凝固坯殼的形變特征有顯著影響。通過(guò)結(jié)合H形坯的易發(fā)缺陷特性,對(duì)H形坯結(jié)晶器銅板各個(gè)部位的錐度曲線(xiàn)進(jìn)行了研究討論。通過(guò)對(duì)435×320×90mm、500×360×102mm兩個(gè)斷面的H形坯連鑄過(guò)程進(jìn)行研究,加深了對(duì)H形坯連鑄過(guò)程中鋼液流動(dòng)傳熱與形變機(jī)理的理解,明確了中間包與結(jié)晶器進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。工廠(chǎng)試生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)表明,所得結(jié)果可以滿(mǎn)足和確保生產(chǎn)順行。中間包包體形變研究、H形坯結(jié)晶器內(nèi)水口偏流研究、半敞開(kāi)澆鑄結(jié)晶器流場(chǎng)研究和H形坯結(jié)晶器錐度設(shè)計(jì)研究中,彌補(bǔ)了目前H形坯連鑄研究領(lǐng)域存在的不足,為高品質(zhì)H形坯連鑄提供了基礎(chǔ)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：TF777
【部分圖文】：

圖 1.1 鋼連鑄過(guò)程示意圖[2]Fig.1.1 Schematic of steel continuous casting process連鑄過(guò)程是一個(gè)將鋼液連續(xù)冷卻凝固的過(guò)程。鋼包承載的鋼液流量在中得到緩沖和分流，分配到各流結(jié)晶器中。與結(jié)晶器接觸的鋼液在結(jié)晶器凝固形成結(jié)晶器斷面形狀的凝固坯殼，承載著一定比例的液芯向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)冷卻噴淋區(qū)域，最終在切割點(diǎn)前完全凝固，切割后獲得與結(jié)晶器斷面形狀鑄坯產(chǎn)品。由此可見(jiàn)連鑄過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，還包括了到固體鋼坯的復(fù)雜相變。這些現(xiàn)象和連鑄機(jī)械外力的影響，共同控制著連產(chǎn)品的質(zhì)量。連鑄生產(chǎn)工藝、設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量各方面不斷發(fā)展與完善，世界連鑄技大體經(jīng)歷 6 個(gè)階段：① 連續(xù)澆鑄方法提出到初步連鑄法（20 世紀(jì) 30 年代至 40 年代）。19 年代，提出了各種連續(xù)澆鑄有色金屬的方法。

上廣泛被采用，連鑄裝備、工藝及相關(guān)技術(shù)全面高速發(fā)展鑄的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展時(shí)期（20 世紀(jì) 90 年代及 21 世紀(jì)）。高鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，拉速、作業(yè)率、漏鋼率得到改善，一些工廠(chǎng)的連鑄生產(chǎn)效率全面上升。 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著傳統(tǒng)連鑄質(zhì)量控制技術(shù)發(fā)展趨連鑄關(guān)注的重點(diǎn)，近終形連鑄進(jìn)入了人們的視野[3, 4]，被認(rèn)最重要的趨勢(shì)。近終形連鑄在保證成品鋼材質(zhì)量的前提下從而取代部分壓力加工的步驟，進(jìn)一步減少中間加工工序能源，減少貯存和縮短生產(chǎn)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，成為目前連鑄技坯連鑄技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 形坯是近終形連鑄的重要分支[5]，指除了方坯、板坯、圓鑄坯以外具有 H 形斷面的連鑄坯，也稱(chēng)為工字鋼。其橫截稱(chēng)如圖 1.2 所示[6-8]。

(b) 圖 1.4 H 形坯結(jié)晶器不同澆鑄方式照片：口半敞開(kāi)澆鑄 (b) 單水口保護(hù)澆鑄 (c) 雙水口保tic illustration of the beam blank mould used differencuring combined with submerged refractory funnels, (btecting pouring[2], (c) two nozzle full protecting pouri翼緣較薄，要求中間包水口的鋼液鑄流盡量。若注流沖擊動(dòng)能過(guò)大，會(huì)沖刷初生坯殼，間包底部到結(jié)晶器液面之間的距離，采用半漏斗形水口，即水口不與中間包底部相連接降低了注流的沖擊力度。H 形坯質(zhì)量跟蹤分析的深入發(fā)現(xiàn)，H 形坯的此，隨著對(duì) H 形坯質(zhì)量要求的提高，全保[20-22]。目前根據(jù) H 形坯斷面的尺寸，已開(kāi)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2825046