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连铸结晶器传热/润滑反问题方法及应用

作　者: 唐玲
导　师: 姚曼; 王旭东
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 结晶器传热/润滑反问题方法并行非均匀性
分类号: TF777
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

结晶器是连铸机的核心部件,实时、准确地了解结晶器传热、铸坯凝固及保护渣润滑状态,对于稳定和提高铸坯表面质量具有重要意义。目前,针对结晶器内传热与保护渣润滑行为的研究已取得很大进展,但大部分都在理想状态下进行,计算结果往往呈现均匀对称特征,不能真实反映实际工况。随着近年来结晶器“可视化”和“智能化”概念的提出,连铸现场对数值模拟准确性和实时性也提出了更为严苛的要求。针对上述问题,本文以板坯连铸结晶器为研究对象,建立了针对实测的结晶器传热反问题模型与方法,并采用基于OpenMP的并行计算技术,解决在线数值模拟“准确性”和“实时性”间的矛盾,开发出面向在线的连铸反问题方法。将模型应用至不同钢厂与铸机类型的离线模拟与在线检测,对方法的可行性和正确性进行论证。在此基础上,建立保护渣热态润滑模型,研究结晶器内保护渣膜的分布和润滑状态,讨论不同工艺及保护渣物性参数对结晶器内润滑行为的影响。最后,通过定义非均匀性评价方法和坯壳生长速率,分析并考察了结晶器内传热与润滑的非均匀性特征。基于实测的板坯连铸结晶器温度数据,建立传热反问题模型,结合OpenMP并行计算技术,划分结晶器和铸坯区域分配到4个CPU进行并行计算。结果表明,测点的温度计算值和实测值较为吻合,能够较为准确地反映结晶器内的传热状态；并行后的计算时间约为原来的1/4,基本满足在线计算的速度要求。目前嵌入反问题模型的结晶器监控集成系统已在钢厂调试运行,初步实现结晶器内温度、热流、铸坯凝固行为的在线可视化,对于预测铸坯裂纹、指导和优化连铸生产工艺具有积极意义。在温度场计算结果的基础上,建立保护渣热态润滑模型,计算结晶器/铸坯间的渣膜和气隙厚度分布。研究表明,针对本文计算的包晶钢种,液渣膜的分布与铸坯表面温度分布一致,结晶器上端的液渣膜厚度较厚,量级为0.1mm。随着铸坯表面温度降低,液渣膜逐渐消失。固渣膜较厚,约为0.5mm,在结晶器出口附近将高于1mm。保护渣熔化温度与黏度对渣膜分布影响显著,液渣膜厚度随拉速升高而变薄。此外,本文还尝试了一种计算结晶器/铸坯间气隙的新方法,为研究气隙行为提供新的思路。定义了结晶器内传热和润滑非均匀性的评价方法和坯壳生长速率,分析结晶器内传热的非均匀性特征。结果表明,弯月面附近坯壳厚度非均匀性波动较大；距离弯月面0-200mm的区域,坯壳生长速率波动剧烈且达到最大值。结晶器温度、热流、坯壳厚度和液渣膜厚度的不均匀性均随拉速增大,坯壳生长速率也随拉速的升高而增大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 结晶器传热研究现状  10-12
    1.1.1 结晶器传热在线检测  10-11
    1.1.2 传热与凝固数值计算  11-12
  1.2 结晶器内的润滑行为  12-14
    1.2.1 保护渣的冶金功能  13
    1.2.2 保护渣润滑数值计算  13-14
  1.3 结晶器传热/润滑行为研究的不足之处  14-15
  1.4 本文研究内容  15-16
2 基于实测的结晶器传热反问题并行计算方法  16-26
  2.1 结晶器传热反问题计算模型  16-18
    2.1.1 传热模型描述和边界条件  16-17
    2.1.2 传热反问题模型  17-18
    2.1.3 传热相关参数  18
      2.1.3.1 钢水的导热系数  18
      2.1.3.2 钢水的凝固潜热  18
  2.2 基于OpenMP的并行计算方法  18-22
    2.2.1 OpenMP的基本概念  18-19
    2.2.2 OpenMP指令和并行编程条件  19-20
    2.2.3 基于OpenMP的传热并行算法设计  20-22
  2.3 基于实测的反问题与并行计算模型验证  22-25
    2.3.1 结晶器温度在线检测  22-23
    2.3.2 相关计算条件  23
    2.3.3 传热反问题计算结果  23-24
    2.3.4 并行计算结果  24-25
  2.4 本章小结  25-26
3 反问题并行模拟方法的应用  26-41
  3.1 实例1：弧型宽厚板坯铸机结晶器传热反问题  26-27
    3.1.1 连铸工艺与相关物性参数  26
    3.1.2 计算结果与讨论  26-27
  3.2 实例2：立式特殊钢板坯铸机结晶器传热与纵裂  27-34
    3.2.1 连铸工艺与相关物性参数  28-30
    3.2.2 特殊钢连铸结晶器传热与铸坯凝固的特征  30-33
    3.2.3 裂纹发生的原因分析  33-34
  3.3 实例3：结晶器铜板镀层厚度优化  34-37
    3.3.1 镀层厚度的优化思路  34
    3.3.2 计算方法和条件  34-35
    3.3.3 镀层厚度对弯月面初生坯壳的凝固行为的影响  35-37
  3.4 实例4：传热反问题并行模拟算法的在线应用  37-40
  3.5 本章小结  40-41
4 结晶器保护渣热态润滑行为数值计算与分析  41-51
  4.1 保护渣润滑模型的建立  41-42
    4.1.1 结晶器与铸坯间缝隙的计算  41
    4.1.2 渣膜厚度和气隙计算  41-42
  4.2 保护渣渣膜厚度分布和气隙分布  42-45
    4.2.1 计算参数  42-43
    4.2.2 渣膜厚度分布和气隙分布  43-45
  4.3 不同工艺下保护渣热态润滑行为分析  45-48
    4.3.1 保护渣物性参数对润滑的影响  45-47
    4.3.2 拉速对润滑的影响  47-48
  4.4 气隙的另一种计算方法——根据反算热流计算气隙  48-50
    4.4.1 模型描述及相关参数  48-49
    4.4.2 气隙分布  49-50
  4.5 本章小结  50-51
5 结晶器内传热/润滑行为的非均匀性评价  51-63
  5.1 非均匀性评价方法  51
  5.2 非均匀性计算结果与讨论  51-57
    5.2.1 主要工艺参数  51-52
    5.2.2 传热、凝固和润滑计算结果  52-55
    5.2.3 传热、凝固和润滑非均匀性分析  55-56
    5.2.4 拉速对非均匀性的影响  56-57
  5.3 坯壳生长速率的非均匀性  57-61
    5.3.1 坯壳生长速率的定义方法  57-58
    5.3.2 坯壳生长的非均匀性分析  58-60
    5.3.3 拉速对坯壳生长速率非均匀性的影响  60-61
  5.4 本章小结  61-63
结论  63-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  68-69
致谢  69-70

连铸结晶器传热/润滑反问题方法及应用

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