WCA January 2020

通过分析不同过热温度对结晶区流场的影响，得出增加浇铸 温度不会显著改变结晶区流场的流量分布特征，而且涡流再 循环区也基本没有改变，但再循环速度增加了。同时，液态 铜的黏度有所下降，液态铜的流动性提升了主流机架的冲击 深度，导致其深处产生气体和杂物，使上升的漂浮物难以移 除，从而导致气体和杂质留在铜坯内，形成缺陷品。模腔结 晶区内不同浇铸速度( 11.4m/min, 12.4m/min, 13.4m/min, 14.4m/min )下的热流耦合数值模拟参见图 5 。 随着浇铸速度的增加，结晶区内的总体温度和液相区的 长度也会增加，出口处的温度会显著增加。由于结晶轮、 钢带和结晶轮侧面空气层的材料之间存在差异，结晶轮靠 近出口一侧的最低温度往往略高于靠近钢带一侧的最低温 度。 随着坯料拉拔速度的增加，主流铜熔体的冲击深度也会增 加，导致涡流再循环区变窄，向结晶轮滚动方向延伸，也会 导致再循环速度增加。增加浇铸速度会增加气泡和杂物的流 动深度，减少气泡的逸出时间，导致孔隙和杂物缺陷难以控 制。 喷雾传热系数会随浇铸深度的增加而增加，而模具和铜坯间 的热传输也会相应增加。我们用可变传热系数和喷雾传热系 数的平均传热系数，对温度场和流场的数值模拟进行了分 析。 当结晶轮附近的传热系数改变时，结晶区上方的颜色变深， 表明该区域的温度略高，而结晶区出口处的颜色较浅，表明 该处温度相对较低。当传热系数为均值时，自由液面的波 动对表面几乎没有影响。当结晶轮附近的传热系数改变时， 腔内的几何结构会导致从管口流入腔内的液态铜无法充分扩 展。液态铜在撞到结晶轮内壁时会进行再循环，这股更强烈 的液体流会在结晶区上方形成一个涡流。

❍ ❍ 图 3 : 结晶区温度场和流场的云图

如图 3 ( a )所示，不同颜色代表着不同的温度范围。通过颜色 块之间的间隔长度，可观察温度场的温度分布。不同的温度 下降速度形成了一个温度梯度。浇铸温度为 1120°C ，结晶区 的出口温度为 1031°C 。该温度与生产现场测得的结晶区出口 温度范围相符，可表明模拟模型符合实际情况。图 3b 中的流 场云图符合模具中的液态铜凝固和结晶定律。 3.3 热连轧铜杆的形变模拟 表 3 中的现场工艺数据的收集以及数值模拟模型的建立均基于 理论数学模型。模拟结果参见图 4 。 为了提升分析速度和计算速度，热带钢轧机被分为四组 ( 1#+2# , 3#+4#+5# , 6#+7#+8# , 9#+10# )。对每道热轧铜 杆的应力、应变率、温度和损坏情况进行分析，为研究热带 钢轧工艺中热轧铜杆的形变原则奠定基础。 4 结果和讨论 4.1 技术参数对铜坯温度场和流场的影响 为了探索不同温度对铜坯温度场和流场的影响，分别选择了 1110°C 、 1120°C 、 1130°C 和 1140°C 的浇铸温度。 结晶区的总体温度会随着浇铸温度的增加而增加，尤其是在 出口和入口处。由于液态铜的结晶过程存在凝固潜热，因此 出口处的温度增长是非线性的。凝固位置与浇铸温度关系 密切。当浇铸温度为最低值时，液态铜的凝固点将影响流动 性，增加接触面的摩擦力和液态铜的气体逸出量，使铜坯有 更大可能性存在表面瑕疵。随着浇铸温度的升高，凝固点逐 渐靠近结晶区的出口处。

❍ ❍ 图 4 : 热带钢轧机成组轧制模拟

❍ ❍ 表 4 : SCR3000 生产线热连轧机架伸长系数的匹配表格

25.03 t/h

铸坯速度 (m/s) 电机速度 (r/min) 理论 实际

0.216

v(m/s)

16.349

n(r/min) 1037

生产速度

伸长系数

轧辊速度 (n)

轧辊速度 (v)

D/mm

机架

前滑

理论

实际

1H 304.80 1.050 2V 304.80 1.055 3H 204.50 1.075 4V 204.50 1.094 5H 204.50 1.074 6V 204.50 1.080 7H 204.50 1.058 8V 204.50 1.060 9H 204.50 1.040 10V 204.50 1.047

1496 1508 1510 1566 1525 1529 1630 1496 1542 1476

1533 1583 1560 1611 1578 1580 1681 1538 1536 1404

21.38 43.64 99.26

0.331 0.644 1.027 1.688 2.717 4.176 6.501 8.523

--

--

1.899 1.620 1.650 1.600 1.539 1.560 1.315 1.462 1.293

1.945 1.594 1.643 1.610 1.537 1.557 1.311 1.417 1.234

164.00 251.03 390.32 594.83 792.38

1114.66 12.073 1376.47 14.903

*D – 辊身直径 , n – 结晶轮转速 , v – 铜杆输送速度

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