连铸板坯结晶器温度分布的研究

连铸板坯结晶器温度分布的研究崔立新张家泉陈志平

北京科技大学冶金学院炼钢所

宝钢集团上海梅山有限公司

连铸板坯结晶器温度分布的研究

The Research for the Distribution of Temperature in the Mould of the Slab

Continuous Caster

崔立新1 张家泉1陈志平2

(1- 北京科技大学冶金学院炼钢所； 2-宝钢集团上海梅山有限公司)

摘要:本研究利用MSC.Marc软件建立了连铸结晶器内热状态有限元分析模型，从物理

现象的本质特征出发，掌握了结晶器铜板的温度分布。利用工厂实测数据对模型进行了验证。讨论了拉速、冷却水流速、铜板厚度对铜板温度分布的影响，进而准确实施漏钢预报

并得到提高结晶器寿命的措施。

关键词:板坯连铸结晶器温度场 MSC.Marc

Abstract: Using MSC. Marc software, this paper studied and established the casting thermal field FEM analysis model in mould, from the essential feature of physical phenomenon modeling the temperature field of the copper mould wall. Qualitative agreement was found between model and operating temperature data．The effect of following variables on mould temperature distribution was studied：speed，water velocity and wall thickness in order to gain accurate enforcement leaks steel forecast, and get the measure that raises mould life.

Key words: s lab continuous casting；mould；temperature field；

MSC.Marc

l前言

结晶器是连铸机的“心脏”，钢水在结晶器的凝固实质上是把钢水热量通过铜板传给

冷却水的过程，铜板的传热状况对铸机产量和铸坯质量有重要影响。板坯结晶器是由两块

宽面铜板和两块窄面铜板组合而成所需浇铸的断面。

结晶器铜板的温度分布对于热量传递，提供坯壳与铜板接触状态的信息，渣膜润滑层

的形成以及铜板寿命都有十分重要的影响。为了解铜板的温度分布，通常是在铜板厚度方

向的不同高度处设置热电偶，测定拉坯过程中铜板温度变化。板坯结晶器铜板中有水槽和

螺钉，传热状态较复杂，可用数值计算方法模拟铜板的温度分布来开展研究工作。

本文目的是利用所建立的连铸坯在结晶器内温度场的有限元分析模型，研究铜板温度分布并讨论工艺参数对铜板温度分布的影响。

2数学模型的描述

如图1所示，在建立数学模型时，对于结晶器铜板作了如下假设：

（1）铜板导热系数λ各向同性；

（2）铜板密度ρ和比热C视为常数；

（3）拉坯方向（Z向）铜板传热忽略不计。

图1板坯结晶器示意图

图2铜板边界条件和网格划分示意图

取铜板中一个微元体做热平衡，可导出：

t T y

T x T C ∂∂=∂∂+∂∂)(2222ρλ 求解此方程的条件： 初始条件：

(x,y)

0),(T y x T =边界条件：如图2所示，结晶器铜板宽面温度场求解的边界条件有以下几种情况；

（1）钢水与铜板交界面（AB 、AC 面）

q y T

=∂∂−λ

（1）

（2）结晶器宽面铜板与窄面铜板交结面（AD 面）

0=∂∂−=∂∂−y T x T λλ

（2）

（3）结晶器铜板与支持钢板接触面（IJ 面）：

0=∂∂−=∂∂−y T x T λλ

（3）

（4）铜板水槽与冷却水接触面（EG 、FH 面）：

)(w w T T h y T x T −=∂∂−=∂∂−λλ

（4）

4

.05.0Re 023

.0P d

h w

w λ= （5）

综合以上各式，便得到求解板坯结晶器铜板温度场的二维传热数学模型。

3模型求解与验证

3.1网格划分

把沿结晶器高度方向整个结晶器和连铸板坯作为研究对象，考虑到对称性，取1/4作为计算域进行研究。有限单元网格全部划分为四边形单元，单元总数为1036个，节点总数为1286个。所计算的结晶器铜板宽面尺寸为45mm ×1150mm ，窄面尺寸为40mm ×215mm ，重点考虑了结晶器的水槽分布。其结构尺寸和网格划分如图2所示。图中AC 面为与钢水接触面，BD 面为与固定钢板接触面，为非均匀网格。

3.2计算参数选取

(1) 结晶器铜板外表面

与冷却水进行对流换热，其对流换热系数，有相关文献[1]

得到其值。

)./(106952.224K m W h out M ×=−

(2) 结晶器锥度

本模型中，结晶器铜板被处理成不发生变形的刚性体，对其施加随时间变化的刚体运动，通过控制其运动轨迹来模拟结晶器锥度。由于结晶器在铸坯厚度方向上没有锥度，所以对于控制铸坯厚度的铜板的位置为固定值，即速度为零。结晶器在铸坯宽度方向上刚体移动速度取决于结晶器锥度。对于梅山实际铸机的结晶器的锥度为1.2%/m 。

（3） 结晶器铜板的热和力学参数[2]

导热系数取常数：℃⋅=m W k Cu 380

比热取常数：

℃⋅=kg J C Cu 700

密度取常数：3

8940m kg Cu =ρ

弹性模量取常数：

GPa E 110= 泊松比取常数：36.0=ν

热膨胀系数α随温度变化，其变化关系见表1。

表1 铜的热膨胀系数

温度 (℃) 15 71 127

227 327热膨胀系数×10-6

(1/℃) 15.2

15.716.5

17.6 18.3

3.3模型的验证

对于宝钢集团上海梅山炼钢厂2#连铸机，在结晶器宽面和窄面铜板上，距铜板顶部200、400、600mm 处分别装有28个热电偶（离铜板冷面23mm ），康铜热电偶从螺栓中心孔插入与仪表连接，在控制室的屏幕上显示所测点的温度瞬时值，可起漏钢预报的作用。

在现场记录了拉速为 1.0m/min 、1.2 m/min 、1.4m/min 三种工况下离铜板上口 200mm 、400 mm 、600mm 处的温度值。以拉速为 1.2m/min 为例，计算铜板温度与实测温度如图3所示。