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铸坯现有研究工作存在的不足

连铸过程中结晶器铜板和铸坯的热力行为对连铸机使用寿命和铸坯质量有着至关重要的影响。目前,国内外对于方坯、板坯和圆坯等截面形状规则的结晶器铜板和铸坯凝固过程中的传热和变形行为已有了较为全面的认识,研究方法也较为成熟,而对异型坯连铸过程中,结晶器铜板及铸坯的传热和变形行为,尚缺乏较为全面系统清晰的认识。异型坯连铸已经历了四十四年的发展历程,虽然在此期间有不少关于异型坯连铸技术研究的报道,但是综述性报道

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铸坯变形行为的研究现状

    Weiner和Boley等人基于连续介质力学以及材料各向同性等理论假设,以小方坯中性面作为研究对象,采用一维理想热弹塑性有限元模型研究小方坯凝固初期的温度分布、坯壳生长及应力分布,由于收敛困难,模型中假设铸坯的屈服强度在两相区是一个与温度有关的递减函数,其余力学参数为常量。其研究结果表明:铸坯内任意一点的应力状态随着凝固进程的变化而变化,塑流动始终发生在凝固前

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铸坯传热行为的研究现状

    国外对连铸坯凝固过程的研究起步较早。为了准确地描述结晶器内的传热规律,Savage等人在Krainer对圆筒形结晶器传热系数研究总结的基础上提出了描述结晶器内铸坯凝固传热过程中沿结晶器高度方向的热流密度经验公式,并通过水冷静止结晶器实验对该式进行了验证。这一关系式的提出,奠定了结晶器传热机理的基础,至今仍被广泛采用并应用于数值模拟计算中。Hills等人应用剖面

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铸坯传热和变形行为的研究现状

        铸坯质量是连铸技术的关键,铸坯质量缺陷形式多种多样,其中裂纹缺陷比例最大,约占50%。铸坯裂纹的形成主要是由于其凝固过程中钢种自身的高温物理性能和外部复杂应力共同作用所致,不少研究学者对连铸过程中铸坯裂纹的成因进行了讨论研究,分析指出钢在高温下存在三个明显的脆性区。钢液凝固过程中其组织不断变化,因此铸坯脆性的产生

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结晶器铜板热力行为研究现状

        结晶器铜板作为连铸机的关键部件,是钢液一次冷却过程中的重要导热部件。连铸过程中,结晶器铜板控制着铸坯的形状和初始凝固,掌握和理解其在高温下的传热和变形行为对延长结晶器铜板寿命,提高产品质量有着极为重要的意义。从传热角度来看,结晶器铜板应具有良好的导热性和导热均匀性,以保证结晶器出口处的铸坯具有合适的坯壳厚度和均匀

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连铸过程中传热和变形行为的研究现状

        连铸过程包含流动、传质、传热等复杂的微观或宏观物理现象,难以利用传感器等探测设备监测其过程各参数的变化和发展情况,理论分析也面临极大困难,为此,采用数值模拟方法分析模拟连铸过程中连铸机和铸坯的传热和力学行为,探索其过程的规律及特点成为当下人们研究和发展连铸技术的有效途径。在铸坯凝固过程中,结晶器和二冷段尤为重要,

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异型坯连铸的主要特点

异型坯连铸机与普通方坯连铸机的设备组成和结构形式相当,其区别主要在于连铸机结晶器内腔形状和二冷区支撑辊的布置方式。与传统铸坯相比,异型坯连铸具有如下特点:

①异型坯表面积大,冷却速度快,散热条件好。因此,异型坯连铸冶金长度较短,在二冷区内就能完全凝固,其矫直均为固相矫直。两种典型铸坯截面(长750mm×宽450mm),可见长宽相同的异型坯和矩形坯周长差别明显,异型坯具有更轻的结构重量。

②异型坯结晶器内腔形状较为复杂,结晶器中存在12个面和12个拐角。相对而言,所示的板坯结晶器内腔仅有4个面和4个拐角。拐角容易造成结晶器内铸坯的不均匀冷却,影响产品质量。
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异型坯连铸技术发展简史

19世纪中期随着桥梁和高层建筑建设的蓬勃发展,宽翼缘型梁的需求量日益剧增。在长期的探索过程中,加拿大阿尔戈玛(ALGOMA)钢铁公司于20世纪50年代初率先提出用连铸狗骨状的铸坯轧制H型钢的设想,同时提出了“异型坯”这一术语,并一直沿用至今。1964年,阿尔戈玛钢铁公司和英国钢铁研究协会(BISPA)签订了关于工字型铸坯连铸实验研究协议,在他们共同努力下异型坯连铸实验室试验在英国谢菲尔德进行并获得成功。随后,阿尔戈玛钢铁公司委托西马克-德马克(原康卡斯特)公司设计和提供设备,并在100吨转炉配合生产的条件下,在加拿大安大略湖建成投产了世界上第一台工字型坯连铸机。这次异型坯连铸开创性的成功立即引起了世界各地学者和工程师们的广泛关注,使异型坯连铸开始真正进入工业生产阶段。此后,日本引进了此项技术,异型坯连铸技术得到进一步发展。1973年10月,日本川崎钢铁公司联合西马克-德马克及住友重工在日本水岛建成并投产了一台异型坯和大方坯兼用型铸机。80年代以后随着连铸技术的日趋完善,在韩国、美国和欧洲等国也相继建设了现代化的异型坯连铸机。

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异型坯连铸概述

作为钢铁工业的前沿技术,近终形连铸主要包括:薄板坯连铸、薄带坯连铸、
异型坯连铸和喷雾成形四个大类。所谓“近终形连铸”指的是在保证成品钢材质量的前提下,尽量缩小铸坯断面以取代压力加工的浇注方式,以便进一步减少中间加工工序,节约能源,减少贮存和缩短生产时间。近年来,异型坯连铸异军突起,在一些短流程钢厂连铸异型坯后可直接连接各种型钢轧机,大大简化了生产工序,在技术和经济上显示出了强大的竞争力。所谓异型坯一般指除了方坯、板坯、矩形坯和圆坯以外具有复杂断面的连铸坯,主要形式为工字型坯,其主要用于轧制H型钢。H型钢是一种经济断面型材,具有壁薄、翼缘内外侧平行及腿端为直角等特点,力学性能和使用性能十分优越,广泛应用于国民经济建设的各个领域之中,如桥梁、大型船舶、抗震设施建设以及高层建筑等方面均大量采用H型钢。

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连续铸钢的凝固过程

连铸过程涉及物理、力学、化学及冶金等多个领域,包含传质、流动、传热和变形等微观或宏观现象,过程极为复杂。在连铸机内,钢液依次通过结晶器和
二冷区,将钢液的过热、液固相转变所释放的潜热以及固相显热逐渐释放,从而转变为固态的半成品,最后在空冷区依靠空气继续冷却,使铸坯内外温度分布均匀以便切割。钢液凝固过程中,结晶器内和二冷区铸坯的传热和变形行为是连铸技术的核心和关键,极大程度上影响着产品的最终质量和连铸过程的顺利进行。从钢液开始凝固到铸坯最终切割成形,需经历结晶器段、二冷区和空冷区三个冷却段才能完成冷却,具体如下:
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