铸模-铸锭界面气隙对综合界面换热系数的影响

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铸锭冷却凝固过程中的界面传热非常复杂,铸模-铸锭界面上的界面换热系数是影响凝固过程的核心参数,它受到浇注温度、铸模预热温度、铸锭热物性参数和铸锭形状等多方面因素的影响。在凝固过程中,由于铸锭凝固收缩和铸模受热膨胀,两者界面之间会产生气隙。由于气隙的形成,铸模与铸锭间会产生热阻,成为影响界面换热系数因素的主要因素,然而,钢锭凝固过程的气隙形成机理以及气隙对界面换热系数的影响规律尚不清晰,这影响了对钢锭质量的控制,同时也影响了数值模拟方法研究钢锭凝固过程的精确度。因此,亟需对钢锭凝固过程的气隙形成过程、气隙对界面换热系数的影响规律进行系统的研究。本研究通过浇注温度为1550℃和1600℃条件下的热态浇铸与凝固实验,采用热电偶测温仪和高精度百分表测量仪分别测定了凝固过程中铸模和铸锭的温度和位移随时间的变化规律。以实验获得的铸模和铸锭温度数据作为已知条件,利用Pro CAST软件的反算模块对铸模-铸锭界面的综合界面换热系数进行了计算,得到了界面换热系数随时间、温度的变化规律。通过对实验结果的比较和分析,研究了气隙对综合界面换热系数的影响规律,同时对不同浇注温度下的界面换热系数进行了研究。通过对实验结果进行整理、计算和分析,得到的研究结果表明:(1)钢液浇注完毕后,初期铸锭温度急剧下降,然后降温速度明显下降,最后温度随时间变化平缓;铸模受热后温度迅速升高,达到最大值后,以比较平缓的速度降温。总体上而言,窄面的温度高于宽面的温度。(2)实验浇注使用矩形铸模,窄面和宽面均产生气隙,而且窄面气隙大于宽面。窄面气隙形成时间为160 s,宽面气隙形成时间为100 s,经过对气隙厚度与时间关系曲线拟合分别得到了窄面和宽面气隙在2500 s内随时间的关系式:δk=0.00152t+0.03921和δH=0.00113t+0.01574。(3)经过对界面换热系数的计算,可得到Q235铸锭与铸模间界面换热系数整体上在600 W·m-2·℃-1到3200 W·m-2·℃-1之间变化。(4)把计算得到的界面换热系数与气隙的形成过程进行对比分析,可将气隙对界面换热系数的影响分为四个阶段,第一阶段铸模与铸锭界面接触,界面气隙为零,界面换热系数值在2700 W·m-2·℃-1到3000 W·m-2·℃-1左右。第二阶段铸模与铸锭界面气隙形成阶段,得到界面换热系数与气隙厚度的关系式为:h=-1571.13d+2850。第三阶段铸模与铸锭界面气隙增大阶段,得到界面换热系数与气隙厚度的关系式为:h=-674.67d+2134.78。第四阶段气隙厚度继续增加但界面换热系数趋于平缓,界面换热系数基本上保持在600 W·m-2·℃-1左右。
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