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压力作为一个重要的物性参数可以显著改善铸锭铸型界面处换热条件,进而对铸锭的凝固质量和机械性能产生十分重要的影响。然而,目前对于加压凝固的研究多集中在有色冶金领域,尤其是压力对界面换热的影响在钢铁冶金领域的研究鲜有报道。本文利用温度和气隙测量实验对铸锭凝固过程中的温度和气隙变化规律进行了测量,并结合ProCAST软件建立的加压凝固热应力计算模型,研究了凝固压力对界面气隙和换热系数的影响,本文的主要研究内容和结论如下:
(1)设计了加压条件下进行温度和气隙测量的实验装置,并对0.15MPa凝固压力下18Cr18Mn高氮奥氏体不锈钢冷却温度和铸锭铸型间气隙的变化进行了测量,结果表明,界面气隙的最大值为0.75mm。对比0.15MPa、1MPa和2MPa凝固压力下的测温曲线可知,增加凝固压力可以显著提高铸锭的冷却速率。
(2)基于对加压凝固条件下铸锭的受力分析,利用ProCAST软件建立了加压凝固热应力模型,并结合温度和气隙实验测量数据,验证了加压凝固热应力模型,结果表明在考虑界面热阻的条件下,温度和气隙的模拟结果与实验吻合良好,因而本模型准确性较好,可信度高,所采用的物性参数和初始条件合理,可进行加压下温度场和应力场的模拟计算。
(3)利用加压凝固热应力模型对不同工艺参数(凝固压力、钢液浇注温度、铸型预热温度和保护气氛)下的界面气隙进行了模拟计算。结果表明:随着凝固压力增加,界面气隙逐渐减小,即加压可以有效改善界面换热条件,提高界面换热系数;钢液的浇注温度越高,保护气体的导热系数越大,铸锭和铸型间气隙越大;提高铸型预热温度将导致铸锭内部凝固温度梯度减小和热应力越小,界面气隙随之减小。
(4)凝固过程中界面换热系数和气隙随压力变化的实验和模拟数据分析表明,压力提高对界面换热系数的影响主要体现在气隙的形成,界面换热系数反算结果可以看出,界面换热系数呈现随压力增大的趋势;不同凝固压力下气隙的理论和模拟结果亦表明凝固压力增加界面气隙明显减小。
(5)结合气体导热系数随压力变化的数学模型,分析了不同气体导热系数随压力的变化规律,压力在高温下对气体导热系数影响更加明显;压力强化冷却主要体现在增加凝固压力大幅度减小界面气隙,增大了介质气体的导热系数,进而增大界面换热系数;同时,增加凝固压力也在一定程度上增加了辐射换热系数,气隙产生后主要传热方式为气体导热传热。
(1)设计了加压条件下进行温度和气隙测量的实验装置,并对0.15MPa凝固压力下18Cr18Mn高氮奥氏体不锈钢冷却温度和铸锭铸型间气隙的变化进行了测量,结果表明,界面气隙的最大值为0.75mm。对比0.15MPa、1MPa和2MPa凝固压力下的测温曲线可知,增加凝固压力可以显著提高铸锭的冷却速率。
(2)基于对加压凝固条件下铸锭的受力分析,利用ProCAST软件建立了加压凝固热应力模型,并结合温度和气隙实验测量数据,验证了加压凝固热应力模型,结果表明在考虑界面热阻的条件下,温度和气隙的模拟结果与实验吻合良好,因而本模型准确性较好,可信度高,所采用的物性参数和初始条件合理,可进行加压下温度场和应力场的模拟计算。
(3)利用加压凝固热应力模型对不同工艺参数(凝固压力、钢液浇注温度、铸型预热温度和保护气氛)下的界面气隙进行了模拟计算。结果表明:随着凝固压力增加,界面气隙逐渐减小,即加压可以有效改善界面换热条件,提高界面换热系数;钢液的浇注温度越高,保护气体的导热系数越大,铸锭和铸型间气隙越大;提高铸型预热温度将导致铸锭内部凝固温度梯度减小和热应力越小,界面气隙随之减小。
(4)凝固过程中界面换热系数和气隙随压力变化的实验和模拟数据分析表明,压力提高对界面换热系数的影响主要体现在气隙的形成,界面换热系数反算结果可以看出,界面换热系数呈现随压力增大的趋势;不同凝固压力下气隙的理论和模拟结果亦表明凝固压力增加界面气隙明显减小。
(5)结合气体导热系数随压力变化的数学模型,分析了不同气体导热系数随压力的变化规律,压力在高温下对气体导热系数影响更加明显;压力强化冷却主要体现在增加凝固压力大幅度减小界面气隙,增大了介质气体的导热系数,进而增大界面换热系数;同时,增加凝固压力也在一定程度上增加了辐射换热系数,气隙产生后主要传热方式为气体导热传热。