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   控制鋼液的凝固過(guò)程、提高鋼液的潔凈度、改善鋼的組織均勻性、細(xì)化鋼的晶粒度和組織，是消除或抑制鑄坯宏觀偏析，進(jìn)而提高鋼材強(qiáng)度的重要途徑]。連鑄過(guò)程中結(jié)晶器的傳熱特征對(duì)鋼液的凝固進(jìn)程有顯著的影響。

　1研究方案

　分別采用復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器在立式鑄機(jī)上進(jìn)行連鑄試驗(yàn)。澆注過(guò)程中，潤(rùn)滑劑均采用菜籽油，拉坯速度為0.5m/min，結(jié)晶器水流量為50～100t/h，試驗(yàn)用鑄坯斷面為80×80mm，過(guò)熱度控制在25℃左右。復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注鋼液的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為0.43和0.16，硫含量均為0.023。通過(guò)復(fù)式結(jié)晶器非金屬材料段溫度的檢測(cè)，計(jì)算出該結(jié)晶器不同高度上的熱流密度，以文獻(xiàn)E2I中傳統(tǒng)結(jié)晶器熱流密度檢測(cè)結(jié)果作為比較對(duì)象，對(duì)比分析了復(fù)式結(jié)晶器與傳統(tǒng)結(jié)晶器熱流密度之間的差別，并在此基礎(chǔ)上以實(shí)測(cè)熱流密度分布作為邊界條件，用CFX商業(yè)軟件對(duì)兩種結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

　2復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器的傳熱特征

　分析整理復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器熱流密度檢測(cè)結(jié)果，得到距結(jié)晶器上口0～2O0mm范圍內(nèi)兩種結(jié)晶器的熱流密度分布狀況可得出以下幾點(diǎn)：

　隨著距結(jié)晶器上口距離的延長(zhǎng)，傳統(tǒng)結(jié)晶器的熱流密度逐漸增加。其原因?yàn)椋阂环矫媸菑澰旅嬉韵落撘毫鲃?dòng)逐漸加強(qiáng)，改善了傳熱條件；另一方面是鋼液靜壓力逐漸增大，使結(jié)晶器壁與鑄坯接觸更加密切，從而改善了傳熱條件；

　②隨著距結(jié)晶器上口距離的延長(zhǎng)，復(fù)式結(jié)晶器的熱流密度并未增加，這與復(fù)式結(jié)晶器石墨段內(nèi)鋼液凝固過(guò)程中兩相區(qū)的流動(dòng)規(guī)律有關(guān)；

?、墼诰嘟Y(jié)晶器上口6O～170mm范圍內(nèi)，傳統(tǒng)結(jié)晶器的熱流密度均高于復(fù)式結(jié)晶器。計(jì)算得到復(fù)式結(jié)晶器石墨段和傳統(tǒng)結(jié)晶器上段的平均熱流密度分別為2.78×1OW/m3和1.O4×1Ow/m3。

　以上述熱流密度的變化規(guī)律為邊界條件計(jì)算出復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)后，可以得到在距結(jié)晶器上口任意距離處方坯橫截面上各節(jié)點(diǎn)的溫度值。

　結(jié)晶器不同高度處方坯橫截面中心線上鋼液凝固前沿的溫度梯度得出以下幾點(diǎn)：

?、倬鄰澰旅?～250mm范圍內(nèi)不同距離處，復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器方坯橫截面中心線上鋼液凝固前沿的溫度梯度均不斷變化。在距彎月面0～350mm范圍內(nèi)，溫度梯度的平均值分別為1.7K/mm和3.7K/mm；

?、诰鄰澰旅?～250rnm范圍內(nèi)任意距離處，復(fù)式結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固前沿的溫度梯度比傳統(tǒng)結(jié)晶器小。

　3傳熱特征對(duì)鑄坯凝固組織的影響

　用熱酸侵蝕法對(duì)復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注的鑄坯橫截面低倍組織進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)：

　①傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注鑄坯的激冷層比復(fù)式結(jié)晶器鑄坯大約厚1mm；

?、趶?fù)式結(jié)晶器澆注鑄坯的中心等軸晶區(qū)比傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注鑄坯明顯增加，前者約為8O%，而后者僅為4O%；

?、蹚?fù)式結(jié)晶器澆注鑄坯的柱狀晶比傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注鑄坯的柱狀晶更粗大。從柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的機(jī)理可知，過(guò)熱度、溫度梯度對(duì)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的影響很顯著。

　過(guò)熱度或溫度梯度大時(shí)，界面前沿不易發(fā)生溫度起伏，也不易生成低熔點(diǎn)的固相，不會(huì)出現(xiàn)枝晶再熔斷現(xiàn)象，而且凝固界面也很平滑，不能捕捉自由晶粒。由于過(guò)冷度小，即使存在游離的自由晶粒也易再熔化，不會(huì)迅速長(zhǎng)大。兩種結(jié)晶器傳熱特征的分析結(jié)果表明，在距彎月面下0～250mm范圍內(nèi)，由于復(fù)式式結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝尉前沿的溫度梯度比傳統(tǒng)結(jié)晶器的小，因此使用復(fù)式結(jié)晶器對(duì)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變很有利。

　4結(jié)論

　(1)復(fù)式結(jié)晶器澆注鑄坯的等軸晶率為80%，傳統(tǒng)結(jié)晶器澆注鑄坯的等軸晶率僅為40%。

　(2)復(fù)式結(jié)晶器能夠降低鋼液初始凝固前沿的溫度梯度在距彎月面0～350mm范圍內(nèi)，復(fù)式結(jié)晶器和傳統(tǒng)結(jié)晶器鑄坯橫截面中心線上鋼液凝固前沿的溫度梯度平均值分別為1.7K/mm和3.7K/mm：

　(3)在距彎月面0～250mm范圍內(nèi)任意距離處，復(fù)式結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固前沿的溫度梯度G以及溫度梯度與凝固速度R的平方根之比值G均小于傳統(tǒng)結(jié)晶器。理論上，這有助于鋼液凝固過(guò)程中柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。