CN102110188B - 一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法 - Google Patents
一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法,根据成分确定钢种的物性参数,将整个铸流划分为立方体网格,建立三维凝固过程数学模型,将各物性参数和铸坯冷却边界条件代入各数学模型,形成该钢种的计算方程组,迭代求解并将结果输出。由于依据铸机结构设置计算参数,与实际铸坯凝固过程相吻合;根据铸坯传热方式和铸机特性计算铸坯实际水流密度分布,使计算结果更加科学;针对不同钢种各元素含量,计算液、固相线温度,使固相分数计算准确度高;将热物性参数转化为凝固温度及组元成分的函数,实现计算机可视化描述铸坯全三维温度场及固相率分布状态,全面反映整个铸坯任意位置的温度、固相分数、温度变化曲线及坯壳厚度。
Description
技术领域
本发明属于连铸工艺技术领域,尤其涉及一种连铸坯凝固过程中温度和固相率分布的计算方法,适用于连铸工艺过程中铸流全三维温度和固相率的确定。
背景技术
连铸工艺过程中,钢由液体凝固为固体过程中温度和固相率变化是最重要的工艺参数,也是最终决定铸坯质量的决定性因素,连铸的全部操作都是为了获得铸流整体合理的温度及固相率分布。
在实际生产过程中,由于钢种成分、铸机结构、工艺参数及外部条件的复杂多变,导致铸坯的温度和固相率确定难度很大,而连铸生产中恶劣的现场条件,又给实际测试工作带来了无法克服的难度,因此通过数学物理方程来计算连铸坯凝固过程中温度和固相率的分布,并且利用计算机可视化便成为最有效、最直观的方式。
发明内容
本发明的目的旨在根据铸坯凝固过程的特点和连铸工艺过程的外部条件,建立相应的数学模型,通过数值计算对铸流全三维温度场和固相率分布进行求解,并将计算结果输出,为现场工艺人员提供一种诊断铸坯质量及进行工艺优化必要前提的连铸铸流温度及固相率分布计算方法。具体技术方案是:
一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法,是根据钢种成分确定钢种的物性参数,将整个连铸铸流划分为立方体网格,并在此基础上建立三维凝固过程数学模型。用于确定铸坯内部各网格之间热量传递的铸流整体三维传热-凝固过程数学模型为:
式中:T为铸坯温度场变量,K;x为铸坯宽度方向坐标,m;y为铸坯厚度方向坐标,m;z为沿拉坯方向坐标,m;V为拉坯速度,m/s;ρ为密度,kg/m3;cp为定压比热,J/kg·K;k为导热系数,W/m·K;S为内热源,W/m3。
铸坯内固相分数ε取值是根据铸坯内铸坯温度场变量T的某点温度与该钢种液相线温度、固相线温度比较确定。用于判断铸坯内某一点在计算温度下是属于液体、固体或固液两相区的铸坯内凝固状态判别方程为:
T>Tl,ε=0
Ts≤T<Tl,
T<Ts,ε=1
式中:T1为液相线温度,K;Ts为固相线温度,K;下标l表示液相,下标s表示固相。
根据钢种不同,用于确定钢坯凝固时的钢种成分分布的凝固过程反扩散方程组为:
C0,i=εCs,i+(1-ε)Cl,i (3)
式中:下标i为钢中各元素排列序号,若某类型钢中含有N种元素,则i=1,2,...,N;C0,i表示第i种元素在钢中总含量;Cl,i为第i种元素在液相中的含量;Cs,i为第i种元素在固相中的含量;κi为平衡分配系数;Di为i组元的溶质扩散系数,m2/s;λ为二次枝晶间距,m。
获知钢种成分后,根据实测数据确定模型中涉及到的钢种的物性参数,具体包括液相线温度T1、固相线温度Ts、密度ρ、导热系数h、定压比热Cp以及平衡分配系数κ、溶质扩散系数D、二次枝晶间距λ。
根据铸机具体冷却参数确定边界条件,包括结晶器冷却热流密度q和二次冷却区冷却换热系数hs。
结晶器冷却热流密度q:
q=ρwcp,wWΔT/A (5)
式中:ρw为水的密度,kg/m3;cq,w为水的比热,J/kg·K;W为结晶器冷却水水流量,m3/s;ΔT为结晶器进出口水温差,K;A为结晶器平均冷却面积。二次冷却区冷却换热系数hs:
式中:Tw为喷水温度,K;α为铸机各二冷段的冷却水分布状态参数,取决于二次冷却水经过喷嘴喷射到铸坯表面的分布特点。
二次冷却水在铸坯表面分布的确定方式是将铸机的辊列布置、喷嘴性能、喷嘴位置信息转化为计算机可以识别的数据文件,由计算机在计算前读取后将二次冷却水量自动分配到铸流的不同位置并参与计算。
数理方程离散化及求解:将铸坯整体划分为一定数量的网格,则上述模型(1)-(4)可离散化为线性方程组,然后利用计算机迭代求解线性方程组的方法,即得到整个铸流的温度分布及固相率分布。
钢种物性参数中,液相线温度T1的确定方法为:
T1=1810-78×[C]-4.9×[Mn]-7.6×[Si]-38×[S]-34.4×[P]-3.1×[Ni]-1.3×[Cr]-4.7×[Cu]-3.6×[A1]
[]内为该元素在钢中含量百分数,%;
钢种物性参数中,固相线温度Ts的确定方法为:
Ts=1810-175×[C]-30×[Mn]-20×[Si]-575×[S]-280×[P]-4.75×[Ni]
-6.5×[Cr]-0×[Cu]-5×[Mo]-4×[V]-60×[Nb]-7.5×[Al]-40×[Ti]
钢种物性参数中,密度ρ的确定方法是,将钢种按照低碳钢;[C]<0.14%、中碳钢:0.14%≤[C]≤0.45%、高碳钢:[C]>0.45%三种情况,根据铸坯温度场变量T的不同而对应选择,具体选择范围为:
(1)、低碳钢:
T<1902K时,ρ=2.54×(3091.41-e0.0032T);
1902K≤T≤2100K时,ρ=(-0.0011+0.00084×T0.05)-1;
(2)、中碳钢:
T<1529K时,ρ=0.32×(24286.97-E0.005T);
1529K≤T≤2200K时,ρ=8700.0-T;
(3)、高碳钢:
T<1610K时,ρ=0.32×(24286.97-e0.005T)
1610K≤T≤2200K时,ρ=7900-0.66×T。
钢种物性参数中,导热系数h按照钢的固相分数ε分为液态即ε=0、固、液两相区即0<ε<1、固态即ε=1三种情况,根据铸坯温度场变量T的不同,分别进行选取,具体选择范围为:
(1)、低碳钢:
ε=0时,h=(280.72-0.14×T)×(1+μ×(1-f)2)
0<ε<1时
ε=1.时:当
T>1768K时,h=280.72-0.14×T
1122K≤T≤1768K时,h=13.58-0.011×T
873K≤T≤1122K时,h=69.34-0.038×T
373K≤T≤873K时,h=74.34-0.044×T
T≤373K时,h=58
(2)、中碳钢:
ε=0时,h=(349.99-0.18×T)×[1+μ×(1-f)2]
0<ε<1时,h=[f×(15.19+0.0097×T)+(1-f)×(349.99-0.18×T)]×[1+μ×(1-f)2]
ε=1时:当
T>1768K时,h=349.99-0.18×T
1082K≤T≤1768K时,h=15.19-0.0097×T
851K≤T≤1082K时,h=78.54-0.049×T
373K≤T≤851K时,h=60.72-0.028×T
T≤373K时,h=55
(3)、高碳钢:
ε=0时,h=(130.36-0.059×T)×[1+μ×(1-f)2]
0<ε<1时,h=[f×(8.56+0.015×T)+((1-f)×(130.36-0.059×T)]×[1+μ×(1-f)2]
ε=1时:当
T>1660K时,h=130.36-0.059×T
1073K≤T≤1660K时,h=8.56-0.015×T
980K≤T≤1073K时,h=88.48-0.060×T
373K≤T≤980K时,h=58.37-0.029×T
T≤373K时,h=50。
钢种物性参数中,定压比热cp的确定方法是,将钢种按照低碳钢、中碳钢和高碳钢三种情况,根据铸坯温度场变量T的不同,分别对应取值:
(1)、低碳钢:
T>1273K时,cp=(10.52+4.80×10-5×T)×1000
1073K≤T≤1273K时,cp=(2.62-1.55×10-3×T)×1000
1023K≤T≤1073K时,cp=(4.72-3.50×10-3×T)×1000
973K≤T≤1023K时,cp=(-4.67+5.68×10-3×T)×1000
T≤973K时,cp=(0.52-3.74×10-4×T+7.27×10-7×T2)×1000
(2)、中碳钢:
T>1379K时,cp=(0.35+2.1×10-4×T)×1000
1100K≤T≤1379K时,cp=644
1023K≤T≤1100K时,cp=(11.873-1.0208×10-2×T)×1000
973K≤T≤1023K时,cp=(-10.54+1.17×10-2×T)×1000
T≤973K时,cp=(0.51-3.35×10-4×T+6.89×10-7×T2)×1000
(3)、高碳钢:
T>1073K时,cp=(0.45+1.43×10-4×T)×1000
1023K≤T≤1073K时,cp=(32.03-2.93×10-2×T)×1000
973K≤T≤1023K时,cp=(-24.89+2.64×10-2×T)×1000
T≤973K时,cp=(0.32+4.51×10-4×T)×1000。
钢种物性参数中,钢中主要元素对应选取的平衡分配系数κ值如表1所示:
表1钢中主要元素的平衡分配系数值表
元素 | C | Si | Mn | P | S | Al |
κ | 0.36 | 0.52 | 0.82 | 0.07 | 0.035 | 0.9 |
钢种物性参数中,钢中主要元素对应选取的溶质扩散系数D值如表2所示:
表2钢中主要元素的溶质扩散系数值表
元素 | C | Si | Mn | P | S | Al |
D | 5.58×10-10 | 1.2×10-13 | 5.63×10-13 | 3.28×10-11 | 2.41×10-12 | 4.05×10-12 |
铸机二次冷却段的冷却水分布状态参数α根据铸流长度确定,具体对应取值范围是:
表3铸流长度对应的冷却水分布状态参数值表
铸流长度(m) | α |
结晶器出口~1.5 | 4.0 |
1.5~5.3 | 4.10 |
5.3~7.2 | 4.15 |
7.2~11.2 | 4.25 |
11.2~16.7 | 4.25 |
16.7~33 | 4.50 |
钢种物性参数中,二次枝晶间距λ取值为:λ=1×10-4m。
本发明的有益效果为:
1、贴近实际。由于本发明严格依据铸机结构,即铸坯断面尺寸、二次冷却各段尺寸、喷嘴及辊列布置、喷嘴型号及流量特性等设置计算参数,与实际铸坯的凝固冷却过程相吻合。
2、条件充分。本发明在设定二次冷却区边界条件时,详细考虑铸坯与外界的传热方式,根据实际铸机的辊列、喷嘴布置以及不同喷嘴的型号及流量特性计算铸坯四个面的实际水流密度分布,使计算结果更加科学。
3、计算精确。针对不同钢种中各种元素的百分含量,计算液、固相线温度,使固相分数计算准确度高。
4、参数合理。转变物性参数,使热物性参数转化为凝固温度及组元成分的函数,实现计算机可视化描述铸坯全三维的温度场及固相率分布状态。
5、信息全面。可全面反映包括整个铸坯任意位置的温度、固相分数、温度变化曲线及坯壳厚度。
附图说明
图1为本发明总体结构框图。
图2为二次冷却水在铸流表面分布计算程序图。
图3为本发明模型求解流程图。
图4为铸坯三维空间坐标图。
图5为铸坯三维网格划分图。
图6为铸坯冷却水z向密度分布状态图。
图7为铸坯冷却水x向密度分布状态图。
具体实施方式
由图1本发明总体结构框图可见,连铸铸流温度及固相率分布计算方法的总体技术路线,是在建立铸坯内部各网格之间热量传递的铸流整体三维传热-凝固过程数学模型的同时,将转化后的各物性参数和铸坯冷却边界条件代入各数学模型,形成该钢种的计算方程组,然后经过离散化的方法进行迭代求解,并将结果输出。
结合实施例的具体过程和步骤是:
实施例采用一机1流立弯式铸机结构,直结晶器,二次冷却段多点弯曲多点矫直。铸坯规格:宽度1650~2000mm;厚度230mm、270mm、300mm三种;冶金长度为33m。
一、模型计算区域的确定和网格的划分:
选择断面为1650×230mm的铸坯进行计算。根据三维传热-凝固数学模型的要求,将铸坯整体模型以结晶器钢液弯月面上窄边侧中心点作为空间坐标原点。如图4所示,沿铸坯厚度、宽度和拉坯方向分别为坐标x、y、z方向。在该三维空间坐标系上定义铸坯温度场T是(x,y,z)坐标的函数。取整个铸坯断面为研究对象,并可自由选择;严格区分内外弧面的几何形状的不同和边界条件的不同。此时计算域为:
0≤x≤1650mm;-165mm≤y≤165mm;0≤z≤33m
铸坯网格划分状况如图5所示,每个网格大小为1×1×1cm。
二、模型计算钢种成分和物性的确定:
选择Q235B钢种,成分见表4。
表4 Q235B的成分
C | Si | Mn | P | S | Als |
0.14 | 0.2 | 0.55 | 0.015 | 0.013 | 0.022 |
根据钢种成分,即可按照发明内容中钢种物性参数的确定方法,对应选取液相线温度T1、固相线温度Ts、密度ρ、导热系数h、定压比热Cp、平衡分配系数κ、溶质扩散系数D及二次枝晶间距λ的具体数值。
三、边界条件的确定:
结晶器冷却热流密度q的确定:
该铸机结晶器内液面到结晶器出口距离为800mm,即从z=0~0.8m范围内,铸坯冷却的边界条件为等热流边界条件,其热流密度由公式(5)确定。
根据该铸机结晶器冷却条件:内外弧冷却水量各为275t/h,两窄面冷却水量各为31t/h。在计算所取拉速下,该铸机内外弧平均水温升幅为10K,窄面平均水温升幅为14K。计算得到结晶器内冷却平均热流密度q=1.06×106W/m2。
二次冷却区冷却换热系数hs的根据公式(6)确定:
铸坯在z>0.8m后,进入二次冷却段。该铸机二次冷却段共分8个冷却区,15个控制回路,除第I区(足辊区)为喷水冷却外,其余均为汽-水雾化冷却。其辊列及喷嘴布置如表5所列。
表5 二冷段辊列与喷嘴布置
根据各个回路使用喷嘴的流量分配实验值,结合扇形段辊列和喷嘴布置等几何条件,设置边界条件数据文件。该文件中从左至右为各排喷嘴所在的排序数、型号、z向坐标、x向坐标、相邻两排喷嘴的间距、同一排喷嘴间平均距离、喷嘴形成的椭圆形水斑长轴直径、短轴直径、喷嘴距离铸坯表面的长度、同一排喷嘴的数量以及喷嘴的一系列相关参数。该文件可由程序读入,由计算机将其转化为冷却水整体分布结果,具体铸坯冷却水z向密度分布状态如图6所示,x向密度分布状态如图7所示。
在二次冷却水量分配的基础上,边界条件式(6)中根据铸流长度确定的冷却水分布状态参数α如表6所示:
表6铸流长度对应的冷却水分布状态参数值表
铸流长度(m) | α |
结晶器出口~1.5 | 4.0 |
1.5~5.3 | 4.10 |
5.3~7.2 | 4.15 |
7.2~11.2 | 4.25 |
11.2~16.7 | 4.25 |
16.7~33 | 4.50 |
根据各段水流分布以及各段α值,即可由计算机自动确定不同z坐标处的换热系数hs。
四、求解过程:
现场实际拉速1.4m/min,中包目标温度1543℃,各物性参数已由前述过程确定,一并代入式(1)-(4),构成了该钢种的计算方程组。
采用离散化的方法,得到一系列构成因变量分布的数值解,其中方程(1)、(4)是差分方程,通过离散化,得到如下形式:
apφp=∑anbφnb+b
式中:φ代表物理量,可以是(1)中的T和(4)中的C,下标p表示当前计算的节点,nb表示与计算节点相邻的其他节点,∑表示对所有相邻节点求和,b是方程离散后归并成的常数项。离散化后的方程组即在计算机内用行数等于节点数的矩阵形式表示。
按照图3模型求解流程图所示流程,利用计算机进行迭代求解程序编制,得到铸坯的温度分布和固相率分布。
利用红外测温法在不同位置测定铸坯表面温度,与本发明计算结果对比如表7所示。
表7铸机各段温度实测结果与计算结果比较
z坐标(m) | 表面温度实测结果(℃) | 表面温度计算结果(℃) | 相对误差(%) |
1.3 | 1024 | 1019 | 0.41 |
2.2 | 957 | 953 | 0.42 |
3.5 | 935 | 938 | 0.32 |
5.5 | 927 | 923 | 0.43 |
9 | 915 | 910 | 0.55 |
13 | 911 | 903 | 0.88 |
18 | 915 | 914 | 0.10 |
24 | 897 | 901 | 0.45 |
利用射钉法在不同位置测定了铸坯坯壳厚度,与本发明计算结果对比如表8所示。
表8 铸机各段温度实测结果与计算结果比较
z坐标(m) | 坯壳厚度实测结果(mm) | 坯壳厚度计算结果(mm) | 相对误差 |
13.3 | 134 | 137 | 2.2% |
20.5 | 155 | 150 | 3.2% |
对比结果表明,本发明计算结果与实测数据之间非常接近,达到了较高的精度。
Claims (7)
1.一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征是,根据钢种成分确定钢种的物性参数,将整个连铸铸流划分为立方体网格,并在此基础上建立三维凝固过程数学模型;用于确定铸坯内部各网格之间热量传递的铸流整体三维传热-凝固过程数学模型为:
式中:T为铸坯温度场变量,K;x为铸坯宽度方向坐标,m;y为铸坯厚度方向坐标,m;z为沿拉坯方向坐标,m;V为拉坯速度,m/s;ρ为密度,kg/m3;cp为定压比热,J/kg·K;k为导热系数,W/m·K;S为内热源,W/m3;
铸坯内固相分数ε取值是根据铸坯内铸坯温度场变量T的某点温度与该钢种液相线温度、固相线温度比较确定,用于判断铸坯内某一点在计算温度下是属于液体、固体或固液两相区的铸坯内凝固状态判别方程为:
T>Tl,ε=0
T<Ts,ε=1
式中:Tl为液相线温度,K;Ts为固相线温度,K;下标l表示液相,下标s表示固相;
根据钢种不同,用于确定钢坯凝固时的钢种成分分布的凝固过程反扩散方程组为:
C0,i=εCs,i+(1-ε)Cl,i (3)
式中:下标i为钢中各元素排列序号,若某类型钢中含有N种元素,则i=1,2,...,N;C0,i表示第i种元素在钢中总含量;Cl,i为第i种元素在液相中的含量;Cs,i为第i种元素在固相中的含量;κi为平衡分配系数;Di为i组元的溶质扩散系数,m2/s;λ为二次枝晶间距,m;
获知钢种成分后,根据实测数据确定模型中涉及到的钢种的物性参数,具体包括液相线温度Tl、固相线温度Ts、密度ρ、导热系数h、定压比热cp以及平衡分配系数κ、溶质扩散系数D、二次枝晶间距λ;
式中:ρw为水的密度,kg/m3;cp,w为水的比热,J/kg·K;W为结晶器冷却水水流量,m3/s;ΔT为结晶器进出口水温差,K;A为结晶器平均冷却面积;
二次冷却区冷却换热系数hs:
式中:Tw为喷水温度,K;α为铸机各二次冷却段的冷却水分布状态参数,取决于二次冷却水经过喷嘴喷射到铸坯表面的分布特点;
二次冷却水在铸坯表面分布的确定方式是将铸机的辊列布置、喷嘴性能、喷嘴位置信息转化为计算机可以识别的数据文件,由计算机在计算前读取后将二次冷却水量自动分配到铸流的不同位置并参与计算;
数理方程离散化及求解:将铸坯整体划分为一定数量的网格,则上述模型(1)-(4)可离散化为线性方程组,然后利用计算机迭代求解线性方程组的方法,即得到整个铸流的温度分布及固相率分布。
2.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中液相线温度Tl的确定方法为:
Tl=1810-78×[C]-4.9×[Mn]-7.6×[Si]-38×[S]-34.4×[P]-3.1×[Ni]-1.3×[Cr]-4.7×[Cu]-3.6×[Al]
[]内为该元素在钢中含量百分数,%。
3.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中固相线温度Ts的确定方法为:
Ts=1810-175×[C]-30×[Mn]-20×[Si]-575×[S]-280×[P]-4.75×[Ni]-6.5×[Cr]-0×[Cu]-5×[Mo]-4×[V]-60×[Nb]-7.5×[Al]-40×[Ti]
[]内为该元素在钢中含量百分数,%。
4.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中密度ρ的确定方法是将钢种按照低碳钢:[C]<0.14%、中碳钢:0.14%≤[C]≤0.45%、高碳钢:[C]>0.45%三种情况,根据铸坯温度场变量T的不同而对应选择,具体选择范围为:
(1)、低碳钢:
T<1902K时,ρ=2.54×(3091.41-e0.0032T)
1902K≤T≤2100K时,ρ=(-0.0011+0.00084×T0.05)-1
(2)、中碳钢:
T<1529K时,ρ=0.32×(24286.97-E0.005T)
1529K≤T≤2200K时,ρ=8700.0-T
(3)、高碳钢:
T<1610K时,ρ=0.32×(24286.97-e0.005T)
1610K≤T≤2200K时,ρ=7900-0.66×T。
5.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中根据钢中主要元素选取的平衡分配系数κ值为:
。
6.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中根据钢中主要元素选取的溶质扩散系数D值为:
7.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法,其特征在于,钢种物性参数中,二次枝晶间距λ取值为:λ=1×10-4m。
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CN 200910248787 CN102110188B (zh) | 2009-12-25 | 2009-12-25 | 一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法 |
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