CN102218515B - 连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法 - Google Patents

连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，该方法是：以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用计算得到的结晶器冷却铜板中冷却水的传热热阻，得到结晶器内钢液凝固传热过程中单位面积上的传热系数，以此计算整个凝固传热过程。本发明简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。

Description

连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法
技术领域
本发明涉及连铸技术领域，尤其是连铸结晶器内高温钢液的凝固传热过程。
背景技术
作为连铸的心脏，结晶器内的连铸过程是一个关联着传热，凝固，流动和溶质再分配等现象的复杂过程。各现象之间相互关联，交互影响作用，使结晶器内的传热行为变得异常复杂。但结晶器内钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率不均匀易于引发铸坯裂纹；此外，若传热不充分，则容易导致较薄的坯壳鼓肚，变形，甚至被拉漏。铸坯的凝固行为取决于钢液向外进行热传递的能力。通过由结晶器内传导出的热量，可以获知铸坯在结晶器中生长得到的凝固坯壳厚度，铸坯表面温度分布，结晶器冷却水量以及冷却水温差等重要的冶金参数，这对整个连铸过程工艺参数的优化，铸坯质量的改善等又都具有十分重要的意义。
在连铸坯凝固传热的研究中，人们首先利用静止水冷结晶器内测定得到的热流与钢液停滞时间的关系，得到铸坯与结晶器界面间的局部热流密度经验公式，简化了传热研究过程。使用过程中，一般采用传统的板/方坯计算公式来计算参数（板坯：q=2.688-0.227
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE001
；方坯：q=2.688-0.335
Figure 454922DEST_PATH_IMAGE001
），但固定的参数对不同的机型存在明显差异，很难对结晶器内钢液凝固传热过程做精确解析。因此，人们通过考虑液相对流，振痕，固液渣状态，气隙等因素得到对应的综合传热系数来计算结晶器内钢液的凝固传热过程。整个凝固传热过程中，由于对液相对流程度，振痕范围，固液渣分布状态以及气隙等具体过程参数的认识存在差异，且计算过程相当复杂。实际生产中，很难快速获得结晶器内热边界条件，求解结晶器内钢液的凝固传热过程。
因此，我们以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用结晶器冷却铜板和冷却水的传热热阻，以此得到结晶器内钢液凝固传热过程中，单位面积上的传热系数，计算整个结晶器内钢液的凝固传热过程。这种方法简便易行，可靠性极高，能够用于模拟钢液的凝固传热过程，为大规模生产中连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，该方法简便易行，能够用于模拟钢液的凝固传热过程，为实际连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明是以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用计算得到的结晶器冷却铜板中冷却水的传热热阻，得到结晶器内钢液凝固传热过程中单位面积上的传热系数，以此计算整个凝固传热过程。
本发明具体是采用包括以下步骤的计算方法：
1. 计算高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热：
高温铸坯表面与结晶器冷却铜板的间隙热阻由多个单元组成，将其简化成气隙传导热阻，渣膜热阻和辐射热阻作用得到的综合热阻。
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中，hT是间隙内的传热系数，Rair和Rslag分别表示的是间隙间的气隙热阻和渣膜热阻。λair是气隙的综合导热系数，λslag是渣膜的综合导热系数，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε是辐射表面黑度。T和T0分别是铸坯表面和结晶器热面之间的温度，dslag是渣膜厚度，dair是气隙厚度。
2. 计算结晶器冷却铜板之间的传热：
结晶器冷却铜板间的传热为传导传热，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（2）
式中，h2是冷却铜板的传热系数，R2是冷却铜板的热阻，λCu为铜板的导热系数，dCu为结晶器铜板有效厚度。
3. 计算结晶器冷却铜板与冷却水之间的传热：
结晶器冷却水槽内的冷却水与冷却铜板之间存在强制对流换热，可以通过对流换热系数hw来表征其间的传热，
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE004
（3）
式中，hw为冷却水的对流换热系数，D为水缝当量直径，λw为冷却水的导热系数，ρw为冷却水的密度，uw为冷却水的流速，μw为冷却水的粘度， cp为冷却水的比热。
4. 获取结晶器凝固传热系数h：
将上述计算得到的换热系数带入公式（4）中，得到结晶器凝固传热系数h值，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（4）
式中：RT为间隙间综合热阻，RCu 为结晶器铜板热阻，RW 为冷却水对流传热热阻，hT是间隙内的传热系数，h2是冷却铜板的传热系数，hw为冷却水的对流换热系数。
5. 计算结晶器单位面积上的瞬时热流q：
结晶器内的瞬时热流q可由热流计算公式（5）得出，
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE006
（5）
式中，T为凝固铸坯表面温度，Tw为冷却水初始温度，h是总传热系数。
综上，就能够计算单位面积上的热流密度，以此求解连铸结晶器内钢液凝固传热过程的具体计算参数。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：
结晶器内钢液的凝固传热过程对产品的质量有着至关重要的作用，而处于高温状态下，结晶器内热流密度的大小则反映出结晶器的传热能力。为此，本发明从高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热出发，获得连铸结晶器内的热流分布，并利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来计算结晶器内钢液的凝固传热过程，获得与生产相关的重要冶金参数。
例如：实际生产中，150 mm方坯连铸机浇铸Q235钢，浇铸温度1535 ℃，结晶器冷却水流量110 m3/h，温差7 K，单位时间内传递的总热量为893 kJ，仿真系统得到的水量108 m3/h，温差7 K，单位时间内传递的总热量为877 kJ，计算得到的结果与实际生产使用的参数相符。
由此可知，本发明简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。
附图说明
图1为在浇铸Stb32钢，1000 mm×200 mm板坯连铸机上得到的结晶器内热流密度分布图。
图2为在浇铸Q235钢，150 mm×150 mm小方坯连铸机上得到的结晶器内热流密度分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1：
在1000 mm×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢，结晶器高度900 mm，弯月面位置100 mm，浇注温度1572℃，拉速1.2 m/s，冷却水初始温度35℃，冷却水流速8 m/s，水槽深21 mm，宽5 mm，保护渣密度3000 kg/m3，吨钢耗渣量0.45 kg/t，得到结晶器上的热流密度。
具体步骤如下：
1. 高温铸坯与结晶器冷却铜板间缝隙热阻：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1）
2. 结晶器冷却铜板之间的传热热阻：
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE008
（2）
3. 结晶器冷却铜板与冷却水之间的传热热阻：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（3）
4. 结晶器内的传热热阻：
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE010
（4）
因此，结晶器中的热流密度关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（5）
由图1所示在浇铸Stb32钢，1000×200 mm板坯连铸机上得到的结晶器内热流密度分布曲线图可知：热流密度在弯月面以下迅速达到峰值；与弯月面距离越远，结晶器内的热流密度越低，这与实际相符。
实施例2：
在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢，浇注温度1535℃，拉速3 m/s，冷却水初始温度35℃，冷却水流速8 m/s，冷却水环缝深4 mm，保护渣密度3000 kg/m3，吨钢耗渣量0.45 kg/t，得到结晶器上的热流密度。
具体步骤如下：
1. 高温铸坯与结晶器冷却铜板间缝隙热阻：
（6）
2. 结晶器冷却铜板之间的传热热阻：
Figure 2011101815379100002DEST_PATH_IMAGE012
（7）
3. 结晶器冷却铜板与冷却水之间的传热热阻：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（8）
4. 结晶器内的传热热阻：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（9）
因此，结晶器中的热流密度关系为：
Figure 401067DEST_PATH_IMAGE011
（10）
由图2所示在浇铸Q235钢，150×150 mm小方坯连铸机上得到的结晶器内热流密度分布曲线图可知：热流密度在弯月面以下迅速达到峰值；与弯月面距离越远，结晶器内的热流密度越低，这与实际相符。

Claims (3)

1.一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，其特征在于以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用计算得到的结晶器冷却铜板中冷却水的传热热阻，得到结晶器内钢液凝固传热过程中单位面积上的传热系数，以此计算整个凝固传热过程；
所述的连铸结晶器内钢液凝固传热过程由以下方法获得，其步骤包括：
第一步，计算高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热：
高温铸坯表面与结晶器冷却铜板的间隙热阻由多个单元组成，将其简化成气隙传导热阻，渣膜热阻和辐射热阻作用得到的综合热阻，
（1）
式中：hT是间隙内的传热系数，Rair和Rslag分别表示的是间隙间的气隙热阻和渣膜热阻，λair是气隙的综合导热系数，λslag是渣膜的综合导热系数，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε是辐射表面黑度，T和T0分别是铸坯表面和结晶器热面之间的温度，dslag是渣膜厚度，dair是气隙厚度；
第二步，计算结晶器冷却铜板之间的传热：
结晶器冷却铜板间的传热为传导传热，
（2）
式中：h2是冷却铜板的传热系数，R2是冷却铜板的热阻，λCu为铜板的导热系数，dCu为结晶器铜板有效厚度；
第三步，计算结晶器冷却铜板与冷却水之间的传热：
结晶器冷却水槽内的冷却水与冷却铜板之间存在强制对流换热，可以通过对流换热系数hw来表征其间的传热，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
式中：hw为冷却水的对流换热系数，D为水缝当量直径，λw为冷却水的导热系数，ρw为冷却水的密度，uw为冷却水的流速，μw为冷却水的粘度，cp为冷却水的比热；
第四步，获取结晶器凝固传热系数h：
将上述计算得到的换热系数带入公式（4）中，得到结晶器凝固传热系数h值，
（4）
式中：RT为间隙间综合热阻，RCu为结晶器铜板热阻，RW 为冷却水对流传热热阻，hT是间隙内的传热系数，h2是冷却铜板的传热系数，hw为冷却水的对流换热系数；
第五步，计算结晶器单位面积上的瞬时热流q：
结晶器内的瞬时热流q由热流计算公式（5）得出，
（5）
式中：T为凝固铸坯表面温度，Tw为冷却水初始温度，h是总传热系数；
经过上述步骤，得到连铸结晶器内钢液凝固传热过程的传热数据。
2. 根据权利要求1所述的连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，其特征在于所述的传热过程，其传递热量值通过结晶器冷却水温差以及结晶器实测温度进行检验。
3. 根据权利要求2所述的连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，其特征在于采用以下方法进行检验：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（6）
式中：Q为单位时间内冷却水带走的热量，C为水的比热容，m为单位时间内冷却水的流量，∆T为进出结晶器冷却水温差；
通过比较单位时间内冷却水带走热量就能够检验权利要求2中计算得到的传热数据，并对传热数据做进一步的修正。
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