CN102228972B - 用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于连铸结晶器凝固传热过程的计算系统，该系统由通过接口依次连接的模型数据初始化模块，数据运行模块和结果输出模块三部分组成。该系统采用以下方法获取连铸结晶器的凝固传热过程，具体是：通过引入结晶器安全坯壳厚度概念，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，具体是从方坯连铸机结晶器出口处坯壳的厚度和板坯结晶器出口处坯壳的厚度出发，换算得到连铸结晶器单位面积上的热流密度边界条件，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

用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，尤其是用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法。

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。通过对结晶器内的凝固传热过程进行仿真计算，即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、冷却水温差和结晶器锥度分布等重要的冶金参数。这对整个连铸过程工艺参数的优化和铸坯质量的改善等都具有十分重要的意义。

连铸结晶器内钢液的凝固传热过程研究中，主要是通过获知结晶器传热热流分布来分析钢液的凝固过程，得到与连铸生产相关的工艺参数。一方面，可以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，进而研究结晶器内的凝固传热过程，得到与之相关的数据，但经验公式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。此外，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，不同机型的适用性差别也较大。致使实际生产中，很难快速获得结晶器内热边界条件，仿真结晶器内钢液的凝固传热过程。

因此，我们从方坯连铸机结晶器出口处坯壳的厚度和板坯结晶器出口处坯壳的厚度出发，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，仿真计算整个结晶器内钢液的凝固传热过程。该系统简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真计算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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法，该方法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。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供了一种用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法，该方法是：通过引入结晶器安全坯壳厚度概念，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，具体是从方坯连铸机结晶器出口处坯壳的厚度和板坯结晶器出口处坯壳的厚度出发，换算得到连铸结晶器单位面积上的热流密度边界条件，以此计算整个凝固传热过程。

所述的凝固传热过程可由下述方法获得，其步骤包括：

第一步，进行模型数据初始化过程：

首先要设定铸机参数：包括设定连铸机型、铸坯断面尺寸、结晶器尺寸、计算模型和计算步长参数，

其次设定物性参数：包括设定输入钢种成分、凝固潜热、导热系数、热膨胀系数、比热容和钢种的固液相密度参数，

然后输入生产工艺参数：包括浇注温度、拉坯速度、冷却水初始温度、冷却水流速、结晶器铜板厚度参数，

最后输入结晶器安全坯壳厚度值，其中小方坯结晶器出口处坯壳安全厚度≥10 mm， 板坯结晶器出口处坯壳厚度≥（15～20）mm；

第二步，数据仿真计算过程：

数据运行模块将初始化过程中的数据，以及计算得到的热流密度导入计算模型，利用所采用的计算模型计算连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中与结晶器相关的包括铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度、冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布的重要冶金参数；

第三步，仿真结果输出过程：

通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能模块中，将结晶器热流分布、铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度分布、结晶器锥度分布、冷却水量和温差以曲线和数字方式显示在功能面板上；

经过上述步骤得到所述的凝固传热过程。

所述的凝固传热过程，其传递热量、结晶器冷热面温度和结晶器锥度，是通过结晶器冷却水温差、结晶器实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。

所述的仿真计算得到的结果可以采用以下方法进行检验：

（1）

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上述仿真计算得到的数据，并对传热过程做进一步的修正。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

结晶器内铸坯的凝固传热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，本发明从结晶器出坯壳安全厚度作为出发点，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，离线计算整个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，冷却水传递热量894 kJ。以10 mm安全厚度为计算标准，瞬时热流密度为：q=2.688-0.3696，计算得到的总热量为887 kJ。此外，结晶器实际使用锥度为1.12 %/m，计算得到的锥度为1.07 %/m，二者基本相符

由此可知，本发明简便易行、适用性高、可靠性高，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1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内热流密度分布图。

图2为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内坯壳表面温度分布示意图。

图3为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布示意图。

图4为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板冷热面温度分布示意图。

图5为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板倒锥度关系分布示意图。

图6为在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内热流密度分布图。

图7为在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内坯壳表面温度分布示意图。

图8为在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布示意图。

图9为在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器铜板冷热面温度分布示意图。

图10为在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器铜板倒锥度关系分布示意图。

具体实施方式

本发明能够通过计算结晶器的单位面积上的热流密度，经由凝固传热计算系统，获得连铸结晶器内钢液凝固传热过程的相关重要冶金参数。

以下结合实施例对本发明作进一步详细阐述。

实施例1：

在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢。

1. 模型数据初始化过程：

首先确认：板坯二维计算模型，结晶器尺寸1000×200 mm，结晶器高度900 mm，弯月面位置100 mm，时间步长0.1 s，空间步长10 mm；

其次通过确认钢种Stb32，得到钢种物性参数；

然后在生产工艺数据库中，确认浇注温度1572℃、拉速1.2 m/min、结晶器铜板有效厚度24 mm、结晶器冷却水初始温度35℃、流速8 m/s；

最后确认结晶器坯壳安全厚度17 mm。

2. 数据仿真计算过程：

通过接收模型数据初始化过程得到的初始数据，在系统中利用二维计算模型，计算结晶器内钢液凝固传热过程。

3. 仿真结果输出过程：

通过程序将数据计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，显示凝固传热过程的相关重要冶金参数，该参数包括结晶器内热流密度、结晶器内坯壳表面温度、结晶器内凝固坯壳厚度、结晶器铜板冷热面温度和结晶器铜板倒锥度关系，可用图1-图5表示。

本实施例得到的结晶器内热流密度分布如图1所示：热流密度在弯月面位置最大，与弯月面距离越远，结晶器内热流密度越低，这与实际情况相符。

本实施例计算得到的结晶器内坯壳表面温度分布如图2所示：钢液在弯月面位置迅速凝固，伴随着拉坯的进行，凝固坯壳表面温度逐渐降低。凝固坯壳角部受二维传热的影响，温度降低最快，而钢液凝固传热热量主要由宽面传出，温度降低较窄面来得更加迅速。

本实施例计算得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布布如图3所示：钢液凝固始于弯月面位置，伴随着拉坯的进行，凝固传热过程继续，凝固坯壳厚度呈现抛物线规律分布。

本实施例计算得到的结晶器铜板冷热面温度分布如图4所示：结晶器铜板冷热面温度分布规律与结晶器热流密度分布规律一致。计算得到的热面最高温度低于结晶器铜板再结晶温度，铜板能够正常使用。

本实施例计算得到的结晶器铜板倒锥度关系分布如图5所示：结晶器锥度分布符合钢液凝固分布规律，具有抛物线变化特征。

实施例2：

在150×150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢。

1. 模型数据初始化过程：

首先确认板坯二维计算模型、结晶器尺寸150×150 mm、结晶器高度1000 mm、弯月面位置100 mm、时间步长0.1 s、空间步长10 mm；其次通过确认钢种Q235，得到钢种物性参数；然后在生产工艺数据库中，确认浇注温度1535℃、拉速3m/min、结晶器铜板有效厚度14 mm、结晶器冷却水初始温度35℃、流速8 m/s。

最后输入出结晶器坯壳安全厚度10 mm。

2. 数据仿真计算过程：

通过接收模型数据初始化过程得到的初始数据，在仿真系统中利用二维计算模型，仿真结晶器内钢液凝固传热过程。

3. 仿真结果输出过程：

通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，显示凝固传热过程的相关重要冶金参数，该参数包括结晶器内热流密度、结晶器内坯壳表面温度、结晶器内凝固坯壳厚度、结晶器铜板冷热面温度和结晶器铜板倒锥度关系，可用图6-图10表示。

本实施例得到的结晶器内热流密度分布如图6所示：热流密度在弯月面位置最大，与弯月面距离越远，结晶器内热流密度越低，这与实际情况相符。

本实施例计算得到的结晶器内坯壳表面温度分布如图7所示：钢液在弯月面位置迅速凝固，伴随着拉坯的进行，凝固坯壳表面温度逐渐降低。凝固坯壳角部受二维传热的影响，温度降低最快。

本实施例计算得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布布如图8所示：钢液凝固始于弯月面位置，伴随着拉坯的进行，凝固传热过程继续，凝固坯壳厚度呈现抛物线规律分布。

本实施例计算得到的结晶器铜板冷热面温度分布如图9所示：结晶器铜板冷热面温度分布规律与结晶器热流密度分布规律一致。计算得到的热面最高温度远低于结晶器铜板再结晶温度，铜板能够正常使用。

本实施例计算得到的结晶器铜板倒锥度关系分布如图10所示：结晶器锥度分布符合钢液凝固分布规律，具有抛物线变化特征。

上述实施例1和实施例2中，所述计算系统由模型数据初始化模块，数据运行模块和结果输出模块三部分组成，其中核心过程是以设置凝固传热过程的安全坯壳厚度为特征，换算得到单位面积上的热流密度便捷条件，以此计算结晶器内，钢液的凝固传热过程。其中，模型数据初始化模块由连铸机数据库、物性参数数据库和生产工艺数据库组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输入端口相连；数据运行模块由一维计算模型和二维计算模型组成，用于离线仿真连铸结晶器内钢液的凝固传热过程；结果输出模块用于显示并保存计算结果，该模块由数据自动输出保存功能和计算结果图形显示功能组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输出端口相连。

上述实施例1和实施例2中，所述一维计算模型为以铸坯厚度方向的切片模型为基础，忽略沿宽度方向上的传热，适用于板坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。二维计算模型为以铸坯横截面方向切片模型为基础，考虑沿铸坯厚度和宽度方向上的传热，适用于板/方坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。

Claims (3)

1. 用于连铸结晶器凝固传热过程的计算方法，其特征是：通过引入结晶器安全坯壳厚度概念，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，具体是从方坯连铸机结晶器出口处坯壳的厚度和板坯结晶器出口处坯壳的厚度出发，换算得到连铸结晶器单位面积上的热流密度边界条件，以此计算整个凝固传热过程；

所述的凝固传热过程由下述方法获得，其步骤包括：

第一步，进行模型数据初始化过程：

首先要设定铸机参数：包括设定连铸机型、铸坯断面尺寸、结晶器尺寸、计算模型和计算步长参数，

其次设定物性参数：包括设定输入钢种成分、凝固潜热、导热系数、热膨胀系数、比热容和钢种的固液相密度参数，

然后输入生产工艺参数：包括浇注温度、拉坯速度、冷却水初始温度、冷却水流速、结晶器铜板厚度参数，

最后输入结晶器安全坯壳厚度值，其中小方坯结晶器出口处坯壳安全厚度≥10 mm， 板坯结晶器出口处坯壳厚度≥（15～20）mm；

第二步，数据仿真计算过程：

数据运行模块将初始化过程中的数据，以及计算得到的热流密度导入计算模型，利用所采用的计算模型计算连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中与结晶器相关的包括铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度、冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布的重要冶金参数；

第三步，仿真结果输出过程：

通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能模块中，将结晶器热流分布、铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度分布、结晶器锥度分布、冷却水量和温差以曲线和数字方式显示在功能面板上；

经过上述步骤得到所述的凝固传热过程。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的凝固传热过程，其传递热量，结晶器冷热面温度和结晶器锥度通过结晶器冷却水温差、结晶器实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。

3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的仿真计算得到的结果采用以下方法进行检验：

（1）

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中仿真计算得到的数据，并对传热过程做进一步的修正。

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