CN103231031A - 考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法，本方法可由振动台带动结晶器振动。模拟时，在结晶器液位保持设定时间后，使结晶器按照设定的振幅和频率上下振动，再经过设定时间后，即可在结晶器液面采集波动数据信息，最后分析实验数据，通过调节水口结构参数、水口浸入深度或/和吹氩量，优化结晶器流动状态，使结晶器液面在不卷渣的前提下液面波动≤±5mm，从而得到该优化目标下的水口结构参数、水口浸入深度和吹氩量。本发明在物理模拟过程中，考虑结晶器振动行为，结晶器内流动状态和液面波动状态的物理描述更为真实，整个结晶器流场流动状态和水口结构优化更为准确。

Description

考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法

技术领域

本发明涉及一种连铸结晶器流场物理模拟方法，该方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，研究连续浇注过程中结晶器内金属流动状态和液面波动行为，适用于各种类型连铸结晶器的物理模拟研究。

 

背景技术

连铸过程中，钢液从浸入式水口浇注到结晶器，其行为十分复杂。在结晶器冷却和振动的作用下，钢液的行为包含了流动、传热、凝固等现象。其中钢液的流动行为是基础，合理的结晶器内钢液流动行为是取得高质量铸坯的重要保障，不合理的流动行为可能引起凝固壳不均匀、钢液面卷渣、夹杂物不易上浮、气泡附着凝固壳等问题，从而影响连铸顺行和铸坯质量。因此，研究并优化设计结晶器内钢液流动过程非常重要。

结晶器内钢液流动行为的研究方法有实际生产实验、数学模拟和物理模拟。但实际生产实验不便于观测和代价昂贵；而数学模拟采用了很多假设，并且其准确性主要取决于数学模型和边界条件。物理模拟基于相似原理，主要用水的流动模拟钢液的流动，由于它具有方便、直观、比较可靠等优点，受到广大研究者的青睐。

目前国内外结晶器钢液流动行为的物理模拟，主要是借助先进的测试方法精细的研究不同参数下结晶器内的相关现象，而对物理模型本身的发展还没有多少关注。研究者主要关注结晶器内液面波动、表面流速、卷渣、非对称流动等现象，以及工艺参数（拉速、水口浸入深度、吹氩量）和结构参数（浸入式水口、塞棒、滑动水口）对结晶器内这些现象的影响。通过这些研究明确结晶器流场的基本规律，为优化结晶器流场，取得优良的连铸坯质量奠定一定的基础。然而在这些物理模拟中，并没有考虑实际生产中结晶器振动这个重要因素对流场的影响。

结晶器振动是连铸技术的重大突破，通过液压或者机械振动装置，使结晶器铜板在垂直方向往复运动，一般振幅3-5mm，频率100-200Hz/min。振动可以改善连铸过程中结晶器内壁的润滑条件，一定程度减少结晶器与铸坯间的摩擦力，防止冷凝中的连铸坯坯壳与结晶器内壁铜板的粘结。

由于结晶器振动行为复杂，实际生产过程的相关现象不便观测，结晶器振动的研究主要通过数值模拟，也有学者用低熔点金属研究了振动对温度的影响。数值模拟中，结晶器的振动行为还不能通过合理的接触传递方式加载到钢液，而且由于结晶器的高频振动，数值模拟需要高性能的计算机进行非稳态求解。其次，目前的物理模拟主要用简化的物理模型研究振动对铜板上温度波动的影响，还没有文献研究振动对流场的影响，也没有发现考虑振动行为的结晶器物理模拟方面的专利。

结晶器的振动行为会通过保护渣和凝固壳传递到钢液中，对结晶器内钢液流场产生周期性的影响，特别是对结晶器液面波动产生较大影响。结晶器铜板的周期性运动，会直接对凝固壳产生周期性挤压，造成结晶器液面一定的上升；同时，在结晶器液面凝结的渣圈会随着铜板往复运动，对钢液面造成直接的波动。一般认为结晶器内钢液面波动过大可能引起钢液卷渣和保护渣膜不连续等问题，因此要求结晶器内液面波动应在±5mm以内。目前，物理模拟都是在忽略结晶器振动的情况下，以液面波动<±5mm为主要判定条件进行流场的优化设计。由于结晶器液面本身的波动与结晶器振动的幅度（3-5mm）相当，结晶器流场自身的波动和结晶器振动引起的波动可能会叠加，导致物理模拟优化的流场在实际生产中应用的效果不佳。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法，本方法通过物理模拟装置来模拟连铸过程，所述物理模拟装置包括中间包、浸入式水口、结晶器和循环泵，浸入式水口插入结晶器中；结晶器在高度方向由上至下逐渐收缩，结晶器的下端通过软连接与结晶器延长段连接，软连接可在结晶器振动时随之伸缩变形；在结晶器延长段底部设有循环水出口，循环水出口、循环泵、中间包和浸入式水口依次连接，从而在中间包、浸入式水口、结晶器、循环水出口和循环泵之间形成循环水路；结晶器通过夹持装置夹持并处于悬空状态，结晶器延长段水平放置于稳定的支架上，所述夹持装置放置在振动台上，可由振动台通过夹持装置带动结晶器振动。

物理模拟过程如下：水从浸入式水口不断进入结晶器、软连接和结晶器延长段，当水的高度达到模拟设定的结晶器液位时，通过循环泵从循环水出口抽取一定流量的水，并通过中间包循环到浸入式水口处；在结晶器液位高度保持设定时间（如5min）后，开启振动台，使夹持装置振动，从而带动结晶器按照设定的振幅和频率上下振动，再经过设定时间（如5min）后，即可在结晶器液面采集波动数据信息，最后分析实验数据，通过调节水口结构参数、水口浸入深度或/和吹氩量，优化结晶器流动状态，使结晶器液面在不卷渣的前提下液面波动≤±5mm，从而得到该优化目标下的水口结构参数、水口浸入深度和吹氩量。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：在物理模拟过程中，考虑结晶器振动行为后，结晶器内流动状态和液面波动状态的物理描述更为真实，与目前不考虑结晶器振动相比，整个结晶器流场流动状态和水口结构优化研究更为准确，这对于连铸工艺参数、水口参数优化和提高铸坯质量都有重要的意义。

 

附图说明

图1-本发明物理模拟装置结构示意图。

 

具体实施方式

结晶器流场的物理模拟是基于相似原理，根据研究的重点，选择Re准数、Fr准数和We准数或它们的组合，确定合适的相似比；然后根据实际模型参数，建立水力学模型，并利用监测手段，分析不同参数下结晶器内流场特征，优化结晶器流场。

目前通用的物理模拟实验装置是一个水路循环系统，包括中间包、浸入式水口、结晶器和水泵等。水在中间包-浸入式水口-结晶器内依次流通，这一过程和实际连铸过程一致，然后水泵将一定流量的水从结晶器出口抽出，并循环至中间包内。

常用的结晶器物理模拟装置都没有考虑铜板振动对流场的影响。在实际连铸过程中，钢液从浸入式水口进入结晶器，这种强制对流会造成结晶器液面波动，而结晶器液面波动的合理性直接影响连铸生产顺行和铸坯质量。结晶器铜板的振动行为，会通过保护渣和凝固壳对结晶器内钢液产生周期性挤压，以及结晶器液面的振动，这两种行为都会影响到结晶器液面波动的大小。因此在水模拟实验中，考虑结晶器铜板的振动，才能更真实的模拟结晶器液面状态，结晶器流场的优化才更准确。

图1为考虑了铜板振动的结晶器内钢液流动状态物理模拟装置的示意图。本物理模拟装置包括中间包、浸入式水口1、结晶器2和循环泵，浸入式水口1插入结晶器2中，结晶器2通过夹持装置4夹持并处于悬空状态。结晶器在高度方向由上至下逐渐收缩，结晶器2的下端通过软连接6与结晶器延长段7连接。软连接起连接结晶器和结晶器延长段的作用，其长度为5-15cm，有弹性，结晶器振动时可随之伸缩变形。在结晶器延长段7底部设有循环水出口8，循环水出口、循环泵、中间包和浸入式水口依次连接，从而在中间包、浸入式水口、结晶器、循环水出口和循环泵之间形成循环水路。结晶器延长段主要是减少出口循环水对流场的影响，高度大于的结晶器高度。循环水出口共三个，以减少出口对结晶器流场的影响。所述夹持装置4固定放置在振动台5上，可由振动台5带动其振动。振动台对称放置两个，当振动台运行时，结晶器模型将按设定的振动频率和幅度在垂直方向上运动。由于结晶器延长段水平放置于另外的稳定的支架上，故结晶器延长段不会振动。

图1省略了中间包水箱和循环水泵等通用设备。主要装置结晶器为有机玻璃制造，便于实验过程的观察，模型参数可根据实际设备参数和确定的相似比得到。

由于结晶器振动对结晶器流场存在一定的影响，本发明基于结晶器振动的物理模拟装置，通过检测结晶器液面波动等实验手段，以结晶器液面活跃并且不卷入保护渣，优化结晶器钢液流动状态和浸入式水口结构参数。

具体模拟实验的过程如下：在物理模拟过程中，水从浸入式水口1不断进入结晶器2、软连接6和结晶器延长段7，当水的高度达到模拟设定的结晶器液位3时，通过循环泵从循环水出口8抽取一定流量的水，并通过中间包循环到浸入式水口1处。在结晶器液位高度保持设定时间（如5min）后，开启振动台5，使夹持装置4振动，从而带动结晶器2按照设定的振幅和频率上下振动，再经过设定时间（如5min）后，即可在结晶器液面3采集波动数据信息，最后分析实验数据，通过调节水口结构参数、水口浸入深度或/和吹氩量，优化结晶器流场，使结晶器液面在不卷渣的前提下液面波动≤±5mm，从而得到该优化目标下的水口结构参数、水口浸入深度和吹氩量。

在结晶器流动状态物理模拟过程中，考虑结晶器铜板的振动行为后，由于结晶器内钢液面自身的波动行为和铜板传递到钢液的振动行为的叠加，结晶器液面的波动将发生改变。与传统研究方法相比，本模拟方法结晶器液面波动状态更接近实际生产，优化浸入式水口结构参数、水口插入深度以及吹氩量的结果更为准确，对连铸工艺优化和铸坯质量的提高都具有重要意义。本模拟研究结果可以直接对实际生产中连铸工艺参数和水口结构参数优化提供技术指导。

由于结晶器振动具有防止坯壳粘结的作用，因此目前的所有类型的连铸机上均有结晶器振动装置，但这些振动装置仅仅用于防止坯壳粘结的作用。对于不同类型的连铸机，振动的幅度和频率差异较小，主要是结晶器断面有较大的差异。不同类型的结晶器由于振动参数、结晶器断面以及凝固行为的差异，振动行为对结晶器流场以及液面波动的影响将会有所不同。因此，在对不同连铸结晶器流场优化时，都需要考虑结晶器的振动行为。在物理模拟研究中，振动的相关参数（频率和幅度）可通过振动设备调节，结晶器断面可按照实际参数加工不同类型的有机玻璃模型。所以，本发明适用于板坯、方坯、圆坯、薄板坯和异形坯等连铸结晶器的流场优化。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法，本方法通过物理模拟装置来模拟连铸过程，其特征在于：所述物理模拟装置包括中间包、浸入式水口（1）、结晶器（2）和循环泵，浸入式水口插入结晶器中；结晶器在高度方向由上至下逐渐收缩，结晶器（2）的下端通过软连接（6）与结晶器延长段（7）连接，软连接可在结晶器振动时随之伸缩变形；在结晶器延长段（7）底部设有循环水出口（8），循环水出口、循环泵、中间包和浸入式水口依次连接，从而在中间包、浸入式水口、结晶器、循环水出口和循环泵之间形成循环水路；结晶器（2）通过夹持装置（4）夹持并处于悬空状态，结晶器延长段（7）水平放置于稳定的支架上，所述夹持装置（4）放置在振动台（5）上，可由振动台带动结晶器振动；

物理模拟过程如下：水从浸入式水口(1)不断进入结晶器（2）、软连接（6）和结晶器延长段（7），当水的高度达到模拟设定的结晶器液位时，通过循环泵从循环水出口（8）抽取一定流量的水，并通过中间包循环到浸入式水口（1）处；在结晶器液位高度保持设定时间后，开启振动台（5），使夹持装置（4）振动，从而带动结晶器（2）按照设定的振幅和频率上下振动，再经过设定时间后，即可在结晶器液面采集波动数据信息，最后分析实验数据，通过调节水口结构参数、水口浸入深度或/和吹氩量，使结晶器液面在不卷入保护渣的前提下波动≤±5mm，从而得到该优化目标下的水口结构参数、水口浸入深度和吹氩量。

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