CN104001876A

CN104001876A - 在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法

Info

Publication number: CN104001876A
Application number: CN201410234194.1A
Authority: CN
Inventors: 沈厚发; 杨靖安; 段振虎; 柳百成
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: CN104001876B

Abstract

本发明涉及一种在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，包括以下步骤：1)在钢锭模上加工一通孔；2)在与通孔同一高度的钢锭模外壁上加工一盲孔；3)在与通孔和盲孔同一高度的钢锭模侧壁上加工三个均匀分布的孔；4)将一耐高温金属棒插入通孔中，金属棒与一位移传感器连接，位移传感器固定在一支架上，支架钢锭模外壁上；5)将另一耐高温金属棒插入盲孔中，另一金属棒与另一位移传感器连接，另一位移传感器固定在另一支架上，另一支架支撑在钢锭模外壁上；6)在三个孔中分别安装一高温热电偶；7)在钢锭模中注入钢水，在钢锭凝固过程中实时测量位移数据和温度数据；8)通过位移数据计算钢锭与钢锭模的气隙宽度，通过气隙宽度和温度数据，计算得到钢锭与钢锭模的界面换热系数随时间变化的数值。

Description

在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法

技术领域

本发明涉及一种在线测量方法，特别是关于一种在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法。

背景技术

大型钢锭的发展水平体现了一个国家装备制造业的综合能力。目前，随着我国电力、冶金、石化工业的迅猛发展，其重大装备如电站电机转子、冶金支承辊及压力容器筒体日趋大型化，生产锻件的大型钢锭的要求越来越高。大型钢锭凝固过程中，钢锭与钢锭模之间的气隙宽度及界面换热系数(热阻)不断变化，从而影响钢锭凝固进程和凝固方式，同时在很大程度上决定钢锭凝固缩孔缩松、偏析及组织和性能。近年来数值模拟技术在大型钢锭生产过程起到了越来越重要的作用，气隙宽度值或气隙热阻是制约模拟准确性最重要的参数之一。然而气隙宽度和换热系数相互影响、相互制约，是一个热与力耦合作用问题；并且考虑到钢水的高温和凝固收缩效应，给在线测量带来了非常大的难度。因此在线测量钢锭模与钢锭之间的气隙宽度值对提高数值模拟计算的准确性具有十分重要的意义。

钢锭凝固过程中，钢锭与钢锭模经历了复杂的热过程，钢锭与钢锭模中产生随时间变化的热应力。钢锭凝固初期，由于钢水的静压力的作用，钢锭与钢锭模间紧密接触，此时钢锭与钢锭模间的气隙宽度值为零，它们之间的界面换热系数较大。随着凝固过程的进行，由于钢锭模激冷作用，钢锭表面形成一层凝固坯壳，其厚度随着时间的推移越来越厚且产生凝固收缩。与此同时，钢锭模也会产生热变形，在钢锭模内壁温度急剧升高，而外壁温度升高缓慢，阻碍钢锭模内壁的变形，导致钢锭模内壁产生压应力而外壁是拉应力，从而使钢锭模产生挠曲变形。钢锭凝固收缩和钢锭模的内壁的挠曲变形的综合作用产生钢锭与钢锭模之间的气隙。然而至目前很难有一种在线测量钢锭与钢锭模气隙宽度的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种易于操作的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，包括以下步骤：1)在钢锭模的某一高度上加工一垂直穿透钢锭模侧壁的通孔；2)在与步骤1)所加工的通孔同一高度的钢锭模外壁上加工一垂直于钢锭模侧壁的盲孔，盲孔底部到钢锭模内壁的距离为20～30mm；3)在与步骤1)所加工的通孔和步骤2)所加工的盲孔同一高度的钢锭模侧壁上加工三个沿周向均匀分布的孔，其中两个孔为通孔，一个孔为盲孔，盲孔底部到钢锭模内壁的距离为20～30mm；4)将一耐高温金属棒插入步骤1)所加工的通孔中，金属棒的头部位于钢锭模内，金属棒的尾部位于钢锭模外并与一位移传感器通过一耐高温隔热材料连接，位移传感器固定在一支架上，支架水平支撑在通孔旁的钢锭模外壁上；5)将另一耐高温金属棒插入步骤2)所加工的盲孔中并紧密接触盲孔底部，另一金属棒的尾部与另一位移传感器通过一耐高温隔热材料连接，另一位移传感器固定在另一支架上，另一支架水平支撑在盲孔旁的钢锭模外壁上；6)在步骤3)所加工的三个孔中分别安装一高温热电偶，其中一高温热电偶的测量端伸出钢锭模内壁20～50mm，另一高温热电偶的测量端距离钢锭模内壁20～50mm，第三高温热电偶的测量端与钢锭模内壁平齐；7)在钢锭模中注入钢水，在钢锭凝固的过程中，通过两位移传感器实时测量位移数据，通过三个高温热电偶实时测量温度数据；8)通过步骤7)测量到的位移数据计算出钢锭与钢锭模的气隙宽度，通过计算出的气隙宽度和步骤7)测量到的温度数据，结合热量守恒原理计算得到钢锭与钢锭模的界面换热系数随时间变化的数值。

所述步骤1)中所加工的通孔和所述步骤2)中所加工的盲孔的直径为5～10mm，所述步骤4)中所用的金属棒直径为5～10mm，所述步骤5)中所用的另一金属棒直径为5～10mm，所述步骤3)中所加工的孔的直径为20～30mm。

所述步骤1)中的通孔位于钢锭模内壁处加工成喇叭状，同时所述步骤4)中的金属棒的头部加工成喇叭状，以使金属棒头部与钢锭模内壁紧密接触以防止钢水进入到通孔中。

在所述步骤4)中将金属棒插入通孔后，在通孔中加入一些粘土或细纱以保证金属棒的活动性。

在所述步骤4)中用于连接金属棒与位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与金属棒、位移传感器之间采用胶粘的方式连接；在所述步骤5)中用于连接另一金属棒与另一位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与另一金属棒、另一位移传感器之间采用胶粘的方式连接。

所述步骤4)中所使用的金属棒和所述步骤5)中所使用的另一金属棒的材质为高温合金钢GH2132或TC2钛合金。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1本发明测量方法，所设置的测量装置相对简单，通过对钢锭及钢锭模上特征点位移变化的测量即可计算得到钢锭与钢锭模的气隙宽度，通过对钢锭及钢锭模上特征点的温度变化的测量及同一高度位置的钢锭与钢锭模气隙宽度值的测量，可计算得到钢锭与钢锭模之间的界面换热系数。2、本发明构思巧妙，可将钢锭和钢锭模划分为多个区域进行测量，从而保证计算模型的准确性。本发明可广泛应用于真空和非真空条件下碳钢和合金钢锭的铸造过程。

附图说明

图1是本发明钢锭与钢锭模气隙宽度第一种测量结构示意图；

图2是本发明钢锭与钢锭模气隙宽度第二种测量结构示意图；

图3是本发明高温热电偶的安装示意图；

图4是本发明钢锭模分段示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，在钢锭模1的某一高度上加工一垂直穿透钢锭模侧壁的通孔2。

2)如图2所示，在与步骤1)所加工的通孔2同一高度的钢锭模1外壁上加工一垂直于钢锭模1侧壁的盲孔6，盲孔6底部到钢锭模1内壁的距离为20～30mm。

3)在与步骤1)所加工的通孔2和步骤2)所加工的盲孔6同一高度的钢锭模1侧壁上加工三个沿周向均匀分布的孔，其中两个孔为通孔，一个孔为盲孔，盲孔底部到钢锭模1内壁的距离为20～30mm。

4)如图1所示，将一耐高温钢棒3插入步骤1)所加工的通孔2中，钢棒3的头部位于钢锭模1内，钢棒3的尾部位于钢锭模1外并与一位移传感器4通过一耐高温隔热材料连接，位移传感器4固定在一支架5上，支架5水平支撑在通孔2旁的钢锭模1外壁上。

5)如图2所示，将另一耐高温钢棒7插入步骤2)所加工的盲孔6中并紧密接触盲孔6底部，钢棒7的尾部与另一位移传感器8通过一耐高温隔热材料连接，位移传感器8固定在另一支架9上，支架9水平支撑在盲孔6旁的钢锭模1外壁上。

6)如图3所示，在步骤3)所加工的三个孔中分别安装一高温热电偶10、11、12，高温热电偶10的测量端伸出钢锭模内壁20～50mm，高温热电偶11的测量端距离钢锭模内壁20～50mm，高温热电偶12的测量端与钢锭模内壁平齐。

7)在钢锭模1中注入钢水，在钢锭13凝固的过程中，通过两位移传感器4、8实时测量位移数据，通过三个高温热电偶10、11、12实时测量温度数据。

8)通过步骤7)测量到的位移数据计算出钢锭13与钢锭模1的气隙宽度，通过计算出的气隙宽度和步骤7)测量到的温度数据，结合热量守恒原理计算得到钢锭13与钢锭模1的界面换热系数随时间变化的数值(具体计算方法为本领域技术人员所具备的知识，在相关教科书中有所记载，此处不赘述)。

上述实施例中，步骤1)中所加工的通孔2和步骤2)中所加工的盲孔6的直径为5～10mm，步骤4)中所用的钢棒3直径为5～10mm，步骤5)中所用的钢棒7直径为5～10mm，步骤3)中所加工的孔的直径为20～30mm。

上述实施例中，如图1所示，可以将步骤1)中的通孔2位于钢锭模1内壁处加工成喇叭状，同时将步骤4)中的钢棒3的头部加工成喇叭状，这样钢棒3的头部可以与钢锭模1内壁紧密接触以防止钢水进入到通孔2中，此外，钢棒3喇叭状的头部也有利于其被钢锭13凝固表皮咬住。

上述实施例中，在步骤4)中将钢棒3插入通孔2后，可以在通孔2中加入一些粘土或细纱以保证钢棒的活动性。

上述实施例中，在步骤4)中用于连接钢棒3与位移传感器4的耐高温隔热材料可以是硅酸铝管或石英管，其与钢棒3、位移传感器4之间均采用胶粘的方式连接；在步骤5)中用于连接钢棒7与位移传感器8的耐高温隔热材料可以是硅酸铝管或石英管，其与钢棒7、位移传感器7之间均采用胶粘的方式连接；

上述实施例中，步骤4)和步骤5)中所使用的钢棒3、7的材质为高温合金钢GH2132，其耐高温范围为1364～1424℃，且导热小、线膨胀系数低、比强度高。本发明也可以使用其他耐高温并且膨胀系数小的材料来代替钢棒3、7，如TC2钛合金材质(耐高温范围为1570～1640℃)制成的钛合金棒；支架4、8的材质采用TC2钛合金。

本发明所提出的在线测量钢锭凝固过程中钢锭与钢锭模的气隙宽度的原理如下：

如图1、图2示，刚性的支架5、9固定安装在钢锭模1的外表面B点处，位移传感器4、8固定安装在支架5、9上，耐高温钢棒3、7绝热连接在位移传感4上，喇叭状的钢棒3头部伸入钢水20～30mm(如图1所示)，或钢棒7紧密接触在钢锭模1内壁C处(如图2所示)。要求耐高温钢棒3、7和支架5、9的热膨胀系数非常小，规定对于支架5、9向外为正方向，对于钢棒3、7向内为正方向，则位移传感器4、8读数为两位移之和。为描述方便，现将如图1所示的由钢棒3、位移传感器4和支架5组成的机构定义为测量装置-1，将如图2所示的由钢棒7、位移传感器8和支架9组成的机构定义为测量装置-2。对于测量装置-1，当钢水凝固时，钢锭13表面咬住钢棒3的头部，由于钢锭13A点处凝固收缩产生箭头方向的线性位移d_A(t_i)，通过钢棒3传入位移传感器4并记录。另外钢锭1外表面B点处受热膨胀也产生箭头方向的线性位移d_B(t_i)通过支架5传入位移传感器4，于此气隙测量装置-1位移传感器4记录的位移数据为：△d₁(t_i)＝d_A(t_i)+d_B(t_i)。对于测量装置-2，在钢锭13凝固过程中，钢锭模1内壁C点处受热膨胀产生箭头方向的线性位移d_C(t_i)，通过钢棒7传入到位移传感器8，钢锭模1的外表面B点处受热膨胀产生箭头方向的线性位移d_B(t_i)通过支架9传入位移传感器8，因此气隙测量装置-2位移传感器8记录的位移数据为：△d₂(t_i)＝d_B(t_i)+d_C(t_i)。则，钢锭13凝固过程中，钢锭13与钢锭模1之间的气隙值为：D_gap＝|d_A(t_i)-d_C(t_i)|＝d_A(t_i)-d_C(t_i)＝△d₁(t_i)-△d₂(t_i)，即测量装置-1和测量装置-2位移传感器4、8记录数据之差。

本发明所提供的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度及界面换热系数的方法，主要用于为大型钢锭生产过程的数值模拟提供输入参数，由于钢锭与钢锭模的气隙宽度及界面换热系数在不同高度处是不相等的，因此在实际计算时可以将钢锭模由上到下划分为多个区域，例如如图4所示的五个区域，其具体划分方式为：将冒口保温砖与钢锭接触区作为分段区Ⅰ，将钢锭锭身上部和钢锭模模身的竖向接触面作为分段区Ⅱ，将钢锭锭身中部与钢锭模模身的竖向接触面作为分段区Ⅲ，将钢锭锭身下部与钢锭模模身的竖向接触面作为分段区Ⅳ，钢锭锭尾与钢锭模底盘的侧向接触面以及钢锭锭身与钢锭模模身的水平接触面作为分段区Ⅴ。处于相同的分段区内的钢锭模，可以认为其与钢锭之间具有相同的气隙宽度以及界面换热系数，因此可以利用本发明所提供的方法分别计算出上述五个分段区内的气隙宽度和界面换热系数，由此来修正数值模拟中的计算模型以得到更真实的计算结果。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，包括以下步骤：

1)在钢锭模的某一高度上加工一垂直穿透钢锭模侧壁的通孔；

2)在与步骤1)所加工的通孔同一高度的钢锭模外壁上加工一垂直于钢锭模侧壁的盲孔，盲孔底部到钢锭模内壁的距离为20～30mm；

3)在与步骤1)所加工的通孔和步骤2)所加工的盲孔同一高度的钢锭模侧壁上加工三个沿周向均匀分布的孔，其中两个孔为通孔，一个孔为盲孔，盲孔底部到钢锭模内壁的距离为20～30mm；

4)将一耐高温金属棒插入步骤1)所加工的通孔中，金属棒的头部位于钢锭模内，金属棒的尾部位于钢锭模外并与一位移传感器通过一耐高温隔热材料连接，位移传感器固定在一支架上，支架水平支撑在通孔旁的钢锭模外壁上；

5)将另一耐高温金属棒插入步骤2)所加工的盲孔中并紧密接触盲孔底部，另一金属棒的尾部与另一位移传感器通过一耐高温隔热材料连接，另一位移传感器固定在另一支架上，另一支架水平支撑在盲孔旁的钢锭模外壁上；

6)在步骤3)所加工的三个孔中分别安装一高温热电偶，其中一高温热电偶的测量端伸出钢锭模内壁20～50mm，另一高温热电偶的测量端距离钢锭模内壁20～50mm，第三高温热电偶的测量端与钢锭模内壁平齐；

7)在钢锭模中注入钢水，在钢锭凝固的过程中，通过两位移传感器实时测量位移数据，通过三个高温热电偶实时测量温度数据；

8)通过步骤7)测量到的位移数据计算出钢锭与钢锭模的气隙宽度，通过计算出的气隙宽度和步骤7)测量到的温度数据，结合热量守恒原理计算得到钢锭与钢锭模的界面换热系数随时间变化的数值。

2.如权利要求1所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤1)中所加工的通孔和所述步骤2)中所加工的盲孔的直径为5～10mm，所述步骤4)中所用的金属棒直径为5～10mm，所述步骤5)中所用的另一金属棒直径为5～10mm，所述步骤3)中所加工的孔的直径为20～30mm。

3.如权利要求1所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤1)中的通孔位于钢锭模内壁处加工成喇叭状，同时所述步骤4)中的金属棒的头部加工成喇叭状，以使金属棒头部与钢锭模内壁紧密接触以防止钢水进入到通孔中。

4.如权利要求2所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤1)中的通孔位于钢锭模内壁处加工成喇叭状，同时所述步骤4)中的金属棒的头部加工成喇叭状，以使金属棒头部与钢锭模内壁紧密接触以防止钢水进入到通孔中。

5.如权利要求1或2或3或4所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：在所述步骤4)中将金属棒插入通孔后，在通孔中加入一些粘土或细纱以保证金属棒的活动性。

6.如权利要求1或2或3或4所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：在所述步骤4)中用于连接金属棒与位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与金属棒、位移传感器之间采用胶粘的方式连接；在所述步骤5)中用于连接另一金属棒与另一位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与另一金属棒、另一位移传感器之间采用胶粘的方式连接。

7.如权利要求5所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：在所述步骤4)中用于连接金属棒与位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与金属棒、位移传感器之间采用胶粘的方式连接；在所述步骤5)中用于连接另一金属棒与另一位移传感器的耐高温隔热材料为硅酸铝管或石英管，其与另一金属棒、另一位移传感器之间采用胶粘的方式连接。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤4)中所使用的金属棒和所述步骤5)中所使用的另一金属棒的材质为高温合金钢GH2132或TC2钛合金。

9.如权利要求5所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤4)中所使用的金属棒和所述步骤5)中所使用的另一金属棒的材质为高温合金钢GH2132或TC2钛合金。

10.如权利要求6所述的在线测量钢锭与钢锭模的气隙宽度和界面换热系数的方法，其特征在于：所述步骤4)中所使用的金属棒和所述步骤5)中所使用的另一金属棒的材质为高温合金钢GH2132或TC2钛合金。