CN105033214A - 一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，该方法为采集连铸机的浇铸工况参数，建立板坯的凝固传热三维有限元模型，根据连铸机的浇铸工况参数计算得到浇铸过程中的三维温度场；建立板坯的三维热收缩有限元模型，以浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷求解该三维热收缩有限元模型，得到三维热收缩规律，根据三维热收缩规律及板坯的初始厚度制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝；本发明以二冷区内的实测水流密度作为边界条件，保证了凝固传热及热收缩规律计算的准确性；根据板坯在凝固传热及不同厚度方向热收缩存在非均匀性特点，结合铸坯的初始厚度求得各扇形段基础辊缝，能够更加准确的计算铸坯不同位置及不同浇铸时刻的热收缩情况。

Description

一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法

技术领域

本发明属于板坯连铸领域，具体涉及一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法。

背景技术

板坯连铸机主要由结晶器及后面由不同类型密排分节辊构成的扇形段组成。板坯浇铸过程中，钢水首先通过结晶器一次冷却形成一定坯壳厚度的铸坯，再经过后续扇形段中的喷淋二次冷却及弯曲矫直过程，最终完全冷却凝固形成板坯。板坯经过后续的热轧或冷轧过程成为最终的板材，被广泛应用于国民生产的各个领域，例如，船舶制造、桥梁工程、电站锅炉、重型机械、海洋石油及军事领域。

板坯连铸机生产的板坯质量直接影响最终轧材质量。在板坯浇铸过程中，经常出现的铸坯质量问题包括中心偏析、疏松及各种类型的裂纹等。通过一定的方法制定合理的基础辊缝，并在此基础上，实施凝固末端压下是改善上述质量问题的有效途径之一。

板坯自然热收缩是指板坯浇铸过程中，由于铸坯逐渐受冷凝固而产生的自然收缩现象。基于板坯浇铸过程中板坯的自然热收缩行为制定合理的基础辊缝对避免铸坯鼓肚、降低矫直应力、防止滞坯等具有重要意义，同时也是凝固末端压下工艺实施的重要前提保障。

目前针对连铸机辊缝设计及铸坯热收缩计算方法已有所报道。中国专利CN101362196公开了一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法，通过建立大方坯的二维在线模型，实时计算铸坯的二维温度场，并在此基础上，通过热-力直接耦合的方式来计算大方坯的二维热收缩规律，最终根据热收缩规律计算出铸坯实时控制辊缝值；曹学欠(连铸大方坯热收缩行为的有限元分析，连铸，2010，6：1-4)，林启勇(连铸板坯自然热收缩行为有限元模拟，东北大学学报(自然科学版)，27(S2)：8-10)通过建立二维切片有限元模型，分别研究了大方坯及板坯浇铸过程中热收缩规律；陈洪智(不锈钢板坯连铸自由线收缩与辊缝研究，中国冶金，22(2)：25-30)通过二维差分方法，研究了304不锈钢板坯浇铸过程中的线收缩规律。上述计算方法均采用了二维切片模型进行建模，忽略了沿拉坯方向上的凝固传热及热收缩过程中铸坯变形方面的相互影响。然而，在铸流比较靠前的位置，铸坯受到的冷却强度大，沿拉坯方向上温度降低速度比较快，在此阶段，铸坯沿拉坯方向上的凝固传热及铸坯热收缩变形相互影响会比较显著，因此，采用二维建模势必会影响模拟结果的准确性。此外，上述方法在二冷区各区设置均匀的等效换热系数作为边界条件，然而，在板坯浇铸过程中，二冷区采用多喷嘴的交错布置方式，铸坯表面受到的水流密度分布趋势比较复杂，如果单纯采用均匀等效换热系数作为边界条件，势必引起计算结果的偏差，无法真实反应连铸坯宽向的非均匀凝固过程及其对辊缝制定的影响作用。

历英(连铸机辊列辊缝的优化控制，中国钢铁年会论文集，2009：542-545)及高永龙(钢水凝固收缩与板坯连铸机开口度参数设计，山东冶金，2012，34(1)：24-26)结合由物理实验得到的钢液凝固过程各阶段的收缩系数，估算了浇铸过程中铸坯的热收缩量，并据此制定了连铸机静态压下辊缝。然而此方法存在如下不足：将连铸过程分为几个凝固阶段，只能粗略的计算整个浇铸过程中铸坯总收缩量。而有限元或有限差分的方法将整个连铸过程进行空间离散及时间离散，能够更加准确的计算铸坯不同位置及不同浇铸时刻的热收缩情况，因此，该方法计算的准确性不及有限元或有限差分等数值模拟法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，通过三维建模方法建立板坯浇铸过程中的凝固传热三维有限元模型和三维热收缩有限元模型，模拟计算出板坯的三维温度场及三维热收缩规律，在此基础上，综合考虑板坯的凝固传热及表面收缩的不均匀性，最终制定板坯浇铸过程中的基础辊缝。

一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，包括以下步骤：

步骤1：采集板坯连铸机的浇铸工况参数，所述浇铸工况参数包括：浇铸钢种的断面尺寸、浇铸钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水流量及回水温差、二冷区划分参数及各二冷区内的水量；

步骤2：建立板坯的凝固传热三维有限元模型，根据连铸机的浇铸工况参数计算得到浇铸过程中的三维温度场；

步骤2.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其凝固传热三维有限元模型；

步骤2.2：根据连铸机的浇铸工况参数确定凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件，求解凝固传热三维有限元模型，得到浇铸过程中的三维温度场；

步骤2.3：通过实测板坯的表面温度及坯壳厚度，对凝固传热三维有限元模型进行修正，从而对板坯浇铸过程中的三维温度场进行修正；

步骤3：建立板坯的三维热收缩有限元模型，以浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律；

步骤3.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其三维热收缩有限元模型；

步骤3.2：将浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷，通过刚体对称面完成对该有限元模型宽度方向和厚度方向的位移约束，求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律；

步骤4：根据获取的浇铸过程中的三维热收缩规律及板坯的初始厚度制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝；

步骤4.1：根据浇铸过程中的三维温度场和实施轻压下时压下区间的起始固相率确定铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置；

步骤4.2：根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置的域加权值；

步骤4.3：根据浇铸过程中的三维热收缩规律、板坯的初始厚度、以及当前铸流所处浇铸过程中的不同位置的域加权值，制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝。

所述的制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝的计算公式如下：

$Gap=InGap-2\×\underset{i=S_b}{\overset{S_e}{\Σ}}{S}_i{\mathrm{\η}}_i^1{\mathrm{\γ}}^1-2\×\underset{j=M_b}{\overset{M_e}{\Σ}}{S}_j{\mathrm{\η}}_j^2{\mathrm{\γ}}^2$

其中，Gap为基础辊缝值，InGap为铸坯初始厚度，S_b为已凝固区域起始节点，S_e为已凝固区域结束节点，M_b为未凝固区域起始节点，M_e为未凝固区域结束节点，i为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点，j为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点，S_i为已凝固区域内的节点i的厚度方向收缩量，S_j为未凝固区域内的节点j的厚度方向收缩量，为已凝固区域内节点i的热收缩加权值，N₁为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点个数，为未凝固区域内的节点j的热收缩加权值，N₂为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点个数，γ¹为已凝固区域的域加权值，γ²为未凝固区域的域加权值。

所述的凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，以实测水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件，以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件。

所述的根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置的域加权值具体方法为：

(1)当前铸流位置小于铸坯压下起始铸流位置时，已凝固区域的域加权值取值为0≤γ¹≤0.5，未凝固区域的域加权值取值为0.5≤γ²≤1.0；

(2)当前铸流位置介于铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置之间时，已凝固区域的域加权值取值为0.3≤γ¹≤0.8，未凝固区域的域加权值取值为0.2≤γ²≤0.7；

(3)当前铸流位置大于铸坯凝固终点铸流位置时，已凝固区域的域加权值取值为γ¹＝1.0，未凝固区域消失，则γ²＝0。

本发明的有益效果：

本发明提出一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，与现有技术方法相比，本发明具有如下特点：1)以板坯浇铸过程中的一段铸坯为对象，建立了凝固传热三维有限元模型和三维热收缩有限元模型，并以二冷区内的实测水流密度作为边界条件，保证了凝固传热及热收缩规律计算的准确性；2)根据板坯在凝固传热及不同宽面位置处的厚度方向热收缩存在非均匀性特点，首先准确描述板连铸坯非均匀凝固的形貌特点，然后通过加权的方式综合考虑已凝固区域与未凝固区域对铸坯热收缩的整体影响作用，求得铸坯整体的热收缩值，最后结合铸坯的初始厚度最终求得各扇形段基础辊缝，能够更加准确的计算铸坯不同位置及不同浇铸时刻的热收缩情况。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式中水压、气压均为0.1MPa条件下的三喷嘴组合水流密度分布趋势；

图3为本发明具体实施方式中计算浇铸过程中的三维温度场的流程图；

图4为本发明具体实施方式中板坯三维有限元模型示意图；

其中，I为厚度方向的刚体对称面，II为宽度方向的刚体对称面，III为铸坯窄面，IV为铸坯宽面，V为弯月面位置；

图5为本发明具体实施方式中板坯的三维凝固传热模型的计算结果与实测值之间的对比图；

图6为本发明具体实施方式中计算浇铸过程中的三维热收缩规律的流程图；

图7为本发明具体实施方式中三维热收缩模型在二冷8区末端位置处的宽面不同位置处的热收缩值；

图8为本发明具体实施方式中凝固传热三维有限元模型中已凝固区域和未凝固区域的划分示意图；

其中，a为未完全凝固区域，b为完全凝固区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

本发明具体实施方式中结合现场板坯连铸机的实际浇铸工况参数，以大型商用有限元软件MSC.Marc为计算工具，通过建立板坯浇铸过程中的凝固传热三维有限元模型和三维热收缩有限元模型，最终获取了相应工况条件下板坯三维热收缩规律，基于上述规律制定了相应工况条件下的板坯连铸机基础辊缝。

一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：采集板坯连铸机的浇铸工况参数，所述浇铸工况参数包括：浇铸钢种的断面尺寸、浇铸钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水流量及回水温差、二冷区划分参数及各二冷区内的水量。

本实施方式中，板坯连铸机参数：浇铸温度为1540℃，结晶器高度900mm，有效高度800mm，结晶器宽面水流量为5029L/min，回水温差为7.0℃，结晶器窄面水流量为584L/min，回水温差为7.8℃，铸机包含8个二冷区和2个空冷区，其中二冷区长度20.57m，总冷却长度34.725m，二冷区划分参数及各二冷区内的水量如表1所示；板坯连铸机包含15个扇形段，能够浇铸铸坯的宽面尺寸为1600mm、1800mm及2100mm，厚度尺寸为180mm、230mm及250mm，本实施方式中的铸坯尺寸为2100mm×250mm。

表1二冷区划分参数及各二冷区内的水量

浇铸钢种AH36，钢种主要成分百分含量为：0.15C-0.25Si-1.36Mn-0.025P-0.010S；浇铸钢种的断面尺寸为2100mm×250mm；现场工作拉速0.9m/min；二冷区比水量0.86L/Kg。

板坯连铸机的浇铸工况参数采集的准确性直接影响后续的凝固传热模型及热收缩模型边界条件施加的准确性，并最终关系到模拟结果的准确性及制定的基础辊缝的合理性。

本实施方式中，由于在实际生产过程中，仅能采集到二冷各区的冷却回路总水量、气量及各区的喷嘴布置方式及每个喷嘴的喷淋参数，而不能直接掌握浇铸过程中铸坯表面不同位置处的受水密度。因此，为了掌握宽厚板坯浇铸过程中，板坯宽面水流密度分布趋势，还需结合二冷区参数，通过冷态实验方法实测获取板坯表面的二冷区水流密度分布。当二冷区喷嘴采用三喷嘴错列布置且气压水压均为0.1MPa时，测得的三喷嘴组合水流密度分布趋势如图2所示。

步骤2：建立板坯的凝固传热三维有限元模型，根据连铸机的浇铸工况参数计算得到浇铸过程中的三维温度场，如图3所示。

步骤2.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其凝固传热三维有限元模型。

本实施方式中，板坯三维有限元模型示意图如图4所示，其中，x，y，z为有限元模型所在坐标系中的三个坐标轴，I为厚度方向的刚体对称面，用来约束位于该平面上的所有节点的x方向位移，II为宽度方向的刚体对称面，用来约束位于该平面上的所有节点的z方向位移，III为铸坯窄面；IV为铸坯宽面；V为弯月面位置。

根据板坯浇铸过程中板坯冷却具有的对称性(宽度方向及厚度方向对称)，取板坯浇铸过程中高度为800m的1/4铸坯，板坯凝固传热三维有限元模型如式(1)所示：

$\mathrm{\ρ}C\frac{\∂T}{\∂t}=-\mathrm{\ρ}vC\frac{\∂T}{\∂z}+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_{eff}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{eff}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+S_o---\left(1\right)$

其中，T为铸坯温度，ρ为铸坯密度，C为铸坯比热容，k_eff为导热系数，S_o为内热源项，v为工作拉速，x，y，z为铸坯的坐标，t为浇铸时间。

凝固传热三维有限元模型初始温度为现场浇铸温度T₀＝1540℃。

步骤2.2：根据连铸机的浇铸工况参数确定凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件，求解凝固传热三维有限元模型，得到浇铸过程中的三维温度场。

凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：

(一)以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件。

本实施方式中，采用Savage、Pritchard的方法测得的铸坯在结晶器中的热流密度作为边界条件，如式(2)所示：

$q_{\left(y\right)}=A-B\sqrt{l/v}---\left(2\right)$

其中，q_(y)为凝固传热三维有限元模型距弯月面距离为y位置处的结晶器热流密度，MW/m²；l为凝固传热三维有限元模型每个单元距弯月面距离，m，v为工作拉速，m/s，A一般取经验值2.64，B为根据现场浇铸时结晶器水流量及回水温差求得，公式如式(3)和式(4)所示：

$\stackrel{\‾}{q}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{V}_w{C}_w\mathrm{\Δ}t}{A_s}---\left(3\right)$

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{q}=\frac{1}{t_{mold}}{\∫}_0^{t_{mold}}{q}_{\left(t\right)}dt\\ =\frac{1}{t_{mold}}({\mathrm{At}}_{mold}-\frac{2}{3}{\mathrm{Bt}}_{mold}^{1.5})\\ =A-\frac{2}{3}B\sqrt{t_{mold}}\end{array}---\left(4\right)$

其中，为结晶器内平均热流密度，MW/m²，ρ_w为冷却水密度，kg/m³，V_w为冷却水流量，m³/s；C_w为冷却水热容，4200J/(kg·℃)，Δt为结晶器内的回水温差，A_s为结晶器传热面的面积，m²，t_mold为结晶器内的冷却时间，可根据结晶器的有效高度h及工作拉速v计算得到，t_mold＝h/v，q_(t)为铸坯进入结晶器内不同时刻的热流密度，MW/m2。

通过联立上述两式，最终求得B的表达式如式(5)所示：

$B=\frac{3(2.64-\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{V}_w{C}_w\mathrm{\Δ}t}{A_s})}{2\sqrt{t_{mold}}}---\left(5\right)$

本实施方式中，结合结晶器相关工况参数及式(5)最终制定的A、B为：

结晶器宽面：A＝2.688；B＝0.2628，

结晶器窄面：A＝2.688；B＝0.2288。

(二)以实测二冷区水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件。

本实施方式中，采用菲格洛及岛田测定的二冷区等效换热系数作为二冷区内的边界条件，如式(6)所示：

hⁱ＝αⁱwⁱ _(z) ^0.55(1-0.0075T_w)(6)

其中，hⁱ为第i个二冷区的等效换热系数，W/(m²·℃)；w_(z)为实测第i个二冷区宽面位置z处的水流密度，L/(m²·s)，该水流密度根据相应二冷区内的喷嘴及水流量经过实际测量得出；αⁱ-第i个二冷区内的修正系数。

本实施方式中，得到的二冷区的等效换热系数如表2所示：

表2二冷区的等效换热系数

(三)以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件。

本实施方式中，空冷区内的辐射散热如式(7)所示：

q_B＝σε((T+273)⁴-(T_amb+273)⁴)(7)

式中，q_B为空冷区铸坯表面的辐热散热热流密度，w/m²；σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)为斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε＝0.8为辐射系数；T_sur为铸坯表面温度，℃；T_amb为环境温度，℃。

本实施方式中，为了避免已进入结晶器部分的凝固传热三维有限元模型在计算过程中对未进入结晶器部分模型在凝固传热及热收缩变形方面的影响，通过MSC.Marc中的二次开发子程序Uactive对上述过程进行处理，具体过程为：通过Uactive子程序判断铸坯有限元模型中的每个单元与弯月面的位置关系，当单元处于弯月面以上时，说明单元还未进入结晶器进行冷却降温及变形过程，因此，维持该单元的初始状态；当有限元模型中的单元处于结晶器弯月面以下时，该单元正常参与冷却降温及热收缩变形计算过程。此外，借助MSC.Marc中的二次开发子程序Uflux及Ufilm完成凝固传热计算过程中边界条件的施加，具体方法：以铸坯宽面及窄面单元外表面上的每个积分点为单位，实时计算每个积分点到弯月面的距离，根据该距离及步骤1中采集的现场铸机二冷区划分参数，对每个积分点施加相应铸流位置处的冷却边界条件。

步骤2.3：通过实测板坯的表面温度及坯壳厚度，对凝固传热三维有限元模型进行修正，从而对板坯浇铸过程中的三维温度场进行修正。

本实施方式中，为了验证与校正板坯的三维凝固传热模型的准确性，在一定的铸流位置采用红外热成像仪(ThermalCAMTMResearcher)测定板坯的表面温度，通过射钉实验测量板坯相应铸流位置处的坯壳厚度，通过实测数据对板坯的三维凝固传热模型进行校正，最终得出的板坯的三维凝固传热模型的计算结果与实测值之间的对比如图5所示，根据附图说明了板坯的三维凝固传热模型的准确性。

步骤3：建立板坯的三维热收缩有限元模型，以浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律，如图6所示。

步骤3.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其三维热收缩有限元模型。

本实施方式中，同样取板浇铸过程中高度为800m的1/4铸坯，建立其三维热收缩有限元模型如式(8)和式(9)所示：

d{ε}＝d{ε}_e+d{ε}_p+d{ε}_T＝d{ε}_e+d{ε}_p+{α}dT(8)

d{σ}＝[D]_ep(d{ε}-d{ε₀})+d{σ₀}(9)

其中，dT为三维热收缩有限元模型的温度增量，d{ε}为三维热收缩有限元模型的总应变增量；d{ε}_e为三维热收缩有限元模型的弹性应变增量；d{ε}_p为三维热收缩有限元模型的塑性应变增量；d{ε}_T为三维热收缩有限元模型的热应变增量；{α}为三维热收缩有限元模型的热收缩系数；d{σ}为三维热收缩有限元模型的总应力增量；[D]_ep为三维热收缩有限元模型的刚度矩阵；d{ε₀}为三维热收缩有限元模型的初始应变增量；d{σ₀}为三维热收缩有限元模型的初始应力增量。

三维热收缩有限元模型的初始温度为现场浇铸温度T₀＝1540℃；初始应力应变均为0。

步骤3.2：将浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷，通过刚体对称面完成对该有限元模型宽度方向和厚度方向的位移约束，求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律。

三维热收缩模型在二冷8区末端位置处的宽面不同位置处的热收缩值如图7所示。

步骤4：根据获取的浇铸过程中的三维热收缩规律及板坯的初始厚度制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝。

步骤4.1：根据铸过程中的三维温度场和实施轻压下时压下区间的起始固相率确定铸坯压下起始铸流位置P_start和铸坯凝固终点铸流位置P_solid。

本实施方式中，通过浇铸过程中的三维温度场确定铸坯在不同铸流位置的固相率，当计算得到的固相率与现场实施压下工艺的起始固相率相等时，此时的铸流位置即为铸坯压下起始铸流位置P_start，当计算得到的固相率为1时所对应的铸流位置即为铸坯凝固终点铸流位置P_solid。

步骤4.2：根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置的域加权值。

根据铸坯压下起始铸流位置P_start和铸坯凝固终点铸流位置P_solid确定当前铸流位置的域加权值具体方法为：

(1)当前铸流位置小于铸坯压下起始铸流位置即P＜P_start时，已凝固区域的域加权值取值为0≤γ¹≤0.5，未凝固区域的域加权值取值为0.5≤γ²≤1.0。

本实施方式中，将当前铸流位置小于铸坯压下起始铸流位置即P＜P_start定义为第一阶段，在该阶段，铸坯表面温度较高，坯壳比较薄，受铸坯中心未凝固区域钢水静压力作用，铸坯易在相应区域产生鼓肚缺陷，且在铸坯弯曲矫直过程中，铸坯温度较低的角部区域易发生裂纹，基于上述因素，此阶段的已凝固区域权值较小，未凝固区域适用较大权值，结合现场实验，已凝固区域的域加权值取值为0≤γ¹≤0.5，未凝固区域的域加权值取值为0.5≤γ²≤1.0。

(2)当前铸流位置介于铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置之间即P_start＜P＜P_solid时，已凝固区域的域加权值取值为0.3≤γ¹≤0.8，未凝固区域的域加权值取值为0.2≤γ²≤0.7。

本实施方式中，将当前铸流位置介于铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置之间即P_start＜P＜P_solid定义为第二阶段，此阶段通过实施轻压下，对铸坯中心未凝固区域通过挤压作用改善铸坯的中心疏松、偏析等缺陷，如果基础辊缝制定的偏大，则势必削弱压下作用效果，因此，在此阶段需要适当加大收缩值比较大的已凝固区域的权值，结合现场实验，已凝固区域的域加权值取值为0.3≤γ¹≤0.8，未凝固区域的域加权值取值为0.2≤γ²≤0.7。

(3)当前铸流位置大于铸坯凝固终点铸流位置即P＞P_solid时，已凝固区域的域加权值取值为γ¹＝1.0，未凝固区域消失，则γ²＝0。

本实施方式中，将当前铸流位置大于铸坯凝固终点铸流位置即P＞P_solid定义为第三阶段，该阶段铸坯已完全凝固，铸坯未凝固区域消失，已凝固区域的域加权值取值为γ¹＝1.0，未凝固区域消失，则γ²＝0。

凝固传热三维有限元模型中已凝固区域和未凝固区域的划分示意图如图8所示，铸坯表面的“已凝固区域”、“未凝固区域”是根据铸坯的中心部位是否已完全凝固进行划分的。其中已凝固区域对应的铸坯中心完全凝固区域如图8中b所示，未凝固区域对应的铸坯中心未完全凝固区域如图8中a所示。

浇铸过程中三个阶段已凝固区域的域加权值和未凝固区域的域加权值如表3所示：

表3浇铸过程中三个阶段已凝固区域的域加权值和未凝固区域的域加权值

浇铸阶段	第一阶段	第二阶段	第三阶段
				已凝固区域权值	0.25	0.45	1.00
未凝固区域权值	0.75	0.55	0.00

步骤4.3：根据浇铸过程中的三维热收缩规律、板坯的初始厚度、以及当前铸流所处浇铸过程中的不同位置的域加权值，制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝。

确定板坯连铸机各扇形段基础辊缝值的计算公式如(10)所示：

$Gap=InGap-2\×\underset{i=S_b}{\overset{S_e}{\Σ}}{S}_i{\mathrm{\η}}_i^1{\mathrm{\γ}}^1-2\×\underset{j=M_b}{\overset{M_e}{\Σ}}{S}_j{\mathrm{\η}}_j^2{\mathrm{\γ}}^2---\left(10\right)$

其中，Gap为基础辊缝值，InGap为铸坯初始厚度，S_b为已凝固区域起始节点，S_e为已凝固区域结束节点，M_b为未凝固区域起始节点，M_e为未凝固区域结束节点，i为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点，j为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点，S_i为已凝固区域内的节点i的厚度方向收缩量，S_j为未凝固区域内的节点j的厚度方向收缩量，为已凝固区域内节点i的热收缩加权值，N₁为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点个数，为未凝固区域内的节点j的热收缩加权值，N₂为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点个数，γ¹为已凝固区域的域加权值，γ²为未凝固区域的域加权值。

本实施方式中，确定的板坯连铸机各扇形段基础辊缝值如表4所示

表4板坯连铸机各扇形段基础辊缝值

扇形段	入口位置，m	出口位置，m	入口辊缝，mm	出口辊缝，mm
					0段	1.040	4.185	261.70	260.15
1段	4.446	6.078	260.07	259.72
					2段	6.368	8.000	259.67	259.35
3段	8.290	9.922	259.30	258.94
					4段	10.212	11.844	258.89	258.60
5段	12.134	13.766	258.55	258.26
					6段	14.056	15.688	258.21	257.93
7段	16.028	18.044	257.88	257.50
					8段	18.409	20.445	257.43	256.90
9段	20.785	22.825	256.75	256.08
					10段	23.165	25.205	255.98	255.42
11段	25.545	27.585	255.33	254.82
					12段	27.925	29.965	254.74	254.29
13段	30.305	32.345	254.21	253.79
					14段	32.685	34.725	253.72	253.32

本发明对现场铸坯质量改善作用明显，在使用本发明方法之前，本实例所涉及的铸坯中心偏析≤1.0比例为62.56％，中心疏松≤1.0比例为89.62％；实施本发明方法之后，经过连续4个月的生产统计，铸坯中心偏析≤1.0比例为89.67％，中心疏松≤1.0比例为100％。

Claims (7)

1.一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集板坯连铸机的浇铸工况参数；

步骤2：建立板坯的凝固传热三维有限元模型，根据连铸机的浇铸工况参数计算得到浇铸过程中的三维温度场；

步骤3：建立板坯的三维热收缩有限元模型，以浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律；

步骤4：根据获取的浇铸过程中的三维热收缩规律及板坯的初始厚度制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝；

步骤4.1：根据浇铸过程中的三维温度场和实施轻压下时压下区间的起始固相率确定铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置；

步骤4.2：根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置的域加权值；

步骤4.3：根据浇铸过程中的三维热收缩规律、板坯的初始厚度、以及当前铸流所处浇铸过程中的不同位置的域加权值，制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝。

2.根据权利要求1所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述浇铸工况参数包括：浇铸钢种的断面尺寸、浇铸钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水流量及回水温差、二冷区划分参数及各二冷区内的水量。

3.根据权利要求1所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其凝固传热三维有限元模型；

步骤2.2：根据连铸机的浇铸工况参数确定凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件，求解凝固传热三维有限元模型，得到浇铸过程中的三维温度场；

步骤2.3：通过实测板坯的表面温度及坯壳厚度，对凝固传热三维有限元模型进行修正，从而对板坯浇铸过程中的三维温度场进行修正。

4.根据权利要求1所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其三维热收缩有限元模型；

步骤3.2：将浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷，通过刚体对称面完成对该有限元模型宽度方向和厚度方向的位移约束，求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律。

5.根据权利要求1所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述的制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝的计算公式如下：

$Gap=InGap-2\×\underset{i=S_b}{\overset{S_e}{\Σ}}{S}_i{\mathrm{\η}}_i^1{\mathrm{\γ}}^1-2\×\underset{j=M_b}{\overset{M_e}{\Σ}}{S}_j{\mathrm{\η}}_j^2{\mathrm{\γ}}^2$

其中，Gap为基础辊缝值，InGap为铸坯初始厚度，S_b为已凝固区域起始节点，S_e为已凝固区域结束节点，M_b为未凝固区域起始节点，M_e为未凝固区域结束节点，i为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点，j为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点，S_i为已凝固区域内的节点i的厚度方向收缩量，S_j为未凝固区域内的节点j的厚度方向收缩量，为已凝固区域内节点i的热收缩加权值，N₁为凝固传热三维有限元模型中已凝固区域的节点个数，为未凝固区域内的节点j的热收缩加权值，N₂为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点个数，γ¹为已凝固区域的域加权值，γ²为未凝固区域的域加权值。

6.根据权利要求1所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述的根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置的域加权值具体方法为：

(1)当前铸流位置小于铸坯压下起始铸流位置时，已凝固区域的域加权值取值为0≤γ¹≤0.5，未凝固区域的域加权值取值为0.5≤γ²≤1.0；

(2)当前铸流位置介于铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置之间时，已凝固区域的域加权值取值为0.3≤γ¹≤0.8，未凝固区域的域加权值取值为0.2≤γ²≤0.7；

(3)当前铸流位置大于铸坯凝固终点铸流位置时，已凝固区域的域加权值取值为γ¹＝1.0，未凝固区域消失，则γ²＝0。

7.根据权利要求3所述的宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，其特征在于，所述的凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：以铸坯在结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，以实测水流密度确定的等效换热系数作为二冷区边界条件，以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件。