CN105945251B - 一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，属于钢铁连铸技术领域；本发明首先进行小型连铸实验，利用热电偶采集连铸实验过程中的温度并保存在计算机中，用实测的温度反算出沿拉坯方向分布的结晶器热面的热流密度；切取实验后初始凝固铸坯并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用铸坯厚度反算出坯壳表面的沿拉坯方向分布的温度和热流密度；在此基础上，结合保护渣的物性参数，计算出结晶器壁与铸坯表面间液态渣膜的厚度分布；最后计算连铸过程中保护渣的消耗量；本发明利用连铸结晶器内凝固模拟装置结合数学模型计算得到特定连铸条件下的保护渣渣耗，计算值更加接近生产现场的保护渣消耗量，对工艺优化和铸坯质量控制具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，属于钢铁连铸技术领域。
背景技术
保护渣是钢铁连铸过程中不可或缺的冶金辅助材料，具有防止钢液二次氧化、绝热保温、吸收夹渣物、控制传热、润滑的功能，对连铸过程起着关键的作用，保证生产顺行，其性能的好坏直接影响到铸坯的表面质量。通过结晶器的振动，钢液上层的液态保护渣被泵入结晶器壁与铸坯表面之间的空隙，形成固态渣膜与液态渣膜，渣膜起到控制传热的作用。液态渣膜还有润滑的作用，减少拉坯阻力，防止坯壳结晶器壁的黏结。保护渣的润滑能力的大小通常用保护渣的消耗量来衡量。当保护渣消耗量小，拉坯时铸坯与结晶器壁摩擦阻力增加，若阻力超过铸坯强度，会引起漏钢事故。此外，拉坯摩擦力的增加会使铸坯表面纵裂指数增加。当保护渣消耗量大，会导致结晶器壁与铸坯间的渣膜厚度增加，增加热阻，不利于带走钢水的热量，可能导致铸坯出结晶器时厚度过薄，引起漏钢。合适的保护渣消耗量有助于提高铸坯表面质量和保证生产顺行。因此，一种准确预测保护渣消耗量的方法对于连铸实际生产的铸坯质量控制具有重大的指导意义。保护渣的消耗量取决于连铸工艺参数、钢种、结晶器结构以及本身的理化性能。
查阅已经公布的文献和专利，目前计算保护渣渣耗的方法主要有：(1)使用经验公式：式中，Q为保护渣消耗量，kg/m2，η为保护渣粘度，Pa·s，vc为拉速，m/min，k为比例常数；(2)通过数值模拟软件如Fluent软件模拟连铸过程中保护渣渣耗；(3)用油代替保护渣进行物理模拟实验以模拟实际连铸过程，进而得到保护渣渣耗；方法(1)中的经验公式只考虑了部分影响保护渣消耗量的因素，因此计算结果并不精准；对于方法(2)，由于实际连铸过程连铸结晶器内发生着复杂、多相、高温的“三传一反”过程，数学建模需要基于许多假设，同时边界条件的获取有限，数值模拟难以准确反映实际过程；方法(3)中的试验油与实际连铸保护渣的性质差别大，保护渣渣耗计算结果难以准确反映实际情况；现有的保护渣计算方法并不能很准确预测保护渣消耗量，存在一些不足。日本NKK工学研究所Tsutsumi等,Kawakami等(Tsutsumi K,Murakami H,Nishioka S I,et al:Tetsu-to-Hagane 84,no.9(1998):617-624.Kawakami K,Kitagawa T,Mizukami H,et al:Tetsu-to-Hagané67,no.8(1981):1190-1199.)采用mold simulator测量了不同连铸浇注工艺保护渣的消耗量；但是测量过程中，只是简单地把结晶器与坯壳之间所有的保护渣渣膜(含有依附于结晶器的固态渣和靠近坯壳的液态渣)都看成是保护渣消耗，而实际保护渣消耗主要是结晶器与坯壳间液态保护渣沿着拉坯方向流动而产生的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，使用结晶器内初始凝固模拟装置，以实测的温度和铸坯厚度为基础，反算出结晶器热面热流密度、铸坯表面温度和铸坯表面热流密度；在此基础上，结合保护渣物性参数，计算出液态渣厚度、液态渣运动速度和保护渣消耗量，为准确把握结晶器内保护渣的润滑和传热提供可靠数据，并且更好的优化工艺参数和控制铸坯质量。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，包括下述步骤：
步骤一
基于实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程；采集结晶器内的热电偶测量的温度数据，并传给数据处理设备；
步骤二
数据处理设备将采集好的温度数据代入结晶器传热数学模型，实时计算通过结晶器热面各点的热流密度qint；
步骤三
切取实验后初始凝固坯壳并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用坯壳厚度、钢水浇铸温度和钢的传热学物理性能参数(密度、热容，导热系数和热焓)反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度Tshell和沿拉坯方向分布的热流密度qshell；
步骤四
测量保护渣的结晶温度Tsol；
步骤五
计算出沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl；
步骤六
计算出液渣运动速度Vz，然后对Vz进行积分得到保护渣消耗量。
本发明中所述温度采集器优选为热电偶。
本发明中数据处理设备优选为计算机，当然其他能处理数据的设备均可用于本发明。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤一中，所述连铸实验，采用连铸结晶器内凝固模拟装置，设定好连铸参数，所述参数包括振动频率、振动幅度、浇注温度，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验；所述振动频率为1-5Hz，优选为工业应用时连续结晶器的实际振动频率；振动幅度为1-6mm、浇注温度为钢的液相线温度以上10-50℃。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤二中，所述结晶器内，沿着高度方向(拉坯方向)，在垂直结晶器热面的结晶器壁内纵剖面内，安装两组热电偶，第一组热电偶设置在同一条竖直线上；在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第二组热电偶可以不在同一条竖直线上。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，两组热电偶，第一组热电偶设置在同一条竖直线上；在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第二组热电偶可以不在同一条竖直线上。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤二中，所述qint为沿拉坯方向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的热流密度集合。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤二中，所述传热数学模型为二维传热数学模型。在工业化应用时优选为2DIHCP for mold heat flux软件(登记号2016SR067373)处理采集到的数据。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤三中，通过利用凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法来求解坯壳表面沿拉坯方向分布的温度Tshell和沿拉坯方向分布的热流密度qshell。所述凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法参见KeiOkamoto的《OPTIMAL NUMERICAL METHODS FOR INVERSE HEAT CONDUCTION AND INVERSEDESIGN SOLIDIFICATION PROBLEMS》第21-33页。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤四中，通过SHTT实验，测得液态保护渣的结晶温度Tsol。其中液态保护渣的降温速度由步骤三中实时计算得到的铸坯表面的温度Tshell决定的，结晶器内的保护渣冷却速率近似等于铸坯表面的冷却速率。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤五中，所述dl为沿拉坯方向，结晶器壁与铸坯间不同位置液态保护渣渣膜厚度的数据集合。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤五中，计算沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl时，是结合保护渣的物性参数，所述物性参数包括液态渣导热系数、辐射系数、保护渣结晶温度和结晶器热流密度qint、坯壳表面温度Tshell，来计算的。其优化计算以及所用公式如下：
上述式子中，Rl为液渣膜总热阻m2·K/W；Rlc为液渣膜导热热阻，m2·K/W；hlr为液渣膜辐射传热系数，W/m2·K；ksl为液态渣导热系数，W/m·K；al为液态渣的吸收系数m-1；εsh为铸坯的发射率；εcry为结晶态保护渣的发射率；m为反射因子；σB为Stefan-Boltzmann常数，W/(m2·K4)；
其中ksl、al、εsh、εcry、m、σB为已知的参数；，联立以上几个式子可以得到结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl。
其他计算沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl的方法也可用于本发明。
本发明一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，步骤六中，液渣运动速度VZ和保护渣消耗量的公式如下：
上式中，μs为保护渣动力粘度，Pa·s；ρslag、ρsteel分别为保护渣密度和钢液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Vs为紧靠结晶器壁的固态保护渣竖直方向的运动速度，mm/s；假设固态保护渣粘附在结晶器上运动，则保护渣固/液界面(x＝0mm)的速度Vs等于结晶器运动速度Vm(＝2πfcos(2πft)，而与铸坯接触端的液态保护渣(x＝dl)运动速度为拉速Vc；Qliquid(t)、分别为液态保护渣瞬时消耗速度、液态保护渣平均瞬时消耗速度，kg/(m·s)；Qs为单位面积铸坯的保护渣消耗量，kg/m2；x为水平方向上距离保护渣固\液界面距离，向右为正，向左为负，mm；t为结晶器振动的所对应的时刻，s；T为结晶器振动周期，s；f为结晶器振动频率，Hz；n为粘度指数模型的系数，取值范围是0.5-3。
本发明的优点：
采用连铸结晶器初始凝固模拟装置(ZL201110301430.3)，能够很方便的设置与实际工业生产接近的连铸工艺参数，同时以工业保护渣和钢铁为原料，因此实验过程能够很好还原实际连铸过程中结晶器内钢液的初始凝固行为；以实测的结晶器内温度和实测铸坯厚度为基础，能更准确的反算出结晶器热面的热流密度、铸坯表面温度和铸坯表面热流密度；在此基础上，结合保护渣物性参数，计算出液态渣厚度、液态渣运动速度和保护渣消耗量，为准确把握结晶器内保护渣的润滑和传热提供可靠数据，并且更好的优化工艺参数和控制铸坯质量。
附图说明
图1为热电偶安装位置、保护渣膜分布和坯壳生长剖面示意图；
图2为实施例1中一个振动周期内结晶器的速度及位移；
图3为实施例1中计算的沿拉坯方向分布的结晶器热面的热流密度；
图4为实施例1中测量的铸坯厚度；
图5为实施例1中计算的沿拉坯方向分布的铸坯表面的温度；
图6为实施例1中计算的沿拉坯方向分布的铸坯表面的热流密度；
图7为实施例1中结晶器壁与铸坯表面间液渣厚度的分布；
图8为实施例1中一个结晶器振动周期内不同时刻液渣运动速度与液渣位置x的关系图；
图9为实施例1中保护渣消耗量与时间t的关系图。
图1为热电偶安装位置、保护渣膜分布和坯壳生长剖面示意图；热电偶排列在弯月面附近的结晶器臂内，矩形ABCD为二维传热数学模型的计算区域，AB、BC、CD、AD分别为边界位置；在弯月面附近，钢液接触水冷结晶器臂凝固形成初始凝固坯壳，随着拉坯往下厚度不断长大；同时在结晶器振动下，液态保护渣渗入结晶器壁与坯壳表面间的缝隙，在结晶器壁的冷却作用下形成靠近结晶器壁的固态渣膜和靠近铸坯表面的液态渣膜，渣膜起到控制传热的作用，使坯壳传热均匀，并且液渣膜起到润滑的作用，减少拉坯时的摩擦阻力；最后液态渣膜厚度逐渐变薄至为零；Z方向为拉坯的方向，X渣膜厚度方向。
从图2中可以看出结晶器一个振动周期T＝0.5s内结晶器上下运动过程中每一时刻对应的速度和位移。
从图3中可以看出计算所得沿拉坯方向分布的结晶器热面AB每一点对应的热流密度qint，其中Z＝0mm处对应铸坯的尖端。
从图4可以看出为测量所得铸坯厚度；其是通过实验结束后，沿拉坯方向截取铸坯的纵截面，接着测得铸坯沿拉坯方向的厚度。
从图5和图6可以看出利用凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法所求解得的坯壳表面沿拉坯方向分布的温度Tshell沿拉坯方向分布的热流密度qshell。
从图7可以看出沿拉坯方向的结晶器壁与铸坯表面间液渣厚度dl与位置Z的关系。
从图8可以看出一个结晶器振动周期内不同时刻(T/8、4T/8、5T/8、6T/8、8T/8)液渣运动速度VZ与液渣位置x的关系；
从图9可以看出一个振动周期内液态保护渣瞬时消耗速度Qliquid(t)、液态保护渣平均瞬时消耗速度与时间的关系。
具体实施方式
下面通过具体的实施例，结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本实施例中，为了计算结晶器振动过程中的保护渣渣耗，具体包括以下步骤：
步骤1、准备好实验用钢和实验用保护渣；
本发明实施例中，所用钢种为超低碳钢，成分如下表1所示；所用保护渣碱度为0.96，成分如表2所示；
表1超低碳钢成份(wt％).
| C | Si | Mn | P | S |
| 0.0011 | 0.004 | 0.107 | 0.0093 | 0.0048 |
表2保护渣成份(wt％).
| CaO | SiO2 | Al2O3 | MgO | Na2O | Li2O | F |
| 36 | 37.5 | 6 | 3 | 6.5 | 0.5 | 6 |
步骤2、采用连铸结晶器内凝固模拟装置进行实验，设定好连铸参数，所述参数包括振动频率、振动幅度、浇注温度和冷却条件，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验；
本实施例中，连铸结晶器内凝固模拟装置采用专利号为(ZL201110301430.3)的连铸结晶器内钢液凝固模拟装置，该装置在专利中公开了结构，属于公知常识；设定的具体的连铸参数为：拉速10mm/s，振动频率2Hz(即振动周期T＝0.5s)，振动幅度3mm，浇注温度1555℃，冷却水流量3.0L/min，水温24℃；按照所设定的参数，一个振动周期内结晶器的振动速度Vm及振动位移Dm如图2所示；
步骤3、实验过程中利用埋藏在结晶器铜板内的热电偶以一定速率采集连铸过程中的温度并存储于计算机中，基于实测的温度，反算得到结晶器热面的热流密度；
(1)结晶器铜板中心面安装两排深浅不同的热电偶，距离结晶器壁的距离分别为3mm和8mm，热电偶共有八行，从上到下，行之间的距离分别为3mm、3mm、3mm、3mm、3mm、6mm、10mm，如图1所示；
(2)快速热电偶的测温频率设为60Hz，通过数据采集卡及相配套的软件采集并存储热电偶测得的温度；
(3)基于实测的温度，将温度数据代入结晶器二维传热数学模型2DIHCP for moldheat flux软件，得到结晶器热面(AB)的热流密度qint如图3所示，铸坯尖端所在位置Z＝0mm，尖端以上Z值为负，尖端以下Z值为正；
步骤4、切取实验后初始凝固铸坯并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用铸坯厚度反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度和热流密度；
(1)连铸过程完成后，将凝固铸坯从结晶器上取下来，采用轮廓仪测定铸坯沿拉坯向上的厚度分布，如图4所示；
(2)基于测量的铸坯厚度，采用一维凝固传热反问题模型(1DITPS)反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度和热流密度，铸坯表面温度Tshell如图5所示，铸坯表面热流密度qshell如图6所示；
步骤5、结合保护渣的物性参数，所述物性参数包括液态渣导热系数、辐射系数、保护渣结晶温度，在步骤2和步骤3的基础上，计算出沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl；
(1)保护渣冷却速率近似的等于铸坯表面温度的下降速率：
(1800K-1600K)/2.0s＝100K/s
(2)在100K/s的冷却速率下，使用单热电偶技术(SHTT)测量保护渣结晶温度Tsol，为1050℃；
(3)视结晶器、渣膜和铸坯间的传热为x方向上的一维传热，基于能量守恒，结合保护渣物性参数、结晶器热流密度、铸坯表面温度，液态渣膜厚度的计算可联立以下方程：
上述式子中，Rl为液渣膜总热阻m2·K/W；Rlc为液渣膜导热热阻，m2·K/W；hlr为液渣膜辐射传热系数，W/m2·K；ksl为液态渣导热系数，W/m·K；al为液态渣的吸收系数m-1；εsh为铸坯的发射率；εcry为结晶态保护渣的发射率；m为反射因子；σB为Stefan-Boltzmann常数，W/(m2·K4)；
上述四个方程中，共有四个未知量Rl、Rlc、hlr和dl，联立以上四个方程可以得到液渣膜厚度的分布，如图7所示；
步骤6、计算出液渣运动速度VZ，然后进行积分得到保护渣消耗量。
(1)在Z等于12mm处，坯壳表面的热流密度qshell接近于结晶器表面的热流密度qint，并且此处的液渣膜厚度为0.36mm，铸坯表面温度为1600K(1327℃)，计算此处横截面Z方向上的液态渣运动速度，计算公式如下：
上式中，保护渣动力粘度μs＝μ1300×[(1300-Tsol)/(T-Tsol)]n，Pa·s,μ1300＝0.5Pa·s,n取1.6,T为液态保护渣温度，K，假设液态保护渣水平方向温度呈线性分布；
由公式(5)可以得到结晶器一个振动周期内不同时刻液渣运动速度与液渣位置x的关系，如图8所示；
(2)液态保护渣内部的运动速度介于液渣两端的速度之间，液渣运动速度对液渣位置x和时间t积分可以得到保护渣的消耗速度，公式如下：
上述式子中，Qliquid(t)、分别为液态保护渣瞬时消耗速度、液态保护渣平均瞬时消耗速度，kg/(m·s)，如图8所示；Qs为单位面积铸坯的保护渣消耗量，kg/m2；
本发明实施例中，连铸结晶器内凝固模拟装置设定的具体的连铸参数为：拉速10mm/s，振动频率2Hz(即振动周期T＝0.5s)，振动幅度3mm，浇注温度1555℃，冷却水流量3.0L/min，水温24℃；计算得到单位面积铸坯的保护渣消耗量为0.29kg/m2，与连铸现场实际工况下的保护渣消耗量接近，证明了本发明计算方法的准确性和适用性，能为连铸工艺优化和铸坯质量控制提供可靠数据。
Claims (9)
1.一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一
基于实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程；采集结晶器内的热电偶测量的温度数据，并传给数据处理设备；
步骤二
数据处理设备将采集好的温度数据代入结晶器传热数学模型，实时计算通过结晶器热面各点的热流密度qint；
步骤三
切取实验后初始凝固坯壳并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用坯壳厚度、钢水浇铸温度和钢的传热学物理性能参数反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度Tshell和沿拉坯方向分布的热流密度qshell；
步骤四
测量保护渣的结晶温度Tsol；
步骤五
计算出沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl；
步骤六
计算出液渣运动速度Vz，然后对Vz进行积分得到保护渣消耗量。
2.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤一中，所述连铸实验，采用连铸结晶器内凝固模拟装置，设定好连铸参数，所述参数包括振动频率、振动幅度、浇注温度，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验；所述振动频率为1-5Hz、振动幅度为1-6mm、浇注温度为钢的液相线温度以上10-50℃。
3.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤二中，所述结晶器内，沿拉坯方向安装两排热电偶；所述两排热电偶均平行于结晶器的热面。
4.根据权利要求3所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤二中，qint为沿拉坯方向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的热流密度集合。
5.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤三中，利用凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法来求解坯壳表面沿拉坯方向分布的温度Tshell和沿拉坯方向分布的热流密度qshell。
6.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤四中，通过SHTT实验，测得保护渣的结晶温度Tsol。
7.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤五中，所述dl为沿拉坯方向，结晶器壁与铸坯间不同位置液态保护渣渣膜厚度的数据集合。
8.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤五中，沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度计算公式如下：
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上述式子中，Rl为液渣膜总热阻m2·K/W；Rlc为液渣膜导热热阻，m2·K/W；hlr为液渣膜辐射传热系数，W/m2·K；ksl为液态渣导热系数，W/m·K；al为液态渣的吸收系数m-1；εsh为铸坯的发射率；εcry为结晶态保护渣的发射率；m为反射因子；σB为Stefan-Boltzmann常数，W/(m2·K4)；
其中ksl、al、εsh、εcry、m、σB为已知的参数；联立以上几个式子可以得到结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度dl。
9.根据权利要求1所述的一种连铸结晶器保护渣渣耗的测试方法，其特征在于：步骤六中，液渣运动速度VZ和保护渣消耗量的公式如下：
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上式中，μs为保护渣动力粘度，Pa·s；ρslag、ρsteel分别为保护渣密度和钢液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Vs为紧靠结晶器壁的固态保护渣竖直方向的运动速度，mm/s；假设固态保护渣粘附在结晶器上运动，则保护渣固/液界面的速度Vs等于结晶器运动速度Vm，而与铸坯接触端的液态保护渣运动速度为拉速Vc；Qliquid(t)、分别为液态保护渣瞬时消耗速度、液态保护渣平均瞬时消耗速度，kg/(m·s)；Qs为单位面积铸坯的保护渣消耗量，kg/m2；x为水平方向上距离保护渣固\液界面距离，向右为正，向左为负，mm；t为结晶器振动的所对应的时刻，s；T为结晶器振动周期，s；n为粘度指数模型的系数，取值范围是0.5-3。
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