CN106825479B - 一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法,包括:在连铸坯热送过程表面淬火工艺的水冷区域给予冷却水流量,测量连铸二冷各区出口位置、矫直区出口位置以及连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度;建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型;计算不同工艺条件下连铸坯温度场,提取到矫直区出口位置的多个连铸坯温度场;求解各冷却初始温度下连铸坯表面达到冷却目标温度所需冷却水流量;测量矫直区出口位置的铸坯表面中心温度,计算铸坯表面达到目标冷却温度所需冷却水流量。保证良好的连铸坯热送过程表面淬火效果和较高的热装温度,避免热送裂纹发生使热送热装过程顺利进行。
Description
技术领域
本发明属于连铸坯热送热装技术领域,具体涉及一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法。
背景技术
高效而节能的生产出高质量产品是钢铁企业一直追求的目标。连铸坯热送热装技术有效利用了铸坯本身余热,减少铸坯在炉时间,从而降低吨钢煤气消耗量,达到节约能源、提高生产效率的目的。目前,连铸坯热送热装技术已经得到广泛的认可和使用,但是,将该技术应用于含铝钢等微合金钢时容易造成热送裂纹问题。为了解决热送裂纹问题,连铸坯表面淬火工艺被引入铸坯热送热装过程。冷却水流量是铸坯表面淬火工艺中的重要控制参数,它是影响铸坯表层降温速度的主要因素,直接决定了铸坯表面淬火工艺应用效果,对解决铸坯热送裂纹问题至关重要。
热送裂纹现象在实际生产中时有发生。限于现有生产条件,难以保证热装温度在Ar3(Ar3为奥氏体开始向铁素体转变的临界温度,在此温度以上钢材为奥氏体组织;Ar1为奥氏体向珠光体转变的开始温度,下同)以上,一般在Ar1~Ar3温度范围,对于亚共析钢,此时钢材组织一般为奥氏体+沿晶界网状铁素体组织。对于一些含有Al、Nb、V、B等合金元素的钢种,当热装温度在Ar1~Ar3温度范围时,轧后钢板裂纹发生率明显提高,表面质量问题严重。有研究表明,进入两相温度区,合金元素以氮化铝(AlN)、碳氮化铌(NbCN)等碳氮化物颗粒的形式沿奥氏体晶界大量析出,晶界处的细小析出物会降低晶界的结合力;同时,此温度段也是两相共存区,沿晶界析出的铁素体薄层有利于微裂纹的产生;再有,在铸坯热送热装过程中,铸坯表面与内部的温度差异使得相变不同步,从而产生热应力以及组织应力;以上因素共同作用造成了微合金钢的热送裂纹问题。
连铸坯表面淬火工艺是解决微合金钢热送裂纹问题的有效方法之一。连铸坯表面淬火工艺是指:在铸坯矫直后,对铸坯表层喷水冷却,之后的输送过程中利用较高的铸坯心部温度使铸坯表层回温,从而得到适宜的表面组织和较高的热装温度。达涅利公司在意大利ABS工厂针对含铝钢第一次使用连铸坯表面淬火工艺,实验显示,铸坯表面淬火工艺的应用提高了微合金钢在热送过程中的塑性,降低了热送裂纹发生率。
中国专利“CN 1022289668 A”公布了一种实现高强度低合金钢连铸坯直接送装的方法,该方法给出了连铸坯冷却速度的控制范围为2~5℃,并根据钢的温度是否高于Ar3将冷却速度范围分为两段,铸坯表面冷却的目标温度在500℃左右,限定了回温时间。中国专利“CN 103341607 A”公布了一种微合金元素厚板坯直装的方法,专利给出的针对Q345B、AH32厚板坯表面淬火工艺参数除了冷却速度、冷却时间、冷却目标温度外,还要求铸坯出矫直区时温度为900~950℃。
中国专利“CN 103302262 A”公开了一种连铸坯表面淬火工艺装置,即在连铸坯火焰切割输送轨道上安装数个喷水组,平行于输送辊方向1~3排,垂直于输送辊方向4~10列喷嘴,喷水冷却时使铸坯表面温度迅速降低到600℃以下,达到避免表面裂纹的目的。中国专利“CN 204711141 U”公布了一种防止连铸坯在低温脆性区出现裂纹的装置,装置方案为:使用支架支撑冷却水条,并在冷却水条下表面安装喷嘴,使用电磁流量计和自动调压阀调节冷却水流量,通过喷水冷却避免铸坯出现低温脆性,从而消除热送裂纹现象。
以上所述四个中国专利都涉及铸坯表面淬火技术,其中,前两个专利给出了铸坯表面淬火工艺实施的工艺参数要求,后两个专利分别设计了两种连铸坯表面淬火工艺具体实施装置。但是,以上四个专利均没有给出表面淬火工艺冷却水流量的具体确定方法。在实际生产过程中,无论使用何种铸坯表面淬火装置,为了达到目标冷却效果,直接控制参数都是冷却水流量和冷却时间,由此才能使铸坯表面以需要的冷却速度冷却到预设的目标温度。冷却时间取决于冷却初始温度、冷却目标温度和冷却速度。由此可知,铸坯表面冷却速度是铸坯表面淬火工艺的首要控制因素,而冷却速度主要受冷却水流量的影响。因此,只有控制适当的冷却水流量,才能保证良好的铸坯表面淬火效果,避免热送裂纹发生的同时保证较高的热装温度。另外,连铸生产过程中,钢水过热度、拉速、比水量等连铸工艺条件发生变化时,铸坯温度也要发生变化,相应的铸坯表面淬火工艺冷却水流量也要调整。为了充分发挥铸坯表面淬火工艺效果,适应连铸工艺条件的实时变化,准确而且实时的得出铸坯表面淬火过程冷却水流量十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法。
本发明的技术方案是:
一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法,包括:
步骤1:确定连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数;
步骤2:稳定浇铸时,在连铸坯热送过程表面淬火工艺的水冷区域给予冷却水流量,测量连铸二冷各区出口位置、矫直区出口位置以及连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度;
步骤3:建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型并利用步骤2测量的铸坯温度进行修正;
步骤4:利用修正的连铸阶段铸坯凝固传热数值模型计算不同工艺条件下连铸坯温度场,提取得到矫直区出口位置的多个连铸坯温度场;
步骤5:在确定的连铸坯表面冷却速度下,利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,将步骤4中得到的矫直区出口位置连铸坯温度场作为冷却初始温度场,采用二分法求解各冷却初始温度下连铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量,进而得到当前钢种冷却初始温度与铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量之间的关系曲线;
步骤6:测量矫直区出口位置的铸坯表面中心温度,以此作为连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却初始温度,利用步骤5得到的关系曲线,计算得出铸坯表面达到目标冷却温度所需要的冷却水流量。
所述连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数,包括连铸坯热送过程表面淬火阶段的连铸坯表面冷却速度、冷却目标温度、行进速度、水冷区域最大长度。
所述步骤3具体包括如下子步骤:
步骤3-1:建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型;
步骤3-2:利用连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,分别采用步骤2测量得到的各位置的铸坯温度作为目标温度,采用二分法,按照连铸坯经过的顺序,从前往后逐个求解连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数;
步骤3-3:使用步骤3-2中求得的连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数求出Nozaki传热系数经验公式中的修正系数,修正Nozaki公式;
步骤3-4:使用修正后的Nozaki公式计算连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的对流换热系数,至此,连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型得到修正。
所述连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火铸坯传热数值模型的建立方法如下:
连铸阶段、连铸坯热送过程表面淬火阶段的传热均受二维非稳态传热微分方程控制,采用有限元方法将二维非稳态传热微分方程离散,结合连铸生产工艺条件建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型。
所述步骤3-2,具体包括:
步骤3-2-1:设定第i区对流换热系数范围hi0~hi1;
步骤3-2-2:将hi2=(hi0+hi1)/2作为第i区对流换热系数,带入对应的数值模型,求解出第i区出口的铸坯温度;
步骤3-2-3:若求解得到的连铸坯温度与目标温度差值的绝度值小于10-2,则停止迭代,此时的hi2即求得的最终的对流换热系数;否则,依据二分法基本原理,重新确定第i区铸坯与冷却水之间的对流传热系数范围,返回步骤3-2-1继续迭代;
步骤3-2-4:继续计算第i+1区的对流换热系数,最终计算得到铸坯连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的连铸坯与冷却水之间的对流换热系数。
所述步骤5,具体包括:
步骤5-1:将步骤4计算得到的矫直区出口铸坯的温度场作为连铸坯热送过程表面淬火阶段连铸坯传热数值模型的初始条件;将矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度作为铸坯冷却初始温度Ts,另外,已知冷却目标温度Te和铸坯表面冷却速度V,由此确定连铸坯热送过程表面淬火阶段所需时间t=(Ts-Te)/V;
步骤5-2:利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型求解连铸坯热送过程表面淬火阶段的铸坯温度场:确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围W0~W1,将冷却水流量W2=(W0+W1)/2加载到连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型中,求解出连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度场;
步骤5-3:若步骤5-2求解得到的连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度Tcal即矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度与目标冷却温度Te的误差不高于10-2℃时,即|Tcal-Te|≤10-2,停止迭代,此时铸坯冷却初始温度Ts所对应的冷却水流量即该铸坯冷却初始温度Ts下铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量W,得到一组W-Ts对应数据;否则,返回步骤5-2,根据二分法基本原理,重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围:如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal>=Te,则重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W2~W1,如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal<=Te,则重新确定的连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W0~W2,继续迭代;
步骤5-4:将步骤4计算得到的多个矫直区出口位置连铸坯温度场作为连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的初始条件,重复步骤5-2~5-3,从而得到多组W-Ts对应数据,得到当前钢种的W-Ts之间的关系曲线,执行步骤6。
步骤1中所述铸坯表面冷却速度V满足V>=(Ts-Te)*VL/Lmax,Te为冷却目标温度,Lmax为水冷区域最大长度,VL为拉速。
有益效果:
连铸坯热送过程表面淬火工艺通过控制冷却水流量改变铸坯表面冷却速度,利用相变原理改善铸坯表层组织性能,本发明给出了连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量的确定方法,可以实时确定当前工艺条件下所需要的冷却水流量,从而保证良好的连铸坯热送过程表面淬火效果,避免热送裂纹发生,并且保证较高的热装温度,使铸坯的热送热装过程顺利进行。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法流程图;
图2是本发明具体实施方式中步骤3-2的流程图;
图3是本发明具体实施方式中步骤5的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
本实施方式在实现本发明方法时在连铸机矫直区出口位置安装一套红外测温装置,用来测量连铸机矫直区出口的铸坯表面中心温度,即冷却初始温度;另外准备一套手持红外测温装置,测量连铸二冷各区出口位置、矫直区出口位置以及铸坯表面淬火水冷结束位置的铸坯温度,用于数值模型建立过程;准备一台计算机用于建立数值模型和计算。连铸坯热送过程表面淬火工艺通过控制冷却水流量改变铸坯表面冷却速度,利用相变原理改善铸坯表层组织状况,从而避免铸坯在热应力作用下产生表面裂纹,使铸坯的热送热装过程顺利进行。本发明采用数值模拟技术手段,分别建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型;利用连铸阶段铸坯凝固传热数值模型求解不同拉速、过热度等工艺参数下连铸机矫直区出口位置铸坯温度场,作为热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的初始温度,即热送过程表面淬火阶段的冷却初始温度;在一定的冷却速度和目标冷却温度条件下,利用热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型求解不同冷却初始温度下表面淬火过程需要的冷却水流量,建立连铸阶段及热送过程表面淬火阶段中冷却初始温度-冷却水流量之间的对应关系;生产过程中,在连铸机矫直区出口安装红外测温装置测量铸坯温度,即为冷却初始温度,利用冷却初始温度-冷却水流量对应关系,计算当前需要的冷却水流量。一般情况下,冷却初始温度相同时,铸坯冷却目标温度随冷却水流量的增加而降低,即与冷却水流量呈反比例关系。因此,本发明在计算冷却水流量时采用二分法进行迭代求解,使计算结果逐次逼近目标温度对应的冷却水流量。
本实施方式针对低碳含铝钢实现连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法,如图1所示,包括:
步骤1:根据钢的性质及现场生产条件,确定连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数。
所述连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数,包括连铸坯热送过程表面淬火阶段的连铸坯表面冷却速度V、冷却目标温度Te、行进速度Vt、水冷区域最大长度Lmax。
依据钢种信息,确定连铸坯热送过程表面淬火阶段的铸坯表面冷却速度V和冷却目标温度Te;实际操作中连铸坯表面冷却速度V控制在3~5℃/s,冷却目标温度Te范围在400~500℃。
根据拉速确定连铸坯热送过程表面淬火阶段的行进速度Vt,可以设定连铸坯热送过程表面淬火阶段的行进速度Vt等于拉速VL,即Vt=VL。
步骤2:在稳定浇铸条件下,在实施连铸坯热送过程表面淬火工艺的水冷区域给予300~400L/min冷却水流量,使用手持红外测温装置测量连铸二冷各区出口位置、矫直区出口位置以及连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度,每个位置数据采集时间为3~4min,将数据采集时间内的最大值作为该位置的实测温度并记录。
步骤3:采用ANSYS有限元软件建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,并使用步骤2中得到的温度对两个模型做出修正。
所述步骤3具体包括如下子步骤:
步骤3-1:结合连铸机设备条件(连铸机各区域长度)、连铸工艺条件(拉速、过热度、钢种和各二冷区水量等)和连铸坯热送过程表面淬火阶段工艺条件(表面淬火区域的长度),利用有限元软件建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型;
所述连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火铸坯传热数值模型的建立方法如下:
连铸阶段、连铸坯热送过程表面淬火阶段的传热均受二维非稳态传热微分方程控制,采用有限元方法将二维非稳态传热微分方程离散,结合连铸生产工艺条件建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型。下面是用到的主要方程:
二维非稳态传热微分方程:
其中的凝固潜热采用应用广泛的等效比热法处理:
式中,ρ(T)为铸坯密度,λ(T)为铸坯导热系数,T为铸坯温度,ceff(T)为等效热容,cS(T)、cL(T)分别为所求钢种在固态、液态的比热容,fs为固相率,ΔHf为单位体积凝固潜热。
步骤3-2:利用连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,分别采用步骤2测量得到的各位置的铸坯温度作为目标温度,采用二分法,按照连铸坯经过的顺序,从前往后逐个求解连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数hi(i表示连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区编号,如果有8个二冷区,则从前往后依次编号为1-8,连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区编号为9,下同);
所述步骤3-2,如图2所示,具体包括:
步骤3-2-1:设定第i区对流换热系数范围hi0~hi1,初始范围可以设定为1~2000W·m-2·℃-1;
步骤3-2-2:将hi2=(hi0+hi1)/2作为第i区对流换热系数,带入对应的数值模型,求解出第i区出口的铸坯温度;
步骤3-2-3:若求解得到的连铸坯温度与目标温度差值的绝度值小于10-2,则停止迭代,此时的hi2即求得的最终的对流换热系数,执行步骤3-3;否则,依据二分法基本原理,重新确定第i区铸坯与冷却水之间的对流传热系数范围,返回步骤3-2-2继续迭代。
步骤3-2-4:采用同样的方法继续计算第i+1区的对流换热系数,最终计算得到铸坯连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的连铸坯与冷却水之间的对流换热系数。
步骤3-3:使用步骤3-2中求得的连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数求出Nozaki传热系数经验公式(见Transactions ISIJ,1978,18(6):330-338)中的修正系数,修正Nozaki公式;
hi=1570wi 0.55(1-0.0075Tw)/ai
其中,ai为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段求得的修正系数,wi为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水水流密度,Tw为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水温度;
步骤3-4:使用修正后的Nozaki公式计算连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的对流换热系数,至此,连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型得到修正。
步骤4:利用修正的连铸阶段铸坯凝固传热数值模型计算不同拉速、过热度等工艺条件下连铸坯温度场,提取得到矫直区出口位置多个连铸坯温度场。
步骤5:在确定的连铸坯表面冷却速度下,利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,将步骤4中得到的矫直区出口位置连铸坯温度场作为初始温度场,采用二分法求解各冷却初始温度下连铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量,进而得到当前钢种冷却初始温度与铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量之间的关系曲线;
所述步骤5,如图3所示,具体包括:
步骤5-1:将步骤4计算得到的矫直区出口铸坯的温度场作为连铸坯热送过程表面淬火阶段连铸坯传热数值模型的初始条件;将矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度作为铸坯冷却初始温度Ts,另外,已知冷却目标温度Te和铸坯表面冷却速度V,由此确定连铸坯热送过程表面淬火阶段所需时间t=(Ts-Te)/V;
步骤5-2:利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型求解连铸坯热送过程表面淬火阶段的铸坯温度场:确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围W0~W1,将冷却水流量W2=(W0+W1)/2加载到连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型中,求解出连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度场;
步骤5-3:若步骤5-2求解得到的连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度Tcal(上表面中心位置的温度)与目标冷却温度Te的误差不高于10-2℃时,即|Tcal-Te|≤10-2,停止迭代,此时铸坯冷却初始温度Ts所对应的冷却水流量即该铸坯冷却初始温度Ts下铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量W,得到一组W-Ts对应数据;否则,返回步骤5-2,根据二分法基本原理,重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围:如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal>=Te,则重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W2~W1,如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal<=Te,则重新确定的连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W0~W2,继续迭代;
步骤5-4:将步骤4计算得到的多个矫直区出口位置连铸坯温度场分别作为连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的初始条件,重复步骤5-2~5-3,从而得到多组W-Ts对应数据,得到当前钢种的W-Ts之间的关系曲线,执行步骤6。
步骤6:利用安装于矫直区出口的红外测温装置测量该位置的铸坯表面中心温度,以此作为连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却初始温度Ts,利用步骤5得到的当前钢种的W-Ts之间的关系曲线,计算得出铸坯表面达到目标冷却温度所需要的冷却水流量W。
步骤1中所述铸坯表面冷却速度满足V>=(Ts-Te)*VL/Lmax,式中各项含义如前面所述。
Claims (4)
1.一种连铸坯热送过程表面淬火工艺冷却水流量的确定方法,其特征在于,包括:
步骤1:确定连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数;所述连铸坯热送过程表面淬火工艺的各项工艺参数,包括连铸坯热送过程表面淬火阶段的连铸坯表面冷却速度V、冷却目标温度、行进速度、水冷区域最大长度;
步骤2:稳定浇铸时,在连铸坯热送过程表面淬火工艺的水冷区域给予冷却水流量,测量连铸二冷各区出口位置、矫直区出口位置以及连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度;
步骤3:建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型并利用步骤2测量的铸坯温度进行修正;
步骤4:利用修正的连铸阶段铸坯凝固传热数值模型计算不同工艺条件下连铸坯温度场,提取得到矫直区出口位置的多个连铸坯温度场;
步骤5:在确定的连铸坯表面冷却速度V下,利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,将步骤4中得到的矫直区出口位置连铸坯温度场作为冷却初始温度场,采用二分法,求解各冷却初始温度下连铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量,进而得到当前钢种冷却初始温度与铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量之间的关系曲线;
步骤6:测量矫直区出口位置的铸坯表面中心温度,以此作为连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却初始温度,利用步骤5得到的关系曲线,计算得出铸坯表面达到目标冷却温度所需要的冷却水流量;所述步骤3具体包括如下子步骤:
步骤3-1:建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型;
步骤3-2:利用连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型,分别采用步骤2测量得到的各位置的铸坯温度作为目标温度,采用二分法,按照连铸坯经过的顺序,从前往后逐个求解连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数;
步骤3-3:使用步骤3-2中求得的连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的铸坯与冷却水之间的对流换热系数求出Nozaki公式中的修正系数,修正Nozaki公式;
Nozaki公式:hi=1570wi 0.55(1-0.0075Tw)/ai
其中,ai为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段求得的修正系数,wi为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水水流密度,Tw为连铸阶段或连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水温度;
步骤3-4:使用修正后的Nozaki公式计算连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的对流换热系数,至此,连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型得到修正;
所述连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火铸坯传热数值模型的建立方法如下:
连铸阶段、连铸坯热送过程表面淬火阶段的传热均受二维非稳态传热微分方程控制,采用有限元方法将二维非稳态传热微分方程离散,结合连铸生产工艺条件建立连铸阶段铸坯凝固传热数值模型和连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤3-2,具体包括:
步骤3-2-1:设定第i区对流换热系数范围hi0~hi1;
步骤3-2-2:将hi2=(hi0+hi1)/2作为第i区对流换热系数,带入对应的数值模型,求解出第i区出口的铸坯温度;
步骤3-2-3:若求解得到的连铸坯温度与目标温度差值的绝度值小于10-2,则停止迭代,此时的hi2即求得的最终的对流换热系数;否则,依据二分法基本原理,重新确定第i区铸坯与冷却水之间的对流传热系数范围,返回步骤3-2-1继续迭代;
步骤3-2-4:继续计算第i+1区的对流换热系数,最终计算得到铸坯连铸阶段各个二冷区和连铸坯热送过程表面淬火阶段水冷区的连铸坯与冷却水之间的对流换热系数。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤5,具体包括:
步骤5-1:将步骤4计算得到的矫直区出口铸坯的温度场作为连铸坯热送过程表面淬火阶段连铸坯传热数值模型的初始条件;将矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度作为铸坯冷却初始温度Ts,另外,已知冷却目标温度Te和铸坯表面冷却速度V,由此确定连铸坯热送过程表面淬火阶段所需时间t=(Ts-Te)/V;
步骤5-2:利用连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型求解连铸坯热送过程表面淬火阶段的铸坯温度场:确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围W0~W1,将冷却水流量W2=(W0+W1)/2加载到连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型中,求解出连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度场;
步骤5-3:若步骤5-2求解得到的连铸坯热送过程表面淬火阶段结束位置的铸坯温度Tcal即矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度与目标冷却温度Te的误差不高于10-2℃时,即|Tcal-Te|≤10-2,停止迭代,此时铸坯冷却初始温度Ts所对应的冷却水流量即该铸坯冷却初始温度Ts下铸坯表面达到冷却目标温度所需要的冷却水流量W,得到一组W-Ts对应数据;否则,返回步骤5-2,根据二分法基本原理,重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围:如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal>=Te,则重新确定连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W2~W1,如果连铸坯热送过程表面淬火水冷结束位置的铸坯温度Tcal<=Te,则重新确定的连铸坯热送过程表面淬火阶段冷却水流量范围是W0~W2,继续迭代;
步骤5-4:将步骤4计算得到的多个矫直区出口位置连铸坯温度场作为连铸坯热送过程表面淬火阶段铸坯传热数值模型的初始条件,重复步骤5-2~5-3,从而得到多组W-Ts对应数据,得到当前钢种的W-Ts之间的关系曲线,执行步骤6。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤1中所述铸坯表面冷却速度V满足V>=(Ts-Te)*VL/Lmax,Te为冷却目标温度,Lmax为水冷区域最大长度,VL为拉速,Ts为连铸坯表面冷却初始温度,即矫直区出口铸坯上表面中心位置的温度。
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