CN108356240A - 一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法,涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域。该结晶器的窄面铜板,上口宽下口窄,其工作面沿高度方向为迎合坯壳窄面凝固收缩特性的连续变化曲线结构,各水槽横截面中心连线呈高斯或圆弧形,靠近角部区域水槽横截面尺寸为中部区域的1~1.2倍。结晶器设计方法中,设定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量为窄面铜板工作面沿高度方向的分布曲线,参照对应薄板坯产线原窄面结晶器铜板水槽当量直径,设定其为窄面铜板中部区域水槽尺寸,角部区域水槽横截面尺寸设计为中部区域的1~1.2倍。本发明实现微合金钢薄板坯连铸过程窄面及角部与结晶器铜板全程高效贴合传热,整体提高铸坯组织边角部组织塑性。
Description
技术领域
本发明涉及钢的薄板坯连铸连轧技术领域,尤其涉及一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法。
背景技术
薄板坯连铸连轧工艺开发于上世纪80年代末、90年代初,是一种全新的短流程带钢生产新工艺,显著区别于目前传统带钢生产工艺,具有显著节能、高产品合格率、生产工艺简化、产线简短、产品生产周期短等优点,近年来发展十分迅速。
薄板坯生产节奏紧凑,若铸坯生产过程产生表面裂纹,由于所生产的铸坯无法下线表面清理,其后续连轧产品将产生显著表面质量缺陷。尤其需要指出的是,薄板坯在连铸生产含Nb、B、Al等微合金钢过程,受其高温凝固特性影响,铸坯在生产过程裂纹敏感性显著提高,由此引发薄板坯产生严重边角裂纹缺陷,致使其后连轧卷板边部产生“烂边”、“掉块”等严重质量缺陷。
近年来,经对微合金钢连铸坯高温凝固特性深入检测,已明确造成微合金钢薄板坯角部裂纹产生的重要因素是由于铸坯边角组织高温凝固过程因冷却速度不足而造成微合金碳氮化物沿其组织晶界呈链状集中析出,致使铸坯角部组织晶界脆化。因此,高速冷却微合金钢薄板坯角部高温凝固过程组织以弥散化其微合金碳氮化物于晶内析出,是解决微合金钢薄板坯角部裂纹频发的有效途径。
具体针对微合金钢薄板坯连铸,其含Nb、B、Al等微合金碳氮化物晶界开始析出温度往往>1100℃,而该温度下的铸坯角部正处于结晶器内(铸坯角部出结晶器的温度约降至950℃)。因此,加速结晶器中下部区域角部传热速度,是实现微合金钢薄板坯角部碳氮化物高温段弥散化析出的关键。
而在实际薄板坯连铸生产过程中,造成结晶器中下部铸坯角部无法高效传热的主要原因是由于结晶器铜板无法高效补偿坯壳在结晶器内的凝固收缩,致使厚保护渣膜与气隙在铸坯角部集中分布,从而阻碍了结晶器内坯壳角部的高效传热。因此,设计可全程高效补偿坯壳凝固收缩行为的结晶器内腔补偿结构,并辅以开发可提高结晶器角部区域传热速度的冷却结构,是实现微合金钢薄板坯连铸过程结晶器内高效传热的根本途径。
目前,国内外传统CSP、FTSR等薄板坯结晶器窄面均为平板结构。为了改善铸坯边角部传热条件,申请号为201020149011.3的实用新型专利,公布了一种工作面为内凹弧面结构、冷却水槽中心连线为直线排布的薄板坯连铸机结晶器窄面铜板结构。由于在该结晶器中,其窄面铜板工作面横向为圆弧形结构,受此影响,铸坯角部在结晶器内凝固过程钝角化。与此同时,由于靠近铸坯角部区域的冷却水槽远离了铸坯角部,因而该设计将减缓结晶器内铸坯角部凝固过程的传热速度,不利于其微合金碳氮化物析出方式控制。
申请号为201120089500.9的实用新型专利,公布了一种用于薄板坯连铸的角部呈弧形和/抛物线结构的倒角结晶器窄面铜板。其虽在高度方向上设计了单锥度、双锥度或多个锥度中的一种,但由于结晶器角部区域采用了横向呈弧形结构的设计,铸坯角部的传热速度大幅降低(本实用新型设计的初衷就是降低铸坯角部在凝固全程的传热速度,提高铸坯角部温度),因此同样不适合微合金钢连铸生产过程角部组织碳氮化物弥散化析出控制。
申请号为200720089029.7的实用新型专利,同样公布了一种与申请号为201120089500.9实用新型专利相类似的、窄面横截面角部区域向宽面圆弧形曲面过渡的窄面结晶器,其目的同样是为减缓坯壳在结晶器内凝固过程角部的冷却速度。
申请号分别为201510585333.X和201520712145.4的发明专利和实用新型专利,公布了一种上部固定、下部通过弹性支撑的结晶器窄面铜板结构,其目的是使结晶器窄面铜板高效贴合其内铸坯窄面及角部传热。然而,在实际薄板坯连铸生产过程,坯壳在结晶器内凝固呈中上部收缩快、下部收缩慢的特点,造成了结晶器窄面铜板下部严重磨损的普遍现象。该实际情况说明,结晶器中下部坯壳对窄面铜板的反作用力最大,依靠该结晶器下部弹性结构设计,由于其无法有效压缩结晶器下部窄面坯壳变形,可能加剧结晶器中上部坯壳/结晶器界面间隙,更恶化铸坯角部传热。
此外,题目为“薄板坯连铸结晶器窄面铜板传热分析及冷却结构优化”的学术论文,提出通过减小结晶器窄面铜板冷却水槽尺寸并增加水槽数量的方法,总体增加结晶器窄面铜板的冷却能力,以提高铸坯窄面凝固过程的冷却速度。然而,该结晶器结构设计,其铜板工作面仍是平板结构,同样无法高效补偿铸坯在结晶器内凝固过程的收缩,因而无法消除铸坯角部厚保护渣膜与气隙集中分布的难题。铸坯角部等区域的传热水平无法得到本质提高。
可以看出,上述已公布的薄板坯连铸结晶器,其窄面铜板主要进行了结晶器角部钝化、支撑方式、水槽尺寸及数量等优化,其均无法有效消除薄板坯连铸过程结晶器内角部区域厚保护渣膜与气隙集中分布这2个阻碍铸坯传热的关键因素,因而无法从根本上提高薄板坯结晶器内坯壳角部的冷却速度。
因此,结合实际微合金钢高温凝固特点及薄板坯连铸生产工艺,开发一种可高效补偿坯壳在结晶器内沿宽度方向的凝固收缩,消除铸坯角部区域厚保护渣膜与气隙生成,并辅以开发可提高结晶器角部区域传热速度的冷却水槽结构,全面提高铸坯角部高温凝固过程的冷却速度,对于改善微合金钢薄板坯角部凝固组织塑性、消除微合金钢薄板坯角部裂纹产生具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法,实现微合金钢薄板坯连铸过程窄面及角部与结晶器铜板全程高效贴合传热,快速冷却薄板坯边角部,细化其初凝组织晶粒并弥散化微合金碳氮化物析出,从而整体提高铸坯组织边角部组织塑性,解决微合金钢薄板坯连铸生产频发角部纹的难题。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
一方面,本发明提供一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器,所述结晶器的窄面铜板,其内表面工作面沿高度方向设计为迎合薄板坯窄面沿宽度中心方向凝固收缩特性的连续变化曲面结构,铜板背面侧及两个侧面均为直线结构;
所述窄面铜板为上口宽下口窄结构,根据所连铸生产的铸坯厚度,窄面铜板的上口与下口的宽度差为0.2mm~1.0mm,由上口沿其高度方向线性减小至下口;窄面铜板厚度越大,其上口与下口宽度差越大;窄面铜板上口与下口的厚度相同,窄面铜板高度方向上的中部区域厚度为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值;窄面铜板的高度范围为900mm~1300mm;
所述窄面铜板的冷却水槽为圆形结构,且沿结晶器高度方向呈竖直状分布,水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定,靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍;各水槽横截面中心连线整体呈凹向窄面铜板工作面的高斯曲线或圆弧形结构,并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布;窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽横截面中心连线与最靠近侧面的2个水槽横截面中心连线的距离变化范围为2.0mm~15.0mm,窄面铜板宽度中心线处水槽中心或者最靠近铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到工作面的距离为20.0mm~30.0mm;最靠近窄面铜板侧面的水槽距离对应侧面5.0mm~10.0mm,其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿窄面铜板宽度方向等间距分布;
所述结晶器的窄面铜板适用于连铸断面厚度为50mm~135mm的所有薄板坯,其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。
另一方面,本发明还提供一种实现上述角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,包括以下步骤:
步骤1、选择合适有限元商业软件,并根据现场实际微合金钢直角薄板坯断面尺寸及相应断面下的传统窄面平板、宽面漏斗结晶器铜板结构,建立1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型,其中薄板坯三维实体模型的高度为结晶器长度的1.2~1.5倍,铸坯下端位于结晶器弯月面处;
步骤2、对建立的1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型进行网格划分,并为相应的单元设定模拟钢种及结晶器传热与力学属性,具体如下:
步骤2-1、采用非均匀网格划分方法,对靠近表面0~20mm范围内的铸坯表层网格进行加密,并且由铸坯宽、窄面中心向角部方向逐渐加密方式处理,铸坯内层网格可划分较为疏松;
步骤2-2、采用自由划分网格方法通过设定结晶器铜板各边界结构线网格单元长度方式自由划分薄板坯结晶器宽面和窄面铜板;
步骤2-3、根据所模拟计算钢种成分及铜板铜合金构成,采用查阅方式确定对应钢种的导热系数、密度、焓、弹性模量、泊松比参数,将其分别对应赋予铸坯和结晶器铜板单元属性;
步骤3、设定结晶器铜板及结晶器内铸坯三维传热与力学边界条件,采用传热与受力实时耦合方法,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态三维热/力耦合分析模型,模拟微合金钢薄板坯连铸过程中结晶器内铸坯动态凝固传热与变形收缩行为;具体如下:
步骤3-1、基于所选取的有限元商业软件,分别选定结晶器铜板以及连铸坯单元的三维传热控制方程;
步骤3-2、基于所选择的有限元商业软件,选定铜板力学控制方程为三维弹塑性本构方程,铸坯力学控制方程为Anand率相关本构方程;
步骤3-3、假设结晶器弯月面区域保护渣厚度相同,根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度,计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度,并设定其为初始厚度;
步骤3-4、假设结晶器弯月面铸坯表面与对应结晶器铜板温度分布均均匀,且弯月面处铸坯单元初始温度为钢水浇注温度,铜板温度根据实际拉速设定为200℃~290℃,设定铸坯/结晶器界面间隙均为保护渣膜初始厚度;
步骤3-5、设定铸坯及结晶器传热边界条件,具体如下:
设定结晶器铜板水槽传热为对流传热,其传热边界由对流传热系数施加;
结晶器铜板及铸坯的宽面中心对称面、窄面中心对称面、铜板背板与不锈钢背板相接触区域、结晶器上口、结晶器下口的热流均设为0;
铸坯表面与结晶器热面的传热边界条件采用热流形式施加,具体如下:
步骤3-5-1、提取铸坯及其对应位置处铜板的表面各单元节点温度以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度;
步骤3-5-2、判定铸坯表面与保护渣凝固温度间的关系,若当前铸坯表面节点温度高于保护渣凝固温度,则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣,转步骤3-5-3;反之,铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣,转步骤3-5-4;
步骤3-5-3、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性,利用流经液渣层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的热流,并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值;
步骤3-5-4、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性,利用流经气隙层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的热流,并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值;
步骤3-6、设定铸坯及结晶器力学边界条件,具体如下:
铸坯宽面对称面沿铸坯窄面方向的位移设定为0,铸坯窄面对称面沿铸坯宽面方向的位移设定为0,铸坯以拉速为速度边界条件向结晶器出口方向竖直运动;
钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元;
铸坯与铜板接触行为采用刚-柔接触分析算法设置;
结晶器宽面与窄面铜板固定不动;
步骤3-7、根据步骤3-1至步骤3-6,铸坯采用生死单元控制方法,即当铸坯处于结晶器内时,铸坯对应的单元处于激活状态,若铸坯处于弯月面以上或出结晶器,则冻结铸坯对应单元,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态热/力实时耦合分析模型;
步骤3-8、将实际微合金钢薄板坯连铸生产工艺参数输入至分析模型,模拟分析微合金钢薄板坯连铸过程结晶器内铸坯传热及收缩变形行为,所述的工艺参数包括:拉速、钢水浇铸温度、结晶器宽面与窄面冷却水流速、结晶器宽面与窄面冷却水温度、结晶器宽面与窄面冷却水入口与出口温差、保护渣消耗量、保护渣凝固温度;
步骤3-9、判断铸坯实体末端是否已经进入结晶器弯月面,若是,则执行步骤4,否则,执行步骤3-5;
步骤4、根据铸坯传热及收缩变形行为的模拟结果,确定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量,并设定其为窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线;
步骤5、参照对应薄板坯产线原窄面结晶器铜板水槽当量直径,设定其为结晶器窄面铜板中部区域圆形横截面水槽尺寸,角部区域冷却水槽横截面尺寸设计为中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍;
步骤6、确定结晶器冷却水槽中心连线分布曲线;
步骤7、采用步骤1~步骤3的方法,计算并考察所设计工作面沿高度方向补偿曲线及水槽分布形式的曲面结晶器铜板冷却的均匀性和铸坯边角部温度场分布,确定横截面温度场分布最均匀、铸坯角部冷却速度超过微合金碳氮化物弥散化析出冷却速度的水槽分布结构为结晶器窄面铜板水槽分布结构,完成角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器设计。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明提供的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法,可充分补偿铸坯在结晶器内的收缩、大幅增加铸窄面坯边角部冷却速度,细化铸坯角部初凝组织晶粒并弥散化碳氮化物在晶内及晶界析出,解决传统微合金钢薄板坯连铸生产过程边角部生成脆性组织的难题;本发明所设计的薄板坯结晶器窄面结构,是一种迎合铸坯窄面收缩特性的曲面结构,可大幅减少结晶器下口铜板磨损,提高结晶器使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的结晶器的窄面铜板立体结构示意图;
图2为本发明实施例提供的窄面铜板的上口或下口结构示意图;
图3为本发明实施例提供的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法流程图。
图中:1、结晶器窄面铜板工作面;2、结晶器窄面冷却水槽;3、结晶器窄面铜板上口;4、结晶器窄面铜板下口;5、窄面铜板侧面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
下面结合附图对一种出结晶器铸坯厚度为90mm的CSP结晶器窄面实施例做进一步说明。
本实施例中角部高效薄板坯窄面曲面结晶器,如图1和图2所示,其中,1表示结晶器窄面铜板内表面工作面,2表示结晶器窄面冷却水槽,3表示结晶器窄面铜板上口,4表示结晶器窄面铜板下口,5表示窄面铜板的一个侧面,l1表示结晶器窄面铜板高度,l2表示结晶器窄面铜板上口宽度,l3表示结晶器窄面铜板下口宽度,C1表示结晶器窄面工作面沿高度方向的分布曲线,l4表示最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线或窄面铜板宽度中心线处水槽中心到窄面铜板工作面的距离,l5表示结晶器窄面铜板最靠近侧面水槽与对应侧面的距离,l6表示结晶器窄面铜板上口或下口厚度,Δl表示窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近窄面铜板侧面的2个水槽中心连线的距离。该结晶器窄面铜板高度l1为1100mm,呈上口宽下口窄结构,结晶器下口4的宽度l3为90mm,上口3的宽度l2为90.2mm,上口3与下口4的宽度差l2-l3为0.2mm,由上口3沿结晶器高度方向线性减小至下口4;在结晶器窄面铜板厚度方向上,设计窄面铜板上口3的厚度l6与下口4的厚度相同,均为60mm。窄面铜板高度方向中部区域的厚度为上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的分布曲线C1值,C1曲线值由如表1所示。
表1薄板坯窄面铜板工作面沿高度方向曲线值
距结晶器上口高度 | 曲线值 | 距结晶器上口高度 | 曲线值 |
0.0 | 0.00 | 562.5 | 1.63 |
22.5 | 0.20 | 585.0 | 1.56 |
45.0 | 0.39 | 607.5 | 1.51 |
67.5 | 0.59 | 630.0 | 1.45 |
90.0 | 0.78 | 652.5 | 1.38 |
112.5 | 0.98 | 675.0 | 1.32 |
135.0 | 1.16 | 697.5 | 1.25 |
157.5 | 1.33 | 720.0 | 1.19 |
180.0 | 1.48 | 742.5 | 1.12 |
202.5 | 1.61 | 765.0 | 1.05 |
225.0 | 1.72 | 787.5 | 0.99 |
247.5 | 1.82 | 810.0 | 0.92 |
270.0 | 1.89 | 832.5 | 0.85 |
292.5 | 1.94 | 855.0 | 0.78 |
315.0 | 1.98 | 877.5 | 0.71 |
337.5 | 2.00 | 900.0 | 0.64 |
360.0 | 2.00 | 922.5 | 0.57 |
382.5 | 1.98 | 945.0 | 0.50 |
405.0 | 1.95 | 967.5 | 0.43 |
427.5 | 1.91 | 990.0 | 0.36 |
450.0 | 1.87 | 1012.5 | 0.29 |
472.5 | 1.82 | 1035.0 | 0.21 |
495.0 | 1.78 | 1057.5 | 0.14 |
517.5 | 1.73 | 1080.0 | 0.07 |
540.0 | 1.68 | 1100.0 | 0.00 |
本实施例中,结晶器窄面铜板的工作面沿其宽度方向为水平结构,沿其高度方向设计为曲面结构,曲面沿高度方向各处的补偿值为C1,窄面铜板背面及两侧面5均为直线结构。
本实施例中,结晶器窄面铜板的冷却水槽2为圆形结构,共设计4个水槽,均沿结晶器高度方向竖直贯通分布;其中,中部2个水槽直径选为13mm,边部2个水槽的直径选为15mm,各水槽以窄面铜板横向宽度中心线为对称分布,且各水槽横截面中心的连线整体呈凹向工作面的高斯曲线结构,高斯曲线分布函数确定为坐标系以结晶器上口内表面角部点为原点,x为沿结晶器窄面铜板宽度方向,y沿窄面铜板厚度方向,由内表面工作面指向铜板背面。其中,结晶器上口或下口的中间2个水槽横截面中心连线到窄面铜板工作面的距离l4为27.6mm。窄面铜板边部2个水槽分别到窄面铜板各自侧面距离l5为5.5mm,最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线与最靠近铜板侧面的2个水槽中心连线的距离Δl为4.1mm,4个水槽沿窄面铜板宽度方向等间距分布。
本实施例中,结晶器窄面铜板使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口4的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。
本实施例中,窄面铜板内表面采用沿高度方向迎合铸坯向宽度中心方向凝固收缩曲线分布的曲面结构设计和水槽横向中心连线高斯曲线分布并增大边部水槽尺寸的设计,一方面实现了结晶器窄面铜板对薄板坯凝固过程沿宽面中心方向收缩的有效补偿,另一方面边部水槽结构更靠近铸坯角部设计,加速了结晶器内铸坯角部区域传热速度。实际实施该结晶器,铸坯角部在结晶器中下部的冷却速度可全程可高达15.3℃/s,可有效实现薄板坯凝固过程角部微合金碳氮化物弥散析出,从而提高铸坯角部组织塑性,降低微合金钢薄板坯连铸过程边角部裂纹产生。
实现上述角部高效薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,流程图如图3所示,具体包括以下步骤:
步骤1、选择合适有限元商业软件,并根据现场实际微合金钢直角薄板坯断面尺寸及相应断面下的传统窄面平板、宽面漏斗结晶器铜板结构,建立1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型,其中薄板坯三维实体模型的高度为结晶器长度的1.2~1.5倍,铸坯下端位于结晶器弯月面处。
本实施例中,所选用的有限元商业软件为Ansys,根据钢厂实际主流微合金钢连铸坯生产的1230mm×90mm断面尺寸,分别建立结晶器和铸坯1/4三维实体模型,其中结晶器结构选择现场实际宽面和窄面(平板)铜板结构,铸坯长度确定为1.5m;铸坯实体下端位于结晶器弯月面处。
步骤2、对建立的1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型进行网格划分,并为相应的单元设定模拟钢种及结晶器传热与力学属性,具体如下:
步骤2-1、采用非均匀网格划分方法,对靠近表面0~20mm范围内的铸坯表层网格进行加密,并且由铸坯宽、窄面中心向角部方向逐渐加密方式处理,铸坯内层网格可划分较为疏松;
步骤2-2、采用自由划分网格方法通过设定结晶器铜板各边界结构线网格单元长度方式自由划分薄板坯结晶器宽面和窄面铜板;本实施例中,铜板直线结构单元长度选5mm,非直线结构单元长度选2mm;
步骤2-3、根据所模拟计算钢种成分及铜板铜合金构成,采用查阅方式确定对应钢种的导热系数、密度、焓、弹性模量、泊松比参数,将其分别对应赋予铸坯和结晶器铜板单元属性。
本实施例中,所选取的微合金钢成分如表2所示。
表2微合金钢成分表
元素 | C | Mn | Si | P | S | AlS | V | Nb |
含量,% | 0.07 | 1.50 | 0.30 | 0.020 | 0.008 | 0.035 | 0.065 | 0.030 |
步骤3、设定结晶器铜板及结晶器内铸坯三维传热与力学边界条件,采用传热与受力实时耦合方法,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态三维热/力耦合分析模型,模拟微合金钢薄板坯连铸过程中结晶器内铸坯动态凝固传热与变形收缩行为;具体如下:
步骤3-1、基于Ansys有限元商业软件,分别选定结晶器铜板以及连铸坯单元的三维传热控制方程为:
其中,ρ表示钢或铜的密度,c表示钢或铜的比热,λ表示钢或铜的导热系数,t表示时间,T表示温度,x表示1/4三维实体模型所在坐标系的x坐标,y表示1/4三维实体模型所在坐标系的y坐标,z表示1/4三维实体模型所在坐标系的z坐标;
步骤3-2、基于Ansys有限元商业软件,选定铜板力学控制方程为三维弹塑性本构方程,铸坯力学控制方程为Anand率相关本构方程;
Anand率相关本构方程如下:
其中,表示等效非弹性应变率,A为指前因子,1/s;QA为粘塑性变形激活能与气体常数的比值,K;ξ为应力乘子;m为应变敏感指数;表示等效应力;
s为变形阻抗,MPa;s的演变式为:
式中,表示与时间有关的变形阻抗导数,h0为硬化/软化常数,MPa;为给定温度和应变率时S的饱和值,MPa;n应变阻抗饱和值的应变率灵敏度;α为与硬化/软化相关的应变率敏感指数;
本实施例中,s的初始值为43MPa,QA取32514K,A取1.0×10111/s,ξ取1.15,m取0.147,h0取1329MPa,取147.6MPa,n取0.06869,α取1;
步骤3-3、假设结晶器弯月面区域保护渣厚度相同,根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度,计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度,并设定其为初始厚度;
本实施例中,经计算,保护渣膜在结晶器弯月面区域的厚度为0.23mm;
步骤3-4、假设结晶器弯月面铸坯表面与对应结晶器铜板温度分布均均匀,且弯月面处铸坯单元初始温度为钢水浇注温度,铜板温度根据实际拉速设定为270℃,设定铸坯/结晶器界面间隙均为0.23mm;
步骤3-5、设定铸坯及结晶器传热边界条件,具体如下:
设定结晶器铜板水槽传热为对流传热,其传热边界由对流传热系数施加;
施加公式如下:
其中,hw为水槽与冷却水的对流传热系数,W/(m2·℃);λw为冷却水导热系数,W/(m·℃);dw为水槽当量直径,m;ρw为冷却水密度,kg/m3;uw为冷却水流速,m/s;μw为冷却水黏度,Pa·s;cw为冷却水比热,J/(kg·℃);
结晶器铜板及铸坯的宽面中心对称面、窄面中心对称面、铜板背板与不锈钢背板想接触区域、结晶器上口、结晶器下口的热流均设为0;
铸坯表面与结晶器热面的传热边界条件采用热流方式施加,具体如下:
步骤3-5-1、提取铸坯及其铜板表面各单元节点温度以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度;
本实施例中,初始间隙宽度为0.23mm,而后在计算过程中由上一步计算铸坯变形行为结果给出铸坯表面到对应铜板工作面的垂直距离;
步骤3-5-2、判定铸坯表面与保护渣凝固温度间的关系,若当前铸坯表面节点温度高于保护渣凝固温度,则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣,转步骤3-5-3;反之,铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣,转步骤3-5-4;
本实施例中,结晶器保护渣的凝固温度选为1080℃;
步骤3-5-3、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性,利用流经液渣层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的热流,并分别对各实体表面单元逐个施加对应的热流值;
具体热流计算公式如下:
液渣层热阻:
式中,为液渣层导热热阻,为液渣层辐射热阻,Rliquid为液渣层热阻,dliquid液渣层厚度,kliquid为液渣的导热系数,σ为波兹曼常数,Eliquid为液渣的消光系数,nliquid为液渣的折射率,εshell为铸坯的发射率,εf为保护渣的发射率,Tshell为铸坯表面温度,℃,Tsol为保护渣凝固温度,℃;
固渣层热阻:
式中,为固渣层导热热阻,为固渣层辐射热阻,Rsolid为固渣层热阻,dsolid固渣层厚度,ksolid为固渣的导热系数,Esolid为固渣的消光系数,nsolid为固渣的折射率,εmold为结晶器铜板的发射率,Tm/m为结晶器热面-固渣界面温度,℃;
式中,Tm为铜板热面温度,℃;dflux为保护渣的厚度;
式中,q为铸坯-结晶器界面热流;
步骤3-5-4、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性,利用流经气隙层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的传热系数,并分别对各实体表面单元逐个施加对应传热系数;
具体热流计算公式如下:
式中,为气隙层导热热阻,为气隙层辐射热阻,Rair为气隙层热阻,dair气隙层厚度,kair为气隙的导热系数,Ta/m为气隙-固渣界面温度,℃;
式中,dt为铸坯-结晶器界面间隙宽度;
步骤3-6、设定铸坯及结晶器力学边界条件,具体如下:
铸坯宽面对称面设定为沿铸坯窄面方向的位移分别为0,铸坯窄面对称面与宽面方向的位移分别为0,铸坯以拉速4.0m/min为速度边界条件向结晶器出口方向竖直运动;
钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元;
铸坯与铜板接触行为采用刚-柔接触分析算法设置;
结晶器宽面与窄面铜板固定不动;
步骤3-7、根据步骤3-1至步骤3-6,铸坯采用生死单元控制方法,即当铸坯处于结晶器内时,铸坯对应的单元处于激活状态,若铸坯处于弯月面以上或出结晶器,则冻结铸坯对应单元,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态热/力实时耦合分析模型;
步骤3-8、将实际微合金钢薄板坯连铸生产工艺参数输入至分析模型,模拟分析微合金钢薄板坯连铸过程结晶器内铸坯传热及收缩变形行为,所述的工艺参数包括:拉速、钢水浇铸温度、结晶器宽面与窄面冷却水流速、结晶器宽面与窄面冷却水温度、结晶器宽面与窄面冷却水入口与出口温差、保护渣消耗量、保护渣凝固温度;
本实施例中,连铸生产工艺参数具体为:钢水浇铸温度为1547℃、结晶器冷却水流速为8.4m/s、结晶器冷却水温度取35℃,宽面和窄面水温差选5.2℃,其他参数见上文;
步骤3-9、判断铸坯实体末端是否已经进入结晶器弯月面,若是,则执行步骤4,否则,执行步骤3-5;
步骤4、根据模拟铸坯传热及收缩变形行为的结果,确定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量,并设定其为窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线。
本实施例最终确定窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线如表1所示。
步骤5、参照对应薄板坯产线原窄面结晶器铜板水槽当量直径,设定其为本发明结晶器铜板中部区域圆形横截面水槽尺寸,角部区域冷却水槽截面尺寸设计为中部区域的1.0~1.2倍。
本实施例,靠近铜板横向中心线2个水槽的直径为φ=13mm,靠近边部2个水槽的直径为φ=15mm。
步骤6、确定结晶器冷却水槽中心连线分布曲线。
在本实施例中,该分布曲线选为:分布函数坐标系以结晶器上口内表面角部点为原点,x沿窄面铜板宽度方向,y沿窄面铜板厚度方向,由铜板工作面指向背面。
步骤7、采用步骤1~步骤3的方法,计算并考察所设计工作面沿高度方向补偿曲线及水槽分布形式的曲面结晶器铜板冷却的均匀性和铸坯边角部温度场分布,确定横截面温度场分布最均匀、铸坯角部冷却速度超过微合金碳氮化物弥散化析出冷却速度的水槽分布结构为结晶器窄面铜板水槽分布结构,完成角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器设计。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (5)
1.一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器,其特征在于:所述结晶器的窄面铜板,其内表面工作面(1)沿横向为直线结构、沿高度方向为迎合薄板坯窄面沿宽度中心方向凝固收缩特性的连续变化曲面结构,铜板背面侧及两个侧面(5)均为直线结构;
所述窄面铜板为上口宽下口窄结构,根据所连铸生产的铸坯厚度,窄面铜板的(3)与下口(4)的宽度差为0.2mm~1.0mm,由上口(3)沿其高度方向线性减小至下口(4);窄面铜板厚度越大,其上口(3)与下口(4)宽度差越大;窄面铜板上口(3)与下口(4)的厚度相同,窄面铜板高度方向上的中部区域厚度为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值;窄面铜板的高度范围为900mm~1300mm;
所述窄面铜板的冷却水槽(2)为圆形结构,且沿结晶器高度方向呈竖直状分布,水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定,靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍;各水槽横截面中心连线整体呈凹向工作面的高斯曲线或圆弧形结构,并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布;窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽横截面中心连线与最靠近侧面的2个水槽横截面中心连线的距离变化范围为2.0mm~15.0mm,窄面铜板宽度中心线处水槽中心或者最靠近铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到工作面(1)的距离为20.0mm~30.0mm;最靠近窄面铜板侧面的水槽距离对应侧面5.0mm~10.0mm,其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿窄面铜板宽度方向等间距分布;
所述结晶器的窄面铜板适用于连铸断面厚度为50mm~135mm的所有薄板坯,其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口(4)的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。
2.一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,用于实现如权利要求1所述的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计,其特征在于:该方法包括以下步骤:
步骤1、选择合适有限元商业软件,并根据现场实际微合金钢直角薄板坯断面尺寸及相应断面下的传统窄面平板、宽面漏斗结晶器铜板结构,建立1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型,其中薄板坯三维实体模型的高度为结晶器长度的1.2~1.5倍,铸坯下端位于结晶器弯月面处;
步骤2、对建立的1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型进行网格划分,并为相应的单元设定模拟钢种及结晶器传热与力学属性;
步骤3、设定结晶器铜板及结晶器内铸坯三维传热与力学边界条件,采用传热与受力实时耦合方法,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态三维热/力耦合分析模型,模拟微合金钢薄板坯连铸过程中结晶器内铸坯动态凝固传热与变形收缩行为;
步骤4、根据铸坯传热及收缩变形行为的模拟结果,确定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量,并设定其为窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线;
步骤5、参照对应薄板坯产线原窄面结晶器铜板水槽当量直径,设定其为结晶器窄面铜板中部区域圆形横截面水槽尺寸,角部区域冷却水槽横截面尺寸设计为中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍;
步骤6、确定结晶器冷却水槽中心连线分布曲线;
步骤7、采用步骤1~步骤3的方法,计算并考察所设计工作面沿高度方向补偿曲线及水槽分布形式的曲面结晶器铜板冷却的均匀性和铸坯边角部温度场分布,确定横截面温度场分布最均匀、铸坯角部冷却速度超过微合金碳氮化物弥散化析出冷却速度的水槽分布结构为结晶器窄面铜板水槽分布结构,完成角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器设计。
3.根据权利要求2所述的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,其特征在于:所述步骤2的具体方法如下:
步骤2-1、采用非均匀网格划分方法,对靠近表面0~20mm范围内的铸坯表层网格进行加密,并且由铸坯宽、窄面中心向角部方向逐渐加密方式处理,铸坯内层网格可划分较为疏松;
步骤2-2、采用自由划分网格方法通过设定结晶器铜板各边界结构线网格单元长度方式自由划分薄板坯结晶器宽面和窄面铜板;
步骤2-3、根据所模拟计算钢种成分及铜板铜合金构成,采用查阅方式确定对应钢种的导热系数、密度、焓、弹性模量、泊松比参数,将其分别对应赋予铸坯和结晶器铜板单元属性。
4.根据权利要求3所述的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,其特征在于:所述步骤3的具体方法如下:
步骤3-1、基于所选取的有限元商业软件,分别选定结晶器铜板以及连铸坯单元的三维传热控制方程;
步骤3-2、基于所选择的有限元商业软件,选定铜板力学控制方程为三维弹塑性本构方程,铸坯力学控制方程为Anand率相关本构方程;
步骤3-3、假设结晶器弯月面区域保护渣厚度相同,根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度,计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度,并设定其为初始厚度;
步骤3-4、假设结晶器弯月面铸坯表面与对应结晶器铜板温度分布均均匀,且弯月面处铸坯单元初始温度为钢水浇注温度,铜板温度根据实际拉速设定为200℃~290℃,设定铸坯/结晶器界面间隙均为保护渣膜初始厚度;
步骤3-5、设定铸坯及结晶器传热边界条件,具体如下:
设定结晶器铜板水槽传热为对流传热,其传热边界由对流传热系数施加;
结晶器铜板及铸坯的宽面中心对称面、窄面中心对称面、铜板背板与不锈钢背板相接触区域、结晶器上口、结晶器下口的热流均设为0;
铸坯表面与结晶器热面的传热边界条件采用热流形式施加;
步骤3-6、设定铸坯及结晶器力学边界条件,具体如下:
铸坯宽面对称面沿铸坯窄面方向的位移设定为0,铸坯窄面对称面沿铸坯宽面方向的位移设定为0,铸坯以拉速为速度边界条件向结晶器出口方向竖直运动;
钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元;
铸坯与铜板接触行为采用刚-柔接触分析算法设置;
结晶器宽面与窄面铜板固定不动;
步骤3-7、根据步骤3-1至步骤3-6,铸坯采用生死单元控制方法,即当铸坯处于结晶器内时,铸坯对应的单元处于激活状态,若铸坯处于弯月面以上或出结晶器,则冻结铸坯对应单元,建立薄板坯及其结晶器系统非稳态热/力实时耦合分析模型;
步骤3-8、将实际微合金钢薄板坯连铸生产工艺参数输入至分析模型,模拟分析微合金钢薄板坯连铸过程结晶器内铸坯传热及收缩变形行为,所述的工艺参数包括:拉速、钢水浇铸温度、结晶器宽面与窄面冷却水流速、结晶器宽面与窄面冷却水温度、结晶器宽面与窄面冷却水入口与出口温差、保护渣消耗量、保护渣凝固温度;
步骤3-9、判断铸坯实体末端是否已经进入结晶器弯月面,若是,则执行步骤4,否则,执行步骤3-5。
5.根据权利要求4所述的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法,其特征在于:所述步骤3-5中铸坯表面与结晶器热面的传热边界条件采用热流形式施加,具体如下:
步骤3-5-1、提取铸坯及其对应位置处铜板的表面各单元节点温度以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度;
步骤3-5-2、判定铸坯表面与保护渣凝固温度间的关系,若当前铸坯表面节点温度高于保护渣凝固温度,则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣,转步骤3-5-3;反之,铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣,转步骤3-5-4;
步骤3-5-3、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性,利用流经液渣层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的热流,并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值;
步骤3-5-4、提取铸坯表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜板热面温度,基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性,利用流经气隙层与固渣层的热流相原理,计算获得铸坯表面与对应铜板热面单元的热流,并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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