CN111199119A - 连铸异形坯坯头温度模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸异形坯坯头温度模拟方法，包括：将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气等作为一个系统，建立其间的传热模型，考虑了浇注初期冷态结晶器和内冷铁对坯头温度的影响。将连铸过程分为：钢水开始注入结晶器至弯月面位置的出苗阶段，启动铸机进行连续浇注的起步阶段、铸坯长度达到设定值到坯头移出铸机等三个阶段进行模拟。针对多材质传热问题，用有限容积方法建立离散传热方程。本发明提出了校准连铸初期二冷传热系数的方法，即实际测量铸坯横截面上3个点的温度，再与理论计算值对比，通过修正迭代最终获得二冷传热系数。本发明经过现场测温和理论计算，给出了坯头温度分布，为制定连铸工艺提供依据。

Description

连铸异形坯坯头温度模拟方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体地说，涉及连铸异形坯坯头温度模拟方法。

背景技术

异形坯连铸是一项近终型的钢材生产技术，异形坯是指接近H型钢最终产品形状和尺寸的连铸坯。由异形坯生产的轧材在建筑、桥梁等领域有着广泛的应用。中冶南方连铸公司为某钢厂设计了国内最大断面(1200×500×90mm)的异形坯连铸机，该厂用此断面的铸坯轧制云轨，用于城市轨道建设，具有很好的经济和社会效益前景。2019年5月，该钢厂试生产了这种异形坯，在此之前，没有任何经验可以借鉴。试生产过程中，发现在制定工艺时尚缺乏一些科学计算依据，连铸工艺制定的不合理。由于铸坯坯头温度过低，铸坯不能矫直，无法通过拉矫机，造成停机事故，发生了卧坯现象。发生这类事故后，由于异形坯连铸机结构复杂，特别是铸坯产生收缩后可能卡在结晶器中，如果不能及时将铸坯移出，结晶器将会报废，事故清理也非常困难，可能造成上百万元的经济损失。

在连铸坯生产中，为了使得钢水快速凝固、保证初生坯壳安全地拉出结晶器，浇注之前在结晶器中放置了内冷铁。如何保证这些内冷铁能够与钢水很好地结合在一起，需要研究出苗浇注时间、冷料用量和布置等工艺参数的影响。出苗时间指从钢水开始注入结晶器、液面逐渐上升到弯月面位置，到启动铸机开始拉坯的这段时间。铸机起步以后，如何保证不拉漏钢，需要制定合理的升速曲线，同时还要控制好开浇水量、控制坯头的二次冷却，保证铸坯恰当冷却，能够进行矫直、顺畅地通过拉矫机，确定这些连铸工艺参数都需要进行坯头温度场的计算。

另一个方面，特别是对于异形坯，其翼缘部分冷却快，温度低，造成铸坯在矫直过程中变形抗力大。在设计铸机，必须知道铸坯的温度场以确定材料的力学性能参数，才能进行矫直力计算。

目前针对铸坯的温度场计算，都没有考虑内冷铁对铸坯温度的影响。而且在出苗阶段，结晶器还是冷态的，结晶器铜板需要吸收一定的热量才能到达热态，这必然对坯头温度产生影响。其次，铸机起步后，刚开始进行连续浇铸，设备还处于冷态、尚未达到稳态传热，铸坯的二次冷却也不同于稳定浇注下的冷却，需要掌握连铸初期的热交换情况。因此，截至目前，还未有较好的连铸坯坯头温度模拟方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了铸坯从结晶器诞生到运动到拉矫机这一过程中的传热计算和验证方法。建立一套三维传热计算方法，充分考虑在结晶器内钢水、内冷铁和结晶器铜板的传热问题。具体方案如下：

一种连铸异形坯坯头温度模拟方法，将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气作为一个系统，建立相互之间的温度计算模型，包括以下步骤：

S1，建立异形坯坯头温度计算模型，包括材料：结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水、空气；

S2，对异形坯坯头温度模型划分正交网格单元，将结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气分别划分成连续且互不重叠的正交网格单元，并为各材料的网格单元编号，同一材料的网格单元编号相同，并且，在拉坯方向上采用等距网格，结晶器和铸坯的正交网格层层对应，与冷却水、空气的网格单元相邻的网格单元为边界单元；

S3，设定包括密度ρ、比热c、导热系数λ物性参数，设定传热边界条件；

S4，模拟连铸过程，按照三个阶段进行模拟，其中，第一阶段的时间间隔为：从钢水开始注入结晶器，直至液面上升到形成弯月面位置的时间，将第一阶段的时间等分形成均匀的时间步长，对应每个时间步长逐层将结晶器内的空气的网格单元编号置换为铸坯的网格单元编号，并在每填充一层网格单元后计算一次整个系统的温度场；

第二阶段是钢水液面到达弯月面位置以后，启动铸机进行连续浇注，铸坯网格单元逐层沿拉坯方向前进，使得每个时间步长沿拉坯方向前进一个网格单元，并将最上面空出来的网格单元设置为新浇铸的铸坯单元，其温度设置为浇铸钢水的温度，拉出结晶器的铸坯单元的传热边界条件由铸坯单元到弯月面的距离来设定，铸坯单元在二冷区的热交换系数与喷水的水流密度相关，每前进一层网格单元计算一次整个系统的温度场；

第三阶段，从铸坯长度达到设定长度到坯头移出铸机的阶段，铸坯网格单元逐层沿拉坯方向前进，使得每个时间步长沿拉坯方向前进一个网格单元，但是在顶面不增加新的铸坯单元，拉出结晶器的铸坯单元的传热边界条件由铸坯单元到弯月面的距离来设定，每前进一层网格单元计算一次温度场。

优选地，采用有限体积法计算坯头的温度场，三维铸坯凝固传热的微分方程如下：

其中，ρ为材料的密度；

c为材料的比热；

λ为材料的导热系数；

L为钢的凝固潜热；

f_s为钢的固相率；

T为温度；

t为时间；

x、y、z为所建立的系统笛卡尔坐标，对于非钢材料，不存在凝固潜热释放，则忽略传热方程右端最后一项。

优选地，铸坯拉出结晶器达到设定长度后，铸坯顶面设为绝热边界，在顶面设置一层属性为绝热材料的网格单元，使得顶面的铸坯单元与实际上存在的连铸坯隔绝开，不再产生热量传递。

优选地，通过与实测温度相比较，反复修正二冷区的热交换系数，直至与实测温度的误差达到设定阈值，其中，选取横断面上R圆角C、窄面表面中心B和腹板表面中心A的模拟温度来与对应点的实测温度值比较。

优选地，铸坯与二冷区的冷却水的二冷换热系数通过以下方式确定：选取异形坯横断面上的腹板表面中心A、窄面表面中心B和横断面上R圆角C三个点为异形坯横断面上的特征点，通过实际测量这三个点的温度，结合二冷区实时的喷淋冷却水的水流密度数据，根据传热计算的求解，获得二冷区的喷水水流密度与热交换系数的关系。

本发明采用控制体积法对多材质组成的传热系统进行正交网格剖分，对于铸坯和结晶器发生相对移动带来的计算困难，提出了采用步进方式，以及在拉坯方向上使用等距网格，逐层移动铸坯的方法，避免铸坯单元与结晶器单元产生交叉，从而简化了计算。并且提出了对不同的材质进行属性编号方法，并根据编号来区别传热边界条件的方法。模型考虑了浇注初期冷态结晶器和内冷铁对坯头温度的影响，更符合实际情况。另外，本发明的坯头温度模拟方法也同样适用于板坯、方坯、圆坯等连铸坯。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的铸坯、结晶器铜板和内冷铁二维正交网格图；

图2是表示本发明实施例的结晶器铜板和内冷铁的三维正交网格图；

图3是表示本发明实施的控制体积的示意图；

图4是表示本发明实施的异形坯的特征点的示意图；

图5是表示本发明实施的铸坯实测与计算温度对比曲线图；

图6是表示本发明实施的内冷铁中心温度变化曲线的示意图；

图7是表示距铸坯端头250mm横断面铸坯温度分布等温线图；

图8是表示距铸坯端头500mm横断面铸坯温度分布等温线图；

图9是表示距铸坯端头1000mm横断面铸坯温度分布等温线图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的连铸异形坯坯头温度模拟方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明的坯头温度模拟方法适用于异形坯、板坯、方坯、圆坯等连铸坯，下文中以异型坯为例来说明其温度模拟过程，对于其它的板坯、方坯、圆坯同样可以采用以下的步骤来进行坯头温度模拟。

本实施例的连铸异形坯坯头温度模拟方法将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气作为一个系统，建立相互之间的温度计算模型，对整个系统进行温度模拟，包括以下步骤：

S1，建立异形坯坯头温度计算模型，包括材料：结晶器铜板1、铸坯2、内冷铁3、引锭头4、结晶器冷却水5、空气，绝热材料。其中，内冷铁3是在结晶器铜板内，结晶器冷却水5在结晶器铜板外，引锭头4是起到底板的作用，在开始浇铸时封住结晶器的底部,钢水浇注到引锭头4与结晶器铜板1形成的空腔内,钢水将与内冷铁3凝固结合在一起，从而可以通过引锭头4将铸坯拉出。其中，空气是指在结晶器内尚未填充钢水的空腔或铸坯拉出结晶器外所接触的空气，通常铸坯拉出结晶器后依次经过二冷区、空冷区。其中绝热材料是指当铸坯到达设定长度后，铸坯顶面设为绝热边界，在顶面设置一层属性为绝热材料的网格单元，使得顶面不再产生热量传递。

S2，采用有限体积法，对异形坯坯头温度模型划分正交网格单元。对结晶器铜板1、内冷铁3、铸坯2、引锭头4、结晶器冷却水5建立有限体积传热计算模型并划分网格单元。具体的是将结晶器铜板1、内冷铁3、铸坯2、引锭头4、结晶器冷却水5分别划分成连续且互不重叠的正交网格单元。对各材料构成的网格单元编号，例如，结晶器铜板的网格单元编号为1，铸坯的网格单元编号为2、内冷铁的网格单元编号为3，引锭头的网格单元编号为4，结晶器冷却水的网格单元为5，空气的网格单元编号为6，绝热材料的网格单元编号为7。不需要计算冷却水5、空气、绝热材料的温度场，在计算循环中可以跳过。与冷却水5、空气、绝热材料的网格单元相邻的网格单元为边界单元。

其中，优选地，在拉坯方向上采用等距网格，结晶器铜板1和铸坯2的正交网格是沿铸坯拉坯方向层层对应的。如图1所示是划分网格单元的结晶器铜板1及其铸坯2的横截面图，其中结晶器铜板1的网格单元由于黑色无法显示出来，其中还包括铸坯2和内冷铁3。为了更加直观，用立体示意图2来表示,立体示意图将铸坯2和冷却水5去掉，还切去了部分水冷结晶器铜板1，仅绘制了划分网格单元的结晶器1和内冷铁3和引锭头4。

S3，设定计算所需物性参数，包括密度ρ、比热c、导热系数λ等，由于铸坯和内冷铁的温度变化较大，随温度变化取其物性参数，其余材料，可以按照常数处理。

设定计算中的传热边界条件，包括：

1)结晶器铜板与冷却水之间的热交换系数取3000W/(m²℃)；

2)铸坯与结晶器铜板之间的传热较为复杂，不同位置有所差别，根据经验取常数2000W/(m²℃)。

S4，模拟连铸过程，按照三个阶段进行温度模拟。其中，第一阶段，钢水开始注入结晶器，液面逐渐上升到形成弯月面位置，启动铸机之前，称之为出苗时间。其中所述弯月面是指在表面张力的作用下液体与结晶器内表面接触处液面发生弯曲后在接触处液面形成的凸月面，在连铸技术领域中指在结晶器中钢水液面的位置，弯月面的形成是坯壳初始凝固的起点。

第一阶段假设钢水液面均速上升至形成弯月面位置，将钢水开始注入到液面逐渐上升到形成弯月面位置的这段时间等分，形成均匀的时间步长，对应每个时间步长内填充一层网格单元(即钢水填充该层网格单元的高度)，随时间步长增加，逐层填充网格单元。对于模型来说，则是随时间步长逐层将结晶器内的空气的网格单元(编号6)置换为铸坯的网格单元编号2，当然其温度也就变为浇铸钢水的温度。

采用数值计算方法求解铸坯凝固传热微分方程：

其中，ρ为材料的密度；

c为材料的比热；

λ为材料的导热系数；

L为钢的凝固潜热；

f_s为钢的固相率；

T为温度；

t为时间；

x、y、z为所建立的系统笛卡尔坐标。对于非钢材料，不存在凝固潜热释放，可忽略传热方程右端最后一项。

以每个时间步长填充一层网格单元的方式，采用有限体积法进行温度场计算，得出浇注一层钢水后的温度分布。重复此计算步骤，直到钢水到达弯月面位置。

第二阶段，钢水液面到达弯月面位置以后，启动铸机，进行连续浇铸的过程。假设铸坯按照阶梯方式逐步沿拉坯方向前进，时间步长根据实际的拉坯速度来确定，使得每个时间步长沿拉坯方向前进一个网格单元。

由于铸坯整体向拉坯方向前进了一个网格单元的距离，则在弯月面位置，将空出来的网格单元设置为新的铸坯单元，其温度设置为浇铸温度，然后按照第一阶段所述的传热微分方程进行计算。需要改变的是边界条件，移出结晶器的铸坯单元将暴露在空气单元中，这时，铸坯的传热边界条件由它所处的冷却区来决定，例如，移出结晶器的铸坯单元进入二冷区，则铸坯单元与二冷区的冷却介质之间进行传热交换。铸坯的传热边界条件由它所处的二冷区的位置和长度决定，二冷区的位置和长度的设定是根据铸坯距离弯月面的距离设定的，所以拉出结晶器的铸坯单元的传热边界条件按照它到弯月面的距离来设定。算出填充一层网格单元后的温度场，如此迭代计算，依次得到每沿拉坯方向前进一层网格单元后的温度场。

第三阶段，铸坯长度达到设定长度(例如5m)至坯头移出铸机的阶段，在此阶段，顶面不再增加新的铸坯单元，其余算法与第二阶段相同。

铸坯与二冷区的冷却水的换热系数可以通过以下方式确定。如图4所示的截面为“H”型的异形坯，腹板表面中心A、窄面表面中心B和R圆角C三个点，为异形坯断面上的特征点。其中R圆角C是指“H”型的异形坯的腹板与翼板交接的大圆角。用这3个点的冷却曲线来描述铸坯的冷却状态。通过实际测量这3个点的温度，绘制这3个点随时间变化的冷却曲线，并结合二冷区实时的喷淋冷却水的水流密度数据，通过传热计算的求解，可以获得二冷区水流密度与热交换系数的关系。其中，铸坯与喷淋水流之间的传热系数关系计算是常用技术，在此不做详述。对于板坯、方坯、圆坯可以按照类似的方法来确定铸坯在二冷区的换热系数。

优选地，为了方便地处理铸坯与结晶器之间的传热，在拉坯方向上，选用等距网格，具体地就是铸坯的网格单元和结晶器的网格单元在拉坯方向上是处于同一层的，不会出现网格交错现象，当铸坯向前移动一个网格单元，则铸坯的网格单元与结晶器的前一层的网格单元对齐。结晶器1、铸坯2、内冷铁3、引锭头4、冷却水5之间根据其位置关系进行传热。

优选地，为了减少计算量，在拉坯方向上取5m长的铸坯，这样可以使得网格单元的总数不超过1千2百万。因此，铸坯拉出结晶器后，不再添加新的铸坯单元，顶面的铸坯单元与外界绝热，也即是设定顶面的铸坯单元与绝热材料邻接，不会产生热量传递。

为了与实测温度相吻合，反复进行计算和修正，结果表明，铸机在冷态条件下的热交换系数与热态相差约25-40％，修改参数后，理论计算与实测温度如图5所示，图中三条曲线分别是横断面上R圆角C、窄面表面中心B和腹板表面中心A的模拟的表面温度曲线，其中的离散点分别是这三个位置的实测温度值，测量时，当坯头通过第一和第二个扇形段(距弯月面分别为5.26m和10.06m)时采用手持测温枪测温，让过1m的冷坯的位置处，测得横断面上R圆角、侧面中心点和腹板中心的表面温度。铸坯出二冷区、进入4台拉矫机前(16.13m、18.48m、20.97m和23.47m)也进行了测温，同样是在让过了1m的冷坯的位置处。从图5中可以看出实测值和模拟计算值基本相符。

根据以上的模拟计算绘制坯头温度分布等温线图(图7至图9)和内冷铁中心的温度变化曲线(图6)。如图7至9所示，其中，斜向剖面线区域代表铜板和包围结晶器铜板的冷却水。由于不能显示彩色温度云图，图7至9中仅以等温线来显示温度。距铸坯坯头250mm处的横断面的铸坯温度分布中，平均温度、最低温度和最高温度分别为623℃，494℃和723℃，距铸坯坯头500mm处的横断面铸坯温度分布中，平均温度、最低温度和最高温度分别为658℃，513℃和769℃，距铸坯坯头1000mm处的横断面铸坯温度分布中，平均温度、最低温度和最高温度分别为653℃，506℃和769℃。

如图6所示，浇注后5分钟，内冷铁的温度达到最高1058℃，以后随铸坯一起冷却，最后降到600℃。根据计算可以看出：第一，内冷铁不会被熔化；第二，内冷铁中心温度略高于1000℃，材料还具有一定的强度。内冷铁起到了冷却周围钢水的作用，同时还起到了“芯骨”作用，对于拉坯起支撑作用。根据本文提出的计算方法，这是第一次揭示了内冷铁和坯头温度变化，为制定和优化工艺提供计算依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连铸异形坯坯头温度模拟方法，其特征在于，将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气作为一个系统，建立相互之间的温度计算模型，包括以下步骤：

S1，建立异形坯坯头温度计算模型，包括材料：结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水、空气；

S2，对异形坯坯头温度模型划分正交网格单元，将结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气分别划分成连续且互不重叠的正交网格单元，并为各材料的网格单元编号，同一材料的网格单元编号相同，并且，在拉坯方向上采用等距网格，结晶器和铸坯的正交网格层层对应，与冷却水、空气的网格单元相邻的网格单元为边界单元；

S3，设定包括密度ρ、比热c、导热系数λ物性参数，设定传热边界条件；

S4，模拟连铸过程，按照三个阶段进行模拟，其中，第一阶段的时间间隔为：从钢水开始注入结晶器，直至液面上升到形成弯月面位置的时间，将第一阶段的时间等分形成均匀的时间步长，对应每个时间步长逐层将结晶器内的空气的网格单元编号置换为铸坯的网格单元编号，并在每填充一层网格单元后计算一次整个系统的温度场；

第二阶段是钢水液面到达弯月面位置以后，启动铸机进行连续浇注，铸坯网格单元逐层沿拉坯方向前进，使得每个时间步长沿拉坯方向前进一个网格单元，并将最上面空出来的网格单元设置为新浇铸的铸坯单元，其温度设置为浇铸钢水的温度，拉出结晶器的铸坯单元的传热边界条件由铸坯单元到弯月面的距离来设定，铸坯单元在二冷区的热交换系数与喷水的水流密度相关，每前进一层网格单元计算一次整个系统的温度场；

第三阶段，从铸坯长度达到设定长度到坯头移出铸机的阶段，铸坯网格单元逐层沿拉坯方向前进，使得每个时间步长沿拉坯方向前进一个网格单元，但是在顶面不增加新的铸坯单元，拉出结晶器的铸坯单元的传热边界条件由铸坯单元到弯月面的距离来设定，每前进一层网格单元计算一次温度场。

2.根据权利要求1所述的连铸异形坯坯头温度模拟方法，其特征在于，采用有限体积法计算坯头的温度场，三维铸坯凝固传热的微分方程如下：

其中，ρ为材料的密度；

c为材料的比热；

λ为材料的导热系数；

L为钢的凝固潜热；

f_s为钢的固相率；

T为温度；

t为时间；

x、y、z为所建立的系统笛卡尔坐标，对于非钢材料，不存在凝固潜热释放，则忽略传热方程右端最后一项。

3.根据权利要求1所述的连铸异形坯坯头温度模拟方法，其特征在于，铸坯拉出结晶器达到设定长度后，铸坯顶面设为绝热边界，在顶面设置一层属性为绝热材料的网格单元，使得顶面的铸坯单元与实际上存在的连铸坯隔绝开，不再产生热量传递。

4.根据权利要求1所述的连铸异形坯坯头温度模拟方法，其特征在于，

通过与实测温度相比较，反复修正二冷区的热交换系数，直至与实测温度的误差达到设定阈值，其中，选取横断面上R圆角C、窄面表面中心B和腹板表面中心A的模拟温度来与对应点的实测温度值比较。

5.根据权利要求1所述的连铸异形坯坯头温度模拟方法，其特征在于，

铸坯与二冷区的冷却水的二冷换热系数通过以下方式确定：选取异形坯横断面上的腹板表面中心A、窄面表面中心B和横断面上R圆角C三个点为异形坯横断面上的特征点，通过实际测量这三个点的温度，结合二冷区实时的喷淋冷却水的水流密度数据，根据传热计算的求解，获得二冷区的喷水水流密度与热交换系数的关系。

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