CN115351256A - 确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，包括如下步骤：在连铸坯表面淬冷过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力；其中，连铸坯热量释放能力是指在淬冷过程中，能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标；将表面淬冷过程中得到的连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间。利用本发明能够解决现有技术中，摸索淬冷时间方法存在覆盖影响淬冷工艺的各个因素的现象，致使实验周期和费用大，以及无法达到淬冷多因素的系统最优化效果等问题。
Description
技术领域
本发明涉及连铸加工技术领域，更为具体地，涉及一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法。
背景技术
连铸过程表面淬冷技术是解决品种钢连铸坯高温热送表面热裂或者宽厚板边角裂纹的有效技术，能显著提高生产效率，降低生产成本。表面淬冷过程仿真模型对于表面淬冷工艺参数的定量化研究以及设备选型设计等都有重要的作用，可以显著提高设计的有效性和质量，从而保证表面淬冷技术最终的使用效果。
在连铸过程表面淬冷，淬冷开始温度、淬冷介质温度、淬冷介质流量或者淬冷介质量等工艺参数对淬冷结果都会有显著的影响，而表面淬冷的淬冷时间是一个更关键的工艺参数，直接关系了淬冷深度和淬冷效果，如果淬冷时间太短，则淬冷深度不够；如果淬冷时间太长，则可能带来铸坯缺陷。
目前针对淬冷时间的摸索，基本上有两种思路，一种是在工业上直接进行连铸坯的表面淬冷实验，然后通过低倍的方式以淬冷圈的深度来把握淬冷时间；另一种是利用淬冷传热计算模型，依据一定的淬冷深度标准以及工艺上给定的淬冷深度要求来定量得到淬冷深度。
上述两种淬冷时间的摸索方法中，第一种是有效的，但会覆盖影响淬冷工艺的各个因素，如果想要考虑所有因素，则需要大量的工业实验，实验周期和费用都会是巨大的；另一种方法可以模拟不同的因素，但导向是淬冷深度，并不能达到淬冷多因素的系统最优化。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，以解决现有技术中，摸索淬冷时间方法存在覆盖影响淬冷工艺的各个因素的现象，致使实验周期和费用大，以及无法达到淬冷多因素的系统最优化效果等问题。
本发明提供一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，包括如下步骤：
S1、在连铸坯表面淬冷过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力；其中，所述连铸坯热量释放能力是指在淬冷过程中，能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标；
S2、将表面淬冷过程中得到的所述连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间。
此外，优选的方案是，所述连铸坯热量释放能力包括连铸坯的平均热流、连铸坯的表面释放总热量、采用槽式淬冷方式时的淬冷介质的温升值中的至少一种能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标。
此外，优选的方案是，当所述连铸坯热量释放能力为连铸坯的平均热流时，在连铸坯淬冷的过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯的平均热流的方法，包括如下步骤：
通过温度场计算模型对连铸坯表面淬冷过程的温度场进行实时跟踪计算，得到连续变化的铸坯温度场；
根据所述连续变化的铸坯温度场、淬冷介质初始温度和连铸坯表面换热系数，计算淬冷时间内预设时间周期间隔的各时间点对应的连铸坯的平均热流。
此外，优选的方案是，所述连铸坯表面淬冷过程的边界换热采用第三类边界条件；其中，所述第三类边界条件为：
q＝h*(Tsurface-Twater)；其中，
q为热流，h为连铸坯表面换热系数，Tsurface为连铸坯的表面温度，Twater为淬冷介质上个预设时间周期结束时的温度；当计算连铸坯在第一个预设时间周期内的热流时，淬冷介质的上个预设时间周期的温度为淬冷介质初始温度。
此外，优选的方案是，所述温度场计算模型采用转换温度和转换热焓法对连铸坯的温度场进行计算，包括如下计算公式：
传热微分简化公式：
其中，ρ为连铸坯的密度，t为传热时间，λ0是参考温度T0下的导热系数，φ为转换温度，H为热焓；
热焓的计算公式为：
其中，T0是任选的参考温度，H0是对应的参考热焓，L为凝固潜热，cp(τ)为温度τ下的比热，fs为固相率；
转换温度与温度对应关系公式为：
其中，λ0是参考温度T0下的导热系数；λ(t)为温度t下的导热系数。
此外，优选的方案是，所述连铸坯的平均热流的计算公式为：
其中，qave为连铸坯的平均热流，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，n为计算网格的数量。
此外，优选的方案是，当所述连铸坯热量释放能力为连铸坯的表面释放总热量时，所述连铸坯的表面释放总热量的计算公式为：
Q＝qave·2(a+b)L·Δt；或，
其中，Q为连铸坯的表面释放总热量，qave为连铸坯的平均热流，a、b分别为连铸坯的断面厚度和宽度，L为连铸坯的定尺长度，△t为预设时间周期，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，ΔSi为计算网格的面积。
此外，优选的方案是，当所述连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，所述淬冷介质的温升值的计算公式为：
△T＝Qw/(W*Cp)；
其中，Qw＝Q*η；
其中，△T为淬冷介质的温升值，Qw为从连铸坯内导出热量被淬冷介质吸收的部分热量，Q为连铸坯的表面释放总热量，η为预设有效系数，W为淬冷介质的容量，Cp为淬冷介质的比热。
此外，优选的方案是，当所述连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，所述淬冷介质的温升值的获取方法为：
通过在淬冷装置的内部设置温度检测装置，实时跟踪连铸坯表面淬冷过程中淬冷介质的温度变化数据；
根据所述淬冷介质的温度变化数据，得到预设时间周期内所述淬冷介质的温升值。
此外，优选的方案是，所述淬冷介质为水；和/或，所述预设时间周期为0.5-2s。
从上面的技术方案可知，本发明提供的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，通过在连铸坯表面淬冷过程中设定预设时间周期，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力，然后将表面淬冷过程中得到的连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间，确定最优淬冷时间的周期短、费用低；在获得表面淬冷系统最优时间后，基本可以确定理论上最优淬冷时间，据此进一步优化其他淬冷工艺因素，可以达到多因素的优化工艺效果。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例1中的不同指标在淬冷过程的变化趋势图；
图3为根据本发明实施例2中的不同工况下连铸坯预设时间周期内释放总热量的趋势图。
在附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
针对前述提出的在现有技术中，摸索淬冷时间方法存在覆盖影响淬冷工艺的各个因素的现象，致使实验周期和费用大，以及无法达到淬冷多因素的系统最优化效果等问题，提出了一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
为了说明本发明提供的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，图1示出了根据本发明实施例的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法的流程；图2示出了根据本发明实施例1中的不同指标在淬冷过程的变化趋势；图3示出了根据本发明实施例2中的不同工况下连铸坯预设时间周期内释放总热量的趋势。
如图1至图3共同所示，本发明提供的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，包括如下步骤：
S1、在连铸坯表面淬冷过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力；其中，连铸坯热量释放能力是指在淬冷过程中，能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标；
S2、将表面淬冷过程中得到的连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间。
本发明从表面淬冷系统最优化角度，给出一种在任何初始工控下(包括淬冷开始铸坯温度、淬冷介质的初始温度、针对喷淋式淬冷的淬冷介质的流量，以及针对冷却槽式淬冷的槽内淬冷介质的容量等)，最优或者最短淬冷时间的确定方法。具体来说就是利用表面淬冷过程中，设定预设时间周期的情况下，每个预设时间周期从连铸坯热量释放能力的最大值出现的时间作为最优淬冷时间。从机理上说，淬冷开始后从连铸坯表面释放的热量会不断增加，给距离连铸坯表面一定厚度区域内带来极大的冷却速率，从而或者改善组织的效果，当到某个时刻后，连铸坯表面释放的热量会逐渐下降，代表内部的热量已经无法快速导出，此时距离铸坯表面一定区域内的冷却速率开始下降，冷却效果减弱，甚至局部区域会出现温度的回升，不在有淬冷效果。
作为本发明的一个优选方案，连铸坯热量释放能力包括连铸坯的平均热流、连铸坯的表面释放总热量、采用槽式淬冷方式时的淬冷介质的温升值中的至少一种能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标。
能客观具体反应表面淬冷过程中周期性连铸坯热量释放能力的指标至少有以下三个，分别为连铸坯的平均热流、连铸坯的表面释放总热量、采用槽式淬冷方式时的淬冷介质的温升值中的至少一种能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标。因此依据每个预设时间周期内从铸坯表面换热能力最大值出现的时间作为最优淬冷时间。
作为本发明的一个优选方案，当连铸坯热量释放能力为连铸坯的平均热流时，在连铸坯淬冷的过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯的平均热流的方法，包括如下步骤：
通过温度场计算模型对连铸坯表面淬冷过程的温度场进行实时跟踪计算，得到连续变化的铸坯温度场；
根据连续变化的铸坯温度场、淬冷介质初始温度和连铸坯表面换热系数，计算淬冷时间内预设时间周期间隔的各时间点对应的连铸坯的平均热流。
每个预设时间周期间隔的各时间点对应的连铸坯的平均热流，能够反应从铸坯表面释放热量的能力。因此以每个预设时间周期间隔的各时间点对应的连铸坯的平均热流的最大值出现的时间作为最优淬冷时间。
作为本发明的一个优选方案，连铸坯表面淬冷过程的边界换热采用第三类边界条件；其中，第三类边界条件为：
q＝h*(Tsurface-Twater)；其中，
q为热流，h为连铸坯表面换热系数，Tsurface为连铸坯的表面温度，Twater为淬冷介质上个预设时间周期结束时的温度；当计算连铸坯在第一个预设时间周期内的热流时，淬冷介质的上个预设时间周期的温度为淬冷介质初始温度。
作为本发明的一个优选方案，温度场计算模型采用转换温度和转换热焓法对连铸坯的温度场进行计算，包括如下计算公式：
传热微分简化公式：
其中，ρ为连铸坯的密度，t为传热时间，λ0是参考温度T0下的导热系数，φ为转换温度，H为热焓；
热焓的计算公式为：
其中，T0是任选的参考温度，H0是对应的参考热焓，L为凝固潜热，cp(τ)为温度τ下的比热，fs为固相率；
转换温度与温度对应关系公式为：
其中，λ0是参考温度T0下的导热系数；λ(t)为温度t下的导热系数。
作为本发明的一个优选方案，连铸坯的平均热流的计算公式为：
其中，qave为连铸坯的平均热流，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，n为计算网格的数量。
在连铸表面淬冷过程计算中，连铸坯的初始温度由模型跟踪而来，保证了实际铸坯温度场分布更加合适；淬冷开始的铸坯表面温度即为表面淬冷开始温度；冷却水的初始温度为给定；换热系数为通过各种方式测定得到，也为已知参数。通过此表面淬冷计算模型就可以对表面淬冷过程进行模拟计算，得到各预设时间周期的温度场及各种关键的过程变量。
作为本发明的一个优选方案，当连铸坯热量释放能力为连铸坯的表面释放总热量时，连铸坯的表面释放总热量的计算公式为：
Q＝qave·2(a+b)L·Δt；或，
其中，Q为连铸坯的表面释放总热量，qave为连铸坯的平均热流，a、b分别为连铸坯的断面厚度和宽度，L为连铸坯的定尺长度，△t为预设时间周期，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，ΔSi为计算网格的面积。
每个预设时间周期从铸坯表面释放总热量，反应了释放热量的量。因此以每个预设时间周期内从铸坯表面释放总热量的最大值出现的时间作为最优淬冷时间。
作为本发明的一个优选方案，当连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，淬冷介质的温升值的计算公式为：
△T＝Qw/(W*Cp)；
其中，Qw＝Q*η；
其中，△T为淬冷介质的温升值，Qw为从连铸坯内导出热量被淬冷介质吸收的部分热量，Q为连铸坯的表面释放总热量，η为预设有效系数，W为淬冷介质的容量，Cp为淬冷介质的比热。
显然在上面的计算过程中，如果是喷淋式淬冷形式，则淬冷介质的温度始终不变，即为初始温度；如果是冷却槽式冷却，则淬冷介质的温度得来有两种方法，一种为通过实测得到，然后替换模型中的淬冷介质的初始温度即可；另一种是通过预设时间周期内铸坯释放的热量和淬冷介质升温吸收的热量平衡或者近似平衡，建立模型周期实时计算淬冷介质温度的功能。
在水冷槽式表面淬冷模式中，淬冷介质的温升值也是每个预设时间周期铸坯释放热量的指标。因此以每个预设时间周期内淬冷介质的温升值的最大值出现的时间作为最优淬冷时间。
作为本发明的一个优选方案，当连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，淬冷介质的温升值的获取方法为：
通过在淬冷装置的内部设置温度检测装置，实时跟踪连铸坯表面淬冷过程中淬冷介质的温度变化数据；
根据淬冷介质的温度变化数据，得到预设时间周期内淬冷介质的温升值。
在实际连铸坯表面淬冷生产中，针对水冷槽式表面淬冷，淬冷过程中水冷槽内冷却水的水温变化是可以实测的，据此可以得到每个预设时间周期的淬冷介质的温升值，以每个预设时间周期内淬冷介质的温升值的最大值出现的时间作为最优淬冷时间。
作为本发明的一个优选方案，淬冷介质为水；和/或，预设时间周期为0.5-2s。
以下示例将对本发明予以进一步的说明，以便本领域人员更好的理解本发明的优点和特征。
实施例1：
以某厂小方坯连铸水冷槽式淬冷工业生产为例，其中连铸坯断面为180mm*180mm，定尺长度为12m，钢种为40Cr。
针对此水冷槽式淬冷，本模型可以直接计算冷却水温升变化，并根据冷却水温度的实时变化确定新的换热系数，做到精确淬冷过程温度模拟计算。
淬冷时间为30s，冷却水初始温度为35℃，通过本表面淬冷模型计算的每个预设时间周期的连铸坯释放热量的平均热流、总热量及冷却水温升的结果如图2所示，从图2中可以看出，在表面淬冷开始后，具有剧烈的换热，因此平均系数、总热量和冷却水温升都在逐渐变大；随着淬冷时间的持续，三个指标出现了最大值，后面就开始下降，这说明淬冷过程换热能力在出现最大值后开始下降，淬冷效果跟着下降，对应连铸坯从表面到内部一定区域的铸坯温降速率降低，甚至局部温度考试出现回升。
图1中，三个指标最大值同步出现在16.2s，根据本发明提供的方法，本工况下表面淬冷的最优时间为16.2s。
实施例2
在淬冷时间为30s情况下，水冷槽内初始水温为35℃和40℃两个工况下总热量在淬冷过程的变化趋势见图3所示。从图3中可以看出，初始水温为35℃的工况，总热量最大值出现在16.2s，初始水温为40℃的工况总热量出现在21.1s。可以看出，工况不一样，淬冷工艺最优淬冷时间不一样，代表淬冷系统最优的点出现的时刻不同。同样，针对初始水温为35℃的工况，换热效率更快，16.2s就达到淬冷系统最大值；而针对初始水温为40℃的工况，换热效率适当更平缓，当21.1s才达到系统最大值。因此，通过本发明提供的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法可以作为工艺淬冷时间确定的优先方法。
通过上述具体实施方式可看出，本发明提供的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，通过在连铸坯表面淬冷过程中设定预设时间周期，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力，然后将表面淬冷过程中得到的连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间，确定最优淬冷时间的周期短、费用低；在获得表面淬冷系统最优时间后，基本可以确定理论上最优淬冷时间，据此进一步优化其他淬冷工艺因素，可以达到多因素的优化工艺效果。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (10)
1.一种确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在连铸坯表面淬冷过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯热量释放能力；其中，所述连铸坯热量释放能力是指在淬冷过程中，能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标；
S2、将表面淬冷过程中得到的所述连铸坯热量释放能力的最大值所对应的时间点作为最优淬冷时间。
2.根据权利要求1所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，所述连铸坯热量释放能力包括连铸坯的平均热流、连铸坯的表面释放总热量、采用槽式淬冷方式时的淬冷介质的温升值中的至少一种能够用于表示连铸坯中的热量导出量的指标。
3.根据权利要求2所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，当所述连铸坯热量释放能力为连铸坯的平均热流时，在连铸坯淬冷的过程中，获取预设时间周期内各时间点对应的连铸坯的平均热流的方法，包括如下步骤：
通过温度场计算模型对连铸坯表面淬冷过程的温度场进行实时跟踪计算，得到连续变化的铸坯温度场；
根据所述连续变化的铸坯温度场、淬冷介质初始温度和连铸坯表面换热系数，计算淬冷时间内预设时间周期间隔的各时间点对应的连铸坯的平均热流。
4.根据权利要求3所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，所述连铸坯表面淬冷过程的边界换热采用第三类边界条件；其中，
所述第三类边界条件为：
q＝h*(Tsurface-Twater)；其中，
q为热流，h为连铸坯表面换热系数，Tsurface为连铸坯的表面温度，Twater为淬冷介质上个预设时间周期结束时的温度；当计算连铸坯在第一个预设时间周期内的热流时，淬冷介质的上个预设时间周期的温度为淬冷介质初始温度。
5.根据权利要求4所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，所述温度场计算模型采用转换温度和转换热焓法对连铸坯的温度场进行计算，包括如下计算公式：
传热微分简化公式：
其中，ρ为连铸坯的密度，t为传热时间，λ0是参考温度T0下的导热系数，φ为转换温度，H为热焓；
热焓的计算公式为：
其中，T0是任选的参考温度，H0是对应的参考热焓，L为凝固潜热，cp(τ)为温度τ下的比热，fs为固相率；
转换温度与温度对应关系公式为：
其中，λ0是参考温度T0下的导热系数；λ(t)为温度t下的导热系数。
6.根据权利要求5所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，所述连铸坯的平均热流的计算公式为：
其中，qave为连铸坯的平均热流，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，n为计算网格的数量。
7.根据权利要求6所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，当所述连铸坯热量释放能力为连铸坯的表面释放总热量时，所述连铸坯的表面释放总热量的计算公式为：
Q＝qave·2(a+b)L·Δt；或，
其中，Q为连铸坯的表面释放总热量，qave为连铸坯的平均热流，a、b分别为连铸坯的断面厚度和宽度，L为连铸坯的定尺长度，△t为预设时间周期，qi为预先设置在连铸坯上的每个计算网格的热流，ΔSi为计算网格的面积。
8.根据权利要求7所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，当所述连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，所述淬冷介质的温升值的计算公式为：
△T＝Qw/(W*Cp)；
其中，Qw＝Q*η；
其中，△T为淬冷介质的温升值，Qw为从连铸坯内导出热量被淬冷介质吸收的部分热量，Q为连铸坯的表面释放总热量，η为预设有效系数，W为淬冷介质的容量，Cp为淬冷介质的比热。
9.根据权利要求1所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，当所述连铸坯热量释放能力为采用槽式淬冷的方式时的淬冷介质的温升值时，所述淬冷介质的温升值的获取方法为：
通过在淬冷装置的内部设置温度检测装置，实时跟踪连铸坯表面淬冷过程中淬冷介质的温度变化数据；
根据所述淬冷介质的温度变化数据，得到预设时间周期内所述淬冷介质的温升值。
10.根据权利要求1所述的确定表面淬冷系统最优淬冷时间的方法，其特征在于，
所述淬冷介质为水；和/或，
所述预设时间周期为0.5-2s。
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