CN116121548B - 一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备，涉及电渣重熔控制技术领域，包括根据基准局部凝固时间、非影响工艺参数和电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；将当前待定影响工艺参数组分别输入局部凝固时间模型中，得到当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间和判定量；确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组，进而对目标钢种进行电渣重熔批量生产进行控制。本发明能够快速确定电渣重熔中多个工艺参数组对应的铸锭局部凝固时间，进而减少电渣重熔中工艺参数优化配置耗费的时间、人力、成本和资源。
Description
技术领域
本发明涉及电渣重熔控制技术领域，特别是涉及一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备。
背景技术
电渣重熔技术作为高品质特殊钢的重要冶炼手段，支撑着中国高端制造业的高速发展。在电渣重熔过程中，控制铸锭局部凝固时间对于制备组织致密、成分均匀的优质电渣重熔锭至关重要。传统电渣重熔过程的局部凝固时间受诸多工艺参数（例如电极熔化速率、电极填充比或冷却速率等）的影响，无法进行实时测量，难以实现瞬态控制。因此，如何进行工艺参数优化配置，使得电渣重熔铸锭维持在最小局部凝固时间或局部凝固时间，从而实现优质铸锭制备对保证电渣重熔铸锭凝固质量具有重要的现实意义，同时也是电渣重熔工艺亟需解决的难题。
目前，确定局部凝固时间的方法研究较少，主要通过实验方法进行研究，但是实验过程耗时久，成本高，工艺复杂，且一次实验只能确定一个工艺参数组影响下的局部凝固时间；若要完成工艺参数优化配置，使得电渣重熔铸锭维持在最小局部凝固时间或目标局部凝固时间，需要进行大量实验，这无疑需耗费大量时间、人力、成本和资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备，能够快速确定电渣重熔中多个工艺参数组对应的铸锭局部凝固时间，进而确定最适宜生产的工艺参数组，减少了电渣重熔中工艺参数优化配置耗费的时间、人力、成本和资源。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，包括：
选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数；
确定基准影响工艺参数组；
利用所述基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间；
获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；所述非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数；
根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；
获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组；
确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组；
将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间；
确定目标局部凝固时间与所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量；
更新当前待定影响工艺参数组并返回步骤“将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间”，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组；
利用所述最优影响工艺参数组，对批量所述目标钢种进行电渣重熔控制。
可选的，所述影响工艺参数包括电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率。
可选的，根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型，包括：
构建初始局部凝固时间模型；所述初始局部凝固时间模型为LST=MB×λ1×λ2×...×λi；其中，LST表示局部凝固时间；MB表示基准局部凝固时间；λi表示第i种影响工艺参数影响下的相关系数；i=1,..,I；I表示影响工艺参数的总数量；
根据所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，利用ICEM软件构建电渣重熔设备的二维实体模型；
根据所述二维实体模型，利用FLUENT软件建立电渣重熔过程二维稳态数学模型和电极熔化模型；
根据所述基准局部凝固时间，利用所述电渣重熔过程二维稳态数学模型和所述电极熔化模型，确定每个影响工艺参数影响下的相关系数；
将多个所述影响工艺参数影响下的相关系数代入所述初始局部凝固时间模型，得到所述局部凝固时间模型。
可选的，根据所述基准局部凝固时间，利用所述电渣重熔过程二维稳态数学模型和所述电极熔化模型，确定每个影响工艺参数影响下的相关系数，包括：
确定任一种影响工艺参数为当前影响工艺参数；
获取当前影响工艺参数设置值；
控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与电渣重熔实验相同，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型进行渣池电磁场-温度场-流场同步模拟，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前渣池温度；
将当前渣池温度作为所述电极熔化模型的初始条件进行电极熔化模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的熔速；
将当前影响工艺参数设置值对应的熔速作为电渣重熔过程二维稳态数学模型的初始条件，进行考虑熔滴效应的电渣重熔模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度和液相分率云图；
根据所述液相分率云图确定当前固液两相区距离；
根据当前固液两相区距离和当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度，确定当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值；
更新所述当前影响工艺参数设置值，并返回步骤“控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与电渣重熔实验相同，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型进行渣池电磁场-温度场-流场同步模拟，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前渣池温度”，直至局部凝固时间模拟值的数量达到预设数量，得到多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值；
以当前影响工艺参数设置值为自变量，以局部凝固时间模拟值与所述基准局部凝固时间的比值为因变量，对多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值进行拟合处理，得到当前影响工艺参数影响下的相关系数；
更新所述当前影响工艺参数，并返回步骤“获取当前影响工艺参数设置值”，直至遍历所有影响工艺参数，得到每个影响工艺参数影响下的相关系数。
可选的，当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值为当前固液两相区距离与当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度的比值。
一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制系统，包括：
影响工艺参数选取模块，用于选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数；
基准影响工艺参数组确定模块，用于确定基准影响工艺参数组；
基准局部凝固时间确定模块，用于利用所述基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间；
参数获取模块，用于获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；所述非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数；
局部凝固时间模型构建模块，用于根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；
待定影响工艺参数组获取模块，用于获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组；
当前待定影响工艺参数组确定模块，用于确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组；
局部凝固时间模型运行模块，用于将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间；
当前判定量确定模块，用于确定目标局部凝固时间与所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量；
最优影响工艺参数组确定模块，用于更新当前待定影响工艺参数组并调用所述局部凝固时间模型运行模块，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组；
目标钢种电渣重熔批量控制模块，用于利用所述最优影响工艺参数组，对批量所述目标钢种进行电渣重熔控制。
一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法。
可选的，所述存储器为可读存储介质。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备，包括：利用基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间；根据基准局部凝固时间、非影响工艺参数和电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；将当前待定影响工艺参数组分别输入局部凝固时间模型中，得到当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间；确定目标局部凝固时间与当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量；遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组；利用最优影响工艺参数组，对批量目标钢种进行电渣重熔控制。本发明通过构建局部凝固时间模型能够快速确定电渣重熔中多个工艺参数组对应的铸锭局部凝固时间，进而确定最适宜生产的工艺参数组，减少了电渣重熔中工艺参数优化配置耗费的时间、人力、成本和资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法、系统及设备，能够快速确定电渣重熔中多个工艺参数组对应的铸锭局部凝固时间，进而确定最适宜生产的工艺参数组，减少了电渣重熔中工艺参数优化配置耗费的时间、人力、成本和资源。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，包括：
步骤101：选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数。其中，影响工艺参数包括电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率。
步骤102：确定基准影响工艺参数组。
步骤103：利用基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间。
步骤104：获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数。
步骤105：根据基准局部凝固时间、非影响工艺参数和电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型。
具体的，步骤105，包括：
步骤1051：构建初始局部凝固时间模型；初始局部凝固时间模型为LST=MB×λ1×λ2×...×λi；其中，LST表示局部凝固时间；MB表示基准局部凝固时间；λi表示第i种影响工艺参数影响下的相关系数；i=1,..,I；I表示影响工艺参数的总数量。
步骤1052：根据非影响工艺参数和电渣重熔设备参数，利用ICEM软件构建电渣重熔设备的二维实体模型。
步骤1053：根据二维实体模型，利用FLUENT软件建立电渣重熔过程二维稳态数学模型和电极熔化模型。
步骤1054：根据基准局部凝固时间，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型和电极熔化模型，确定每个影响工艺参数影响下的相关系数。
步骤1054包括：
步骤10541：确定任一种影响工艺参数为当前影响工艺参数。
步骤10542：获取当前影响工艺参数设置值。
步骤10543：控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与电渣重熔实验相同，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型进行渣池电磁场-温度场-流场同步模拟，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前渣池温度。
步骤10544：将当前渣池温度作为电极熔化模型的初始条件进行电极熔化模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的熔速。
步骤10545：将当前影响工艺参数设置值对应的熔速作为电渣重熔过程二维稳态数学模型的初始条件，进行考虑熔滴效应的电渣重熔模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度和液相分率云图。
步骤10546：根据液相分率云图确定当前固液两相区距离。
步骤10547：根据当前固液两相区距离和当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度，确定当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值；当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值为当前固液两相区距离与当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度的比值。
步骤10548：更新当前影响工艺参数设置值，并返回步骤10543，直至局部凝固时间模拟值的数量达到预设数量，得到多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值。
步骤10549：以当前影响工艺参数设置值为自变量，以局部凝固时间模拟值与基准局部凝固时间的比值为因变量，对多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值进行拟合处理，得到当前影响工艺参数影响下的相关系数。
步骤105410：更新当前影响工艺参数，并返回步骤10542，直至遍历所有影响工艺参数，得到每个影响工艺参数影响下的相关系数。
步骤1055：将多个影响工艺参数影响下的相关系数代入初始局部凝固时间模型，得到局部凝固时间模型。
步骤106：获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组。
步骤107：确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组。
步骤108：将当前待定影响工艺参数组分别输入局部凝固时间模型中，得到当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间。
步骤109：确定目标局部凝固时间与当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量。
步骤1010：更新当前待定影响工艺参数组并返回步骤108，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组。
步骤1011：利用最优影响工艺参数组，对批量目标钢种进行电渣重熔控制。
其中，影响工艺参数包括电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率。
下面，以电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率3个影响工艺参数为例，对本实施例进行具体说明。
（1）电渣重熔冶炼目标钢种，获得基准局部凝固时间MB；以电渣重熔过程冶炼目标钢种所获得的局部凝固时间作为基准局部凝固时间。另外，该冶炼过程所采用的工艺参数如下：电渣炉功率P0（单位为W），电极填充比B0和结晶器冷却速率D0。（单位W·m-2·K-1）。实验时才用的影响工艺参数P0，B0和D0组成基准影响工艺参数组，相当于常数。
具体步骤如下：
1）自耗电极的制备：依据目标钢种的元素成分，使用氩气保护的真空感应炉，冶炼高纯净不锈钢的自耗电极母材，并锻造成合适电渣炉电渣重熔尺寸的自耗电极，然后空冷；去除自耗电极表面的氧化皮后将其焊接到假电极上，并与电极夹持器连接。
2）引弧剂的铺设：在自耗电极下面的电渣炉底水箱上放置与所冶炼钢种相同材质的引弧环和引弧屑，使自耗电极—引弧屑—底水箱三者紧密接触，保证通电后有电流通过。其中电极的插入深度为8-10mm。
3）渣的烘烤：将适于目标钢种的预熔渣在700~800℃进行7~8小时烘烤。
4）起弧造渣：开启供水系统向电渣炉结晶器内通入常压冷却水，并将烘烤过的预熔渣一次性加入结晶器内，密闭熔炼室，向熔炼室中以8~12L/min速度通入氮气5~10min，使熔炼室内空气排出，设置电流电压为初始值，闭合交流电源，采用固态起弧方法进行起弧造渣。
5）电渣冶炼：造渣结束后调整电压、电流至目标参数，即开始电渣冶炼；冶炼过程中控制电流波动＜±3%；电压波动＜±0.5%；熔速波动＜±0.5kg/h。
6）出钢：电渣冶炼补缩后抬升电极结束冶炼；关闭交流电源5min，然后待钢锭温度降至室温后，脱出钢锭。
7）剖钢腐蚀：将冶炼完成的钢锭沿中心线纵向抛开，打磨腐蚀，显露出熔池形貌。
8）获得基准局部凝固时间：在熔池最低点部位取边长为5mm的三个正方形样品。观察枝晶形貌获得枝晶晶轴间距，通过如下公式计算得到三个样品的平均局部凝固时间即为基准局部凝固时间MB。
式中，d为枝晶晶轴间距，单位为微米；T为局部凝固时间，单位为min；k1和k2为常数；由合金成分确定。
（2）收集电渣重熔设备的设备参数以及非影响工艺参数，设备参数包括熔渣直径、熔渣高度、电极直径、电极长度和铸锭直径和长度；非影响工艺参数包括钢种成分和渣金界面张力。
（3）根据收集到的设备数据，使用ICEM建立二维实体模型并划分网格，网格大小为1~3mm，生成第一可调用文件。
（4）调用第一可调用文件，根据稳态电磁场方程、能量方程和流动方程，利用FLUENT软件建立电渣重熔过程二维稳态数学模型，通过改变电流改变功率，通过改变结晶器壁换热系数改变冷却速率，通过改变电极尺寸改变填充比，计算得到不同因素下渣池电磁场、温度场和流场，将其计算得到的渣池温度作为电极熔化模型的初始条件。
其中求解电磁场时选用磁场强度法，金属熔滴的运动和渣/金界面使用VOF（Volume-of-Fluid，流体体积）模型追踪，铸锭的凝固使用焓-多孔介质模型，液相分数使用杠杆定律计算。利用建立的模型，在考虑金属熔滴对电磁场的影响的情况下进行模拟研究。计算稳态模型需要设定的边界条件如下：
1）电磁场
①电极端部和铸锭底部的磁场强度的边界条件为：。
其中，Hx表示磁场强度，单位为B；y表示y轴方向。
②自由渣面处的电磁场的边界条件为：；/>。
其中，I0表示电流大小，单位为A；Re表示电极的半径，单位为m；表示电压，单位为v。
③结晶器壁面上结晶器绝缘的边界条件为：。
2）流场
①为了模拟金属熔滴的形成和滴落过程，电极端部边界设为速度入口。
②自由渣面处流场的边界条件为：。
其中，vx表示x轴方向速度，vy表示y轴方向速度，n表示方向无特殊含义。
③结晶器壁面为无滑移壁面。
3）温度场
①电极端部和渣池接触时受热熔化形成金属液膜，因此电极端的温度假设为金属的液相线温度。
②自由渣面及结晶器壁处使用对流和辐射散热综合对流传热系数考虑：qc=h(T-Ta)。
式中，qc表示单位面积交换的热量；h表示自由渣面与空气之间的综合对流传热系数，单位为W·m-2·K-1；T表示渣面的温度，单位为K；Ta表示空气的温度，单位为K。
（5）获取渣池深度、电渣重熔设备直径和电极参数，使用ICEM建立二维电极实体模型并划分网格，网格大小为1~3mm，生成第二可调用文件；调用第一可调用文件和第二可调用文件，利用FLUENT软件建立构建电极熔化模型。
具体方法为：计算电极熔化模型需要设定的边界条件如下：
1）电磁场
①电极顶部及渣金界面的边界条件为：。
②电极侧面的边界条件为：。
③渣池侧面的边界条件为：。
④电极插入渣池部分的边界条件为：；/>。其中，/>表示给定供电电压值，单位为V；Hs1表示渣池电磁强度；单位为B；He1表示渣池电磁强度；单位为B。
⑤渣金界面部分的边界条件为：；/>。
2）流场
对于外界边界条件，取无滑移边界条件。
3）多相流VOF边界条件
电极顶部区域的边界条件为：。
式中，Vst表示电极体积分数。
4）温度场
①电极顶部，炉口和渣池上部结晶器的边界条件为：。其中，x表示x轴方向，Tw表示外界空气温度。
式中，为常数；/>表示与空气的换热系数。
②渣池侧面为：。
式中，表示稳态计算的渣池温度。
③渣金界面为：。
式中，Ts-i表示稳态计算的渣金温度，单位为K。
（6）根据电极熔化模型计算得出熔速为初始条件，利用FLUENT对电渣重熔过程建立了包含电磁场、流场和温度场的耦合二维数学模型，计算模拟计算得到液相分率云图，进而确定考虑熔滴效应时的熔池形状，具体方法与步骤（4）相同，唯一区别为：计算流场时，电极端部边界设为速度入口，速度为电极熔化模型计算得到的熔速。
（7）根据LST=X/Vr计算得到局部凝固时间；式中，LST为局部凝固时间，单位为s；X为固液两相区距离，单位为m；Vr为局部凝固速度，单位为m/s。
根据熔池形状可确定固液两相区距离，根据步骤（6）模拟可得到液面上升速率，数值上等于局部凝固速度。
（8）选取影响电渣重熔过程局部凝固时间的因素：电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率，建立以上因素与局部凝固时间之间的关系。
1）相关系数λP：指电渣炉功率为P时局部凝固时间与电渣炉功率为P0时局部凝固时间的比值。将模拟计算得到的不同功率下的局部凝固时间与基准局部凝固时间的比值进行公式拟合，得到相关系数λP的表达式如下所示：。
式中，a、b、c和d均为常数，P的取值范围为60~150kW。
2）相关系数λB：指电极填充比为B时局部凝固时间与电极填充比为B0时局部凝固时间的比值。将模拟计算得到的不同填充比下的局部凝固时间与基准局部凝固时间的比值进行公式拟合，得到相关系数λB的表达式如下所示：。
其中，e、f和g均为常数，B的取值范围为0.3~1.0。
3）相关系数λD：指结晶器冷却速率为D时局部凝固时间与结晶器冷却速率为D0时局部凝固时间的比值。将模拟计算得到的不同冷却速率下的局部凝固时间与基准局部凝固时间的比值进行公式拟合，得到相关系数λD的表达式如下所示：。
其中，h和j均为常数，D的取值范围为0.5~1.5kW·m-2·K-1。
4)基于基准局部凝固时间MB和λP、λB和λD的计算，可得电渣重熔过程局部凝固时间的计算模型，如下式所示：。
本实施例全面考虑了电渣重熔体系内电磁场、焦耳热和流动的影响，建立了电渣重熔体系内多物理场耦合的宏观传输数学模型，能够定量预测电渣重熔过程中的铸锭芯部的局部凝固时间，该方法具有简单、快捷、容易实现，节省时间的特点，避免了实验测定时操作困难，成本较高，时间长的缺点，为优化电渣重熔工艺提供了理论指导。
实施例2
电渣重熔过程所用到的钢种为超高强度钢，成分为：C≤1.0%，2.25%≤Cr≤5.5%，Ni≤0.1%，Mo≤5.0%，余量为Fe。本实施例以某特殊钢厂电渣重熔生产高强度钢（目标钢种元素成分包括GCr15）过程为例，使用实施例1所述方法对电渣重熔体系内的铸锭芯部局部凝固时间进行预测，包括以下步骤：
（1）电渣重熔冶炼目标钢种，获得基准局部凝固时间MB；以电渣重熔过程冶炼目标钢种所获得的局部凝固时间作为基准局部凝固时间。该冶炼过程所采用的工艺参数如下：电渣炉功率90KW、电极填充比0.5和结晶器冷却速率800W·m-2·K-1。
按照实施例1所述方法确定基准局部凝固时间，其中，将渣系成分为：70%CaF2，30%Al2O3的预熔渣在700~800℃进行7~8小时烘烤。在熔池最低点部位取边长为5mm的三个正方形样品。观察枝晶形貌获得枝晶晶轴间距，通过公式计算得到三个样品的平均局部凝固时间为67.5s，即基准局部凝固时间MB=67.5s。
（2）收集电渣重熔设备的设备参数以及工艺参数。电渣重熔设备参数如表1所示。
表1 电渣重熔设备参数统计表
（3）根据稳态电磁场方程、能量方程和流动方程建立电渣重熔过程稳态数学模型，计算得到渣池温度场和流场，将其作为电极熔化模型的初始条件；计算稳态模型需要设定的边界条件如实施例1所示。具体的，有关温度场边界条件按以下方式设置。
①电极端部和渣池接触时受热熔化形成金属液膜，因此电极端的温度假设为金属的液相线温度；②自由渣面及结晶器壁处使用对流和辐射散热综合对流传热系数考虑，具体为：自由渣面的传热系数188W·m-2·K-1；自由渣面的辐射系数0.6；渣/结晶器界面的传热系数780W·m-2·K-1，钢/结晶器界面的传热系数为0.6-0.9kW·m-2·K-1。
（4）计算电极熔化模型；具体方法为：利用FLUENT计算电极熔化模型，边界条件与稳态模型一致；具体的，有关温度场边界条件按以下方式设置：电极顶部、炉口和渣池上部结晶器边界条件：传热系数0.6-0.9kW·m-2·K-1。
（5）根据电极熔化模型计算得出熔速为初始条件，对电渣重熔过程建立了包含电磁场、流场和温度场的耦合数学模型，计算得到考虑熔滴效应时的熔池形状。
（6）根据LST=X/Vr计算得到局部凝固时间LST。
（7）计算获得相关系数如下：
1）相关系数λP：指电渣炉功率为P时局部凝固时间与电渣炉功率为90kW（电渣炉电流3kA、电压30V）时局部凝固时间的比值。相关系数λP的表达式如下所示：
。
其中，P的取值范围为60~150kW。
2）相关系数λB：指电极填充比为B时局部凝固时间与电极填充比为0.5时局部凝固时间的比值。相关系数λB的表达式如下所示：
。
其中，B的取值范围为0.3~1.0。
3）相关系数λD：指结晶器冷却速率为D时局部凝固时间与结晶器冷却速率为0.8kW·m-2·K-1时局部凝固时间的比值。相关系数λD的表达式如下所示：。
其中，D的取值范围为0.5~1.0kW·m-2·K-1。
4）基于基准局部凝固时间MB和λP、λB和λD的计算，可得电渣重熔过程局部凝固时间的计算模型，如下式所示：
。/>
（8）通过以上拟合公式计算得到的电渣炉功率120KW、电极填充比0.5和结晶器冷却速率800W·m-2·K-1时的局部凝固时间为53s。本实例中，电渣重熔过程中局部凝固时间的预测值与模拟的计算值比较如表2所示，从表2中可以看出，本发明的电渣重熔过程中铸锭芯部局部凝固时间的预测能够较好的预测电渣重熔过程中铸锭芯部的局部凝固时间。
表2 电渣重熔局部凝固时间的预测值与模拟的计算值对比表
实施例3
为了执行上述实施例1对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制系统，包括：
影响工艺参数选取模块，用于选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数。
基准影响工艺参数组确定模块，用于确定基准影响工艺参数组。
基准局部凝固时间确定模块，用于利用基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间。
参数获取模块，用于获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数。
局部凝固时间模型构建模块，用于根据基准局部凝固时间、非影响工艺参数和电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型。
待定影响工艺参数组获取模块，用于获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组。
当前待定影响工艺参数组确定模块，用于确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组。
局部凝固时间模型运行模块，用于将当前待定影响工艺参数组分别输入局部凝固时间模型中，得到当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间。
当前判定量确定模块，用于确定目标局部凝固时间与当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量。
最优影响工艺参数组确定模块，用于更新当前待定影响工艺参数组并调用局部凝固时间模型运行模块，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组。
目标钢种电渣重熔批量控制模块，用于利用最优影响工艺参数组，对批量目标钢种进行电渣重熔控制。
实施例4
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例1所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法。其中，存储器为可读存储介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，其特征在于，包括：
选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数；
确定基准影响工艺参数组；
利用所述基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间；
获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；所述非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数；
根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；
获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组；
确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组；
将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间；
确定目标局部凝固时间与所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量；
更新当前待定影响工艺参数组并返回步骤“将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间”，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组；
利用所述最优影响工艺参数组，对批量所述目标钢种进行电渣重熔控制；
根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型，包括：
构建初始局部凝固时间模型；所述初始局部凝固时间模型为LST=MB×λ1×λ2×...×λi；其中，LST表示局部凝固时间；MB表示基准局部凝固时间；λi表示第i种影响工艺参数影响下的相关系数；i=1,..,I；I表示影响工艺参数的总数量；
根据所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，利用ICEM软件构建电渣重熔设备的二维实体模型；
根据所述二维实体模型，利用FLUENT软件建立电渣重熔过程二维稳态数学模型和电极熔化模型；
根据所述基准局部凝固时间，利用所述电渣重熔过程二维稳态数学模型和所述电极熔化模型，确定每个影响工艺参数影响下的相关系数；
将多个所述影响工艺参数影响下的相关系数代入所述初始局部凝固时间模型，得到所述局部凝固时间模型。
2.根据权利要求1所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，其特征在于，所述影响工艺参数包括电渣炉功率、电极填充比和结晶器冷却速率。
3.根据权利要求1所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，其特征在于，根据所述基准局部凝固时间，利用所述电渣重熔过程二维稳态数学模型和所述电极熔化模型，确定每个影响工艺参数影响下的相关系数，包括：
确定任一种影响工艺参数为当前影响工艺参数；
获取当前影响工艺参数设置值；
控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与电渣重熔实验相同，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型进行渣池电磁场-温度场-流场同步模拟，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前渣池温度；
将当前渣池温度作为所述电极熔化模型的初始条件进行电极熔化模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的熔速；
将当前影响工艺参数设置值对应的熔速作为电渣重熔过程二维稳态数学模型的初始条件，进行考虑熔滴效应的电渣重熔模拟，得到当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度和液相分率云图；
根据所述液相分率云图确定当前固液两相区距离；
根据当前固液两相区距离和当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度，确定当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值；
更新所述当前影响工艺参数设置值，并返回步骤“控制当前影响工艺参数之外的工艺参数与电渣重熔实验相同，利用电渣重熔过程二维稳态数学模型进行渣池电磁场-温度场-流场同步模拟，获得当前影响工艺参数设置值对应的当前渣池温度”，直至局部凝固时间模拟值的数量达到预设数量，得到多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值；
以当前影响工艺参数设置值为自变量，以局部凝固时间模拟值与所述基准局部凝固时间的比值为因变量，对多个当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值进行拟合处理，得到当前影响工艺参数影响下的相关系数；
更新所述当前影响工艺参数，并返回步骤“获取当前影响工艺参数设置值”，直至遍历所有影响工艺参数，得到每个影响工艺参数影响下的相关系数。
4.根据权利要求3所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法，其特征在于，当前影响工艺参数设置值影响下的局部凝固时间模拟值为当前固液两相区距离与当前影响工艺参数设置值对应的局部凝固速度的比值。
5.一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制系统，其特征在于，包括：
影响工艺参数选取模块，用于选取电渣重熔实验的部分工艺参数为影响工艺参数；
基准影响工艺参数组确定模块，用于确定基准影响工艺参数组；
基准局部凝固时间确定模块，用于利用所述基准影响工艺参数组，对目标钢种进行电渣重熔实验，得到基准局部凝固时间；
参数获取模块，用于获取非影响工艺参数和电渣重熔设备参数；所述非影响工艺参数为电渣重熔实验中影响工艺参数之外的工艺参数；
局部凝固时间模型构建模块，用于根据所述基准局部凝固时间、所述非影响工艺参数和所述电渣重熔设备参数，构建局部凝固时间模型；
待定影响工艺参数组获取模块，用于获取目标局部凝固时间和多个待定影响工艺参数组；
当前待定影响工艺参数组确定模块，用于确定任一待定影响工艺参数组为当前待定影响工艺参数组；
局部凝固时间模型运行模块，用于将所述当前待定影响工艺参数组分别输入所述局部凝固时间模型中，得到所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间；
当前判定量确定模块，用于确定目标局部凝固时间与所述当前待定影响工艺参数组对应的局部凝固时间的差值的绝对值为当前判定量；
最优影响工艺参数组确定模块，用于更新当前待定影响工艺参数组并调用所述局部凝固时间模型运行模块，直至遍历所有待定影响工艺参数组，确定最小判定量对应的待定影响工艺参数组为最优影响工艺参数组；
目标钢种电渣重熔批量控制模块，用于利用所述最优影响工艺参数组，对批量所述目标钢种进行电渣重熔控制。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至4中任一项所述的一种电渣重熔中铸锭局部凝固时间控制方法。
7.根据权利要求6所述的一种电子设备，其特征在于，所述存储器为可读存储介质。
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