CN116432433A - 一种基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于连铸技术领域，具体涉及一种基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法，包括：沿铸坯宽度方向钻屑取样，找出在末端磁搅拌作用下，铸坯宽度方向明显的碳负偏析区；再通过原位分析对步骤1)找出的明显碳负偏析区域进行原位扫描，进而得到铸坯出现负偏析极值的精准位置，即距离铸坯宽度方向一侧的距离为X mm；最后通过与凝固传热模型计算得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值Y对比，以此来进行数学模型计算的校核和验证。本发明校验方法完全可替代传统的射钉等校验法，为提升数学模拟软测量法在连铸生产实际应用中的准确性提供了新的思路和验证手段。
Description
技术领域
本发明属于连铸技术领域，具体涉及一种基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法。
背景技术
连铸过程的凝固传热模型，主要是利用求解一维或二维非稳态导热控制方程，并利用有限差分法来进行求解连铸坯内部形貌，该模型由于可以进行离线及线上实时计算，可以代替高成本、低效率的现场试验，大大降低试验次数、成本和风险，已在实际生产中得到广泛应用。而为了进一步提高数学模拟计算的准确性，通常该数模计算软测量法需结合实测法进行校验确认。
专利CN101992281A[1]报道了一种结合射钉的校验方法，该方法准确性高，不过近年来由于安全方面因素考虑，该方法使用明显受限；
专利CN104136146A[2]则报道了和测温相结合的校核方法，只是铸坯表面测温受二冷室表面水雾干扰及表面氧化铁皮影响较大，易出现较大偏差；
还有报道[3]利用末端电磁搅拌白亮带反馈进行校核，该方法操作简单，但是通常只适用于中低碳钢，在高碳钢上较难获得明显的白亮带，且白亮带分布有一定宽度，分隔边界也较难确定，对于坯壳厚度无法实现精确定位测量。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法。
具体的，基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法，包括步骤如下：
1)对特定钢种在特定浇注条件下的铸坯，首先沿铸坯宽度方向钻屑取样并分析(作为优选，钻屑取样方法为沿铸坯宽度方向间隔取样，相邻两点的中心间距为8-20mm)，比较开与不开末端电磁搅拌作用下铸坯宽度方向碳偏析指数分布规律，找出在末端磁搅拌作用下，铸坯宽度方向明显的碳负偏析区，这里的碳偏析指数定义为特定钻屑点碳含量与本体碳含量的比值；具体的，若某钻样点出现0.97以下的偏析指数，则该钻样点的前一个及后一个钻样点之间可被认为是明显的碳负偏析区域。
2)再通过原位分析对步骤1)找出的明显碳负偏析区域进行原位扫描，进而得到铸坯出现负偏析极值的精准位置，即距离铸坯宽度方向一侧的距离为Xmm。
3)通过与凝固传热模型计算得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值Y对比，以此来进行数学模型计算的校核和验证：
若两者数值相等(X＝Y)，则数模计算凝固进程与实际凝固进程相符，若原位测量值较数模计算值小(X＜Y)，则表明实际凝固进程要晚于模拟计算的凝固进程，若原位测量值较数模计算值大(X＞Y)，表明实际凝固进程比模拟计算的凝固进程更提前。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：巧妙利用铸坯在电磁搅拌作用下产生的负偏析，结合铸坯凝固前沿枝晶间液体流动及渗透特性，基于钻屑分析结合原位分析对于末端电磁搅拌作用下产生铸坯负偏析在宽度方向上的精准定位，得到了一种高效的校验数模传热凝固模型的方法。该方法适用性广，可用于任何钢种，不受测试钢种成分及铸坯尺寸规格大小的限制，可以进行不同连铸工艺参数条件下的测试；准确性强，可以精准定位电磁搅拌作用产生负偏析位置，通过两相区凝固前沿流动、渗透特性对应的极限固相率准确推算出末端电磁搅拌作用处对应的凝固前沿坯壳厚度；并且安全性高，不需要进行破坏试验，无任何危险隐患。
该校验方法完全可替代传统的射钉等校验法，为提升数学模拟软测量法在连铸生产实际应用中的准确性提供了新的思路和验证手段。
附图说明
图1为铸坯钻样点示意图；
图2为碳偏析指数对比图；
图3为原位分析铸坯特定区域碳含量分布示意图；
图4为凝固传热模型计算对比值示意图；
图5为实施例1中碳偏析指数对比图；
图6为实施例1中原位分析碳含量分布图；
图7为实施例2中碳偏析指数对比图；
图8为实施例2中原位分析碳含量分布图；
图9为实施例3中碳偏析指数对比图；
图10为实施例3中原位分析碳含量分布图。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
1)对特定钢种在特定浇注条件下的铸坯，首先沿铸坯宽度方向钻屑取样并分析(详见图1，作为优选，钻屑取样方法为沿铸坯宽度方向间隔取样，相邻两点的中心间距为8-20mm)，比较开与不开末端电磁搅拌作用下铸坯宽度方向碳偏析指数分布规律，找出在末端磁搅拌作用下，铸坯宽度方向明显的碳负偏析区(详见图2)，这里的碳偏析指数定义为特定钻屑点碳含量与本体碳含量的比值；具体的，若某钻样点出现0.97以下的偏析指数，则该钻样点的前一个及后一个钻样点之间可被认为是明显的碳负偏析区域；
根据佐佐木[4]等人的研究，得出了电磁搅拌作用下产生负偏析的“溶质冲刷”理论。该理论认为，由电磁搅拌引起的铸坯内部钢液流动强度过强，将枝晶间的溶质富集带至液相穴中部，进而导致凝固前沿溶质元素浓度偏低。而从铸坯宽度方向一侧不同钻屑点的位置可以初步得到负偏析在铸坯上所对应区域；
2)再通过原位分析对步骤1)找出的明显碳负偏析区域进行原位扫描，进而得到铸坯出现负偏析极值的精准位置，即距离铸坯宽度方向一侧的距离为Xmm(详见图3)。
3)通过与凝固传热模型计算得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值Y对比，以此来进行数学模型计算的校核和验证(详见图4)：
若两者数值相等(X＝Y)，则数模计算凝固进程与实际凝固进程相符，若原位测量值较数模计算值小(X＜Y)，则表明实际凝固进程要晚于模拟计算的凝固进程，若原位测量值较数模计算值大(X＞Y)，表明实际凝固进程比模拟计算的凝固进程更提前。
为了更好说明本发明问题，下面结合具体实施例进行说明：
实施例1：
1)45(化学成分)钢160*160mm2小方坯连铸生产时，在工艺规定拉速及冷却下进行连续浇注生产(见表1)，同时开启末端电磁搅拌，末端电磁搅拌运行参数为(350A/6Hz)；
2)对于45钢该生产条件下的铸坯取横向截面样，并用Ф5mm钻头进行铸坯横截面钻屑取样，共计11个取样点，相邻两点的中心间距为8mm，经碳硫分析得出铸坯横截面宽度方向一侧对应的碳偏析分布情况；
3)由钻屑试样碳偏析分布变化趋势进行初步定位，可以找出末端电磁搅拌作用对应的负偏析所处大致区域位置为钻样点5-7之间的区域(图5所示)；
4)随后对上述区域进行连续光谱扫描的原位分析，得出区域内铸坯碳偏析的连续变化曲线(如图6)，进而得出铸坯宽度方向出现偏析的精准位置对应为距离坯壳侧表面42mm处(即末端电磁搅拌中心位置对应fs＝0.8处的坯壳宽度方向距一侧表面的距离为42mm)；
5)利用凝固传热模型计算，得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值为42mm；
6)可以看出，原位分析负偏析位置对应值与数模计算值相等，这表明数模计算凝固进程与实际凝固进程相符。
实施例2
1)80(化学成分)钢225*270mm2矩形坯连铸生产时，在工艺规定拉速及冷却下进行连续浇注生产(见表1)，同时开启末端电磁搅拌，末端电磁搅拌运行参数为(550A/6Hz)；
2)对于80钢该生产条件下的矩形坯铸坯取横向截面样，并用Ф5mm钻头进行铸坯横截面钻屑取样，共计11个取样点，相邻两点的中心间距为12mm)，经碳硫分析得出铸坯横截面宽度方向一侧对应的碳偏析分布情况；
3)由钻屑试样碳偏析分布变化趋势进行初步定位，可以找出末端电磁搅拌作用对应的负偏析所处大致区域位置为钻样点7-9之间的区域(如图7)；
4)随后对上述区域进行连续光谱扫描的原位分析，得出该区域内铸坯碳偏析的连续变化情况(如图8)，进而得出铸坯宽度防线出现负偏析极值对应位置为距离坯壳侧表面96mm处；
5)利用凝固传热模型计算，得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值为106mm；
6)经比较可以得出，原位测量值明显小于数模计算值，这表明实际凝固进程要晚于模拟计算的凝固进程。
实施例3
1)20(化学成分)钢300*325mm2大方坯连铸生产时，在工艺规定拉速及冷却下进行连续浇注生产(见表1)，同时开启末端电磁搅拌，末端电磁搅拌运行参数为(150A/5Hz)；
2)对于20钢在该生产条件下的铸坯取横向截面样，并用Ф5mm钻头进行铸坯横截面钻屑取样，共计11个取样点，相邻两点的中心间距为15mm，经碳硫分析得出铸坯横截面宽度方向单侧对应的碳偏析分布情况；
3)由钻屑试样碳偏析分布变化趋势进行初步定位，可以找出末端电磁搅拌作用对应的负偏析所处大致区域位置为钻样点6-8之间的区域(如图9)；
4)随后对上述区域进行连续光谱扫描的原位分析，得出扫描区域内铸坯碳偏析的连续分布情况(如图10)，得出铸坯宽度方向一侧出现负偏析极值对应位置为距离坯壳侧表面103mm处；
5)利用凝固传热模型计算，得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值为98mm；
6)比较得出原位测量值较数模计算值大，说明实际凝固进程比模拟计算的凝固进程更提前。
表1各实施例连铸过程参数及模型校核结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法，其特征在于：包括步骤如下：
1)对特定钢种在特定浇注条件下的铸坯，首先沿铸坯宽度方向钻屑取样并分析，比较开与不开末端电磁搅拌作用下铸坯宽度方向碳偏析指数分布规律，找出在末端磁搅拌作用下，铸坯宽度方向明显的碳负偏析区，这里的碳偏析指数定义为特定钻屑点碳含量与本体碳含量的比值；
2)再通过原位分析对步骤1)找出的明显碳负偏析区域进行原位扫描，进而得到铸坯出现负偏析极值的精准位置，即距离铸坯宽度方向一侧的距离为Xmm。
3)通过与凝固传热模型计算得出的末端电磁搅拌中心所处位置处fs＝0.8凝固曲线所对应的距离铸坯侧面距离值Y对比，以此来进行数学模型计算的校核和验证：
若X＝Y，则数模计算凝固进程与实际凝固进程相符；若X＜Y，则表明实际凝固进程要晚于模拟计算的凝固进程；若X＞Y，表明实际凝固进程比模拟计算的凝固进程更提前。
2.根据权利要求1所述的基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法，其特征在于：钻屑取样方法为沿铸坯宽度方向间隔取样，相邻两点的中心间距为8-20mm。
3.根据权利要求1所述的基于原位分析的连铸凝固传热模型校验方法，其特征在于：步骤1)中明显的碳负偏析区判断方法为：若某钻样点出现0.97以下的偏析指数，则该钻样点的前一个及后一个钻样点之间被认为是明显的碳负偏析区域。
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