CN116522537A - 一种基于最优化f数的结晶器水口优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法，涉及钢铁技术领域；该方法包括以下步骤：依据F数确定结晶器水口的插入深度、倾角、侧孔宽度和侧孔高度。本发明根据实际生产中对提高连铸板坯质量和连铸效率的要求，分析板坯连铸结晶器内液面波动的规律，设计优化浸入式水口的结构参数。同时，在生产高表面质量要求的纯净钢时，找到了一种适合实际生产的计算F数的新方法，并且通过控制F数的取值范围来控制结晶器卷渣以提高铸坯表面质量。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体是一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法。
背景技术
连铸结晶器是钢水凝固前的最后环节，也是连铸生产的核心，结晶器内的液面波动情况是衡量铸坯质量的重要因素之一。生产中常常将结晶器内液面波高作为重点监测指标，并控制其在一定范围内。浸入式水口是位于中间包和结晶器之间的重要部件，它的出口浸入到结晶器内钢液面以下，可以防止钢水的二次氧化，控制钢水流股在结晶器内的流动状态和速度，促进夹杂物上浮，防止保护渣等非金属夹杂物卷入钢水中。水口的结构和工艺参数直接影响结晶器内钢液流动行为，是影响连铸效率和钢坯质量的重要因素之一。
对结晶器内流场的研究，相关技术中大多集中在用水模拟钢液在结晶器内的流动特征及流场的影响因素。前人的研究虽然有的将自由表面的波幅与工艺参数联系起来给出计算式，有的给出了自由表面波动处于稳定时水口出口速度的表达式，但这些指标或表达式计算起来比较困难,并且没有将其与实际生产中铸坯的缺陷率联系起来,不能直接应用在生产实践中。在该方向的研究中，日本NKK公司定义了结晶器内钢水表面波动的指数—F数，并通过控制F数的取值范围来控制结晶器卷渣。欲得到F数，必须首先得到钢水流到达结晶器窄边处的碰撞速度、碰撞角度和碰撞处钢水深度，而获得这些参数目前尚无简便的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法，包括以下步骤：
一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法，包括以下步骤：
依据F数确定结晶器水口的插入深度、倾角、侧孔宽度和侧孔高度；
所述F数的计算公式如下：
ρ为钢水的密度，kg/m3；
QL为钢水的流量，m3/s；
Ve为钢水撞击结晶器窄边的速度，m/s；
θ为钢水撞击结晶器窄边的角度，°；
D为撞击点与自由面之间的距离，m。
根据本发明优化方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明根据实际生产中对提高连铸板坯质量和连铸效率的要求，分析板坯连铸结晶器内液面波动的规律，设计优化浸入式水口的结构参数。同时，在生产高表面质量要求的纯净钢时，找到了一种适合实际生产的计算F数的新方法，并且通过控制F数的取值范围来控制结晶器卷渣以提高铸坯表面质量。
根据本发明的一些实施方式，所述F数的取值范围为3～5。
根据本发明的一些实施方式，，所述Ve的计算公式如下：
A、B为常数；
W为结晶器宽度，mm；
Qg为水口吹氢流量体积速率，m3/s；
m，n，p是由浸入式水口决定的计算系数；
d为水口直径，m。
根据本发明的一些实施方式，所述θ的计算公式如下：
H为结晶器水口中心到水口底的距离，mm。。
根据本发明的一些实施方式，所述水口的插入深度为0.15m～0.18m。
根据本发明的一些实施方式，所述水口的倾角为10°～35°。
根据本发明的一些实施方式，所述水口侧孔宽度为0.07m～0.085m。
根据本发明的一些实施方式，所述水口侧孔高度为0.07m～0.09m。
根据本发明的一些实施方式，所述F数的取值为3.5～4.5。
根据本发明的一些实施方式，所述F数的取值为4。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施方式中F数相关参数计算示意图。
图2为本发明实施方式中浸入式水口淹没射流模型。
图3为本发明实施方式中淹没射流的演变过程。
图4为本发明实施方式中板坯结晶器钢液温度场分布模拟图。
图5为本发明实施方式中板坯结晶器钢液流场分布模拟图。
图6为本发明实施方式中板坯连铸工艺参数计算框架图。
图7为本发明实施方式中钢种焓值随温度变化曲线图。
图8为本发明实施方式中钢种密度随温度变化曲线图。
图9为本发明实施方式中钢种固相率随温度变化曲线图。
图10为本发明实施方式中钢种导热系数随温度变化曲线图。
图11为1.2m/min拉速下结晶器内钢液速度矢量图。
图12为1.2m/min拉速下结晶器内钢液流线图。
图13为1.8m/min拉速下结晶器内钢液速度矢量图。
图14为1.8m/min拉速下结晶器内钢液流线图。
图15为2.4m/min拉速下结晶器内钢液速度矢量图。
图16为2.4m/min拉速下结晶器内钢液流线图。
图17为不同拉速自由液面钢液X方向速度图。
图18为不同拉速对结晶器内自由液面形状的影响图。
图19为不同水口插入深度下的结晶器内流场分布图。
图20为不同水口插入深度自由液面钢液X方向速度图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
连铸过程中铸坯凝固是一个极其复杂的过程。结晶器内按钢液凝固进程可划分为液相区、糊状区(固-液两相区)和固相区。为了便于分析结晶器内钢液的流动及传热状态，作如下假设：
(1)结晶器钢液为三维稳态不可压缩黏性流动，忽略结晶器振动对钢液流动的影响；
(2)忽略结晶器内凝固过程对钢水流动的影响，假设钢液始终为液态，最低温度不低于液相线温度；
(3)钢液按均相介质处理，其物性参数设为常数。
针对结晶器内钢液的三维不可压缩粘性流动特点，依据质量守恒定律和动量守恒定律，其基本控制方程包括连续性方程、动量方程和湍流模型方程。各方程的具体表述如下：
(1)连续性方程：
式中ρ——钢液密度，kg/m3；
vj——j方向的速度，m/s。
(2)动量方程：
式中p——压力，Pa；
μeff——有效粘度系数，kg/(m·s)；
vi——i方向的速度，m/s。
(3)k-ε双方程模型：
湍流动能方程：
湍流动能耗散率方程：
其中，
有效黏度系数可以由式(6)表示：
式(4)到式(6)中参数按照Launder和Spalding的研究结果设定：C1＝1.44，C2＝1.92，Cμ＝0.09。
根据能量守恒定律，其传热控制方程可由式(7)描述：
其中，有效导热系数是钢液层流导热系数与湍流导热系数的和，由式(8)表达：
式中Keff——有效导热系数，W/(m·K)；
Kl——层流导热系数，W/(m·K)；
Kt——湍流导热系数，W/(m·K)；
Pr——普朗特数，取值为0.9～1.0。
本发明中建立的结晶器内钢液流动数模型的边界条件如下：
(1)水口入口：定义为速度入口，其速度根据质量守恒由拉坯速度、水口尺寸以及结晶器尺寸换算得出，入口处的钢液温度设定为浇注温度。湍流动能和湍流动能耗散率分别由式(9)和式(10)确定。
k＝0.01vinlet 2 (9)；
ε＝2k1.5/dnozzle (10)；
式中vinlet——水口入口速度，m/s；
dnozzle——水口水力直径，m。
(2)对称面：垂直于对称面的速度分量及沿对称面法向方向的各物理量的梯度为零。
(3)自由液面：施加与对称面相同的边界条件，忽略表面张力和渣层的影响。
(4)壁面：结晶器和水口壁面均处理成无滑移固体壁面，垂直于表面的速度分量和其他物理量的法向分量为零，靠近壁面区域的流场按标准壁面函数处理，结晶器宽面和窄面均给定第一类边界条件，即液相线温度。
(5)出口：将计算域出口定义自由出流，各变量沿出口截面的法向梯度为零。水口壁的温度边界条件处理为绝热，结晶器壁采用第二类传热边界条件：
式中，A、B为常数，t为钢水在结晶器中的滞留时间，s。
其他壁面：结晶器下部铸坯宽面及窄面的二冷换热系数分别取为1500W·m-1·K-1和1400W·m-1·K-1。
反应结晶器内钢水表面波动的指数—F数，可以通过控制F数的取值范围来控制结晶器卷渣；必须得到钢水流到达结晶器窄边处的碰撞速度Ve、碰撞角度θ和碰撞处钢水深度D。
通过结晶器液面波动、表面流速等对结晶器卷渣的影响，基于流体淹没射流理论进行推导并提出采用F数来评价结晶器钢水卷渣情况，图一建立了坐标轴，y(x)函数关系在下面给出。
F数的计算公式如下：
所需参数的计算公式为：
y＝(a1+b1α+c1S+d1αS)G1x2-(a2+b2α+c2S+d2αS)G2x (13)；
式中：
ρ为钢水的密度，kg/m3；
QL为钢水的流量，m3/s；
Ve为钢水撞击结晶器窄边的速度，m/s；
θ为钢水撞击结晶器窄边的角度，°；
D为撞击点与自由面之间的距离，m；
α为浸入式水口出口角度，°；
x、y为以浸入式水口出口中心为原点的水平和垂直距离(用以标识水口出流的轨迹)，m；
S为水口出口平均面积，m2；
Qg为水口吹氢流量体积速率，m3/s；
W为结晶器宽度，mm；
d为水口直径，m；
A，B，l，m，n，p，ai，bi，ci，di，ξi，(i＝1，2)是由浸入式水口决定的计算系数，由下表1、2列出。
表1撞击点到弯月面距离公式参数取值
表2撞击速度公式参数取值
| A | B | l | m | n | p |
| 0.3716 | 100.9 | 0.651 | 0.745 | -0.507 | -1.165 |
式中各符号的物理意义如图1～3示，研究表明，F数在3～5时，结晶器钢水卷渣最不容易发生,铸坯及冷轧板的表面缺陷最小。
利用对板坯结晶器流场的三维数值模拟结果，可以得到计算F数所需的相应数据。具体方法如下：
(1)撞击点的确定。运用前文中板坯数值模拟计算结果(如图4～5),在结晶器流场计算结果中取结晶器窄面纵向中心线上z向剪切力等于零的点为钢液流股与结晶器窄面的撞击点。
(2)撞击点与自由面之间的距离D。根据确定的撞击点坐标，即可计算出其与自由面之间的距离D。
(3)钢水撞击结晶器窄边的速度Ve。根据确定的撞击点即可通过数值模拟计算结果中读取出钢水在撞击点的碰撞速度Ve。
(4)撞击角度θ。
(5)钢水流量QL，可根据铸坯断面尺寸，拉速换算得到。
将用上述方法得到的各工况下计算F数所需的数据分别代入式(12)，即可计算出各工况下的F数。这种F数的计算方法省去了用水模型来确定一系列的由水口确定的计算参数，不但减少了实验过程中不确定因素对计算结果的影响，而且扩大了计算F数的适用范围，克服了前人研究中获得的计算参数无法完全应用于其他情况的弊端。通过前人大量的实际生产和研究经验可知，在实际生产中，只要将F数控制在3～5就可以将液面波动控制在合理的范围内,并且最适宜将F数维持在4左右，卷渣的几率最小，铸坯及冷轧板的表面缺陷最小。
由此可见：钢液自由表面的波动与由浇注工艺参数计算得出的F数有很强的相关性，通过选择适的浇注工艺参数来控制F数的大小即可控制钢液面的波动幅度以减少或避免结晶器内的卷渣。F数过大，液面波动剧烈，卷渣严重；F数过小，液面温度偏低，不利于化渣以及下部夹杂物上浮。
基于以上F数模型，针对板坯连铸过程进行了相关计算研究。采用Matlab进行编程，对多个变量条件下的板坯F数模型进行高通量计算。计算内容框架见图6。
各输入变量的选择类型及变化范围如下所述：
(1)拉速：0.9m/min～1.4m/min，计算步长0.1m/min；
(2)板坯宽度：1.3m～1.8m，计算步长0.1m；
(3)水口插入深度：0.15m～0.18m，计算步长0.005m；
(4)水口倾角：10°～35°，计算步长5°；
(5)水口侧孔宽度：0.07m～0.085m，计算步长0.005m；
(6)水口侧孔高度：0.07m～0.09m，计算步长0.005m。
该计算充分利用了前文中通过计算流体力学方法获得的板坯结晶器区域流场数值模拟结果，并在其基础上构建了基于浸入式水口淹没射流理论的F数计算模型，最终通过高通量计算方法获得不同拉速条件下的优化工艺参数组合模式。用优化后的工艺参数组合对水口进行调整以获得最适宜的结晶器水口。
下面以具体实施案例，针对DR07汽车板板坯连铸生产为例对本专利作进一步说明。DR07汽车板的化学成分如表1所示。
模拟计算中用到的模型热物性参数详见图7～10，分别为热焓(图7)、密度(图8)、固相率(图9)和导热系数(图10)，DR07汽车板化学成分见表1(其中Ti*＝[Ti]-4*[C]-3.42*[N]-1.5*[S])。
表3DR07汽车板化学成分(单位，％)
针对双侧孔水口在一定的浇注温度下采用不同浇铸速度时结晶器内的流场分布情况进行数值模拟，浇注速度分别为1.2m/min、1.8m/min和2.4m/min，各条件下的结晶器内钢液流速分布和流线图如图11～16所示。由图可知，对于使用双侧孔水口进行板坯连铸过程中，钢液经过水口主孔流入结晶器内部，首先通过水口侧孔流出，形成一个明显的主流股，随后分成一个冲击向自由液面处的上循环区和一个向下的回流区域。
由本组数值模拟实验的结果可以看出，当浇注速度增加时，钢液主流股冲击强度增大，与竖直方向的夹角变大，增加了对凝固坯壳的直接冲击，不利于凝固坯壳的形成。主流股冲击强度的增大也导致了结晶器内上回流区面积的减少，导致该回流区内钢液的回流流动加强，结晶器内钢液夹杂物的穿透深度增加，不利于夹杂物的上浮，同时熔池表面变得更加不稳定，易造成保护渣的卷入和钢液面裸露，使钢中夹杂物增加，降低了铸坯质量。高温射流对结晶器窄面的冲击力增强，冲击范围变大，对初生坯壳的冲刷和重熔加剧，从而减慢了凝固坯壳的生长速度。
图17对比了拉速对自由液面中心线上水平速度(X方向)的影响，以钢水流向SEN为正，由图可以看出，不同拉速下液面水平流速的分布特征相似，其最大值出现在铸坯的1/4宽度偏中心处。当拉速由1.2m/min增加到1.8m/min和2.4m/min时，自由液面最大水平流速增加，分别为0.308m/s、0.387m/s和0.474m/s。在窄面坯壳附近，钢液的流速发生了转向，在此处形成了一个小的涡流。根据自由液面的高度与液面处静压力的关系可得到结晶器内自由液面形状，从图18中可以看出，在窄面附近和1/4宽度偏中心处分别存在一个波峰和波谷。在拉速为1.2m/min时，液面波动为±4.5mm，而当拉速增大到2.4m/min时，液面波动达到±10.5mm，可知，拉速过高时，液面波动剧烈，易造成卷渣等缺陷。
板坯连铸采用较高拉速时会致使结晶器内钢液湍流剧烈，结晶器内保护渣融化及液面波动与浸入式水口插入深度密切相关。因此，有必要研究不同的水口浸入深度对结晶器内流场分布的影响。图19为采用双侧孔水口时浸入深度分别为170mm、220mm和270mm对应的结晶器中心宽面上的速度矢量和流线计算结果。由图可见，上回流涡心位置随着水口浸入深度的增加而下移，且上回流区域面积也逐渐扩大，流股的冲击深度增大。
图20给出了不同水口浸入深度对结晶器自由液面中心线上速度分布的影响，可以看出，水口浸入深度对板坯结晶器自由液面速度的影响较为明显。当水口浸入深度由170mm增加到220mm和270mm时，自由液面最大水平流速减小，分别为0.231m/s、0.238m/s和0.216m/s。
未优化情况下，针对不同板坯宽度，使用常规20°倾角、水口侧孔尺寸75mm*75mm的水口，优化前，仅板坯宽度1440拉速1.2m/min条件下F数(4.3)接近4，其它条件下F数过大(接近5或超过5)，此时液面波动剧烈，卷渣严重，当现场使用上海大学大倾角试验水口(水口倾角30°，水口侧孔尺寸：70mm*90mm)后，F数过小(接近3或低于3)，液面温度偏低，不利于化渣以及下部夹杂物上浮。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据F数确定结晶器水口的插入深度、倾角、侧孔宽度和侧孔高度；
所述F数的计算公式如下：
ρ为钢水的密度，kg/m3；
QL为钢水的流量，m3/s；
Ve为钢水撞击结晶器窄边的速度，m/s；
θ为钢水撞击结晶器窄边的角度，°；
D为撞击点与自由面之间的距离，m。
2.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述F数的取值范围为3～5。
3.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述Ve的计算公式如下：
A、B为常数；
W为结晶器宽度，mm；
Qg为水口吹氢流量体积速率，m3/s；
m，n，p是由浸入式水口决定的计算系数；
d为水口直径，m。
4.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述θ的计算公式如下：
H为结晶器水口中心到水口底的距离，mm。
5.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述水口的插入深度为0.15m～0.18m。
6.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述水口的倾角为10°～35°。
7.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述水口侧孔宽度为0.07m～0.085m。
8.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述水口侧孔高度为0.07m～0.09m。
9.根据权利要求1所述的基于最优化F数的结晶器水口优化方法，其特征在于，所述F数的取值为3.5～4.5。
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| CN202310500479.4A CN116522537A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种基于最优化f数的结晶器水口优化方法 |
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| CN (1) | CN116522537A (zh) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117463986A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-30 | 北京科技大学 | 一种改善超厚规格高碳钢可浇性的方法 |
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2023
- 2023-05-06 CN CN202310500479.4A patent/CN116522537A/zh active Pending
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| CN117463986A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-30 | 北京科技大学 | 一种改善超厚规格高碳钢可浇性的方法 |
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