CN117773034A - 一种大方坯结晶器铜管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大方坯结晶器铜管及其制备方法，建立三维热/力耦合计算模型，设置相应的参数，包括结晶器铜管厚度、水缝宽度、一冷水量、保护渣性能与铸坯尺寸及具体钢种热膨胀系数等。通过模型计算得到工作拉速下，铸坯在结晶器横截面及沿铸坯高度方向固渣层、液渣层、气隙厚度分布，坯壳收缩与铜管的补偿量，设计出宽、窄面中心及角部不同锥度曲线的结晶器铜管。本发明既能充分补偿坯壳结晶器内收缩并均匀化坯壳传热和生长，又能减轻角部区域磨损的大方坯连铸结晶器铜管，达到改善大方坯表面质量并提高结晶器使用寿命目的。

Description

一种大方坯结晶器铜管及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金连续铸钢设备领域，更具体地说，涉及一种大方坯结晶器铜管及其制备方法。

背景技术

结晶器是连铸机的核心部件，承担着高温钢液初凝成坯的任务。初凝坯壳在结晶器内逐步凝固，进而沿其宽、窄面中心方向发生显著收缩而脱离结晶器铜管，由此引发保护渣膜与气隙对产生的界面间隙不均匀填充。特别是，对于凝固坯壳角部，由于其近二维传热，表面温度最早降至保护渣熔点以下，且收缩量最大，造成了保护渣膜与气隙在坯壳角部集中分布，从而造成铸坯角部表层等凝固组织晶粒粗大，引发铸坯角部受力产生裂纹缺陷。

目前，大方坯常用结晶器铜管的内腔为弯面、直面均采用近似抛物线曲线锥度、角部为直角、圆角或倒角的结构，铜管的角部无特殊的锥度补偿结构。这种结晶器优点是制造简单，其缺点是铜管内腔，特别是角部的形状不能完全适应坯壳的收缩，容易导致大方坯角部高发裂纹缺陷。

中国专利CN 204524200 U一种均匀冷却结晶器铜管，在结晶器铜管的角部管壁外有角部外层管壁，角部外层管壁与角部管壁之间构成的夹层降低了铜管角部的冷却强度，使铜管角部与边部的冷却均匀。该方法仅仅通过解决铜管角部冷却不匀问题，降低了铸坯角裂倾向，没有充分考虑初凝坯壳在结晶器内收缩变化的特性，导致在结晶器上部锥度对坯壳收缩补偿不充分而在结晶器下部锥度补偿量过大的现象。同时，在结晶器下部的锥度补偿量大于坯壳收缩量，增加了结晶器下部磨损。

倒角结晶器将铸坯角部的传热由二维转化成近一维，可减缓热应力集中，同时有利于降低二维传热，提高了铸坯角部温度，避开了第Ⅲ脆性区，减少裂纹。

文献《连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析》(陈永，罗歆，沈厚发，钢铁，2008，43(3)，p33～37)研究认为合适的结晶器倒角，有利于减轻和防止铸坯角部裂纹。鞍钢康伟等(连铸坯角部裂纹控制技术研究[J].炼钢，2019，35(1)：66)在试验倒角结晶器时发现，中低碳钢、低合金钢生产中未发生明显的角部裂纹，但在应用SS400和X52钢种中容易引发大量的角部纵裂纹，并伴随翘皮缺陷的产生。

又如中国专利CN 103286285 A、CN 102896284 A、CN 102642000 A等提出了不同类型的板坯结晶器倒角及窄边铜管结构。虽然倒角结晶器在实践过程中应用效果显著，降低了部分工况下角部裂纹的发生率，但控制效果并不稳定。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种大方坯结晶器铜管及其制备方法，既能充分补偿坯壳结晶器内收缩并均匀化坯壳传热和生长，又能减轻角部区域磨损的大方坯连铸结晶器铜管，达到改善大方坯表面质量并提高结晶器使用寿命目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种大方坯结晶器铜管的制备方法，包括以下步骤：

S1、建立三维实体模型；

S2、对所述三维实体进行网格划分；

S3、设定铸坯、铜管的初始温度；

S4、建立铸坯/结晶器的三维瞬间热/力耦合计算模型；

S5、在所述三维瞬间热/力耦合计算模型的计算过程中，所述铸坯采用生死单元；

S6、确定收敛准则、步长、最大迭代次数和加载边界条件；

S7、检查计算是否错误；

S8、根据计算结果，确定所述铸坯的窄面向所述结晶器的宽面、窄面中心方向的凝固收缩量、保护渣与气隙的分布，并据此设定所述凝固收缩量为所述铜管的窄面、宽面沿所述结晶器高度方向的凝固补偿分布曲线；

S9、根据步骤S8中所述结晶器内坯壳沿铸坯的高度方向收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的宽面、窄面中心及角部锥度；

S10、根据步骤S8中所述结晶器内坯壳的横截面收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的内腔横截面轮廓线随高度的变化。

较佳的，所述步骤S1具体包括：

根据所要生产所述大方坯的尺寸、相应断面下传统铜管的窄面、宽面，建立其沿宽度方向的1/2铸坯与结晶器的三维实体模型；

所述铸坯的下端位于所述结晶器的弯月面位置。

较佳的，所述步骤S2具体操作如下：

S21、对所述铸坯采用非均匀网格划分方式，靠近外表面的0～20mm范围内的网格进行加密处理，网格尺寸由外边面至中心呈逐渐增大；对所述铜管采用均匀网格划分方式，网格尺寸为所述铸坯的表面网格的1.5～2倍；

S22、将所述铸坯设定为变形体，根据所述铸坯的钢种成分确定其热导率、密度、焓、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和屈服应力，将其赋予至铸坯；将所述铜管设定为可传热刚体，根据所述铜管的合金构成和铸辊的材料性质确定其热物性参数，包括热导率和焓，将其分别赋予至铜管；

S23、确定所述铸坯为运动体，并根据拉速确定其运动速度。

较佳的，所述步骤S3中，所述铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；

所述铜管的初始温度根据实际拉速设定为230～280℃。

较佳的，所述步骤S4具体操作如下：

S41、根据实际连铸过程，确定所要计算的所述铸坯与所述铜管的三维传热控制方程；

S42、根据所述铸坯的性质和所受力的性质选择力学控制方程为三维Anand率相关本构方程；

S43、若所述结晶器的弯月面区域保护渣厚度相同，根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度，计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度，并设定其为初始厚度；

S44、设定所述铸坯、所述结晶器及铸辊传热边界条件：根据实际传热条件，对所述铜管的外表面施加对流传热边界条件，根据进出口水温差和水量确定；所述结晶器和所述铸坯的对称面为绝热面热流为0；

S45、设定所述铸坯、所述结晶器的力学边界条件。

较佳的，所述步骤S44中，所述铸坯的表面与所述结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：

S441、提取所述铸坯及其对应位置处所述铜管的表面各单元节点温度，以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度；

S442、判定所述铸坯的表面与保护渣凝固温度间的关系，若当前所述铸坯的表面节点温度高于保护渣凝固温度，则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣，转步骤S443；反之，铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣，转步骤S444；

S443、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜管的热面温度，基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性，利用流经液渣层与固渣层的热流相原理，计算获得所述铸坯的表面与对应所述铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S444、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜管的热面温度，基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性，利用流经气隙层与固渣层的热流相原理，计算获得所述铸坯的表面与对应所述铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值。

较佳的，所述步骤S45具体操作如下：

所述铸坯的窄面方向和宽面方向的对称面添加约束，位移设定为0，拉速方向位移设定为0；

钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元，根据所述铸坯所处实际高度计算；

所述结晶器设定为可传热刚体，若其参与计算时只发生传热不发生变形。

较佳的，所述步骤S5具体操作如下：

整层单元在所述结晶器的弯月面处生成并向下运动，只有位置在所述结晶器的弯月面下方的单元参与计算，处于激活状态；位于所述结晶器的弯月面上方的单元不参与计算，处于未激活状态。

较佳的，所述步骤S9中，沿所述结晶器的高度方向上所述铜管的宽面、窄面及角部分别采用不同锥度连续渐变曲线。

较佳的，所述步骤S10中，所述铸坯的角部R角沿高度方向保持不变，取值范围在23～30mm之间。

另一方面，一种大方坯结晶器铜管，采用所述的大方坯结晶器铜管的制备方法制成。

本发明所提供的一种大方坯结晶器铜管及其制备方法，具有以下有益效果：

1)使用本发明所制备的结晶器铜管可充分补偿坯壳在结晶器角部收缩产生的气隙，有效消除坯壳宽、窄面角部附近区域的“热点”，实现坯壳在结晶器内均匀生长，改善角部质量；

2)根据本发明所制备的结晶器铜管可有效抑制坯壳在结晶器内的变形，防止了初凝坯壳在结晶器上部因变形量过大而造成连铸坯表面和皮下裂纹的频发；

3)使用本发明所制备的结晶器铜管可最大化减轻结晶器铜管角部磨损，延长结晶器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明制备方法的流程示意图；

图2是本发明大方坯结晶器铜管的上口形状示意图；

图3是本发明大方坯结晶器铜管沿结晶器高度方向的截面示意图；

图4是本发明实施例中铸坯角部液渣层分布云图；

图5是本发明实施例中铸坯角部固渣层分布云图；

图6是本发明实施例中铸坯角部气隙分布云图；

图7是本发明实施例中凝固坯壳沿厚度方向的收缩示意图；

图8是本发明实施例中凝固坯壳沿宽度方向的收缩示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

结合图1所示，本发明所提供的一种大方坯结晶器铜管的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据所要生产大方坯的尺寸、相应断面下传统铜管的窄面、宽面，建立其沿宽度方向的1/2铸坯与结晶器的三维实体模型。其中，铸坯的下端位于结晶器的弯月面位置；

S2、对三维实体进行网格划分，为保证计算收敛性，对铸坯表层的网格细化，并为相应的铸坯单元设定物性参数和运动过程，具体操作如下：

S21、对铸坯采用非均匀网格划分方式，靠近外表面的0～20mm范围内的网格进行加密处理，网格尺寸由外边面至中心呈逐渐增大；对铜管采用均匀网格划分方式，网格尺寸为铸坯的表面网格的1.5～2倍；

S22、将铸坯设定为变形体，根据铸坯的钢种成分确定其热导率、密度、焓、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和屈服应力，将其赋予至铸坯；将铜管设定为可传热刚体，根据铜管的合金构成和铸辊的材料性质确定其热物性参数，包括热导率和焓，将其分别赋予至铜管；

S23、确定铸坯为运动体，并根据拉速确定其运动速度；

S3、设定铸坯、铜管的初始温度，铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；铜管的初始温度根据实际拉速设定为230～280℃；

S4、建立铸坯/结晶器的三维瞬间热/力耦合计算模型，根据实际连铸条件设定铸坯、结晶器铜管的三维传热和力学边界条件，模拟铸坯在连铸过程中的凝固传热与收缩变形行为，具体操作如下：

S41、根据实际连铸过程，确定所要计算的铸坯与铜管的三维传热控制方程；

S42、根据铸坯的性质和所受力的性质选择力学控制方程为三维Anand率相关本构方程；

S43、若结晶器的弯月面区域保护渣厚度相同，根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度，计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度，并设定其为初始厚度；

S44、设定铸坯、结晶器及铸辊传热边界条件：根据实际传热条件，对铜管的外表面施加对流传热边界条件，根据进出口水温差和水量确定；结晶器和铸坯的对称面为绝热面热流为0；

铸坯的表面与结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：

S441、提取铸坯及其对应位置处铜管的表面各单元节点温度，以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度；

S442、判定铸坯的表面与保护渣凝固温度间的关系，若当前铸坯的表面节点温度高于保护渣凝固温度，则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣，转步骤S443；反之，铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣，转步骤S444；

S443、提取铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜管的热面温度，基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性，利用流经液渣层与固渣层的热流相原理，计算获得铸坯的表面与对应铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S444、提取铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜管的热面温度，基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性，利用流经气隙层与固渣层的热流相原理，计算获得铸坯的表面与对应铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S45、设定所述铸坯、所述结晶器的力学边界条件，具体操作如下：

铸坯的窄面方向和宽面方向的对称面添加约束，位移设定为0，拉速方向位移设定为0；

钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元，根据铸坯所处实际高度计算；

结晶器设定为可传热刚体，若其参与计算时只发生传热不发生变形；

S5、在三维瞬间热/力耦合计算模型的计算过程中，铸坯采用生死单元，即整层单元在结晶器的弯月面处生成并向下运动，只有位置在结晶器的弯月面下方的单元参与计算，处于激活状态；位于结晶器的弯月面上方的单元不参与计算，处于未激活状态；

S6、根据实际连铸过程定义工况，确定收敛准则、步长、最大迭代次数和加载边界条件；

S7、检查计算是否错误，若有错误根据提示对错误进行修改，若无错误开始计算并等待计算结果；

S8、根据计算结果，确定铸坯的窄面向结晶器的宽面、窄面中心方向的凝固收缩量、保护渣与气隙的分布，并据此设定凝固收缩量为铜管的窄面、宽面沿结晶器高度方向的凝固补偿分布曲线；

S9、根据步骤S8中结晶器内坯壳沿铸坯的高度方向收缩与变形量计算结果，设计铜管的宽面、窄面中心及角部锥度，确保沿结晶器的高度方向上铜管的宽面、窄面及角部分别采用不同锥度连续渐变曲线；

S10、根据步骤S8中结晶器内坯壳的横截面收缩与变形量计算结果，设计铜管的内腔横截面轮廓线随高度的变化。铸坯的角部R角沿高度方向保持不变，取值范围在23～30mm之间，过小或过大会导致角部的传热不良，产生角部缺陷。

本发明还提供了一种大方坯结晶器铜管，采用本发明大方坯结晶器铜管的制备方法制成。结合图2和图3所示，图示中，A为结晶器铜管内腔宽面长度；B为结晶器铜管内腔窄面长度；C为宽面内腔直面长度；D为窄面内腔直面长度；E为内腔对角长度；铜管的内腔横截面轮廓线由宽窄面直线段C,D、圆角H以及连接直线段和圆角的斜线段F、G围成。在高度方向上，铜管的内腔圆角R值不变，角部沿对角线E向内收缩。随着角部向内收缩，宽窄面直线段长度变短，连接的斜线段相应变长。依据铸坯的宽窄面及角部的收缩不同，铜管的宽面、窄面中心及角部分别采用不同锥度连续渐变曲线，窄面锥度最小，角部锥度最大。

使用本发明所制备的结晶器铜管可改善凝固坯壳角部的传热，有效消除坯壳角部附近区域保护渣与气隙集中分布的现象，实现凝固坯壳角部组织在结晶器内均匀、细化生长，从而提高角部组织的高温塑性，减少铸坯角部裂纹发生；同时，使用本发明所制备的角部补偿大方坯结晶器铜管，可最大程度减轻结晶器铜管角部磨损，延长铜管的使用寿命。

实施例

本实施例的大方坯结晶器铜管应用在某钢厂大方坯连铸机生产，其内腔形状如图2和图3所示，结晶器铜管的内腔横截面的轮廓线由直线段部分、圆角及斜线段构成，直线部分宽面C的长度范围为156.36～194.62mm，直线部分窄面D的长度范围为214.12～281.29mm，圆角H的半径R取25mm，沿高度方向保持不变。宽面直线段C和圆角H采用斜线段F连接，窄面直线段D和圆角H采用斜线段G连接，斜线段与圆角相切。铜管的宽面A的范围为435.08～439.24mm，窄面B的范围为327.92～331.29mm，角部H的对角线E的范围为520.52～529.46mm，依据铸坯的收缩，铜管的内腔宽窄面中心及角部用不同倒锥度连续渐变曲线，宽面中心锥度0.82％，窄面中心锥度为0.80％，角部锥度为1.5％。

本实施例的大方坯结晶器铜管具体的制备方法按照以下步骤进行：

S1、选择ANSYS有限元商业软件，生产的大方坯尺寸为425*320mm，结晶器铜管的厚度为30mm，水缝宽度为3.5mm，建立其沿宽度方向的1/2铸坯与结晶器系统三维实体模型。铸坯的下端位于结晶器弯月面处；

S2、对所建立的三维模型进行网格划分，为保证计算收敛性，对铸坯表层的网格细化，并为相应的铸坯单元设定物性参数和运动过程，具体操作如下：

S21、对铸坯采用非均匀网格划分方法，对靠近外表面的0～20mm范围内的网格进行加密处理，网格尺寸由外边面至中心逐渐增大，对结晶器铜管均匀网格划分，网格尺寸为铸坯表面网格的1.5～2倍；

S22、将铸坯设定为变形体，设定浇注钢种为SCM435冷镦钢，根据钢种成分确定其热导率、密度、焓、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和屈服应力(可通过专业书籍查询获得)将其赋予至铸坯，将铜管设定为可传热刚体，根据铜管的合金构成和铸辊的材料性质确定其热物性参数包括热导率和焓将其分别赋予至铜管；

S23、确定铸坯为运动体，并根据拉速确定其运动速度0.65～0.70m/min；

S3、设定铸坯、铜管的初始温度，铸坯的初始温度为浇注钢种液相线温度以上20℃，铜管的初始温度设定为230℃～280℃；

S4、建立铸坯/结晶器三维瞬态热/力耦合计算模型，根据实际连铸条件设定铸坯、结晶器铜管的三维传热和力学边界条件，模拟铸坯在连铸过程中的凝固传热与收缩变形行为，具体操作如下：

S41、根据实际连铸过程，确定所要计算的铸坯与铜管单元的三维传热控制方程；

S42、根据铸坯的性质和所受力的性质选择力学控制方程为三维Anand率相关本构方程；

S43、假设结晶器的弯月面区域保护渣厚度相同，根据实际钢渣耗量、结晶器的弯月面周长、拉速、保护渣密度，计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度，并设定其为初始厚度；

S44、设定铸坯、结晶器及铸辊传热边界条件，具体如下：

根据实际传热条件，对结晶器铜管的外表面施加对流传热边界条件，根据进出口水温差和水量确定，本实施例水温差为4.5℃，冷却水量为2600L/min；结晶器和铸坯的对称面为绝热面热流为0；

铸坯的表面与结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：

S441、提取铸坯及其对应位置处铜管的表面各单元节点温度以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度；

S442、判定铸坯的表面与保护渣凝固温度间的关系，若当前铸坯的表面节点温度高于保护渣凝固温度，则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣，转步骤S443；反之，铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣，转步骤S444；

S443、提取铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜管热面温度，基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性，利用流经液渣层与固渣层的热流相原理，计算获得铸坯的表面与对应铜管热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S444、提取铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的铜管热面温度，基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性，利用流经气隙层与固渣层的热流相原理，计算获得铸坯的表面与对应铜管热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S45、设定铸坯、结晶器的力学边界条件，具体操作如下：

铸坯的窄面方向和宽面方向的对称面添加约束，位移设定为0，拉速方向位移设定为0；

钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元，根据铸坯所处实际高度计算；

结晶器设定为可传热刚体，假设其参与计算时只发生传热不发生变形。

S5、计算过程中，铸坯采用生死单元，即整层单元在弯月面处生成并向下运动，只有位置在弯月面下方的单元参与计算，处于激活状态，位于弯月面上方的单元不参与计算，处于未激活状态；

S6、根据实际连铸过程定义工况，确定收敛准则、步长、最大迭代次数和加载边界条件；

S7、检查计算是否错误，若有错误根据软件提示对错误进行修改，若无错误开始计算并等待计算结果；

S8、根据铸坯在结晶器中的传热及收缩变形行为的模拟结果，确定铸坯的窄面向结晶器的宽面与窄面中心方向的凝固收缩量、保护渣与气隙的分布，并据此设定该凝固收缩量为铜管的窄面与宽面铜管沿高度方向的凝固补偿分布曲线；

通过模型计算得到工作拉速下，铸坯在结晶器横截面及沿铸坯高度方向液渣层分布如图4所示，弯月面处液渣膜厚度分布较为均匀。随着初凝坯壳向下运动，宽、窄面中心处液态渣膜逐渐减薄。至弯月面下230mm处大面上液渣膜完全消失。此外，可以看出，弯月面附件铸坯角部收缩较为剧烈，有液态保护渣填充界面间隙，使得铸坯角部液渣呈先增厚，后减薄的趋势。偏离角处液渣膜延续至弯月面下280mm处才完全消失；

固渣层厚度分布如图5所示，弯月面处固态渣膜分布较为均匀，约为0.4mm。随坯壳表面温度降低，液渣不断结晶为固态，因此，固渣膜逐渐增厚。至弯月面下230mm处固渣膜宽、窄面中心处固渣膜达到最厚(1.65mm)。而角部受间隙扩大影响，其固渣膜厚度增幅较大，最大厚度约为3.05mm；

气隙厚度分布如图6所示，待液渣层完全转变为固渣层后，凝固坯壳的进一步收缩会使结晶器角部产生气隙。从图中可以看出，气隙于弯月面下230mm处的坯壳角部开始形成。随铸坯下行，角部气隙进一步扩展至偏离角区域。弯月面下430mm，角部气隙厚度达到最大值0.23mm。随后，坯壳收缩放缓，角部及偏离角区域的气隙在锥度补偿作用下开始减薄，结晶器下口处角部气隙厚度减薄至0.1mm；

通过模型计算获得凝固坯壳沿厚度及宽度方向的收缩如图7和图8所示，方坯连铸过程中，坯壳沿厚度方向的收缩大体与宽度方向的收缩相类似。至结晶器下口处，角部沿厚度方向的收缩量约为2.4mm，沿宽度方向的总收缩达到2.83mm。角部收缩量大于偏离角大于窄面中心；

S9、根据步骤S8中结晶器内坯壳沿铸坯高度方向收缩与变形量计算结果，设计铜管宽窄面及角部锥度，沿结晶器高度方向上铜管宽面、窄面及角部分别采用不同锥度连续渐变曲线如图3所示。铜管窄面锥度最小为0.80％，宽面锥度0.82％，角部锥度最大为1.5％；

S10、根据步骤S8中结晶器内坯壳横截面收缩与变形量计算结果，设计铜管内腔横截面轮廓线随高度的变化。其中：宽面直线段C的长度范围为156.36～194.62mm，窄面直线段D的长度范围为214.12～481.29mm。沿高度方向上，在弯月面以上部位最大，到弯月面由于铸坯收缩，直线段部分显著变小收缩，弯月面以下150mm，缓慢减小。铸坯角部R角沿高度方向保持不变，取值范围23～30mm，过小或过大会导致角部的传热不良，产生角部缺陷。宽窄面的直线段部分与圆角连接采用与圆角相切的斜线段。

本实施例中，应用该锥度后，结晶器坯壳角部的“热点”全部消除；易裂冷镦钢角裂发生率大幅下降，从原来的10.8％下降到0.96％。铜管的磨损减轻，使用寿命明显提升，从原来的600炉提升到800炉。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (11)

1.一种大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立三维实体模型；

S2、对所述三维实体进行网格划分；

S3、设定铸坯、铜管的初始温度；

S4、建立铸坯/结晶器的三维瞬间热/力耦合计算模型；

S5、在所述三维瞬间热/力耦合计算模型的计算过程中，所述铸坯采用生死单元；

S6、确定收敛准则、步长、最大迭代次数和加载边界条件；

S7、检查计算是否错误；

S8、根据计算结果，确定所述铸坯的窄面向所述结晶器的宽面、窄面中心方向的凝固收缩量、保护渣与气隙的分布，并据此设定所述凝固收缩量为所述铜管的窄面、宽面沿所述结晶器高度方向的凝固补偿分布曲线；

S9、根据步骤S8中所述结晶器内坯壳沿铸坯的高度方向收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的宽面、窄面中心及角部锥度；

S10、根据步骤S8中所述结晶器内坯壳的横截面收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的内腔横截面轮廓线随高度的变化。

2.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

根据所要生产所述大方坯的尺寸、相应断面下传统铜管的窄面、宽面，建立其沿宽度方向的1/2铸坯与结晶器的三维实体模型；

所述铸坯的下端位于所述结晶器的弯月面位置。

3.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体操作如下：

S21、对所述铸坯采用非均匀网格划分方式，靠近外表面的0～20mm范围内的网格进行加密处理，网格尺寸由外边面至中心呈逐渐增大；对所述铜管采用均匀网格划分方式，网格尺寸为所述铸坯的表面网格的1.5～2倍；

S22、将所述铸坯设定为变形体，根据所述铸坯的钢种成分确定其热导率、密度、焓、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和屈服应力，将其赋予至铸坯；将所述铜管设定为可传热刚体，根据所述铜管的合金构成和铸辊的材料性质确定其热物性参数，包括热导率和焓，将其分别赋予至铜管；

S23、确定所述铸坯为运动体，并根据拉速确定其运动速度。

4.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；

所述铜管的初始温度根据实际拉速设定为230～280℃。

5.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体操作如下：

S41、根据实际连铸过程，确定所要计算的所述铸坯与所述铜管的三维传热控制方程；

S42、根据所述铸坯的性质和所受力的性质选择力学控制方程为三维Anand率相关本构方程；

S43、若所述结晶器的弯月面区域保护渣厚度相同，根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度，计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度，并设定其为初始厚度；

S44、设定所述铸坯、所述结晶器及铸辊传热边界条件：根据实际传热条件，对所述铜管的外表面施加对流传热边界条件，根据进出口水温差和水量确定；所述结晶器和所述铸坯的对称面为绝热面热流为0；

S45、设定所述铸坯、所述结晶器的力学边界条件。

6.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S44中，所述铸坯的表面与所述结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：

S441、提取所述铸坯及其对应位置处所述铜管的表面各单元节点温度，以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度；

S442、判定所述铸坯的表面与保护渣凝固温度间的关系，若当前所述铸坯的表面节点温度高于保护渣凝固温度，则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣，转步骤S443；反之，铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣，转步骤S444；

S443、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜管的热面温度，基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性，利用流经液渣层与固渣层的热流相原理，计算获得所述铸坯的表面与对应所述铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；

S444、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜管的热面温度，基于热量在固渣层及气隙层内导热及辐射传热并联特性，利用流经气隙层与固渣层的热流相原理，计算获得所述铸坯的表面与对应所述铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值。

7.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S45具体操作如下：

所述铸坯的窄面方向和宽面方向的对称面添加约束，位移设定为0，拉速方向位移设定为0；

钢水静压力垂直施加于铸坯凝固前沿网格单元，根据所述铸坯所处实际高度计算；

所述结晶器设定为可传热刚体，若其参与计算时只发生传热不发生变形。

8.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S5具体操作如下：

整层单元在所述结晶器的弯月面处生成并向下运动，只有位置在所述结晶器的弯月面下方的单元参与计算，处于激活状态；位于所述结晶器的弯月面上方的单元不参与计算，处于未激活状态。

9.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S9中，沿所述结晶器的高度方向上所述铜管的宽面、窄面及角部分别采用不同锥度连续渐变曲线。

10.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述铸坯的角部R角沿高度方向保持不变，取值范围在23～30mm之间。

11.一种大方坯结晶器铜管，其特征在于：采用如权利要求1-10之一所述的大方坯结晶器铜管的制备方法制成。