考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法及其装置

摘要

本发明涉及考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法及其装置，模拟步骤为：(1)建立结晶器的仿真模型-仿真模型中考虑有铸坯凝固壳不同位置的厚度；(2)仿真模型运行-在仿真模型中模拟钢液运行，钢液的量在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。本发明考虑结晶器内坯壳和流动质量平衡后，结晶器内流动状态的物理描述更为真实，结晶器内流场和水口结构参数的优化更为准确，能够准确地得到结晶器内流动状态的变化规律，从而能够较真实地反映连铸的实际情况，使结晶器内流场和水口的优化结果与实际情况更为符合，这对于连铸工艺参数、水口参数优化和提高铸坯质量都有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，并根据该方法设计了一套结晶器模拟装置。主要用于冶金领域连铸结晶器内钢液流场流动状态和结晶器水口优化的物理模拟研究。适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸和其它类型的所有连铸，特别是薄板坯连铸等领域。

背景技术

连铸结晶器是控制流体流动和凝固传热的关键部件，也是控制铸坯质量的重要环节。连铸结晶器内发生一系列复杂的物理和化学现象，可归纳为含有流动、传热和传质的传输现象和相变、应力等引起的变形现象，包括钢液的流动、传热、凝固、溶质再分配、夹杂物的分布以及热应力引起的相变等。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固壳包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对卷渣、卷气、液穴的形成以及结晶器中温度分布、凝固传热和凝固壳厚度分布的均匀性都有重要影响。结晶器内钢液的流动特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮，而且还与铸坯裂纹、偏析等表面及内部质量有着非常密切的关系。因此，对结晶器内钢水流场流动状态进行研究就显得尤为重要。

随着连铸技术的发展，对结晶器内流体流动过程和优化设计研究受到重视。目前，主要是通过物理模拟实验和数值模拟进行研究。物理模拟是通过建立物理模型，对所研究体系进行实时观察和测量，模型建立在相似原理基础之上，利用物理模型与原型之间几何、运动、动力等方面的相似性，研究结晶器流场的实际特征。在结晶器内钢水热量传递给结晶器铜板，并由铜板内水缝循环冷却水带走。在结晶器高度方向上，随着至弯月面距离的增大，钢液在结晶器内冷却时间增大，传出的热量越多，凝固壳厚度沿结晶器高度方向逐渐增加。在结晶器出口处，凝固壳一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响凝固壳厚度的主要为拉速、横断面形状、结晶器冷却参数(包括冷却水缝设计、水流速、水流量、水压力)等因素。结晶器内钢水凝固时，释放一定的热量，从而形成一定厚度的坯壳，保证铸坯出结晶器后坯壳能抵抗钢水静压力而不漏钢。

目前国内外对结晶器内凝固坯壳的模拟研究方法以数值模拟为主，对结晶器流场的物理模拟研究主要集中在不同工况下流场的分布情况，如结晶器尺寸、拉坯速度、吹氩量、浸入深度和浸入式水口结构参数(包括内径尺寸、出口角度及个数、出口面积与内孔面积比)等对结晶器内流场分布的影响。这些研究虽然在一定程度上对实际生产有指导意义，但都是建立在忽略凝固壳和结晶器内流动质量平衡的基础上，与实际生产结晶器流动状态存在一定的差异。

当钢水注入到结晶器后，由于结晶器的冷却作用，铸坯在结晶器壁附近逐渐形成凝固坯壳。随着钢液在结晶器内冷却时间的增加，在拉坯方向上，凝固壳厚度逐渐增加。即在冷却作用下，结晶器内一部分液相钢液逐渐转化成为固相凝固壳。根据结晶器内流动质量平衡的思想，注入结晶器内钢液总量分为两部分，一部分为靠近结晶器壁的钢液冷却形成凝固坯壳，另一部分为在结晶器内未凝固的钢液。在结晶器冷却过程中，结晶器内的凝固过程对于结晶器流动状态的影响可分为两方面：一方面，钢液凝固形成凝固坯壳，结晶器内流动空间在拉坯方向上逐渐产生收缩，即流动区域逐渐减少；另一方面，由于钢液凝固作用，结晶器内流动钢液总量减少。传统的物理模拟研究方法没有考虑凝固坯壳的影响，而且未考虑钢液量减少带来的影响，即结晶器出口处的钢液总量小于由水口进入结晶器的钢液总量。这样物理模拟得到的结晶器流动状态与实际生产就有一定差异，不能真实地反映连铸过程中结晶器流场的变化规律，水口结构优化研究结果也不够准确。

对于不同形状结晶器，结晶器内凝固转化为凝固壳的钢液占注入结晶器内钢液总量的比例不同，对结晶器内流动状态的影响程度不同。例如，对于板坯，1700mm×160mm断面的板坯和结晶器，板坯连铸一般正常状态下，出结晶器的凝固壳厚度一般为15mm左右。在物理模拟研究过程中，不考虑凝固壳厚度时，某板坯结晶器宽面上口和下口的尺寸分别为1750mm、1735mm，窄面上口和下口的尺寸分别为167mm、166mm，结晶器本身具有一定的倒锥度。考虑凝固壳和流动质量平衡后，结晶器出口处宽面和窄面出口分别为1705mm和136mm，比较考虑坯壳前后的数据，由于坯壳的原因，在结晶器出口处厚度方向上收缩了将近1/6，结晶器内流动钢液的总量变化较大，即结晶器内流动空间和流动质量都发生了较大的变化，结晶器流动状态必定发生一定的变化。从这方面来说，当不考虑坯壳厚度和流动质量平衡时，研究结晶器内的流动状态和优化水口结构得到的物理模拟结果与实际情况有较大差异，不能准确反映结晶器内的流动状态。

若对于薄板坯，凝固壳厚度和流动质量平衡的考虑与否，物理模拟结果的差异更大。对于60mm厚度薄板坯结晶器，若出结晶器凝固壳厚度为15mm左右。由于薄板坯本身结晶器倒锥度较大，加上坯壳厚度，出结晶器时铸坯整个凝固了一半左右。而结晶器内钢液基本上有一半已经凝固，钢液总量减小了近1/4，即考虑凝固壳厚度和流动质量平衡后，薄板坯内流动状态与不考虑这些因素时完全不同。如果没有考虑坯壳厚度和流动质量平衡的研究，应该说结果基本不能反映连铸的真实情况。对于薄板坯水口的优化，在没有考虑凝固壳情况下，水口的具体结构参数优化与实际情况相差太大，在结晶器内流动区域和流体总量上都有明显差异。对于150mm×150mm断面的方坯和φ150mm的圆坯，考虑凝固壳厚度和流动质量平衡后，对物理模拟实验的结果也有很大影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法。在连铸结晶器物理模拟研究过程中，通过本模拟方法使结晶器内流动状态的物理描述更为真实，与实际连铸生产更加接近。

本发明同时根据上述方法设计了一套结晶器模拟装置。

本发明的目的是这样实现的：

考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，模拟步骤为：

(1)建立结晶器的仿真模型

①首先确定结晶器内沿内壁方向上不同位置的铸坯凝固壳厚度；

②再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；

③最后基于具有新内壁的结晶器建立结晶器的仿真模型；

(2)仿真模型运行

在仿真模型中模拟钢液运行，钢液的量在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。

其中，结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度可以由式(1)得到，

$D=K\times \sqrt{\frac{Z}{V}}---\left(1\right)$

其中D-坯壳厚度；K-凝固比例常数，Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离；V-拉坯速度。

一种基于上述连铸结晶器模拟方法而设计的结晶器模拟装置，它包括一个模拟结晶器形状的外壳，在外壳内设有内壳，内壳与外壳之间为夹层结构，在任一横截面上夹层厚度与内壳厚度之和与钢液实际通过结晶器该横截面时形成铸坯凝固壳的厚度一致。

进一步地，在内壳周围上从上至下设有若干与夹层连通的排水孔，在外壳下端设有排水管，排水管上设有流量调节开关；排水孔的设置使得在内壳任一高度位置以上通过排水孔排出的流体体积与在该位置以上钢液冷却凝固形成铸坯凝固壳的体积一致。

在外壳底部设有与内壳相通的水箱，水箱具有与内壳底部形状对应的接口，水箱底部设有出水口，出水口的流量与排水管的流量之和与水口进入内壳的流量一致。

由于凝固壳的厚度和凝固过程中的液固相转化对于结晶器流动状态的影响较大，因此本发明考虑结晶器内坯壳和流动质量平衡后，结晶器内流动状态的物理描述更为真实，使物理模拟过程中结晶器内流场和水口结构参数的优化更为准确，从而能够准确地得到结晶器内流动状态的变化规律。无论对于板坯、薄板坯还是方坯，采用考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的研究方法能够较真实地反映连铸的实际情况，使结晶器内流场和水口的优化结果与实际情况更为符合，这对于连铸工艺参数、水口参数优化和提高铸坯质量都有重要的意义。本发明可以直接对实际生产中连铸工艺参数和水口结构参数优化提供技术指导。

附图说明

图1-本发明结晶器模拟装置结构示意图。

其中，1-水口；2-外壳；3-内壳；4-排水管；5-流量调节开关；6-水箱；7-排水孔；8-出水口。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明。

为了真实地反映连铸过程中结晶器流场的变化规律，使水口结构优化研究结果更为准确，在物理模拟研究过程中，应该考虑钢液凝固作用以及转化为凝固壳后钢液总量发生变化对结晶器流动状态和水口优化结果的影响。考虑凝固壳和流动质量平衡前后，结晶器内流动状态变化比较大。一方面是流动空间的变化：考虑凝固壳厚度后使结晶器内流动区域产生一定收缩，总的流动空间减小，而且由于凝固壳的存在，水口出口流股冲击坯壳产生的上回流流股动能有所变化，对液面造成的扰动也不相同；另一方面是流动钢液总量的变化：由于凝固过程中，部分钢液凝固成为坯壳，造成钢液总量减少，结晶器内流动的钢液总量发生变化。考虑结晶器内凝固壳和流动质量平衡后对结晶器水口优化结果影响较大。例如，对于板坯窄面，考虑凝固坯壳和流动质量平衡后，流动空间和流体的总量发生变化，即流动空间减小，钢液总量由于凝固过程减少，二者同时变化，会对水口结构参数优化产生一定的影响，如水口向下倾角应该增大从而减小流股对液面的扰动；对于铸坯宽面，考虑凝固壳和流动质量平衡后，使钢液在侧面方向的流动受到一定的约束，水口的侧孔尺寸以及倾角优化必须做出一定的调整，从而消除考虑二者后造成的影响。

基于上述认识，本发明提出了一种考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，其模拟步骤为：

一、建立结晶器的仿真模型——在连铸结晶器的物理模拟研究中，根据连铸坯凝固的实际情况(钢液在结晶器内在高度方向上逐渐凝固形成凝固壳)，采用考虑具有凝固壳厚度的模型进行研究。因此，需要

①首先确定结晶器内沿内壁方向上不同位置的铸坯凝固壳厚度；

钢液由水口注入结晶器，在结晶器内钢水将热量传递给结晶器铜板，由铜板内水缝循环冷却水将热量带走。由于冷却作用，在结晶器高度方向上，凝固壳厚度由上到下逐渐增大，在结晶器出口处凝固壳的厚度一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响凝固壳厚度的主要因素为拉速、结晶器横断面形状和结晶器冷却参数(包括冷却水缝设计、水流速、水流量、水压力等)。其中结晶器内凝固壳厚度可以根据数学仿真、生产实践经验和一定的测量方法确定，也可以根据公式确定。根据式(1)可以得到结晶器内铸坯凝固壳对应某一位置的厚度，同时坯壳厚度也可以通过建立数学模型的方法，通过仿真得到的铸坯温度场来确定结晶器内凝固壳的生长情况。

$D=K\times \sqrt{\frac{Z}{V}}---\left(1\right)$

其中D-坯壳厚度，mm；K-凝固比例常数，可以根据经验进行确定，或是通过射钉法现场测试铸坯坯壳厚度进行推算；当根据经验确定时，根据不同形状的铸坯，取值范围有所不同，一般取值范围为15-27；Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离，mm；V-拉坯速度，mm/s；

②得到铸坯凝固壳厚度后，再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；

③最后基于具有新内壁的结晶器建立结晶器的仿真模型；

二、仿真模型运行

在钢液凝固过程中，部分钢液由于冷却作用转化为凝固坯壳，结晶器出口处的钢液总量小于由水口进入结晶器的钢液总量。考虑结晶器流动质量平衡后，由水口进入结晶器内的钢液总量可以分为两部分，一部分钢液冷却转化为凝固坯壳，另外一部分钢液由坯壳保护形成铸坯进入二冷区，但必须保证二者总和与水口注入结晶器的总量相等，从而保证流动质量平衡，与结晶器内实际情况相符合。因此在仿真模型中模拟钢液运行时，钢液的量应当在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。

本发明基于上述连铸结晶器模拟方法同时设计了一种结晶器模拟装置，参见图1，它包括一个模拟结晶器形状的外壳2，在外壳2内设有内壳3，内壳3模拟结晶器凝固壳而具有一定的倒锥度，内壳3上端插入有结晶器浸入式水口1。内壳与外壳之间为夹层结构，因为是模拟结晶器凝固壳，因此在任一横截面上夹层厚度与内壳厚度之和与钢液实际通过结晶器该横截面时形成铸坯凝固壳的厚度一致。

在内壳3周围上从上至下设有若干与夹层连通的排水孔7，排水孔的目的是通过其渗透作用，使流体进入夹层空间，以此模拟实际生产过程中钢液凝固形成凝固坯壳而造成液态钢液总量的减少。因此排水孔的设置应当满足：在内壳任一高度位置以上通过排水孔排出的液体体积与在该位置以上钢液实际形成铸坯凝固壳的体积一致。为了将夹层流体排出，在外壳2下端设有排水管4，排水管4上设有流量调节开关5以控制流体排出量，保证流体排出量与凝固形成坯壳的钢水量相等。其中，流量调节开关5控制流体流量Q可以由式(2)计算得出。

$Q=[(A+B)\times D-\frac{4}{3}{D}^2]\times V---\left(2\right)$

其中A、B分别为铸坯断面宽度和厚度，mm；D-坯壳厚度，mm，V为拉速，mm/s。

在外壳2底部设有与内壳相通的水箱6，水箱具有与内壳底部形状对应的接口，水箱6底部设有出水口8，出水口的流量与排水管的流量之和与水口进入内壳的流量一致，此之谓流动质量平衡。

钢液由水口注入结晶器，由于水口的导向作用，在水口两侧分别形成了上回流区和下回流区。其中，在上回流区附近，流股冲向结晶器的凝固壳，由于坯壳厚度的存在，流股提前改变流动方向，流股向上速度变大，对结晶器液面波动的扰动增大，卷渣情况也有所改变，上回流区整体向上移动；同样，在下回流区附近，由于凝固壳厚度增大，其影响趋势也随之变大。考虑流动质量平衡后，结晶器内流体的一部分将通过凝固壳的渗透作用，由排水管排出。因此，与不考虑流动质量平衡时相比，结晶器出口处流体总量减少，结晶器内的流场和流动状态明显发生改变。

根据不同形状结晶器的凝固壳模拟方法，考虑凝固壳厚度和流动质量平衡后，结晶器流动状态更接近于实际情况。考虑凝固壳和流动质量平衡前后，应该说结晶器内流动状态变化比较大。一方面是流动空间的变化，凝固壳厚度使结晶器内流动区域产生一定收缩，总的流动空间减小；另一方面是流动质量的变化，由于凝固过程中，部分钢液凝固成为凝固坯壳，造成钢液总量减少。另外，是否考虑凝固壳厚度和流动质量平衡对水口结构参数    优化结果产生一定影响。由于凝固壳具有一定厚度，结晶器内壁的收缩可能对流场有一定影响，如对于水口侧孔的角度产生一定的影响；而对铸坯宽面的凝固，宽面凝固后，使钢液在侧面方向的流动受到很大影响，水口的侧孔尺寸和倾角优化必须考虑这些因素，传统研究方法通常将这一影响忽略，而这些通常是水口结构参数优化的关键。考虑结晶器内凝固壳后，通过物理模拟比较不同水口结构参数下结晶器流动状态，如结晶器液面波动情况、卷渣情况、液渣层分布、流场分布等情况，通过优化得到一定工艺参数下最佳的水口结构参数，从而优化结果更接近实际生产，更为准确。

本发明适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸和其它类型的所有连铸，特别是薄板坯连铸等领域。

对于不同断面结晶器，铸坯在结晶器内的凝固坯壳厚度有所不同，凝固部分所占钢液总量的比例也不相同。因此，结晶器凝固壳厚度和钢液在凝固过程中的流动质量平衡问题对于结晶器的流动状态和水口流股的影响作用不能忽略。在物理模拟过程中，考虑结晶器内凝固壳厚度和流动质量平衡对于流动状态和水口结构优化的研究是十分必要的。

对于薄板坯的情况，考虑凝固壳和流动质量平衡问题后，铸坯出结晶器时，铸坯整个凝固了一半左右，钢液基本上有一半已经凝固，钢液总量减小了近1/4，即考虑二者后，薄板坯结晶器内流动状态与不考虑这些因素时完全不同。

由于结晶器的冷却有差异，不同形状结晶器凝固壳的生长情况也有所不同。如对于板坯，凝固壳厚度模拟可以根据结晶器冷却情况，分为宽面和窄面两种情况，同样凝固壳多孔结构也可以分为宽面和窄面两种情况；对于方坯，由于结晶器冷却的对称性，各侧面可以按照同一凝固壳厚度变化情况进行考虑；对于圆坯，圆周方向上也可以按同一凝固壳变化规律考虑；而对于薄板坯，是否考虑凝固壳对结晶器内流动状态影响程度最大，由于结晶器形状比较特殊，分为平板形结晶器和漏斗形结晶器，其中平板形结晶器可以按照板坯凝固壳的考虑方法，而漏斗形结晶器宽面的凝固壳可以考虑为漏斗形。其中，由排水管排出部分流体流量可以根据物理模拟的结晶器断面、实际工况、坯壳生长速度等参数进行确定以保证结晶器内流动质量平衡。

在物理模拟过程中，考虑凝固壳厚度和流动质量平衡后，可以将凝固坯壳看成是多孔介质，使已经凝固的那部分钢液以渗透方式从结晶器侧面小孔排除，这样可以消除因凝固过程造成钢液量的减少而带来的偏差，使得物理模拟的结果更加接近实际连铸生产，结晶器内流动状态的物理描述更为真实。