多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法

摘要

本发明是一种多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法，该方法是以板坯连铸机结晶器铜板热电偶实时测量得到的温度分布数据作为基础，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来换算结晶器单位面积上的瞬时热流密度边界条件，来计算结晶器内钢液的凝固传热过程。本发明简便易行、适用性高、可靠性高，能够用于在线多点连续测量板坯连铸机结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的调整提便捷途径。

说明书

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，尤其是在线多点连续测量模拟连铸结晶器内高温钢液的凝固传热过程的方法。

背景技术

作为连铸的心脏，结晶器内的连铸过程是一个关联着传热，凝固，流动和溶质再分配等现象的复杂过程。各现象之间相互关联，交互影响作用，使结晶器内的传热行为变得异常复杂。但结晶器内钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率不均匀易于引发铸坯裂纹；此外，若传热不充分，则容易导致较薄的坯壳鼓肚，变形，甚至被拉漏。铸坯的凝固行为取决于钢液向外进行热传递的能力。通过对结晶器内的凝固传热过程进行仿真计算，即可以获知铸坯在结晶器中生长得到的凝固坯壳厚度，铸坯表面温度分布，结晶器冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布等重要的冶金参数。这对整个连铸过程工艺参数的优化和铸坯质量的改善等都具有十分重要的意义。

连铸结晶器内钢液的凝固传热过程研究中，主要是通过离线仿真方式计算得到与铸机结晶器相关的冶金参数，进而指导生产。这其中基本上是利用结晶器传热热流分布来分析钢液的凝固过程，得到与连铸生产相关的参数，并均取得了一定的实际效果。但这种离线仿真的手段在实际生产中，往往无法应对可能出现的突发状况。诸如处于高温热负荷的连铸结晶器承受着高温钢液，凝固铸坯、固液渣、结晶器振动、冷却水等诸多因素的影响，容易造成凝固传热不稳定，不利于连续生产。因此，需要有一种可以通过实时测量的方式，测量结晶器铜板温度变化，监测钢液的凝固传热过程，调整连铸操作工艺，避免突发情况造成的生产停滞以及由此带来的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法，该方法用于在线多点连续测量板坯连铸机结晶器内钢液凝固传热过程，以便为大规模生产中实现连铸生产工艺的调整提供便捷途径。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案： 

本发明提供的多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法，具体是：以板坯连铸机结晶器铜板热电偶实时测量得到的温度分布数据作为基础，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来换算结晶器单位面积上的瞬时热流密度边界条件，来计算结晶器内钢液的凝固传热过程。

所述的钢液凝固传热过程可以由下述方法获得，其步骤包括：

第一步，进行模型数据初始化过程：

初始化过程中首先要设定铸机参数：包括连铸机型、铸坯断面尺寸、结晶器尺寸、计算模型和计算步长参数，

其次设定物性参数：包括输入钢种成分、凝固潜热、导热系数、热膨胀系数、比热容和钢种的固液相密度参数，

然后输入生产工艺参数：包括浇注温度、拉坯速度、冷却水初始温度、冷却水流速、结晶器铜板厚度参数；

第二步，实时铜板温度参数导入过程：

通过板坯连铸机结晶器铜板热电偶实时监测得到的温度分布为基础，将该温度与热电偶分布位置，热电偶插入深度数据实时导入系统，确认数据输入；

第三步，数据计算过程：

数据运行模块将初始化过程中的数据，以及在线连续测量得到的结晶器铜板的温度关系换算得到的结晶器热流密度导入计算模型，利用所采用的模型计算连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中与结晶器相关的包括铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度、结晶器锥度分布、冷却水流量和温差关系的重要冶金参数；

第四步，计算结果输出过程：

通过程序将计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能模块中，将结晶器热流分布、铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度分布、结晶器锥度分布、冷却水流量和温差关系以曲线和数字方式显示在功能面板上；

经过上述步骤得到所述的传热过程。

所述的计算模型为板坯二维计算模型。

所述的钢液凝固传热过程，其传递热量和结晶器锥度可以通过结晶器冷却水流量与温差关系和结晶器实际使用锥度数值进行检验。

所述的计算得到的数据可以通过比较单位时间内冷却水流量和温差关系进行检验，并对钢液凝固传热过程做进一步的修正，以指导连铸生产。

综上，本发明能够通过在线多点连续测量得到的结晶器温度分布关系，结合实际生产工艺条件和铸机参数，换算单位面积上的热流密度，经由凝固传热系统，获得与连铸结晶器内钢液凝固传热过程相关的重要冶金参数，以此来指导连铸生产工艺的调整，为稳定、连续、安全生产提供便捷的途径。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

结晶器内铸坯的凝固传热对连铸生产的稳定运行和铸坯产品的质量有着至关重要的作用，而处于高温热负荷的连铸结晶器承受着高温钢液，凝固铸坯、固液渣、结晶器振动、冷却水等诸多因素的影响，容易造成凝固传热不稳定，不利于连续生产。为此本发明从结晶器铜板热电偶实时测量得到的温度分布出发，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，在线模拟整个结晶器内钢液的凝固传热过程，获得与生产相关的重要冶金参数，以此来指导连铸生产的顺行。

例如：实际生产中，1000×200 mm的板坯连铸机浇铸Stb32钢，浇铸温度1572 ℃，实时测量点为距离弯月面位置100 mm和200 mm位置，热电偶插入铜板位置距铜板热面22 mm，在线实时测量两点的温度分别为105℃和97℃。通过将测量得到的温度分布和热电偶位置参数导入系统中，就能够得到结晶器坯壳厚度17.8 mm，出结晶器坯壳表面温度1147℃，结晶器理想锥度为1.06 %/m。结晶器宽面铜板水量3850 L/min，温差4℃，与实际水量3950 L/min，温差4.5℃数据基本相符。这些数据说明该条件下，生产条件符合连铸操作要求，无需调整工艺参数即可保证连铸生产顺利进行。

总之，本发明简便易行、适用性高、可靠性高，能够用于在线多点连续测量板坯连铸机结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的调整提便捷途径。

附图说明

图1为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内热流密度分布图。

图2为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内坯壳表面温度分布图。

图3为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布图。

图4为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板冷热面温度分布图。

图5为在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板倒锥度关系分布图。

具体实施方式

本发明提供的多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法，是以板坯连铸机结晶器铜板上热电偶实时监测得到的温度分布数据作为基础，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来换算结晶器内的热流密度，模拟整个结晶器内高温钢液的凝固传热过程。该系统简便易行、适用性高、可靠性高，能够实时在线模拟板坯连铸机结晶器内钢液的凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的不断调整和改进提供便捷途径。

下面以在1000×200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢为例，对本发明作进一步详细阐述。

1. 模型数据初始化过程：

首先确认：板坯二维计算模型，结晶器尺寸1000×200 mm，结晶器高度900 mm，弯月面位置100 mm，时间步长0.1 s，空间步长10 mm；

其次通过确认钢种Stb32，得到钢种物性参数，该参数包括钢种的液相温度，固相温度，凝固潜热，导热系数，热膨胀系数，固相比热容，液相比热容，固相密度，液相密度和两相区钢种密度；

然后在生产工艺数据库中，确认浇注温度1572℃、拉速1.2 m/min、结晶器铜板有效厚度24 mm、结晶器冷却水初始温度35℃、流速8 m/s。

2. 实时铜板温度参数导入过程：

板坯连铸机结晶器铜板热电偶实时监测得到的温度分布关系和热电偶位置关系导入生产工艺数据库中，实时测量点为距离弯月面位置100 mm和200 mm位置，热电偶插入铜板位置距铜板热面22 mm，在线实时测量两点的温度分别为105℃和97℃。

3. 数据计算过程：

通过接收模型数据初始化过程得到的初始数据，在运行计算系统中利用板坯二维计算模型，计算结晶器内钢液凝固传热过程。

所述计算系统由模型数据初始化模块，数据运行模块和结果输出模块三部分组成，其中核心过程是以设置凝固传热过程的安全坯壳厚度为特征，换算得到单位面积上的热流密度便捷条件，以此计算结晶器内钢液的凝固传热过程。

4. 计算结果输出过程：

通过程序将数据计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，显示凝固传热过程的相关重要冶金参数，该参数包括结晶器内热流密度、结晶器内坯壳表面温度、结晶器内凝固坯壳厚度、结晶器铜板冷热面温度和结晶器铜板倒锥度关系，可用图1-图5表示。

本实施例计算得到的结晶器内热流密度分布如图1所示：弯月面位置热流密度最大，与弯月面距离越远，结晶器内的热流密度越低，这与实际相符。

本实施例计算得到的结晶器内坯壳表面温度分布如图2所示：钢液在弯月面迅速凝固，凝固坯壳温度随着距弯月面距离的加大，温度逐渐降低。凝固坯壳角部由于受二维传热的影响，温度降低最快，此外钢液凝固传热热量主要由宽面传出，温度降低较窄面来的更为迅速。

本实施例计算得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布布如图3所示：钢液在弯月面位置开始凝固，随着距结晶器弯月面距离的加大，凝固传热过程的继续，凝固坯壳逐渐增大，变化呈抛物线规律分布。

本实施例计算得到的结晶器铜板冷热面温度分布如图4所示：结晶器铜板冷热面温度分布规律与结晶器热流密度分布规律一致。热面最高温度低于结晶器铜板再结晶温度，能够正常使用。

本实施例计算得到的结晶器铜板倒锥度关系分布如图5所示：结晶器锥度分布符合凝固分布规律，具有抛物线变化特征。

本发明提供的上述多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的方法，可以通过多点连续测量模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的系统来实现，该系统由模型数据初始化模块、数据运行模块和结果输出模块三部分组成，其中：模型数据初始化模块依次由连铸机数据库、物性参数数据库和生产工艺数据库组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输入端相连；在线导入控制系统中，热电偶监测得到的结晶器冷却铜板温度，并将该位置的几何参数（例如热电偶插入深度和距弯月面距离数据）导入，并确认数据输入；数据运行模块由一维计算模型和二维计算模型组成，用于在线实时仿真连铸结晶器内钢液的凝固传热过程；结果输出模块用于显示并保存计算结果，该模块由数据自动输出保存功能和计算结果图形显示功能组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输出端相连。