基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法和装置。该方法包括步骤：S1、建立结晶器水力仿真模型‑铸坯凝固坯壳厚度和静压力，设计结晶器的内壁在不同高度上的排水小孔的分布；S2、结晶器水力仿真模型运行‑注入液体；通过排水小孔排水，以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水，检测结晶器水力仿真模型中各位置的状态，以模拟或修正实际连铸生产中结晶器流场及工艺参数。其装置包括一个模拟结晶器形状的外壳，在该外壳内设有内壳，内壳与外壳之间的空间为夹层，在所述的内壳上自上而下地开设有若干排排水小孔；在所述的夹层的下部设有排水管。本发明了综合考虑钢液凝固现象及钢水静压力，与实际连铸生产情况更接近。

说明书

技术领域

本发明属于冶金过程模拟技术领域，具体涉及一种基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法和装置。

背景技术

结晶器是连铸机中的关键部件，其性能对连铸机的生产能力和铸坯质量起着十分重要的作用，因此被称为连铸机的“心脏”。连铸结晶器内部钢水流动、凝固、热传输、坯壳应力状态非常复杂，是一个热状态和力学状态耦合的复杂体系。实际连铸生产中注入结晶器内的高温钢液具有较大的动能，因此结晶器内钢液流动对铸坯质量至关重要。钢液流动会对钢液紊流流动、杂质和气泡传输、钢渣间相互作用、多项流动、热传递和偏析造要影响。为了得到优质的连铸坯，需要对结晶器内钢液流场流动状态进行研究。

结晶器内钢液流动是一个复杂的湍流流动过程，具有不规则形、有旋性和扩散性等特点。随着技术的发展，关于结晶器钢液流动的研究也不断深入。目前，主要有三种方法对结晶器钢液流动进行研究，包括：物理模拟方法、数学模拟方法和示踪法，其中物理模拟和数学模拟已经被广泛应用。本发明主要研究物理模拟方法，所谓物理模拟，就是通过对自然现象或某个过程进行比例模型的制作来进行对比研究的一种方法。物理模拟是在相似原理的基础上，利用物理模型和原型之间几何、运动、动力等方面的相似性，建立相应的物理模型来对结晶器内流场进行研究。

关于结晶器物理模拟最早是在1958年，Afanaseva对直通型水口进行物理模拟研究，之后各种类型连铸机结晶器物理模拟研究逐渐发展深入，目前，国内外关于该方面的研究成果丰硕。J.SZEKELY采用流速测量的方法对结晶器模型内的流场进行研究，并对比不同类型水口下结晶器内的钢液流动状态及对夹杂上浮的影响；P.H.daudy采用结晶器物理模拟研究了水口插入深度对结晶器内渣层分布的影响；Teshima等通过物理模拟，分析了不同连铸工艺条件下结晶器内流动和液面波动的变化规律，并提出液面波动指数F；王现辉等采用1:1水力学模型对CSP结晶器内部流场流动状态进行了瞬态研究，讨论了液面失稳现象；王永胜等采用1:1水力学模型分析研究而不同影响因素对结晶器内钢液流动和页面波动的影响；陈阳等对板坯连铸结晶器内流动进行水力学模拟研究，认为拉速和浸入水口深度对液面波动影响最大。国内外这些关于各种类型连铸机结晶器物理模拟研究虽然能够很直观的观察结晶器内部流场状况、液面波动和卷渣等现象，但是为了研究的方便这些物理模型都做了简化，如忽略了结晶器内凝固坯壳的存在以及由此导致的结晶器内流动钢液的减少。这些简化均会造成物理模型和实际生产之间的差异进而影响实验结果的准确性。

为了保证物理模型能够准确模拟实际生产中结晶器内的流动状况，Chaudhry和Thomas等对连铸过程和实际生产进行了评价和分析，指出应该尽量完善物理模型，来减小水力学模型和实际生产间的差异。对于减小物理模型和实际生产间差别，重庆大学靳星和陈登福做了耦合凝固坯壳的结晶器内流动性为的物理模拟研究，即在原有结晶器模型中做一个内壳，使内壳与模型的间距加上内壳厚度等于相应位置坯壳厚度，然后在内壳上均匀钻孔，使水能够顺利通过以此来模拟凝固掉的钢液，并在模型底部钻孔将这一部分相当于凝固掉钢液的水排出，进而模拟考虑坯壳的结晶器内流动状况。此种物理模拟方法与之前的物理模拟相比更加接近实际生产状况，但仍然存在不足之处，就是再设计内壳小孔时并未考虑结晶器高度方向静压力对排水速率影响，因为在实际生产中结晶器内钢液沿拉速方向的凝固速度并不一样，会受到钢水静压力影响，所以会造成物理模拟和实际生产存在一定差异。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法和装置，旨在解决现有的模拟技术中因不考虑钢液凝固现象或者忽略钢水静压力及钢液凝固现象而导致的与实际连铸生产情况差异较大的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一、基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法，包括以下步骤：

S1、建立结晶器水力仿真模型

S11：首先确定结晶器的内壁上沿拉坯方向的不同位置的铸坯凝固坯壳厚度。

S12：根据结晶器内铸坯凝固坯壳厚度，计算结晶器的内壁上需要排出的水量，以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水。

S13：结合结晶器的内壁上需要排出的水量和结晶器在高度方向上的静压力，设计结晶器的内壁在不同高度上的排水小孔的分布。

S14：建立结晶器水力仿真模型，使该结晶器水力仿真模型的内壁上的排水小孔与S13设计的排水小孔的分布一致。

S2、结晶器水力仿真模型运行

S21：在结晶器水力仿真模型注入液体，以模拟注入的钢水；通过排水小孔排水，以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水；通过开设在结晶器水力仿真模型底部的出水口排水，以模拟拉出的铸坯。

S22：检测结晶器水力仿真模型中各位置的状态，以模拟或修正实际连铸生产中结晶器流场及工艺参数。

其中：结晶器内铸坯凝固坯壳厚度通过式(1)计算：

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。

在S13中，在结晶器的高度方向上每间隔△h设计一排排水小孔，排水小孔的排数为n，孔径为Φ的排水小孔的流量为ψ，Z为铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离，其相互关系如式(2)-(5)所示：

其中，Q-排水小孔要排出的水流量；A，B-分别为铸坯断面宽度和厚度；D-坯壳厚度；V-拉坯拉速；

ψ＝aZ+b(3)

其中，Ψ-孔径为Φ的排水小孔的流量；a，b-常数；Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离；

每排排水小孔的数量可由式(4)计算得到

Z_n+1＝(n+1)·△h(n＝0,1,2,3,…)(5)

其中，N_n+1-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离为Z_n+1时内壳上小孔分布数量；Q_n+1-结晶器内距离弯月面距离为Z_n+1，坯壳厚度为D_n+1时，通过小孔要排出的流量；Q_n-结晶器内距离弯月面距离为Z_n、坯壳厚度为D_n时，通过排水小孔要排出的流量；Ψ_n+1-距离结晶器弯月面距离为Z_n+1、孔径为Φ的排水小孔流量；Z_n+1-距离结晶器弯月面的距离；△h-相邻两排小孔之间的间隔；

在上式中，D_n+1和D_n由式(1)计算得到，Q_n+1和Q_n由式(2)计算得到，Ψ_n+1由式(3)计算得到，Z_n+1由式(5)计算得到。

二、基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法设计的结晶器模拟装置，包括一个模拟结晶器形状的外壳，在该外壳内设有内壳，内壳与外壳之间的空间为夹层，在所述的内壳上自上而下地开设有若干排排水小孔，用于排水以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水；在所述的夹层的下部设有连通所述夹层与外部的排水管，用于排出夹层中的水。

进一步，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相等。

进一步，在所述的排水管上还设置有流量调节阀，用于控制排出夹层的水的流量。

进一步，在结晶器任意截面上夹层厚度与内壳厚度之和与实际结晶器在该位置生成的凝固坯壳厚度相等。

在实际连铸生产中结晶器内钢液液沿拉坯方向逐渐凝固，坯壳逐渐加厚，钢液的凝固速率从弯月面开始到出结晶器口逐渐变小，在做物理模拟时为了反映这一现象就需要考虑静压力的影响，物理模型中沿高度方向向下静压力逐渐增大，相应位置小孔排水也会有所增大，为了保证模型从弯月面到出口处不同位置的小孔排水速率和排水量和实际连铸生产结晶器内沿拉坯方向不同位置钢液凝固速度和凝固量相当，就需依据钢水静压力来对内壳上小孔的分布进行设计。本发明基于钢水静压力考虑钢液凝固现象的物理模拟，考虑钢水静压力，弥补了之前的不足，保证了所做的物理模拟研究尽可能的接近实际结晶器内的钢液流动。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于钢水静压力的考虑钢液凝固现象的连铸结晶器物理模拟研究方法，与之前的连铸结晶器物理模拟方法相比较主要优点为，本发明不但依据结晶器内不同位置钢液凝固坯壳厚度建立了模拟该凝固坯壳厚度的物理仿真模型，而且还考虑了沿结晶器高度方向上钢水静压力对凝固坯壳形成的影响来设计内壳上的小孔分布，进而保证了物理模拟结晶器内高度方向上任意截面处通过小孔流出的水量和水流出速率跟相应位置钢液凝固量及凝固速率相当，这样可以保证物理模拟更加接近实际状况，优化结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的钢水凝固现象连铸结晶器物理模拟装置结构示意图。

附图中：1-水口；2-外壳；3-内壳；4-排水管；5-流量调节阀；6-水箱；7-排水小孔；8-出水口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

为了真实地反映连铸过程中结晶器内的流场变化，得到更加准确的优化结果，物理模拟研究中考虑了钢水静压力作用下的结晶器内钢液凝固现象。这是由于结晶器内钢液凝固现象的存在，对钢液流动状态变化影响较大。首先是结晶器内钢液流动空间减小，并且流动钢液还会和凝固坯壳彼此作用，使结晶器内流动状态变化明显；其次，结晶器内流动钢液总量会伴随凝固坯壳的生成而减少，造成钢液流动湍动能减少，进而影响结晶器内流动状态；还有就是结晶器高度方向上钢水静压力的存在，使得在不同高度位置上钢液的流动状态不同进而其凝固速率存在差异。由此，不论对于板坯连铸、方坯连铸和圆坯连铸等，是否做基于钢水静压力考虑凝固现象的连铸结晶器物理模拟，会造成结晶器内流场状态与实际存在差异，同时得到的优化结果准确性也会打折扣。基于上述认识，本发明提供一种基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法和装置。

一、基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法，包括以下步骤：

S1、建立结晶器水力仿真模型

S11：首先确定结晶器的内壁上沿拉坯方向的不同位置的铸坯凝固坯壳厚度。

钢液注入结晶器内，钢水热量会通过结晶器铜板传到结晶器的冷却水中被带走，进而在结晶器拉坯方向自上而下逐渐形成凝固坯壳。凝固坯壳厚度影响因素包括拉速、结晶器类型和冷却参数等。对于结晶器内凝固坯壳厚度的确定可以根据数学仿真、生产实践和一定的测量方法，也可以通过下述公式确定。

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，与铸坯形状有关，一般取值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；

S12：根据结晶器内铸坯凝固坯壳厚度，计算结晶器的内壁上需要排出的水量，以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水。在得到结晶内铸坯凝固坯壳厚度后，在实际连铸过程中，注入结晶器内的钢液由于受到冷却作用会有部分转化为凝固坯壳，使得在结晶器出口处液芯流动钢液量小于结晶器入口处钢液总量，根据流动质量平衡限制，结晶器内转化为凝固坯壳的钢液量加液芯流动钢液量之和等于水口注入结晶器内钢液总量。为了与实际情况相符，在物理仿真模型中用于模拟钢液的水，在结晶器内运行过程中需有一部分转化为凝固坯壳排出，因此需要在水力学模型中设置内壳用于模拟凝固坯壳并且在内壳上设计小孔用于排水。

S13：结合结晶器的内壁上需要排出的水量和结晶器在高度方向上的静压力，设计结晶器的内壁在不同高度上的排水小孔的分布。

为了将转化为凝固坯壳部分的水排出，在内壳四周自上而下按一定分布钻排水小孔，使得模拟转化为凝固坯壳的水能够透过小孔排入夹层内，再通过在外壳2最下端设有排水管4，且排水管装有流量调节阀便于调节流量，将此部分转化为凝固坯壳的水排出结晶器，其中流量调节阀控制流体流量Q可以由式(2)计算得到。这里对于内壳上的小孔分布，由于沿结晶器高度方向存在静压力，结晶器不通过高度位置通过小孔排水速度不同，例如弯月面处静压力最小排水最慢，出结晶器口静压力最大通过小孔排水速率最快，但实际中钢液在弯月面处凝固较快，相较而言结晶器出口凝固要慢一点，若采用在内壳从上至下均匀布孔，这就造成小孔排水速率与实际凝固速率存在差异，这里依据高度方向静压力，在结晶器高度方向上差异化分布小孔，让不同位置通过小孔排水量及排水速度跟实际钢液凝固量和凝固速率相当，本发明沿结晶器高度方向上每间隔布一排小孔，小孔孔径为Φ，该小孔流量与距结晶器弯月面距离的关系式为(3)，由此，每排小孔个数N可由式(4)计算得到。

其中：Q-排水小孔要排出的水流量，ml/s；A，B-分别为铸坯断面宽度和厚度，mm；D-坯壳厚度，mm；V-拉坯拉速，mm/s；

ψ＝aZ+b(3)

其中：Ψ-孔径为Φ的排水小孔的流量，ml/s；a，b-常数；Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离，mm；不同孔径小孔流量和高度(和钢水静压力相对应)的关系式可通过实验求得。

对于结晶器内壳小孔计算，以结晶器弯月面为钢水静压力零点，在结晶器高度方向上每隔△h设计一排排水小孔，小孔排数为n，则每排排水小孔的数量可由式(4)计算得到。

Z_n+1＝(n+1)·△h(n＝0,1,2,3,…)(5)

其中，N_n+1-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离为Z_n+1时内壳上小孔分布数量；Q_n+1-结晶器内距离弯月面距离为Z_n+1、坯壳厚度为D_n+1时，通过小孔要排出的流量，ml/s；Q_n-结晶器内距离弯月面距离为Z_n、坯壳厚度为D_n时，通过排水小孔要排出的流量，ml/s；Ψ_n+1-距离结晶器弯月面距离为Z_n+1、孔径为Φ的排水小孔流量，ml/s；Z_n+1-距离结晶器弯月面的距离，mm；△h-相邻两排小孔之间的间隔，mm；

在上式中，D_n+1和D_n由式(1)计算得到，Q_n+1和Q_n由式(2)计算得到，Ψ_n+1由式(3)计算得到，Z_n+1由式(5)计算得到。

S14：建立结晶器水力仿真模型，使该结晶器水力仿真模型的内壁上的排水小孔与S13设计的排水小孔的分布一致。

S2、结晶器水力仿真模型运行

S21：在结晶器水力仿真模型注入液体，以模拟注入的钢水；通过排水小孔排水，以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水；通过开设在结晶器水力仿真模型底部的出水口排水，以模拟拉出的铸坯。

S22：检测结晶器水力仿真模型中各位置的状态，以模拟或修正实际连铸生产中结晶器流场及工艺参数。

上述就是本发明一种基于钢水静压力考虑凝固现象的连铸结晶器物理模拟方法的具体实施步骤。对于不同形状的结晶器在实际连铸过程中，由于凝固现象的存在，其中钢液流动状态变化比较大。一方面是流体流动空间的变化，部分钢液凝固成一定厚度坯壳使得结晶器内流体流动空间收缩减小；另一方面，结晶器内由于凝固现象的存在，部分钢液凝固成坯壳，造成流动钢液总量减小。因此，在结晶器物理模拟研究中，本发明基于钢水静压力考虑凝固现象的物理模拟，可以使得物理模拟结晶器流动状态更接近于实际连铸状态，得到更准确的优化结果。本发明适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸和其他类型的所有连铸结晶器物理模拟研究。

二、基于钢水静压力和凝固现象的结晶器物理模拟方法设计的结晶器模拟装置，如图1所示，包括一个模拟结晶器形状的外壳2，在该外壳2内设有内壳3，内壳3与外壳2之间的空间为夹层，在所述的内壳3上自上而下地开设有若干排排水小孔7，用于排水以模拟转化为铸坯凝固坯壳的钢水；在所述的夹层的下部设有连通所述夹层与外部的排水管4，用于排出夹层中的水。

作为优化，在外壳2底部设有与内壳3相通的水箱6，水箱6具有与内壳3底部形状对应的接口，水箱6底部设有出水口8，出水口8的流量与排水管4的流量之和与水口1进入内壳3的流量相等。

作为优化，在所述的排水管4上还设置有流量调节阀5，用于控制排出夹层的水的流量。

作为优化，在结晶器任意截面上夹层厚度与内壳3厚度之和与实际结晶器在该位置生成的凝固坯壳厚度相等。

对于不同断面连铸结晶器，钢液在结晶器内凝固成的坯壳厚度有所不同，因此凝固部分所占空间和钢液总量的比例也不同。例如，对于160mm×160mm断面的方坯结晶器，在常规拉速下，结晶器出口处凝固坯壳厚度一般为10mm左右。在物理模拟研究过程中，不考虑凝固坯壳厚度时，某方坯结晶器上口尺寸为166.52mm×164.52mm和下口的尺寸为165mm×163mm，结晶器本身具有一定的锥度。考虑凝固坯壳和流动质量平衡后，结晶器出口处的尺寸分别为145mm×143mm，对比考虑坯壳厚度前后数据发现，由于考虑凝固坯壳，在结晶器出口处面积相应收缩将近23％，这样造成结晶器内流动的钢液总量变化较大，即结晶器内钢液的流动空间和流动总量都发生变化，都变小了，如此结晶器内流体流动状态必定发生一定的变化，从这方面来讲，当不考虑凝固坯壳厚度和流动质量平衡时，研究结晶器内的流体流动状态和优化水口结构得到的物理模拟结果与实际存在一定差异，不能准确反应结晶器内流体流动状态。因此，在结晶器物理模拟研究中，基于钢水静压力的考虑凝固现象的物理模拟，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小孔排出，以便消除因凝固造成流动钢液减少带来的偏差，使得物理模拟的结果更加接近实际连铸生产，得到更加准确的优化结果。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。