專利名稱：多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連鑄技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在線多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)高溫鋼液的凝固傳熱過程的方法。
背景技術(shù)：
作為連鑄的心臟，結(jié)晶器內(nèi)的連鑄過程是一個(gè)關(guān)聯(lián)著傳熱，凝固，流動(dòng)和溶質(zhì)再分配等現(xiàn)象的復(fù)雜過程。各現(xiàn)象之間相互關(guān)聯(lián)，交互影響作用，使結(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為變得異常復(fù)雜。但結(jié)晶器內(nèi)鋼液的傳熱過程對(duì)鑄坯質(zhì)量有著很重要的影響。傳熱速率不均勻易于引發(fā)鑄坯裂紋；此外，若傳熱不充分，則容易導(dǎo)致較薄的坯殼鼓肚，變形，甚至被拉漏。鑄坯的凝固行為取決于鋼液向外進(jìn)行熱傳遞的能力。通過對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的凝固傳熱過程進(jìn)行仿真計(jì)算，即可以獲知鑄坯在結(jié)晶器中生長(zhǎng)得到的凝固坯殼厚度，鑄坯表面溫度分布，結(jié)晶器冷卻水量、冷卻水溫差和結(jié)晶器錐度分布等重要的冶金參數(shù)。這對(duì)整個(gè)連鑄過程工藝參數(shù)的優(yōu)化和鑄坯質(zhì)量的改善等都具有十分重要的意義。連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程研究中，主要是通過離線仿真方式計(jì)算得到與鑄機(jī)結(jié)晶器相關(guān)的冶金參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)。這其中基本上是利用結(jié)晶器傳熱熱流分布來分析鋼液的凝固過程，得到與連鑄生產(chǎn)相關(guān)的參數(shù)，并均取得了一定的實(shí)際效果。但這種離線仿真的手段在實(shí)際生產(chǎn)中，往往無法應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況。諸如處于高溫?zé)嶝?fù)荷的連鑄結(jié)晶器承受著高溫鋼液，凝固鑄坯、固液渣、結(jié)晶器振動(dòng)、冷卻水等諸多因素的影響，容易造成凝固傳熱不穩(wěn)定，不利于連續(xù)生產(chǎn)。因此，需要有一種可以通過實(shí)時(shí)測(cè)量的方式，測(cè)量結(jié)晶器銅板溫度變化，監(jiān)測(cè)鋼液的凝固傳熱過程，調(diào)整連鑄操作工藝，避免突發(fā)情況造成的生產(chǎn)停滯以及由此帶來的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，該方法用于在線多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程，以便為大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供便捷途徑。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，具體是以板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量得到的溫度分布數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用鑄機(jī)參數(shù)、鋼種數(shù)據(jù)參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)來換算結(jié)晶器單位面積上的瞬時(shí)熱流密度邊界條件，來計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程。所述的鋼液凝固傳熱過程可以由下述方法獲得，其步驟包括 第一步，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)初始化過程
初始化過程中首先要設(shè)定鑄機(jī)參數(shù)包括連鑄機(jī)型、鑄坯斷面尺寸、結(jié)晶器尺寸、計(jì)算模型和計(jì)算步長(zhǎng)參數(shù)，
其次設(shè)定物性參數(shù)包括輸入鋼種成分、凝固潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容和鋼種的固液相密度參數(shù)，
然后輸入生產(chǎn)工藝參數(shù)包括澆注溫度、拉坯速度、冷卻水初始溫度、冷卻水流速、結(jié)晶器銅板厚度參數(shù)；
第二步，實(shí)時(shí)銅板溫度參數(shù)導(dǎo)入過程
通過板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的溫度分布為基礎(chǔ)，將該溫度與熱電偶分布位置，熱電偶插入深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入系統(tǒng)，確認(rèn)數(shù)據(jù)輸入； 第三步，數(shù)據(jù)計(jì)算過程
數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊將初始化過程中的數(shù)據(jù)，以及在線連續(xù)測(cè)量得到的結(jié)晶器銅板的溫度關(guān)系換算得到的結(jié)晶器熱流密度導(dǎo)入計(jì)算模型，利用所采用的模型計(jì)算連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程，得到連鑄生產(chǎn)過程中與結(jié)晶器相關(guān)的包括鑄坯表面溫度、凝固坯殼厚度、結(jié)晶器冷熱面溫度、結(jié)晶器錐度分布、冷卻水流量和溫差關(guān)系的重要冶金參數(shù)； 第四步，計(jì)算結(jié)果輸出過程
通過程序?qū)⒂?jì)算得到的結(jié)果自動(dòng)保存，并在圖形顯示功能模塊中，將結(jié)晶器熱流分布、 鑄坯表面溫度、凝固坯殼厚度、結(jié)晶器冷熱面溫度分布、結(jié)晶器錐度分布、冷卻水流量和溫差關(guān)系以曲線和數(shù)字方式顯示在功能面板上； 經(jīng)過上述步驟得到所述的傳熱過程。所述的計(jì)算模型為板坯二維計(jì)算模型。所述的鋼液凝固傳熱過程，其傳遞熱量和結(jié)晶器錐度可以通過結(jié)晶器冷卻水流量與溫差關(guān)系和結(jié)晶器實(shí)際使用錐度數(shù)值進(jìn)行檢驗(yàn)。所述的計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可以通過比較單位時(shí)間內(nèi)冷卻水流量和溫差關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)鋼液凝固傳熱過程做進(jìn)一步的修正，以指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)。綜上，本發(fā)明能夠通過在線多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量得到的結(jié)晶器溫度分布關(guān)系，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝條件和鑄機(jī)參數(shù)，換算單位面積上的熱流密度，經(jīng)由凝固傳熱系統(tǒng)，獲得與連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程相關(guān)的重要冶金參數(shù)，以此來指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)工藝的調(diào)整，為穩(wěn)定、 連續(xù)、安全生產(chǎn)提供便捷的途徑。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的主要有益效果
結(jié)晶器內(nèi)鑄坯的凝固傳熱對(duì)連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行和鑄坯產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，而處于高溫?zé)嶝?fù)荷的連鑄結(jié)晶器承受著高溫鋼液，凝固鑄坯、固液渣、結(jié)晶器振動(dòng)、冷卻水等諸多因素的影響，容易造成凝固傳熱不穩(wěn)定，不利于連續(xù)生產(chǎn)。為此本發(fā)明從結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量得到的溫度分布出發(fā)，利用不同鑄機(jī)參數(shù)、鋼種數(shù)據(jù)參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)來初始化系統(tǒng)，在線模擬整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程，獲得與生產(chǎn)相關(guān)的重要冶金參數(shù)，以此來指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)的順行。例如實(shí)際生產(chǎn)中，1000X200 mm的板坯連鑄機(jī)澆鑄Mb32鋼，澆鑄溫度1572 °C， 實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)為距離彎月面位置100 mm和200 mm位置，熱電偶插入銅板位置距銅板熱面 22 mm，在線實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的溫度分別為105°C和97°C。通過將測(cè)量得到的溫度分布和熱電偶位置參數(shù)導(dǎo)入系統(tǒng)中，就能夠得到結(jié)晶器坯殼厚度17.8 mm，出結(jié)晶器坯殼表面溫度 1147°C，結(jié)晶器理想錐度為1.06 %/m。結(jié)晶器寬面銅板水量3850 L/min，溫差4°C，與實(shí)際水量3950 L/min，溫差4. 5°C數(shù)據(jù)基本相符。這些數(shù)據(jù)說明該條件下，生產(chǎn)條件符合連鑄操作要求，無需調(diào)整工藝參數(shù)即可保證連鑄生產(chǎn)順利進(jìn)行。
總之，本發(fā)明簡(jiǎn)便易行、適用性高、可靠性高，能夠用于在線多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程，為大規(guī)模生產(chǎn)中，連鑄生產(chǎn)工藝的調(diào)整提便捷途徑。


圖1為在1000X200mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Stb32鋼時(shí)得到的結(jié)晶器內(nèi)熱流密度分布圖。圖2為在1000X200mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Stb32鋼時(shí)得到的結(jié)晶器內(nèi)坯殼表面
溫度分布圖。圖3為在1000X200mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Stb32鋼時(shí)得到的結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼
厚度分布圖。圖4為在1000X200mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Stb32鋼時(shí)得到的結(jié)晶器銅板冷熱面
溫度分布圖。圖5為在1000X200mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Stb32鋼時(shí)得到的結(jié)晶器銅板倒錐度
關(guān)系分布圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，是以板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板上熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的溫度分布數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用不同鑄機(jī)參數(shù)、鋼種數(shù)據(jù)參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)來換算結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度，模擬整個(gè)結(jié)晶器內(nèi)高溫鋼液的凝固傳熱過程。該系統(tǒng)簡(jiǎn)便易行、適用性高、可靠性高，能夠?qū)崟r(shí)在線模擬板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程，為大規(guī)模生產(chǎn)中，連鑄生產(chǎn)工藝的不斷調(diào)整和改進(jìn)提供便捷途徑。下面以在1000X200 mm板坯連鑄機(jī)上澆鑄Mb32鋼為例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。1.模型數(shù)據(jù)初始化過程
首先確認(rèn)板坯二維計(jì)算模型，結(jié)晶器尺寸1000X200 mm，結(jié)晶器高度900 mm，彎月面位置100 mm,時(shí)間步長(zhǎng)0. 1 s，空間步長(zhǎng)10 mm ；
其次通過確認(rèn)鋼種Mb32，得到鋼種物性參數(shù)，該參數(shù)包括鋼種的液相溫度，固相溫度， 凝固潛熱，導(dǎo)熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)，固相比熱容，液相比熱容，固相密度，液相密度和兩相區(qū)鋼種密度；
然后在生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫中，確認(rèn)澆注溫度1572°C、拉速1. 2 m/min、結(jié)晶器銅板有效厚度對(duì)mm、結(jié)晶器冷卻水初始溫度35°C、流速8 m/s。2.實(shí)時(shí)銅板溫度參數(shù)導(dǎo)入過程
板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的溫度分布關(guān)系和熱電偶位置關(guān)系導(dǎo)入生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)為距離彎月面位置100 mm和200 mm位置，熱電偶插入銅板位置距銅板熱面22 mm，在線實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的溫度分別為105°C和97°C。3.數(shù)據(jù)計(jì)算過程
通過接收模型數(shù)據(jù)初始化過程得到的初始數(shù)據(jù)，在運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)中利用板坯二維計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程。
所述計(jì)算系統(tǒng)由模型數(shù)據(jù)初始化模塊，數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊和結(jié)果輸出模塊三部分組成，其中核心過程是以設(shè)置凝固傳熱過程的安全坯殼厚度為特征，換算得到單位面積上的熱流密度便捷條件，以此計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程。4.計(jì)算結(jié)果輸出過程
通過程序?qū)?shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果自動(dòng)保存，并在圖形顯示功能中，顯示凝固傳熱過程的相關(guān)重要冶金參數(shù)，該參數(shù)包括結(jié)晶器內(nèi)熱流密度、結(jié)晶器內(nèi)坯殼表面溫度、結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼厚度、結(jié)晶器銅板冷熱面溫度和結(jié)晶器銅板倒錐度關(guān)系，可用圖1-圖5表示。本實(shí)施例計(jì)算得到的結(jié)晶器內(nèi)熱流密度分布如圖1所示彎月面位置熱流密度最大，與彎月面距離越遠(yuǎn)，結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度越低，這與實(shí)際相符。本實(shí)施例計(jì)算得到的結(jié)晶器內(nèi)坯殼表面溫度分布如圖2所示鋼液在彎月面迅速凝固，凝固坯殼溫度隨著距彎月面距離的加大，溫度逐漸降低。凝固坯殼角部由于受二維傳熱的影響，溫度降低最快，此外鋼液凝固傳熱熱量主要由寬面?zhèn)鞒?，溫度降低較窄面來的更為迅速。本實(shí)施例計(jì)算得到的結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼厚度分布布如圖3所示鋼液在彎月面位置開始凝固，隨著距結(jié)晶器彎月面距離的加大，凝固傳熱過程的繼續(xù)，凝固坯殼逐漸增大， 變化呈拋物線規(guī)律分布。本實(shí)施例計(jì)算得到的結(jié)晶器銅板冷熱面溫度分布如圖4所示結(jié)晶器銅板冷熱面溫度分布規(guī)律與結(jié)晶器熱流密度分布規(guī)律一致。熱面最高溫度低于結(jié)晶器銅板再結(jié)晶溫度，能夠正常使用。本實(shí)施例計(jì)算得到的結(jié)晶器銅板倒錐度關(guān)系分布如圖5所示結(jié)晶器錐度分布符合凝固分布規(guī)律，具有拋物線變化特征。本發(fā)明提供的上述多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，可以通過多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由模型數(shù)據(jù)初始化模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊和結(jié)果輸出模塊三部分組成，其中模型數(shù)據(jù)初始化模塊依次由連鑄機(jī)數(shù)據(jù)庫、物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫組成，并在模塊上設(shè)立接口與數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊的輸入端相連；在線導(dǎo)入控制系統(tǒng)中，熱電偶監(jiān)測(cè)得到的結(jié)晶器冷卻銅板溫度，并將該位置的幾何參數(shù)(例如熱電偶插入深度和距彎月面距離數(shù)據(jù))導(dǎo)入，并確認(rèn)數(shù)據(jù)輸入；數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊由一維計(jì)算模型和二維計(jì)算模型組成，用于在線實(shí)時(shí)仿真連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程；結(jié)果輸出模塊用于顯示并保存計(jì)算結(jié)果，該模塊由數(shù)據(jù)自動(dòng)輸出保存功能和計(jì)算結(jié)果圖形顯示功能組成，并在模塊上設(shè)立接口與數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊的輸出端相連。
權(quán)利要求
1.多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，其特征是以板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量得到的溫度分布數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用鑄機(jī)參數(shù)、鋼種數(shù)據(jù)參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)來換算結(jié)晶器單位面積上的瞬時(shí)熱流密度邊界條件，來計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述鋼液凝固傳熱過程由下述步驟方法獲得第一步，進(jìn)行模型數(shù)據(jù)初始化過程初始化過程中首先要設(shè)定鑄機(jī)參數(shù)包括連鑄機(jī)型、鑄坯斷面尺寸、結(jié)晶器尺寸、計(jì)算模型和計(jì)算步長(zhǎng)參數(shù)，其次設(shè)定物性參數(shù)包括輸入鋼種成分、凝固潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容和鋼種的固液相密度參數(shù)，然后輸入生產(chǎn)工藝參數(shù)包括澆注溫度、拉坯速度、冷卻水初始溫度、冷卻水流速、結(jié)晶器銅板厚度參數(shù)；第二步，實(shí)時(shí)銅板溫度參數(shù)導(dǎo)入過程通過板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的溫度分布為基礎(chǔ)，將該溫度與熱電偶分布位置，熱電偶插入深度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入系統(tǒng)，確認(rèn)數(shù)據(jù)輸入；第三步，數(shù)據(jù)計(jì)算過程數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊將初始化過程中的數(shù)據(jù)，以及在線連續(xù)測(cè)量得到的結(jié)晶器銅板的溫度關(guān)系換算得到的結(jié)晶器熱流密度導(dǎo)入計(jì)算模型，利用所采用的模型計(jì)算連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程，得到連鑄生產(chǎn)過程中與結(jié)晶器相關(guān)的包括鑄坯表面溫度、凝固坯殼厚度、結(jié)晶器冷熱面溫度、結(jié)晶器錐度分布、冷卻水流量和溫差關(guān)系的重要冶金參數(shù)；第四步，計(jì)算結(jié)果輸出過程通過程序?qū)⒂?jì)算得到的結(jié)果自動(dòng)保存，并在圖形顯示功能模塊中，將結(jié)晶器熱流分布、 鑄坯表面溫度、凝固坯殼厚度、結(jié)晶器冷熱面溫度分布、結(jié)晶器錐度分布、冷卻水流量和溫差關(guān)系以曲線和數(shù)字方式顯示在功能面板上；經(jīng)過上述步驟得到所述的傳熱過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的計(jì)算模型為板坯二維計(jì)算模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的傳熱過程，其傳遞熱量和結(jié)晶器錐度通過結(jié)晶器冷卻水流量與溫差關(guān)系和結(jié)晶器實(shí)際使用錐度數(shù)值進(jìn)行檢驗(yàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的計(jì)算得到的數(shù)據(jù)通過比較單位時(shí)間內(nèi)冷卻水流量和溫差關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)傳熱過程做進(jìn)一步的修正以指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明是一種多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量模擬連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程的方法，該方法是以板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量得到的溫度分布數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，利用鑄機(jī)參數(shù)、鋼種數(shù)據(jù)參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)來換算結(jié)晶器單位面積上的瞬時(shí)熱流密度邊界條件，來計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱過程。本發(fā)明簡(jiǎn)便易行、適用性高、可靠性高，能夠用于在線多點(diǎn)連續(xù)測(cè)量板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固傳熱過程，為大規(guī)模生產(chǎn)中，連鑄生產(chǎn)工藝的調(diào)整提便捷途徑。
文檔編號(hào)B22D11/22GK102228973SQ201110182810
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者葉理德, 孫鐵漢, 幸偉, 徐永斌, 徐海倫, 李智, 杜斌, 邵遠(yuǎn)敬, 馬春武 申請(qǐng)人:中冶南方工程技術(shù)有限公司