专利名称：金属连铸坯的连铸方法
技术领域：
本发明涉及一种金属连铸坯的连铸方法。
背景技术：
具体而言，本发明涉及在连铸机中对金属连铸坯尤其是钢连铸坯进行连铸的方 法，从冷却的连铸结晶器中拉出具有被坯壳包住的液芯的连铸坯，在安装于连铸结晶器后 面的连铸坯支承装置中支承连铸坯，并且用冷却剂对其进行冷却，在一种数学仿真模型中 在考虑金属的物理参数、连铸坯的厚度以及连续测定的拉坯速度的情况下计算整个连铸坯 的热力学状态变化。
DE 4417808 Al公开了一种对金属连铸坯进行连铸的方法，从冷却的连铸结晶器 中拉出具有被坯壳包住的液芯的连铸坯，然后将其支承于连铸坯支承装置之中，并且用冷 却剂对其进行冷却。利用数学模拟模型(包括二维热传导方程)实时计算整个连铸坯在连 铸过程中发生的状态变化，并且根据计算的热动力学状态变化调整连铸坯冷却装置。由于所使用的热传导方程的二维维数，迄今为止无法计算金属连铸坯的所有方向 (连铸坯厚度、连铸坯宽度和拉坯方向)中的热传导和与此相关的状态变化，也无法根据计 算的状态变化利用连铸坯冷却装置有针对性地调整温度变化过程。除此之外，由于在仿真 模型中并未考虑到热动力学效应，因此会造成凝固点计算值和实际值之间出现偏差。
发明内容
本发明的任务在于提供一种上述类型的方法，可用来提高整个连铸坯的热动力学 状态变化仿真精度，并且可结合冷却装置来改善金属连铸坯的产品质量以及连铸工艺的生 产效率。采用上述类型的方法，在数学仿真模型中实时数值求解三维热传导方程，然后在 考虑已计算的状态变化时调整连铸坯冷却装置，即可解决这一任务。利用DE 4417808 Al所述的方法可以根据二维热传导实时计算热动力学状态变 化，然后利用连铸坯冷却装置对连铸坯的温度变化过程施加影响。按照该发明所述的方法， 可以利用非线性、非稳态热传导方程，根据三维热传导(即连铸坯厚度方向、连铸坯宽度方 向和也称为拉坯方向的连铸坯纵向)实时计算热动力学状态变化，然后利用连铸坯冷却装 置有针对性地施加影响。这样就能以比较高的精度计算热动力学状态变化，然后利用与此 协调的连铸坯冷却装置完全有针对性地影响热动力学变化。在数学仿真模型中将连铸坯分 解成若干体积元，也就是将其离散化，每一个离散体积元均在连铸坯纵向、连铸坯厚度方向 和连铸坯宽度方向具有长度。利用这种离散化方式可以将连铸坯冷却装置的各个喷嘴对应 于连铸坯的一个或多个离散体积元，这样首先可以根据所有空间维度中的热传导以及通过 连铸坯冷却装置所排出的热量，以很高的精度计算这些体积元中的热动力学状态变化，其 次可以利用这些喷嘴有针对性地以很高的效率对连铸坯的热动力学特性施加影响。按照一种特别有益的实施方式，在本发明所述方法的数学仿真模型中在考虑随温度变化的金属连铸坯密度变化的情况下数值求解三维热动力学热传导方程。专业人士均知 道，金属密度随温度变化的幅度很大。例如在温度为1550°C (中间包中的熔体温度)的连 铸过程中，钢的密度约为7000kg/m3，而当温度为300°C时(凝固后的连铸坯)则会增大到约 7800kg/m3。在连铸过程中结合热传导方程确定凝固点时，密度变化也是很重要的因素。凝 固点指的是拉坯方向中的某一个点，金属连铸坯从该点起已完全凝固，也就是金属连铸坯 不再有液芯。尽可能精确计算凝固点在任何情况下都特别有益。如果低估凝固点的位置， 也就是在拉坯方向算出的凝固点与结晶器之间的距离小于实际的凝固点，则可能会导致非 常危险的浇铸情况(例如连铸坯断裂)。令另一方面来看，如果过分高估凝固点，将使得允 许的铸造速度受到限制，这又会降低设备的生产效率。按照本发明所述方法的另一种特别有益的实施方式，使用近似焓方程在考虑随温 度变化的金属连铸坯密度的变化的情况下数值求解热传导方程，所述焓方程具有整个连铸 坯的精确质量和精确焓。在此应注意的是迄今为止尚无法在考虑温度变化的密度变化的 情况下求解精确的三维、非线性和非稳态热传导方程。当今所使用的热传导方程并未考虑 随温度变化的密度变化，仅仅大致近似于精确方程，且方程的解可能明显不同于精确解。但 是使用具有全局精确质量和精确焓(如果观察整个连铸坯)的近似焓方程，可保证这些主 要的热动力学状态变量符合精确值。如果使用有限体积法或者有限元法在数学仿真模型中求解热传导方程，则特 别有利于实施本发明所述的方法。热传导方程是一种可以用标准数学方法尤其是有 限体积法或有限元法求解抛物型偏微分方程(第19章I. N. Bronstein的数值数学， K. A. Semendjajew, G. Musiol, H. Muhlig 数学手册，Harri Deutsch 出版社，第 6 版，2005)。如果根据空间对称性仅计算四分之一连铸坯横截面的热动力学状态变化，则特别 有利于实施本发明所述的方法。由于连铸坯横截面以及随时间变化的边界条件具有空间对 称性，因此这种简化不会丧失精度，而且使得性能比较弱的过程计算机也能以很高的精度 求解三维热传导方程。本发明所述的方法可以不受限制地应用于铸造具有任意尺寸的钢坯、钢锭、板坯 或薄板坯横截面的金属连铸坯，从而可改善金属连铸坯的质量。
关于本发明的其它优点和特征，可参阅以下参照附图对相关实施例所做的说明， 但本发明并非仅限于这些实施例，相关附图如下附图1连铸机的侧视示意图附图2离散化金属连铸坯的示意图附图3不同热传导方程表达式的方程解对比
具体实施例方式将来自中间包3的液态钢水2供应给冷却式结晶器1。在结晶器1中形成的、具有 液芯4并且只有薄坯壳5的连铸坯6，通过具有托辊8并且在顶面和在底面支承连铸坯的 弧形连铸坯支承装置7使得连铸坯转入水平方向，在凝固之后分割连铸坯，或者将其作为 连续的连铸坯继续向前输送。沿着连铸坯支承装置7安装有用来冷却连铸坯6的冷却剂喷嘴10，在附图中仅仅绘出了连铸坯支承装置7始端的连铸坯顶面上的喷嘴。其中一个或多 个喷嘴10分别连接到供水管11。可以利用连续可调的阀门12改变通过喷嘴喷向连铸坯的 冷却剂量，在该阀门后面安装流量测量装置13。可以通过执行器14调节每一个阀门12，可 通过受中央过程计算机15触发的调节器16来控制执行器。每一个流量测量装置均通过输 入单元17连接到过程计算机15，过程计算机通过输出单元18触发所有的调节器16。可以 输入到过程计算机15的输入单元17之中的例如有待浇铸金属的物理参数，在本情况下是 钢水2的物理参数，也就是随温度变化的密度值、比热容和热导率，还可以输入各处喷嘴10 随流量变化的喷束形状、随位置变化的辊距9，必要时还可输入随位置变化的连铸坯厚度、 连铸坯宽度以及连续测定的连铸机的铸造速度。按照本发明所述，在连铸坯支承装置7确定的、或者固定或者可变位置上以可调 节地冷却连铸坯6。在考虑整个连铸坯6的热动力学状态变化的情况下，利用过程计算机 15以实时求解三维热传导方程的方式调节连铸坯冷却装置。例如一种以焓表达式表示的三维的非线性的和非稳态的热传导方程如下
权利要求
1.在连铸机中对金属连铸坯、尤其是钢连铸坯进行连铸的方法，从冷却的连铸结晶器 中拉出具有被坯壳包住的液芯的连铸坯，在安装于连铸结晶器后面的连铸坯支承装置中支 承连铸坯，并且用冷却剂对其进行冷却，在一种数学仿真模型中在考虑金属的物理参数、连 铸坯的厚度以及连续测定的拉坯速度的情况下计算整个连铸坯的热力学状态变化，其特征 在于，在数学仿真模型中在考虑随温度变化的金属连铸坯密度改变的情况下实时数值求解 三维热传导方程，然后在考虑计算出的状态变化的情况下调整连铸坯冷却装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用近似焓方程在考虑随温度变化的金 属连铸坯密度改变的情况下数值求解热传导方程，所述焓方程具有用于整个连铸坯的精确 质量和精确焓。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用有限体积法或者有限元 法数值求解热传导方程。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据空间对称性仅计算四分 之一连铸坯横截面的热动力学状态变化。
全文摘要
本发明涉及一种在连铸机中对金属连铸坯进行连铸的方法，从冷却的连铸结晶器中拉出具有被坯壳包住的、液芯的连铸坯，在安装于连铸结晶器后面的连铸坯支承装置中支承连铸坯，并且用冷却剂对其进行冷却，在一种数学仿真模型中计算整个连铸坯的热力学状态变化。本发明的任务在于提供一种方法，可用来提高整个连铸坯的热动力学状态变化的仿真精度，并且可结合运用连铸坯冷却装置来改善金属连铸坯的产品质量以及连铸工艺的生产效率。按照本发明所述的方法如此解决任务，在数学仿真模型中实时数值求解三维热传导方程，然后根据状态变化计算值调整连铸坯冷却装置。
文档编号B22D11/22GK102083573SQ200980118394
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月22日 优先权日2008年5月21日
发明者K·迪滕伯格 申请人:西门子Vai金属科技有限责任公司