一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统及方法
【专利摘要】一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统及方法，该系统包括信息采集模块、钢种热物性参数计算模块、结晶器初凝坯壳生长预测模块和结果输出模块；该方法包括：漏钢坯壳微观凝固组织检测；采集初始信息：计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径进而获得钢种热物性参数的步骤；求解结晶器钢液流场、结晶器温度场和结晶器溶质场，并将结晶器内宏观传输过程与结晶器内微观凝固组织演变行为进行耦合,进一步预测连铸结晶器内部高温钢液凝固过程坯壳生长行为；将预测的结晶器内凝固组织形貌和结晶器内不同位置处的初凝坯壳厚度以及与初凝坯壳实际厚度的比较结果输出并显示。本发明能够精确预测结晶器内初凝坯壳的微观凝固行为。
【专利说明】一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金过程生产【技术领域】，具体涉及一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度 的预测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 连铸结晶器作为连铸机中最关键的部件，被称为连铸机的"心脏"。高温钢液通过 浸入式水口流入到结晶器，在结晶器冷却水的作用下，形成一定形状的初生凝固坯壳。结晶 器内初生凝固坯壳均匀性对连铸坯表面质量和连铸可浇性起着决定性作用，且凝固坯壳厚 度关系着铸坯强度，对初凝坯壳抵抗铸坯内部钢水静压力，防止漏钢至关重要。为此，连铸 结晶器内初凝坯壳不仅要求坯壳厚度均匀，而且要求坯壳厚度足够厚，从而保证铸坯表面 质量和连铸生产的安全性。
[0003] 基于结晶器初凝坯壳的重要性，准确表征其厚度和均匀性，对于优化连铸结晶器 工艺和设备，提高连铸坯质量和连铸生产率十分重要。然而，由于结晶器内凝固坯壳的生长 受结晶器冷却强度、锥度、保护渣性能和钢液流动等多因素共同影响，结晶器内钢液凝固是 十分复杂的不透明高温过程，很难用物理方法在线检测，因此只能是对坯壳厚度进行预测。 目前，预测坯壳厚度的方法主要分为试验测量法和数值模拟法两大类。
[0004] 试验测量法主要包括漏钢坯壳宏观测量法、射钉法、示踪剂法、打孔排液法。漏 钢坯壳宏观测量法（文献"板坯连铸结晶器内凝固壳的测定与分析"，特种铸造及有色合 金，1998,（3) :7-9.文献"板坯连铸结晶器内漏钢坯壳厚度的测量与分析"，内蒙古科技 大学学报，2012, 30(2):104-106.等）采用游标卡尺或者直尺测量凝固坯壳厚度，获得 沿结晶器不同位置处坯壳厚度分布，但由于漏钢过程中残留于凝固坯壳表面的钢液会继 续凝固，使得测量值较实际坯壳厚度偏大。射钉法（文献"应用射钉法测量板坯凝固坯 壳的厚度"，鞍钢技术，2005,（6):36-39.文献"射钉法测量板坯凝固坯壳厚度的应用实 践"，连铸，2011，（3):28-30.专利CN101992281B，等）采用将含FeS的钢钉射入铸坯，根 据铸坯硫印所示钢钉熔化情况及S的分布，确定坯壳厚度。该方法能在连铸二冷区和空 冷区直接射钉确定铸坯凝固坯壳厚度，但无法直接对结晶器凝固坯壳进行测量，只能采用 回归凝固系数和数学模型确定，无法真实反应结晶器内初凝坯壳厚度。示踪剂法（文献 "Application of isotopes in industry and metallurgy，'，Bulletin of the National Institute of Sciences of India, 1959:13-15.文献"Estimation of shell thickness in a continuously cast steel billet using radiotracers"，Isotopes and Radiation Technology in industry.等）采用向结晶器内加入相关的放射性同位素，解剖钢述，测量 同位素分布，确定坯壳厚度。该方法产生放射性污染，对人体伤害较大，在现场的可操作性 差，并没有得到广泛应用。打孔排液法属于破坏性试验，该方法的原理与漏钢坯壳宏观测量 法类似，同样存在坯壳测量值偏大的缺点，且该方法还存在影响正常生产，试验成本高等缺 点，所以几乎不采用。
[0005] 数值模拟预测法基于结晶器凝固传热机理，考虑结晶器内钢液流动、冷却条件、保 护渣性能等因素的影响，建立结晶器内凝固坯壳生长数学模型，从而根据不同钢种的物性 参数、铸机参数和连铸工艺参数，预测结晶器内钢液凝固过程，确定初凝坯壳厚度。该方法 较试验测量法具有成本低、效率高、分析全面等优点，但现有的结晶器凝固坯壳厚度预测 模型都是基于热量传输、动量传输和质量传输的宏观传输现象，忽视了结晶器内钢液凝固 过程的形核和枝晶生长过程，无法从本质上描述凝固坯壳的生长过程，从而无法准确地确 定结晶器初凝坯壳厚度。只能采用宏观固液相线温度简单表征凝固前沿位置，进而在宏观 上粗略确定凝固坯壳厚度。此外，现有模型通常将钢种热物性参数（固液相线温度、导热系 数、密度、比热和凝固潜热）处理为常数或简单的经验回归公式，无法表征钢液凝固过程溶 质偏析和相变对钢种热物性参数的影响。因此，模型的准确性受选择的钢种热物性参数计 算公式影响较大，计算结果误差较大。再者，现有模型都采用结晶器热电偶温度数据或漏 钢坯壳厚度两类验证手段。结晶器热电偶温度数据为铜板温度数据，结晶器铜板与凝固坯 壳之间存在复杂的保护渣和气隙分布，严重影响着结晶器铜板和凝固坯壳之间的传热。采 用结晶器热电偶数据只能验证数学模型预测的铜板温度，而无法直接验证坯壳厚度的准确 性。因此结晶器热电偶温度数据验证属于间接验证，且模型验证准确性存疑。漏钢坯壳厚 度验证属于直接验证，但由于现有漏钢坯壳厚度测量手段都采用宏观测定法，测量值较坯 壳实际值偏大，从而使得数学模型标定值偏大。因此，采用传统漏钢坯壳厚度测量法标定的 数学模型同样无法准确预测结晶器凝固厚度。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的 预测系统及方法。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统，包括：
[0009] 信息采集模块：用来采集浇铸钢种成分、结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸、 连铸工艺条件以及沿结晶器不同位置处的凝固坯壳厚度实测值及枝晶间距实测值；所述结 晶器几何尺寸，包括板坯宽度、板坯厚度、结晶器高度、铜板厚度、水槽深度、水槽厚度和镍 层厚度；所述连铸工艺条件，包括弯月面位置、拉坯速度、进口水温、宽面出口水温、窄面出 口水温、宽面冷却水流量和窄面冷却水流量；所述浸入式水口几何尺寸，包括浸入式水口浸 入深度和浸入式水口侧孔倾角；
[0010]钢种热物性参数计算模块：根据信息采集模块采集到的浇铸钢种成分和枝晶间距 实测值，计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径，进而获得钢种热物性参数并将 其传至结晶器初凝坯壳生长预测模块；所述钢种热物性参数，包括固液相线温度、导热系 数、密度、比热和凝固潜热；
[0011] 结晶器初凝坯壳生长预测模块：将结晶器内热量传输、动量传输和质量传输在内 的宏观传输过程与结晶器铜板表面形核、钢液内部形核和晶粒生长在内的微观凝固组织演 变行为进行耦合，并根据信息采集模块采集到的结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸和 连铸工艺条件以及从钢种热物性参数计算模块接收的钢种热物性参数，预测连铸过程结晶 器内部高温钢液凝固过程坯壳生长行为并将其传至结果输出模块；
[0012] 结果输出模块：图像化地显示预测的结晶器内部凝固组织形貌，即初凝坯壳生长 过程，以及定量化地显示结晶器初凝坯壳厚度预测值，将该初凝坯壳厚度预测值与信息采 集模块采集的结晶器的凝固坯壳实测值进行比较，并输出显示该比较结果。
[0013] 采用所述钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统的钢连铸结晶器内初凝坯壳 厚度的预测方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤1 :取漏钢坯壳试样，进行漏钢坯壳微观凝固组织检测，得到沿结晶器不同位 置处的初凝坯壳厚度实测值和枝晶间距实测值；
[0015] 所述漏钢坯壳微观凝固组织检测的方法为：对漏钢坯壳进行解剖，取漏钢坯壳试 样；采用某种腐蚀剂对漏钢坯壳试样进行腐蚀获得漏钢坯壳凝固微观组织；观察漏钢坯壳 试样腐蚀后的微观组织形貌，通过比对漏钢前后冷却条件改变引起的微观凝固组织变化， 确定沿结晶器不同位置处的初凝坯壳厚度实测值和枝晶间距实测值；所述腐蚀剂为6%? 10%的硝酸酒精溶液；所述采用腐蚀剂对漏钢坯壳试样进行腐蚀的时间为30?40s ;
[0016] 步骤2 :采集初始信息；
[0017] 包括浇铸钢种成分、结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸、连铸工艺条件以及沿 结晶器不同位置处的凝固坯壳厚度实测值及枝晶间距实测值；所述结晶器几何尺寸，包括 板坯宽度、板坯厚度、结晶器高度、铜板厚度、水槽深度、水槽厚度和镍层厚度；所述连铸工 艺条件，包括弯月面位置、拉坯速度、进口水温、宽面出口水温、窄面出口水温、宽面冷却水 流量和窄面冷却水流量；所述浸入式水口几何尺寸，包括浸入式水口浸入深度和浸入式水 口侧孔倾角；
[0018] 步骤3 :根据步骤2采集的枝晶间距实测值和浇铸钢种成分，计算钢液凝固过程中 枝晶间溶质偏析和凝固路径，进而获得钢种热物性参数，包括固液相线温度、导热系数、密 度、比热和凝固潜热；
[0019] 步骤3. 1 :根据枝晶间溶质守恒原理和溶质扩散原理以及夹杂物MnS的析出行为， 建立溶质微观偏析数学模型，计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径，得到各相 分率与温度的函数关系；
[0020] 步骤3. 2 :根据步骤3. 1得到的各相分率与温度的函数关系，计算钢种热物性参 数，包括固液相线温度、导热系数、密度、比热和凝固潜热；
[0021] 步骤4:根据信息采集模块采集到的结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸和连 铸工艺条件以及从钢种热物性参数计算模块接收的钢种热物性参数，求解结晶器钢液流 场、结晶器温度场和结晶器溶质场，并将结晶器内宏观传输过程与结晶器内微观凝固组织 演变行为进行耦合，进一步预测连铸结晶器内部高温钢液凝固过程坯壳生长行为；
[0022] 步骤5 :输出并显示预测的结晶器内凝固组织形貌和结晶器内不同位置处的初凝 坯壳厚度，并与步骤1得到的初凝坯壳实际厚度进行比较，且将比较结果输出显示。
[0023] 根据所述的连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测方法，所述步骤3. 1包括如下内 容：
[0024] 溶质微观偏析数学模型为：
【权利要求】
1. 一种钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测系统，其特征在于：包括： 信息采集模块：用来采集浇铸钢种成分、结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸、连铸 工艺条件以及沿结晶器不同位置处的初凝坯壳厚度实测值及枝晶间距实测值；所述结晶器 几何尺寸，包括板坯宽度、板坯厚度、结晶器高度、铜板厚度、水槽深度、水槽厚度和镍层厚 度；所述连铸工艺条件，包括弯月面位置、拉坯速度、进口水温、宽面出口水温、窄面出口水 温、宽面冷却水流量和窄面冷却水流量；所述浸入式水口几何尺寸，包括浸入式水口浸入深 度和浸入式水口侧孔倾角； 钢种热物性参数计算模块：根据信息采集模块采集到的浇铸钢种成分和枝晶间距实测 值，计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径，进而获得钢种热物性参数并将其传 至结晶器初凝坯壳生长预测模块；所述钢种热物性参数，包括固液相线温度、导热系数、密 度、比热和凝固潜热； 结晶器初凝坯壳生长预测模块：将结晶器内热量传输、动量传输和质量传输在内的宏 观传输过程与结晶器铜板表面形核、钢液内部形核和晶粒生长在内的微观凝固组织演变行 为进行耦合，并根据信息采集模块采集到的结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸和连铸 工艺条件以及从钢种热物性参数计算模块接收的钢种热物性参数，预测连铸过程结晶器内 部高温钢液凝固过程坯壳生长行为并将其传至结果输出模块； 结果输出模块：图像化地显示预测的结晶器内部凝固组织形貌，即初凝坯壳生长过程， 以及定量化地显示结晶器初凝坯壳厚度预测值，将该初凝坯壳厚度预测值与信息采集模块 采集的结晶器的初凝坯壳实测值进行比较，并输出显示该比较结果。
2. 采用权利要求1所述系统的钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测方法，其特征在 于：包括如下步骤： 步骤1 :取漏钢坯壳试样，进行漏钢坯壳微观凝固组织检测，得到沿结晶器不同位置处 的初凝坯壳厚度实测值和枝晶间距实测值； 步骤2 :采集初始信息； 包括浇铸钢种成分、结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸、连铸工艺条件以及沿结晶 器不同位置处的初凝坯壳厚度实测值及枝晶间距实测值；所述结晶器几何尺寸，包括板坯 宽度、板坯厚度、结晶器高度、铜板厚度、水槽深度、水槽厚度和镍层厚度；所述连铸工艺条 件，包括弯月面位置、拉坯速度、进口水温、宽面出口水温、窄面出口水温、宽面冷却水流量 和窄面冷却水流量；所述浸入式水口几何尺寸，包括浸入式水口浸入深度和浸入式水口侧 孔倾角； 步骤3 :根据步骤2采集的枝晶间距实测值和浇铸钢种成分，计算钢液凝固过程中枝晶 间溶质偏析和凝固路径，进而获得钢种热物性参数，包括固液相线温度、导热系数、密度、t匕 热和凝固潜热； 步骤3. 1 :根据枝晶间溶质守恒原理和溶质扩散原理以及夹杂物MnS的析出行为，建立 溶质微观偏析数学模型，计算钢液凝固过程中枝晶间溶质偏析和凝固路径，得到各相分率 与温度的函数关系； 步骤3. 2 :根据步骤3. 1得到的各相分率与温度的函数关系，计算钢种热物性参数，包 括固液相线温度、导热系数、密度、比热和凝固潜热； 步骤4:根据信息采集模块采集到的结晶器几何尺寸、浸入式水口几何尺寸和连铸工 艺条件以及从钢种热物性参数计算模块接收的钢种热物性参数，求解结晶器钢液流场、结 晶器温度场和结晶器溶质场，并将结晶器内宏观传输过程与结晶器内微观凝固组织演变行 为进行耦合，进一步预测连铸结晶器内部高温钢液凝固过程坯壳生长行为； 步骤5 :输出并显示预测的结晶器内凝固组织形貌和结晶器内不同位置处的初凝坯壳 厚度，并与步骤2采集的初凝坯壳厚度实测值进行比较，且将比较结果输出显示。
3. 根据权利要求2所述的钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测方法，其特征在于：所 述步骤3. 1具体包括如下内容： 溶质微观偏析数学模型为：
(1) 其中，初始条件为：当t = 〇时，;边界条件为：当X = 〇和λ /2时，
λ为枝晶间距，m ; C1;i和Cs;i分别为溶质元素 i在钢液中的初始浓度、溶质 元素 i在液相1中的溶质浓度和溶质元素 i在固相s中的溶质浓度，wt % ;Ds;i (T)为溶质 元素 i在固相中的扩散系数，m2/s ;t为时间，秒；<；；为溶质元素 i固液界面平衡分配系数； 所述固相包括铁素体相S和奥氏体相Y ; 钢液凝固过程中的相变取决于钢液相线温度1\和δ/γ相转变开始温度Tm:
(2) (3) 式中，为溶质元素 i在δ / γ相界面处液相中的浓度；叫和ni分别为伪二元Fe-i 相图中液相线和Ar4线斜率；Aj为溶质元素 i在δ / γ界面平衡分配系数； 另外，夹杂物MnS的析出行为可通过[Mn] + [S] = (MnS)反应的化学平衡进行计算，其 标准吉布斯自由能变AG0采用下式计算： 液相中：AG0 = -165?8. 81+9〇· 9〇T (4) 此时，s/1界面前沿剩余溶质元素浓度为平衡浓度： (5) CKu-M ^Ciris-M,,n (6) 式中，K1;MnS为MnS析出反应的平衡常数；和分别为t时刻钢液中溶质元素 Mn 和S的质量分数，wt % ;0'<"和S分别为t时刻由于MnS析出分别消耗的溶质元素 Mn 和S的量，wt% ;MS和Msfa分别为溶质元素 Mn和S的摩尔质量，g/mol Jsfa和fs分别为钢液 中溶质元素 Mn和S的活度系数。
4. 根据权利要求2所述的钢连铸结晶器内初凝坯壳厚度的预测方法，其特征在于：所 述步骤4包括如下步骤： 步骤4. I :根据结晶器内热量传输、动量传输和质量传输过程，求解结晶器钢液流场、 结晶器温度场和结晶器溶质场； 步骤4. I. 1 :计算结晶器钢液流场； 按照下述方程计算结晶器钢液流场； 连续性方程：
其中，u、V和w分别为速度场u(u, V，w)沿三维空间坐标轴方向X、y和z的分量,m/s ; 动量传输方程：沿X方向的动量方程如下式所示，沿其它方向的动量方程与下式类似；
其中μ rff为有效黏度系数，Pa · s,为层流黏度μ i与湍流黏度μ t之和，即
,为常数；P为压力，Pa ;gx为重力沿X方向的分量；k为湍动 能；ε为耗散率； 湍动能方程和耗散率方程统一如下式所示：
式中Cp C2、σ k和〇 Ε均为常数；符号G可用式（27)表示； 对于湍动能k， 对于耗散率ε
步骤4. 1. 2 :计算结晶器温度场 根据热量传输方程计算，如下式：
其中kstral为钢的导热系数，W/(m · °C ) ; 〇 t为常数，取值〇. 9?I. O ; 步骤4. 2 :根据结晶器铜板表面形核、钢液内部形核和热扩散控制的晶粒生长与溶质 扩散控制的枝晶生长在内的微观凝固组织演变行为，预测钢液凝固过程中晶粒和枝晶的生 长行为； 步骤4. 2. 1 :根据经验形核参数，预测钢液凝固形核过程； 形核模型为：
式中，η(ΛΤ)是晶粒密度；ΛΤ为过冷度，K;nmax为初始形核基底数，ΛΤη、ΛΤ。分别为 平均形核过冷度和标准方差过冷度；△ Τ'为过冷度积分变量，K ; 步骤4. 2. 2 :计算钢液凝固过程中溶质场分布； 将步骤4. I. 1得到的结晶器钢液流场结果带入如下的质量传输方程：
(21) 式中，C为溶质浓度，wt% ;D为溶质扩散系数,m2/s ; ξ为元胞状态参数； 步骤4. 2. 3 :建立固液界面处温度场与溶质场的关系，得到固液界面处的平衡浓度； 固液界面处温度场与溶质场的关系可用如下公式表示： Γ = T, + ,,!^, -€{))-Υκ/{φ.Ο) (22) 式中，τ#为固液界面处温度，K :!?为液相线斜率；Ctl为合金初始浓度，<为固液界面处 液相溶质浓度，r为Gibbs-Thomson系数，K为平均固液界面曲率，/(%以为界面能各向 异性函数，Θ为枝晶择优生长角度，炉为固液界面法相与X轴的夹角； 固液界面曲率由界面处固相率梯度确定，可如下公式计算：
界面张力的各向异性可由如下公式计算：
式中，（f丄和（fs)y为固相率的一阶偏导，（fs)xx、（f s)xdn此)"为固相率的二阶偏导， σ为界面各向异性参数； 步骤4. 2. 4 :根据固液界面处的溶质元素平衡浓度与界面前沿的溶质元素浓度的关 系，即界面前沿溶质浓度梯度，确定固液界面移动速率； 枝晶尖端生长速度受界面处溶质浓度控制，可由如下公式计算：
式中，VnS界面法相移动速度，m/s 为溶质平衡分配系数A1为溶质元素在液相中扩 散系数，m2/s ;CS和C1分别为固相和液相浓度，wt%。
5. -种漏钢坯壳微观凝固组织检测方法，用于权利要求2所述的步骤1中漏钢坯壳微 观凝固组织检测，其特征在于：该方法为： 对漏钢坯壳进行解剖，取漏钢坯壳试样；采用腐蚀剂对漏钢坯壳试样进行腐蚀获得漏 钢坯壳凝固微观组织；观察漏钢坯壳试样腐蚀后的微观组织形貌，通过比对漏钢前后冷却 条件改变引起的微观凝固组织变化，确定沿结晶器不同位置处的初凝坯壳厚度实测值和枝 晶间距实测值。
6. 根据权利要求5所述的漏钢坯壳微观凝固组织检测方法，其特征在于：所述腐蚀剂 为6 %?10%的硝酸酒精溶液。
7. 根据权利要求6所述的漏钢坯壳微观凝固组织检测方法，其特征在于：所述采用腐 蚀剂对漏钢坯壳试样进行腐蚀的时间为30?40s。
【文档编号】B22D11/16GK104384469SQ201410779660
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】罗森, 王卫领, 朱苗勇, 何奇, 冯艺, 姜东滨, 刘航 申请人:东北大学