一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法与流程

本发明公开了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，属于钢铁冶金技术领域。

背景技术：

上个世纪九十年代，经过两次石油危机和三次金融危机，全球经济低迷，钢铁工业作为能耗大、利润低的产业，必然要面临结构调整、技术优化、工艺改进，以提升竞争力和保证经济效益。因而，以薄板坯连铸连轧为代表的短流程工艺因其低能耗、低成本、高效率而收到投资者和生产企业的特别关注。自1989年第一条由德国西马克公司开发的薄板坯连铸连轧产线-csp工艺生产线在美国纽克克劳福兹维尔钢厂建成投产以来，截至到2017年，全球已建成的薄板坯连铸连轧产线已达67条，年生产能力超过1.24亿吨。其中csp工艺产线达34条，其技术也相对成熟，生产稳定。

众所周知，结晶器是连铸机的“心脏”。薄板坯连铸连轧取得的巨大成功和csp工艺的成功突破，其关键在于漏斗形结晶器的设计。漏斗形结晶器的特点在于上口漏斗形状，面积大；边部和下部是一段平行板，板间距窄即为铸坯厚度；实际工业生产中连铸漏斗形结晶器示意图如图2所示(l.c.hibbeler.thermo-mechanicalbehaviorduringsteelcontinuouscastinginfunnelmolds[d].universityofillinoisaturbana-champaign,2009)。这种设计的优势在于，上口面积大，有利于高拉速下减缓钢液流场的剪切速度，保证流场的稳定和连铸过程的顺行；下部平行板间距窄，可有效地降低铸坯出结晶器的厚度，从而很好地实现了薄板坯连铸的生产过程。

在薄板坯连铸连轧发展三十年的时间，还有许多技术问题和基础研究需要开展。例如铸坯缺陷相比于传统连铸更为严重，高拉速下结晶器内流场、温度场、热流分布，钢种应用的拓展。但由于实际工业生产所用漏斗形结晶器是一体的，且结晶器内往往是“黑箱”，并不能观察到结晶器内钢液和保护渣的高温动态行为，无法研究钢液在结晶器内的凝固行为；当保护渣随铸坯一起出结晶器时立刻就会被二冷水给冲刷掉，而无法收集到保护渣渣膜，从而也无法研究保护渣在结晶器内的动态行为。目前最常用的方法就是进行数值计算和仿真模拟。但数值计算和仿真模拟因边界条件设定的不确定或不准确，往往与实际过程偏差较大，一般只能作为定性分析的参考。而在工业连铸机上开展研究和工业试验的成本巨大，且试验过程容易出现安全事故。这严重阻碍了薄板坯连铸的基础研究、优化研究以及开发研究的进行。最好的办法是在实验室层面建立结晶器模拟系统，依据现场工艺参数开展物理实验，再结合数值模拟进行分析，在一定程度上就可以很好的还原实际生产的效果。但到目前为止，还没有很好的设计来模拟薄板坯连铸用漏斗形结晶器，并在实验室层面实现漏斗形结晶器的连铸模拟研究。

技术实现要素：

为了很好地模拟薄板坯连铸过程中漏斗形结晶器内高温动态行为及连铸过程，本发明提供了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法。

本发明提供的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置，包括以下主要配件：感应加热炉体(炼钢炉)，电机驱动系统(拉坯器驱动电机m1、结晶器振动电机m2)、连铸漏斗形结晶器模拟系统(包括漏斗形结晶器、拉坯器)，冷却水系统(结晶器铜模冷却水、炼钢炉线圈冷却水)，温度采集系统(采温热电偶)，以及自动化的动力操作系统等；其装置整体示意图如图1a所示。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；所述模拟装置包括炼钢炉、拉坯电机、振动电机、拉坯器、结晶器金属模；所述拉坯电机通过刚性连接杆与拉坯器相连，所述拉坯器套在结晶器金属模上；所述结晶器金属模内设有冷却通道；所述结晶器金属模的宽面上设有曲面凹槽，所述曲面凹槽呈漏斗形；定义曲面凹槽最下端为底部；曲面凹槽底部到结晶器金属模底部的间距大于等于7mm；结晶器金属模设有至少3排热电偶；其中第一排、第二排热电偶位于曲面凹槽正对的结晶器金属模内，第三排热电偶设置的位置不与第一排、第二排热电偶重合；

垂直于结晶器金属模宽面进行投影，至少有2个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影内；至少有1个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影外，且位于曲面凹槽所形成的投影的左侧或者右侧。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；任意2排热电偶的个数相等；从结晶器金属模上到下的方向，将第1排热电偶中各热电偶命名为tc1-1、tc1-2、tc1-3、…直至tc1-n；将第2排热电偶中各热电偶命名为tc2-1、tc2-2、tc2-3、…直至tc2-n；将第3排热电偶中各热电偶命名为tc3-1、tc3-2、tc3-3、…直至tc3-n；……将第i排热电偶中各热电偶命名为tci-1、tci-2、tci-3、…直至tci-n；所述i大于等于3；

垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第一排热电偶中第p个热电偶的投影与第二排中第p个热电偶的投影重合，所述p为大于等于1且小于等于n的正整数；

当i等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第三排热电偶中第p个热电偶的投影与第四排中第p个热电偶的投影重合，所述p为大于等于1且小于等于n的正整数；

当热电偶的命名为tcx-y；当y为定值时，所有的热电偶位于一个平面上；所述x大于等于1小于等于i；所述y大于等于1，小于等于n。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；所述曲面凹槽为对称结构；所述结晶器金属模的宽面也呈对称设计；在竖直平面上，曲面凹槽的对称轴与结晶器金属模宽面的对称轴位于同一个平面上，且二者重合；

垂直于结晶器金属模宽面进行投影；所得投影为对称结构；投影的对竖直称轴与第一排、第二排热电偶的投影重合；

当所述n等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影；第三排、第四排热电偶的投影重合。第三排和/或第四排热电偶的投影所在的一侧，第三排和/或第四排热电偶的投影到结晶器金属模宽面的投影边框的最小距离等于其到直线a的距离；所述直线a为：在投影上，沿着曲面凹槽所形成的投影边界做垂直于结晶器金属模宽面底部所得投影线的垂直线，所述垂直线中，到结晶器金属模宽面的投影边框距离最小的线条为a或a1；其中和第三排和/或第四排热电偶的投影在同一侧的线条为a。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；漏斗形的为70mm；凹槽倾斜角度为8°～10°。作为优选，本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；漏斗形结晶器金属模的有效长度为77mm(其中(其中凹槽部分为70mm，凹槽下部平板部分7mm；凹槽倾斜角度为8°-10°)，上部为平板，铜模内部有冷却水槽，并嵌有测温热电偶。结晶器装置示意图如图1b所示。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；结晶器金属模的材质为铜、优选为紫铜。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；结晶器金属模内，第一排4根热电偶位于铜模中线处，分布的位置分别在距铜模底部70mm、45mm、25mm、5mm处，对应的距铜模表面的垂直距离依次为4.47mm、11.89mm、13.68mm、5.20mm；这4根热电偶均落在半径为50mm的球体弧线上。

结晶器金属模内，第二排4根热电偶分布的位置也位于铜模中线处，分别在距铜模底部70mm、45mm、25mm、5mm处，对应的距铜模表面的垂直距离依次为10.73mm，16.92mm，18.86mm，11.72mm；这4根热电偶均落在与第一排热电偶的同心球、半径为55mm的球体弧线上。

结晶器金属模内，第三排4根热电偶分布的位置位于铜模边部非漏斗形平板区域中线处，分别在距铜模底部70mm、45mm、25mm、5mm处；对应的距铜模表面的垂直距离均为3mm。

结晶器金属模内，第四排4根热电偶分布的位置也同样位于铜模边部非漏斗形平板区域中线处，分别在距铜模底部70mm、45mm、25mm、5mm处；对应的距铜模表面的垂直距离均为8mm。

在本发明中，这样排布第一排、第二排热电偶的目的是为了便于构建球体模型非稳态传热来计算漏斗形结晶器弧面处沿厚度方向的传热。

在本发明中，这样排布第三排和/或第四排热电偶的目的是：便于构建平板模型非稳态传热反算漏斗形结晶器平板处沿铜模厚度热流变化。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；包括下述步骤：

将40～60kg钢块放入炼钢炉中，在氩气的保护气氛下通过电磁感应加热将钢块熔化；后向钢液表面加入50～100g保护渣，待5min后捞出浮在钢液表面的保护渣，目的是去处钢液表面漂浮的氧化物，净化钢液；接着再加入150～300g保护渣至钢液表面，起到防止钢液氧化和保温的作用；待10分钟后，用测温枪测试钢液温度，校正钢液的过热度；随后，启动结晶器内铜模测温系统，并通过电机驱动将连铸模拟装置插入钢液中，插入深度为距结晶器铜模底部以上70mm(即图1b中弯月面所示位置)；钢液和液渣会一同流入水冷的结晶器铜模内，停留5～10s，启动结晶器振动电机，按设定的振频、振幅周期性振动，由于钢液凝固会产生体积收缩，从而在结晶器与初始凝固坯壳间形成空隙，加上结晶器的振动作用，液渣会流入空隙中，在其中起到润滑和控制传热的作用；紧接着，在电机的驱动下，拉坯器相对于结晶器以一定的速度，即拉速向下移动，将一定厚度的初始凝固坯壳从结晶器内拉出；同时钢液又会新填入结晶器内凝固，从而实现连铸过程的模拟；拉坯器向下移动的时间为结晶器振动的6～8个周期，随后结晶器和拉坯器同步上升移除出钢液，关闭测温系统，结束实验；待冷却后取下结晶内初始凝固坯壳和保护渣渣膜，以及拉出的铸坯用于进一步分析。

在具体应用时，本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；包括下述步骤：

步骤1

将40～60kg钢块放入中频感应炉内，通过电磁感应加热将钢块熔化。加热过程全程通氩气进行气氛保护，防止钢液氧化。

步骤2

将配制好的50～100g保护渣加入钢液表面，保护渣会被高温钢液熔化并漂浮在钢液表面吸收夹杂物；待5min后捞出漂浮在钢液表面的保护渣，目的是去除钢液表面漂浮的氧化物，净化钢液。

步骤3

再次加入150～300g保护渣至钢液表面，保护渣同样会被高温钢液熔化，并在钢液表面形成一层液渣层，可起到防止钢液氧化及保温的作用。

步骤4

待10min后用测温枪测试钢液温度，校正钢液的过热度，并准备开始连铸结晶器模拟实验。

步骤5

启动结晶器铜模冷却水系统和测温系统，并同步启动升降电机，将连铸模拟装置插入钢液中并没入钢液后停止深入，此时钢液和液渣会一同流入水冷结晶器中，并在冷却水的作用下开始凝固。

步骤6

停留5～10s，启动结晶器振动电机(按设定的振频、振幅周期性振动)；由于钢液凝固会产生体积收缩，从而在结晶器与初始凝固坯壳间形成空隙，加上结晶器的振动作用，液渣会流入空隙中，起到润滑和控制传热的作用。

步骤7

接着，再次启动升降电机，使拉坯器相对于结晶器以一定的速度(即拉速)向下移动，将一定厚度的初始凝固坯壳从结晶器内拉出，同时钢液又会新填入结晶器内凝固形成坯壳，从而实现连铸过程的模拟。

步骤8

拉坯器向下移动结晶器振动的六个周期后停止向下运动，并关闭结晶器振动电机停止结晶器的振动，结束拉坯实验。

步骤9

拉坯实验结束后，升降电机同时将结晶器与拉坯器从钢液中提上去移出钢液，关闭测温系统保存数据。

步骤10

关闭感应加热炉电源；但不能关闭冷却水。待炉内钢液冷却到室温后关闭冷却水，及所有控制电源。结束实验。

步骤11

冷却至室温后拆下拉坯器，拆开结晶器铜模，取出结晶器初始凝固坯壳和保护渣渣膜、及拉出的凝固坯壳，用于进一步分析。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；所述应用中，钢块的尺寸为50×50×50mm。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；所述应用中；测试钢液的温度及校正钢液的过热度，该过热度与实际生产保持一致或按照设计的过热度进行实验和数据采集，这样一来，利用本设备可以对设计过热度的变量开展实验研究。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；所述应用中；结晶器振动的振幅和振频与实际生产保持一致或按照设计值进行实验和数据采集。这样一来，本发明可以对结晶器振动的振幅和振频作为变量开展系统研究。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；所述应用中；拉坯器向下移动速度即拉速，与实际生产保持一致或按照设计值进行实验和数据采集。这样一来，本发明可以对拉速作为变量开展系统研究。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；所述应用中；热电偶采集的温度数据，通过球体模型非稳态传热和平板模型非稳态传热反算到漏斗形区域和非漏斗形区域的热流分布。在具体应用时；步骤9中所保存热电偶采集的温度数据，可通过反算得到热流数据。

本发明一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置的应用；取下的结晶器内凝固坯壳和渣膜、及拉出的铸坯用于电镜分析，可得到钢种—连铸工艺参数—保护渣行为—热流分布—钢液弯月面初始凝固—铸坯表面质量的相互关系。在具体应用时；步骤11中取下的凝固坯壳和渣膜以及铸坯用于电镜分析，可得到钢种—连铸工艺参数—保护渣行为—热流分布—钢液弯月面初始凝固—铸坯表面质量的相互关系。

主要优势

本发明所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，具有以下优点：

(1)工业上结晶器被称为“黑箱”，往往不能得到结晶器内钢液与保护渣的状态，因而不能实现对结晶器内钢液和保护渣的高温动态行为有效的观察和探测。而本发明设计的漏斗结晶器可得到在漏斗形结晶器内形成的初始凝固坯壳，以及结晶器铜模与初始凝固坯壳间隙的保护渣渣膜；通过初始凝固坯壳和保护渣渣膜的分析，可还原钢液初始凝固和保护渣在结晶器内的高温动态行为。

(2)本发明可基于埋藏在结晶器内热电偶测得的温度数据可得出结晶器内温度场的分布；并通过对结晶器内热电偶的合理布置，可利用球体模型非稳态传热可反算出结晶器漏斗形弧面处的热流分布，利用平板模型非稳态传热可算得结晶器非漏斗形区域的热流分布。

(4)本发明巧妙设计的连铸漏斗形结晶器模拟装置可获得连铸工艺参数、保护渣渣膜、结晶器内温度和热流的分布、钢液结晶器内钢液凝固行为及铸坯表面质量等一套完整的信息，从而可有效建立钢种—连铸工艺参数—保护渣行为—热流分布—钢液弯月面初始凝固—铸坯表面质量的相互关系，有利于科学研究和指导工业实际生产。

综上所述，本发明设计的连铸漏斗形结晶器模拟装置参照了实际薄板坯连铸生产所用结晶器的外形，并在其基础上做了有效的改进，配合特殊的热电偶布置方式，不仅可模拟了实际薄板坯连铸生产过程，还可获得实际生产中难以获得的漏斗形结晶器内初始凝固坯壳、保护渣渣膜等，还可以较低成本研究连铸工艺参数(保护渣、拉速、过热度、振频、振幅等)对钢液初始凝固和铸坯质量的影响。

附图说明

图1为本发明所设计的连铸漏斗形结晶器模拟装置图；

图2为实际工业生产中连铸漏斗形结晶器的结构示意图(l.c.hibbeler.thermo-mechanicalbehaviorduringsteelcontinuouscastinginfunnelmolds[d].universityofillinoisaturbana-champaign,2009)；

图3为实施例实验得到的初始凝固坯壳。

图1由图1(a)、图1(b)、图1(c)组成，其中图1(a)为连铸漏斗形结晶器模拟装置的整体示意图；图1(b)为结晶器铜模三维图；图1(c)为测温热电偶分布示意图。图1a中，连铸漏斗形结晶器模拟装置包括电磁感应炼钢炉、拉坯电机m1、振动电机m2、拉坯器、带有冷却水通道的漏斗形结晶器。图1b中，漏斗形结晶器设计总长为340mm(z轴方向)，宽度100mm(y轴方向)，厚度30mm(x轴方向)；其中有效部分长度为77mm，包括70mm长度的漏斗形区域和7mm长度的下部平板区域；侧部均设置了测温热电偶插槽；有效部分上部为平板冷却通道和拉坯器拓展长度。图1c中，漏斗形结晶器有效区域正视图和侧视图及热电偶分布位置，其中正视图上可以看到第一排和第三排热电偶，第二排和第四排热电偶在y轴和z轴的位置分别与第一排和第三排重合；从侧视图可以看到，完整的16根热电偶的布置，其三维坐标为ch1-1(4.47,50,70)、ch1-2(11.89,50,45)、ch1-3(13.68,50,25)、ch1-4(5.20,50,5)；ch2-1(10.73,50,70)、ch2-2(16.92,50,45)、ch2-3(18.86,50,25)、ch2-4(11.72,50,5)；ch3-1(3,90,70)、ch3-2(3,90,45)、ch3-3(3,90,25)、ch3-4(3,90,5)；ch4-1(8,90,70)、ch4-2(8,90,45)、ch4-3(8,90,25)、ch4-4(8,90,5)。从图1中可以看出本发明所设计的连铸漏斗形结晶器模拟装置的基本结构以及热电偶排布的方式。

图2由图2(a)、图2(b)构成，其中图2(a)为实际工业生产中连铸漏斗形结晶器剖面图；图2(b)为漏斗形结晶器俯视图；从图2中可以看出现有实际生产过程中漏斗形结晶器的基本结构。

从图3中可以看出实施例实验得到的初始凝固坯壳的形貌。

具体实施方式

本发明实施例中所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例中的代表，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，在没有作出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中所用设备如图1所示。

本实施例中，连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟方法步骤如下：

1)将50kg尺寸为50×50×50mm的实验钢块放入感应炼钢炉中，通入氩气保护的情况下，启动感应加热将钢液加热至1500℃并保温20min至完全熔化成钢液。

2)向钢液表面加入100g保护渣颗粒，高温钢液会将保护渣颗粒熔化至液态并覆盖在钢液表面，吸收钢液表面上浮的夹杂物，5min后将钢液表面吸收了夹杂物的保护渣捞出。

3)再次向钢液中加入200g保护渣颗粒，静置10min后，用测温枪测试钢液温度，校准钢液温度；关闭感应加热程序。

4)同时，用定位杆进行定位，使得漏斗形结晶器插入钢液面以下70mm(即弯月面在图1b红线位置)；另外，设置振动电机参数(振幅6mm，振频4hz)，以及设置拉坯电机下行速度(即拉速4m/min)；并向结晶器铜模内通冷却水和启动测温程序。

5)所有设置和温度校准完成后，启动自动拉坯程序，结晶器和拉坯器一并下行插入钢液中至钢液浸至漏斗形结晶器70mm位置处，停止插入并停留5s；启动振动电机使漏斗形结晶器按振幅6mm，振频4hz进行正弦振动；

6)启动拉坯电机使拉坯器按拉速4m/min下行拉坯，拉坯时间为6个结晶器振动周期；

7)拉坯结束后，结晶器和拉坯器同步移除钢液，关闭测温系统，结束实验。

8)实验后得到的初始凝固坯壳如图3所示。