一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于板坯连铸领域，具体涉及一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法。
【背景技术】
[0002] 板坯连铸机主要由结晶器及后面由不同类型密排分节辊构成的扇形段组成。板坯 浇铸过程中，钢水首先通过结晶器一次冷却形成一定坯壳厚度的铸坯，再经过后续扇形段 中的喷淋二次冷却及弯曲矫直过程，最终完全冷却凝固形成板坯。板坯经过后续的热乳或 冷乳过程成为最终的板材，被广泛应用于国民生产的各个领域，例如，船舶制造、桥梁工程、 电站锅炉、重型机械、海洋石油及军事领域。
[0003] 板坯连铸机生产的板坯质量直接影响最终乳材质量。在板坯浇铸过程中，经常出 现的铸坯质量问题包括中心偏析、疏松及各种类型的裂纹等。通过一定的方法制定合理的 基础辊缝，并在此基础上，实施凝固末端压下是改善上述质量问题的有效途径之一。
[0004] 板坯自然热收缩是指板坯浇铸过程中，由于铸坯逐渐受冷凝固而产生的自然收缩 现象。基于板坯浇铸过程中板坯的自然热收缩行为制定合理的基础辊缝对避免铸坯鼓肚、 降低矫直应力、防止滞坯等具有重要意义，同时也是凝固末端压下工艺实施的重要前提保 障。
[0005] 目前针对连铸机辊缝设计及铸坯热收缩计算方法已有所报道。中国专利 CN101362196公开了一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法，通过建立大方坯的 二维在线模型，实时计算铸坯的二维温度场，并在此基础上，通过热-力直接耦合的方式来 计算大方坯的二维热收缩规律，最终根据热收缩规律计算出铸坯实时控制辊缝值；曹学欠 (连铸大方坯热收缩行为的有限元分析，连铸，2010,6 :1-4)，林启勇（连铸板坯自然热收缩 行为有限元模拟，东北大学学报（自然科学版），27 (S2) :8-10)通过建立二维切片有限元模 型，分别研究了大方坯及板坯浇铸过程中热收缩规律；陈洪智（不锈钢板坯连铸自由线收 缩与辊缝研究，中国冶金，22 (2) :25-30)通过二维差分方法，研究了 304不锈钢板坯浇铸过 程中的线收缩规律。上述计算方法均采用了二维切片模型进行建模，忽略了沿拉坯方向上 的凝固传热及热收缩过程中铸坯变形方面的相互影响。然而，在铸流比较靠前的位置，铸坯 受到的冷却强度大，沿拉坯方向上温度降低速度比较快，在此阶段，铸坯沿拉坯方向上的凝 固传热及铸坯热收缩变形相互影响会比较显著，因此，采用二维建模势必会影响模拟结果 的准确性。此外，上述方法在二冷区各区设置均匀的等效换热系数作为边界条件，然而，在 板坯浇铸过程中，二冷区采用多喷嘴的交错布置方式，铸坯表面受到的水流密度分布趋势 比较复杂，如果单纯采用均匀等效换热系数作为边界条件，势必引起计算结果的偏差，无法 真实反应连铸坯宽向的非均匀凝固过程及其对辊缝制定的影响作用。
[0006] 历英（连铸机辊列辊缝的优化控制，中国钢铁年会论文集，2009 :542-545)及高永 龙（钢水凝固收缩与板坯连铸机开口度参数设计，山东冶金，2012,34(1) :24-26)结合由物 理实验得到的钢液凝固过程各阶段的收缩系数，估算了浇铸过程中铸坯的热收缩量，并据 此制定了连铸机静态压下辊缝。然而此方法存在如下不足：将连铸过程分为几个凝固阶段， 只能粗略的计算整个浇铸过程中铸坯总收缩量。而有限元或有限差分的方法将整个连铸过 程进行空间离散及时间离散，能够更加准确的计算铸坯不同位置及不同浇铸时刻的热收缩 情况，因此，该方法计算的准确性不及有限元或有限差分等数值模拟法。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明提出一种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，通过 三维建模方法建立板坯浇铸过程中的凝固传热三维有限元模型和三维热收缩有限元模型， 模拟计算出板坯的三维温度场及三维热收缩规律，在此基础上，综合考虑板坯的凝固传热 及表面收缩的不均匀性，最终制定板坯浇铸过程中的基础辊缝。
[0008] -种宽厚板坯连铸机基础辊缝制定方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :采集板坯连铸机的浇铸工况参数，所述浇铸工况参数包括：浇铸钢种的断 面尺寸、浇铸钢种成分、浇铸温度、工作拉速、结晶器水流量及回水温差、二冷区划分参数及 各二冷区内的水量；
[0010] 步骤2 :建立板坯的凝固传热三维有限元模型，根据连铸机的浇铸工况参数计算 得到浇铸过程中的三维温度场；
[0011] 步骤2. 1 :取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其凝固传热三维有限元模 型；
[0012] 步骤2. 2 :根据连铸机的浇铸工况参数确定凝固传热三维有限元模型的不同铸流 位置处的边界条件，求解凝固传热三维有限元模型，得到浇铸过程中的三维温度场；
[0013] 步骤2. 3 :通过实测板坯的表面温度及坯壳厚度，对凝固传热三维有限元模型进 行修正，从而对板坯浇铸过程中的三维温度场进行修正；
[0014] 步骤3 :建立板坯的三维热收缩有限元模型，以浇铸过程中的三维温度场作为温 度载荷求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过程中的三维热收缩规律；
[0015] 步骤3. 1 :取板坯浇铸过程中一定高度的1/4铸坯，建立其三维热收缩有限元模 型；
[0016] 步骤3. 2 :将浇铸过程中的三维温度场作为温度载荷，通过刚体对称面完成对该 有限元模型宽度方向和厚度方向的位移约束，求解该三维热收缩有限元模型，得到浇铸过 程中的三维热收缩规律；
[0017] 步骤4 :根据获取的浇铸过程中的三维热收缩规律及板坯的初始厚度制定相应工 况条件下的连铸机基础辊缝；
[0018] 步骤4. 1 :根据浇铸过程中的三维温度场和实施轻压下时压下区间的起始固相率 确定铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置；
[0019] 步骤4. 2 :根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位 置的域加权值；
[0020] 步骤4. 3 :根据浇铸过程中的三维热收缩规律、板坯的初始厚度、以及当前铸流所 处浇铸过程中的不同位置的域加权值，制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝。
[0021] 所述的制定相应工况条件下的连铸机基础辊缝的计算公式如下：
[0023] 其中，Gap为基础辊缝值，InGap为铸坯初始厚度，Sb为已凝固区域起始节点，S 6为 已凝固区域结束节点，Mb为未凝固区域起始节点，M 6为未凝固区域结束节点，i为凝固传热 三维有限元模型中已凝固区域的节点，j为凝固传热三维有限元模型中未凝固区域的节点， S1S已凝固区域内的节点i的厚度方向收缩量，S ,为未凝固区域内的节点j的厚度方向收 缩量，=1/%为已凝固区域内节点i的热收缩加权值，&为凝固传热三维有限元模型中 已凝固区域的节点个数，< 为未凝固区域内的节点j的热收缩加权值，队为凝固传 热三维有限元模型中未凝固区域的节点个数，γ1为已凝固区域的域加权值，γ 2为未凝固 区域的域加权值。
[0024] 所述的凝固传热三维有限元模型的不同铸流位置处的边界条件分别为：以铸坯在 结晶器中的热流密度作为结晶器的边界条件，以实测水流密度确定的等效换热系数作为二 冷区边界条件，以空冷区内的辐射散热作为空冷区的边界条件。
[0025] 所述的根据铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置确定当前铸流位置 的域加权值具体方法为：
[0026] (1)当前铸流位置小于铸坯压下起始铸流位置时，已凝固区域的域加权值取值为 0彡γ 1彡0. 5,未凝固区域的域加权值取值为0. 5彡γ 2彡I. 0 ;
[0027] (2)当前铸流位置介于铸坯压下起始铸流位置和铸坯凝固终点铸流位置之 间时，已凝固区域的域加权值取值为0.3 < γ1^ 0.8,未凝固区域的域加权值取值为 0