一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法，属于钢铁连铸技术领域；使用装备有直角结晶器的模拟装置来模拟实际连铸过程中的结晶器内角部附近初始凝固坯壳的形成过程，同时利用埋藏在结晶器内的高速率测温热电偶获取拉坯过程中的温度数据；结晶器的两个铜板面构成一个直角，在铜板面和直角位置都埋藏有热电偶；通过对温度数据的处理、分析以及结合实验获取的初始凝固坯壳，来研究结晶器角部附近内钢液的初始凝固行为，准确了解铸坯角部表面缺陷的产生机理，从而采取相应的措施来消除或减少角部铸坯表面缺陷，这对指导实际生产具有重要意义。
【专利说明】
一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法，属于钢铁连 铸技术领域。
【背景技术】
[0002] 连铸还的质量缺陷包括内部质量缺陷和表面质量缺陷，一方面，铸还缺陷会影响 连铸机生产效率、成材率、最终产品性能，从而降低生产经济效益;另一方面，随着连铸连乳 和薄带板坯连铸技术的发展，对连铸坯质量要求也越来越高。因此，生产无缺陷铸坯或者不 影响终端产品性能可容忍的铸坯是一项冶金工作者的重要任务。据统计，铸坯裂纹约占各 类缺陷总和的50%。铸坯的表面质量缺陷包括表面裂纹、深振痕、皮下针孔和宏观夹杂，但 主要是表面裂纹，表面横裂纹是最常见、危害最大的铸坯表面缺陷之一。表面横裂纹通常产 生于板坯角部附近，多于宽面中心。实际生产中采取了许多的措施来减少角部横裂纹的发 生，但是不能根除。从国内外其他钢铁企业的生产情况来看，目前情况较好的企业连铸坯角 部横裂纹发生率控制在4%~5%，同时直角连铸板坯角部横裂纹发生率往往呈现不稳定、 易反复的特点。研究表明，铸坯表面质量缺陷来源于弯月面区域的坯壳初始凝固过程，并且 在二冷区扩展。因此通过研究结晶器角部附近内钢液的初始凝固行为，才能准确了解铸坯 角部表面缺陷的产生机理，从而采取相应的措施来消除或减少角部铸坯表面缺陷。
[0003] 许多人对钢液在结晶器内的初始凝固行为做了很多研究，主要分为四大类:工业 现场实验研究、小型中试连铸机实验研究、数学模拟研究和实验室热模拟研究。工业现场实 验和小型中试连铸机实验是研究钢液初始凝固行为最理想的方法，但是有以下几个不足之 处:实验危险性高，难以准确控制我们所需的实验条件以及获取实时数据;原料消耗量多、 能耗高以及影响正常的生产流程，导致实验成本高。有人通过建立数学模型得到解析表达 式对初始坯壳的凝固长大、振痕的形成和保护渣的渗入等进行了预测。除此之外，通过数值 方法求解数学模型来模拟初始凝固行为以及初始凝固过程中可能产生的表面缺陷。数学模 型是建立在一定假设的基础上，而且需要全面准确的边界条件和物性参数，但这些数据的 获取比较有限，这些因素会影响模拟结果的准确性，模拟结果难以全面、准确的反应钢液在 结晶器内的包含了复杂、高温、多相和瞬态的"三传一反"现象的初始凝固行为。实验室热模 拟主要包括低熔点金属连铸模拟和钢高温连铸模拟，低熔点金属连铸模拟可以很方便和有 效的研究连铸条件对金属初始凝固行为的影响，但是并不能真实反映钢液的初始凝固过 程，并且不能研究保护渣对钢液初始凝固行为的影响。Badri等人和Sohn等人采用结晶器热 模拟装置来模拟高温钢液在结晶器内的初始凝固，相比数学模拟以及低熔点金属连铸模拟 更具有真实性，但是该装置结晶器的结晶器只有一个冷却面，不能研究结晶器角部附近内 钢液的初始凝固行为。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装 置及方法;使用装备有直角结晶器的模拟装置来模拟实际连铸过程中的结晶器角部附近初 始凝固坯壳的形成过程，同时利用埋藏在结晶器内的高速率测温热电偶获取实时温度数 据;通过对温度数据的处理、分析以及结合实验获取的初始凝固坯壳，来研究结晶器角部附 近内钢液的初始凝固行为，准确了解铸坯角部表面缺陷的产生机理，从而采取相应的措施 来消除或减少角部铸坯表面缺陷，这对指导实际生产具有重要意义。
[0005] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，
[0006] 包括结晶器振动电机（1)、拉还电机(2)、第一升降电机(3)、第二升降电机(4)、拉 坯器(5)、结晶器(6)、冷却水道、惰性保护气罩(12)、定位电极(15)、熔炼炉（16)、基座（17)、 温度采集系统（18)、熔炉控制系统（19)、电机控制系统(20)、第一升降托架(21)、第二升降 托架(22);
[0007] 所述基座（17)上装有第一升降电机(3)、第二升降电机(4)，第一升降电机(3)控制 着第一升降托架(21)上下移动，第二升降电机(4)控制着第二升降托架(22)上下移动；
[0008] 所述熔炼炉（16)设置在所述基座（17)上并处于第一升降电机(3)、第二升降电机 (4)之间;所述结晶器振动电机（1)和拉坯电机(2)均设置在所述第一升降托架(21)上;所述 温度采集系统（18)与埋藏在结晶器(6)中的热电偶连接；
[0009] 所述结晶器（6)被所述拉坯器（5)包裹着，只露出第一铜板面（23)、第二铜板面 (24)与钢液接触;所述结晶器(6)通过所述结晶器振动电机（1)的驱动作上下振动;所述第 二升降托架(22)与定位电极（15)相连;所述拉坯电机(2)控制所述拉坯器(5)向下拉动;与 所述第一铜板面(23)相对的外壁为结晶器第一外壁(27)，与所述第一铜板面(23)直接相连 的结晶器侧壁为结晶器第一侧壁(25)，在第一铜板面(23)、结晶器第一侧壁(25)和结晶器 第一外壁(27)所形成的空间内布置有第一组热电偶(29)、第二组热电偶(30)以及1号冷却 水道（10);所述结晶器中与第二铜板面(24)相对的外壁为结晶器第二外壁(28)，与所述第 二铜板面(24)直接相连的结晶器侧壁为结晶器第二侧壁(26);在第二铜板面(24)、结晶器 第二侧壁(26)和结晶器第二外壁(28)所形成的空间内布置有2号冷却水道（11)、第三组热 电偶(31)、第四组热电偶(32);
[0010] 在结晶器(6)内，位于1号冷却水道(10)与2号冷却水道(11)之间还设有3号冷却水 道(9)。
[0011] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第二升降电机(4)控制 着第二升降托架(22)上下移动;进而控制着定位电极(15)的运行。
[0012] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第一铜板面(23)的宽度 为20_50mm，优选为25_35mm，进一步优选为30mm;
[0013] 第二铜板面(24)的宽度为20-50mm，优选为25-35mm，进一步优选为30mm;
[0014] 结晶器第一侧壁(25)的厚度为10-30mm，优选为15-25mm，进一步优选为20mm;
[0015] 结晶器第二侧壁(26)的厚度为10-30mm，优选为15-25mm，进一步优选为20mm;
[0016] 结晶器第一外壁(27)的宽度为30-80mm，优选为40-60mm，进一步优选为50mm;
[0017] 结晶器第二外壁(28)的宽度为30-80mm，优选为40-60mm，进一步优选为50mm。
[0018] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第一铜板面(23)与第二 铜板面(24)所构成的夹角为90°。
[0019] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第一组热电偶(29)与第 二组热电偶（30)处于同一个平面，并且所述平面垂直于第一铜板面（23)且平行于拉坯方 向；
[0020] 第一组热电偶(29)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上；
[0021] 第二组热电偶（30)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方 向；
[0022] 第三组热电偶(31)与第四组热电偶(32)处于同一个平面，并且所述平面与第一铜 板面(23)成45度角，与第二铜板面(24)也成45度角；
[0023]第三组热电偶(31)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上；
[0024] 第四组热电偶（32)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方 向。
[0025] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第一组热电偶(29)到第 一铜板面(23)的垂直距离均为l-5mm，优选为l-3mm，进一步优选为2mm;第一组热电偶(29) 到结晶器第一侧壁(25)的垂直距离均为10-20mm，优选为12-18mm，进一步优选为15mm;
[0026] 第二组热电偶（30)到第一铜板面(23)的垂直距离均为5-12mm，优选为6-10mm，进 一步优选为7mm;第二组热电偶(30)到结晶器第一侧壁(25)的垂直距离均为10-20mm，优选 为12-18mm，进一步优选为15mm;
[0027] 第一组热电偶（29)到第二组热电偶（30)的垂直间距为l-8mm，优选为3-6mm，进一 步优选为5mm;
[0028] 第三组热电偶（31)到平面B的垂直距离均为l-5mm，优选为l-3mm，进一步优选为 2mm;定义：以第一铜板面(23)与第二铜板面(24)相交线为A边，以结晶器第一外壁(27)、结 晶器第二外壁的相交线为B边，一个平面同时过A、B两个边，则定义该平面为平面A，与平面A 垂直且过A边的平面为平面B;所述A边即为结晶器角部(33)。
[0029] 第四组热电偶(32)到平面B的垂直距离均为5-12mm，优选为6-10mm，进一步优选为 7mm；
[0030] 第三组热电偶（31)到第四组热电偶（32)的垂直距离为I -8mm，优选为3-6mm，进一 步优选为5mm。
[0031] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，1号冷却水道（10)的直 径为5-13mm，优选为7-11mm，进一步优选为8mm;所述冷却水道（10)的中轴线与第一铜板面 (23)的垂直距离为9-18mm，优选为IO-Hmm，进一步优选为12mm;所述冷却水道（10)与结晶 器第一侧壁(25)的垂直距离为6-15mm，优选为8-12mm，进一步优选为IOmm;
[0032] 2号冷却水道（11)的直径为5_13mm，优选为7-llmm，进一步优选为8mm;所述冷却水 道（11)的中轴线与第二铜板面(24)的垂直距离为9-18mm，优选为10-14mm，进一步优选为 12mm;所述冷却水道（11)与结晶器第二侧壁(26)的垂直距离为6-15mm，优选为8-12mm，进一 步优选为IOmm;
[0033] 3号冷却水道(9)的直径为5_13mm，优选为7-11mm，进一步优选为8mm;所述冷却水 道(9)的中轴线处于第三组热电偶(31)和第四组热电偶(32)所构成的平面，冷却水道(9)的 中轴线到平面B的垂直大于第三、第四组热电偶到平面B的垂直距离，且冷却水道(9)到平面 B的垂直距离为9-18mm、优选为10-14mm，进一步优选为12mm。即冷却水道(9)到结晶器角部 (33)的垂直距离为9-18mm、优选为10-14mm，进一步优选为12mm。
[0034] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，1号冷却水道(10)和3号 冷却水道(9)均为出水道;3号冷却水道(9)为进水道，且依次与水流量计(7 )、冷却水阀门 (8)连接。
[0035] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，第一组热电偶(29)共有 m个热电偶，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶计为1上，将第一 组热电偶(29)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为1下;热电偶1上到结晶器(6)顶部 的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1，优选为0.7-0.8:1，进一步优选为0.75:1; 热电偶1下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4-8,优选为1:6-8,进一 步优选为1:7;所述m大于等于4;
[0036] 第二组热电偶(30)共有η个热电偶，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)顶部的距 离最短的热电偶计为2上，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计 为2下;热电偶2上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1，优选为 0.7-0.8:1，进一步优选为0.75:1;热电偶2下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高 之比为1:4-8,优选为1:6-8,进一步优选为1:7;所述η大于等于4;
[0037]第三组热电偶(31)共有ρ个热电偶，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)顶部的距 离最短的热电偶计为3上，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计 为3下;热电偶3上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1，优选为 0.7-0.8:1，进一步优选为0.75:1;热电偶3下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高 之比为1:4-8,优选为1:6-8,进一步优选为1:7;所述ρ大于等于4;
[0038] 第四组热电偶(32)共有q个热电偶，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)顶部的距 离最短的热电偶计为4上，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计 为4下;热电偶4上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1，优选为 0.7-0.8:1，进一步优选为0.75:1;热电偶4下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高 之比为1:4-8,优选为1:6-8,进一步优选为1:7;所述q大于等于4。
[0039] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，所述连铸结晶器(6)的 材质为铜材，优选为紫铜。
[0040] 本发明还提供了一种利用上述装置模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方 法，该方法为：
[0041 ]步骤一
[0042] 准备好实验钢种以及对应的实验保护渣;将实验钢种加入熔炼炉（16)中升温至熔 化，并且保持钢液温度在实验钢种液相温度以上20-50°C;升温过程使用惰性保护气罩（12) 防止钢液被氧化;接着加入保护渣，保护渣熔化后所形成的液态保护渣层（13)的厚度为5-10mm；
[0043] 步骤二
[0044] 开启升降电机(4)，控制定位电极（15)的运动，当定位电极（15)接触高温导电液面 时，低电压回路接通，定位电极（15)停止运动;计算机记录此时定位电极（15)的位置，计算 机根据定位电极（15)的位置信息给升降电机(3)发送运行指令，使拉坯器(5)和结晶器(6) 一起向下运动，并且进入熔池（14)中，此时热电偶1上和定位电极（15)的底端处于同一高度 上;结晶器(6)在进入熔池（14)的同时，通过结晶器振动电机（1)控制其振幅和振频;结晶器 (6)在进入熔池（14)的同时，开启冷却水阀门（8);
[0045] 步骤三
[0046] 结晶器(6)在熔池（14)中停留3_8s后，启动拉坯电机(2)驱动拉坯器(5)向下拉动， 结晶器(6)上的凝固钢坯随着拉坯器(5)向下运行，不断有新的钢液接触结晶器的第一铜板 面(23)与第二铜板面(24)，以模拟工厂拉坯过程，拉出设定长度的初始凝固坯壳；同时温度 采集系统（18)以频率f采集拉坯过程中结晶器(6)内温度的变化，并且将温度数据存储于电 脑中；
[0047] 步骤四
[0048] 拉坯过程结束后，升降托架(21)往上运动，使初始凝固坯壳脱离熔池，并且在空气 中冷却，最后将坯壳被切割下来；
[0049] 步骤五
[0050] 根据拉坯过程中，第一组热电偶（29)、第二组热电偶(30)的测量值，计算出拉坯过 程中第一铜板面(23)的热流密度；
[0051] 根据拉坯过程中，第三组热电偶(31)、第三组热电偶(32)的测量值，计算出拉坯过 程中结晶器角部(33)的热流密度；
[0052] 步骤六
[0053]测量靠近第一组热电偶（29)的坯壳面部位置和靠近第三组热电偶（32)的角部位 置的厚度并采用凝固平方根定律对坯壳面部位置和角部位置的厚度与时间的关系进行拟 合，得到坯壳凝固厚度与时间的关系，并且得到坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数；
[0054] 步骤七
[0055] 测量靠近第一组热电偶(29)的坯壳面部位置表面的振痕间距以及振痕深度；
[0056]测量靠近第三组热电偶(32)的坯壳角部位置表面的振痕间距以及振痕深度；
[0057] 步骤八
[0058] 改变连铸参数，重复进行实验，研究连铸工艺参数对结晶器角部附近钢液初始凝 固行为的影响。当步骤八调整后的参数使得结晶器的温度波动小于:TC、热流密度波动小于 0.2Mff/m2;结晶器同一水平高度不同位置处的温度差值小于5°C，热流密度差值小于0.3MW/ m2;坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数的差值小于0.2mm/s1/2;各个振痕间距的差值 小于1mm、振痕深度小于0.4mm，所对应的连铸参数即为优化参数。所获取的坯壳表面质量越 好。
[0059] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，步骤六中，还可以得出 坯壳不同部位的平均凝固系数与第一铜板面(23)的热流密度的定性关系;得出坯壳不同部 位的平均凝固系数与结晶器角部（33)热流密度的定性关系；以便为调整相关参数提供方 向。
[0060] 本发明一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，结晶器进入熔池（14)的 深度为70_90mm，优选为80mm;
[0061] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，结晶器在熔池中停留 的时间为5 s;拉还器(5)向下拉动后形成新的初始凝固还壳的厚度为0 - 6 mm;新的初始凝固 还壳的长度为40_60mm，优选为50mm;
[0062] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，拉坯的速度为8- 12mm/s，优选为 I Omm/s;
[0063] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，所述结晶器(6)的振 幅为2_7mm，优选为4.5mm;振频为80-150cpm，优选为lOOcpm。
[0064] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，所述f的取值为30-80Hz。
[0065] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，冷却水温为20-30Γ， 优选为25°C ;冷却水流量为3-6L/min，优选为4L/min。
[0066] 作为优选，步骤五中
[0067] 对拉坯过程中结晶器铜板面（23)内温度与结晶器角部（33)内温度的大小的不同 和变化趋势的不同进行对比分析；基于测量的结晶器内的温度，利用二维传热数学模型 2DIHCP for mold heat flux软件(登记号2016SR067373)计算出结晶器铜板面(23)和结晶 器角部(33)的热面热流密度的大小，并且对两者的小的不同和变化趋势的不同进行对比分 析。
[0068] 本发明一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，凝固平方根定律的表 达式为Δ' = /wV，E为还壳厚度，mm;k为平均凝固系数，mm/s1/2; t为凝固时间，s。
[0069]本发明的优点：
[0070] 1)本发明结晶器的两个铜板面23、24构成一个直角，相当于实际生产中管式方坯 或组合式板坯结晶器的一个直角，相比倒角结晶器模拟装置更具普遍性和实用性；
[0071] 2)本发明结晶器的两个铜板面23、24构成一个直角，能够用于研究结晶器角部33 附近内钢液的初始凝固行为，包括传热、传质、动量传递、钢渣反应和保护渣行为等；
[0072] 3)以钢和保护渣为原料进行模拟实验，实验条件更加接近实际生产过程，实验结 果对实际生产具有指导意义；
[0073] 4)实验过程操作简单方便，便于调节各种连铸参数，以了解连铸参数对结晶器角 部附近内钢液初始凝固行为的影响，同时实验危险性低，实验成本低。
【附图说明】
[0074] 图1为连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置；
[0075] 图2为连铸直角结晶器结构的示意图；
[0076]图3为连铸直角结晶器的左视图；
[0077]图4为连铸直角结晶器的俯视图；
[0078] 图5为实施例1中拉坯过程结晶器面部热电偶测量的温度；
[0079] 图6为实施例1中拉坯过程结晶器角部热电偶测量的温度；
[0080] 图7为实施例1中结晶器第一铜板面热电偶区域的热流密度图；
[0081] 图8为实施例1中结晶器角部热电偶区域的热流密度图；
[0082] 图9为实施例1中拉坯实验获得的实际坯壳。
[0083]图1、2、3、4,1为结晶器振动电机、2为拉还电机、3为第一升降电机、4为第二升降电 机、5为拉还器、6为结晶器、7为水流流量计、8为冷却水阀门、9为3号冷却水道、10为1号冷却 水道、11为2号冷却水道、12为惰性保护气罩、13为液态保护渣层、14为熔池、15为定位电极、 16为熔炼炉、17为基座、18为温度采集系统、19为熔炉控制系统、20为电机控制系统、21为第 一升降托架、22为第二升降托架、23为第一铜板面、24为第二铜板面、25为结晶器第一侧壁、 26为结晶器第二侧壁、27为结晶器第一外壁、28为结晶器第二外壁、29为第一组热电偶、30 为第二组热电偶、31为第三组热电偶、32为第四组热电偶、33为结晶器角部。
[0084] 1上为第一组热电偶29中到结晶器6顶部的距离最短的热电偶，
[0085] 1下为第一组热电偶(29)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶，
[0086] 2上为第二组热电偶(30)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶，
[0087] 2下为第二组热电偶(30)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶，
[0088] 3上为第三组热电偶(31)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶，
[0089] 3下为第三组热电偶(31)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶，
[0090] 4上为第四组热电偶(32)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶，
[0091] 4下为第四组热电偶(32)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶；
[0092] 通过图1、2、3、4能看出本发明所设计模拟装置各部件的连接关系以及连铸直角结 晶器的结构。
[0093] 图5中，1号曲线表示1号热电偶测量的温度、2号曲线表示2号热电偶测量的温度，3 号曲线表示3号热电偶测量的温度，4号曲线表示4号热电偶测量的温度，5号曲线表示5号热 电偶测量的温度，6号曲线表示6号热电偶测量的温度，7号曲线表示7号热电偶测量的温度， 8号曲线表示8号热电偶测量的温度;从图5中可以看出拉坯过程中结晶器第一铜板面(23) 内的温度变化，基于热电偶测量的温度，利用二维反算数学模型可以计算出结晶器第一铜 板面(23)热流密度。
[0094] 图6中，8号曲线表示8号热电偶测量的温度、10号曲线表示10号热电偶测量的温 度，11号曲线表示11号热电偶测量的温度，12号曲线表示12号热电偶测量的温度，13号曲线 表不13号热电偶测量的温度，14号曲线表不14号热电偶测量的温度，15号曲线表不15号热 电偶测量的温度，16号曲线表示16号热电偶测量的温度;从图6中可以看出拉坯过程中结晶 器角部(33)内的温度变化，基于热电偶测量的温度，利用二维反算数学模型可以计算出结 晶器角部(33)的热流密度。
[0095] 从图7可以看出拉坯过程中结晶器第一铜板面(23)热电偶区域的热流密度随时间 的变化规律图，纵坐标为结晶器热面位置，Omm对应1下热电偶，30_对应1上热电偶。
[0096] 从图8可以看出拉坯过程中结晶器角部(33)热电偶区域的热流密度随时间的变化 规律图，Omm对应3下热电偶，30mm对应3上热电偶。
[0097] 通过图9能看出坯壳在角部位置处和面部位置处的表面振痕的分布、振痕深度以 及表面卷渣现象。
【具体实施方式】 [0098] 实施例1
[0099]实施例中，所用热电偶的为Omega公司生产的，型号为K型铠装热电偶，其直径为 0.5mm〇
[0100] 本实施例中，按照图1连接各部件组成连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装 置，按照图2、图3、图4设计结晶器。
[0101] 其中第一铜板面(23)的宽度为30mm;
[0102] 第二铜板面(24)的宽度为30mm;
[0103] 结晶器第一侧壁(25)的厚度为20mm;
[0104] 结晶器第二侧壁(26)的厚度为20mm;
[0105] 结晶器第一外壁(27)的宽度为50mm;
[0106] 结晶器第二外壁(28)的宽度为50mm。
[0107] 第一组热电偶（29)与第二组热电偶(30)处于同一个平面，并且所述平面垂直于第 一铜板面(23)且平行于拉坯方向；
[0108] 第一组热电偶(29)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上；
[0109] 第二组热电偶（30)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方 向；
[0110] 第三组热电偶(31)与第四组热电偶(32)处于同一个平面，并且所述平面与第一铜 板面(23)成45度角，与第二铜板面(24)也成45度角；
[0111] 第三组热电偶(31)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上；
[0112] 第四组热电偶（32)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方 向。
[0113] 第一组热电偶（29)到第一铜板面(23)的垂直距离均为2mm;第一组热电偶（29)到 结晶器第一侧壁(25)的垂直距离均为15mm;
[0114] 第二组热电偶(30)到第一铜板面(23)的垂直距离均为7mm;第二组热电偶（30)到 结晶器第一侧壁(25)的垂直距离均为15mm;
[0115] 第一组热电偶(29)到第二组热电偶(30)的垂直间距为5mm;
[0116] 第三组热电偶(31)到结晶器角部(33)的垂直距离均为2mm;
[0117] 第四组热电偶(32)到结晶器角部(33)的垂直距离均为7mm;
[0118] 第三组热电偶(31)到第四组热电偶(32)的垂直距离为5mm。
[0119] 1号冷却水道(10)的直径为8mm;所述冷却水道(10)的中轴线与第一铜板面(23)的 垂直距离为12mm;所述冷却水道(10)与结晶器第一侧壁(25)的垂直距离为IOmm;
[0120] 2号冷却水道(11)的直径为8mm;所述冷却水道(11)的中轴线与第二铜板面(24)的 垂直距离为12mm;所述冷却水道(11)与结晶器第二侧壁(26)的垂直距离为IOmm;
[0121] 3号冷却水道(9)的直径为8_;所述冷却水道(9)的中轴线处于第三组热电偶(31) 和第四组热电偶(32)所构成的平面，与结晶器角部(33)的垂直距离为12_。
[0122] 1号冷却水道(10)和3号冷却水道(9)均为出水道;3号冷却水道(9)为进水道，且依 次与水流量计(7)、冷却水阀门（8)连接。
[0123 ]第一组热电偶(29)共有4个热电偶，相邻热电偶间的距离均为I Omm，热电偶从上到 下依次用1号、3号、5号、7号表示。将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热 电偶计为1上，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为1下;热电偶 1上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.75:1;热电偶1下到结晶器(6)底 部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:7;
[0124]第二组热电偶(30)共有4个热电偶，相邻热电偶间的距离均为10mm，热电偶从上到 下依次用2号、4号、6号、8号表示。将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)底部的距离最短的热 电偶计为2下;热电偶2上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.75:1;热电 偶2下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:7;
[0125] 第一组热电偶(29)和第二组热电偶(30)位于结晶器面部位置(23);
[0126] 第三组热电偶(31)共有4个热电偶，相邻热电偶间的距离均为I Omm，热电偶从上到 下依次用9号、11号、13号、15号表示。将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)底部的距离最短 的热电偶计为3下;热电偶3上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比0.75:1;热 电偶3下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:7;
[0127] 第四组热电偶(3 2)共有4个热电偶，相邻热电偶间的距离均为I Omm，热电偶从上到 下依次用10号、12号、14号、16号表示。将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)底部的距离最短 的热电偶计为4下;热电偶4上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.75:1; 热电偶4下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:7。
[0128] 第三组热电偶(31)和第四组热电偶(32)位于结晶器角部位置(33);
[0129] 具体操作如下：
[0130] 1)准备好实验钢种25kg，实验钢种成分如表1所示;将实验钢种加入熔炼炉（16)中 升温至熔化，使钢液温度达到1545Γ并且保持5min使得钢液成分均匀；升温过程使用惰性 保护气罩(12)防止钢液被氧化；
[0131]表1.实验钢种化学成分（％ )
L〇133」2)加入300g保护渣，保护渣成分如表2所示;保护渣熔化后所形成的液态保护渣层 (13)的厚度约为7mm;
[0134]表2.保护渣化学成分（％ )
[0136] 3)开启升降电机(4)，控制定位电极(15)的运动，当定位电极（15)接触高温导电液 面时，低电压回路接通，定位电极（15)停止运动;计算机记录此时定位电极（15)的位置，计 算机根据定位电极(15)的位置信息给升降电机(3)发送运行指令；
[0137] 4)升降电机(3)控制的升降托架(21)使拉坯器(5)和结晶器(6)-起向下运动，并 且结晶器(6)进入熔池（14)中深度的深度为80mm，此时热电偶1上和定位电极（15)的底端处 于同一高度上；结晶器(6)在进入熔池（14)的同时，通过结晶器振动电机（1)控制其振幅为 4.5mm和振频为100cpm;结晶器(6)在进入熔池（14)的同时，开启冷却水阀门（8 )，冷却水温 为25°C，冷却水流量为4L/min。
[0138] 5)结晶器(6)在熔池（14)中停留5s后，启动拉坯电机(2)驱动拉坯器(5)向下拉动， 结晶器上的凝固钢坯随着拉坯器(5)向下运行，不断有新的钢液接触结晶器的第一铜板面 (23)和第二铜板面(24)，以模拟工厂拉坯过程，拉速为lOmm/s，拉出50mm长的初始凝固坯 壳，初始凝固坯壳的厚度为〇-6mm;同时温度采集系统（18)以60Hz的频率采集拉坯过程中结 晶器(6)内温度的变化，并且将温度数据存储于电脑中；热电偶采集的温度如图5、图6所示；
[0139] 6)拉坯过程结束后，升降托架(21)往上运动，使初始凝固坯壳脱离熔池，并且在空 气中冷却，最后坯壳被切割下来;实验得到的坯壳如图7所示；
[0140] 7)根据拉坯过程中，第一组热电偶(29)、第二组热电偶(30)的测量值，计算出拉坯 过程中第一铜板面(23)的热流密度，如图7所示;根据拉坯过程中，第三组热电偶(31)、第三 组热电偶(32)的测量值，计算出拉坯过程中结晶器角部(33)的热流密度，如图8所示；
[0141] 8)测量靠近第一组热电偶（29)的坯壳面部位置和靠近第三组热电偶（32)的角部 位置的厚度并采用凝固平方根定律对坯壳面部位置和角部位置的厚度与时间的关系进行 拟合，得到坯壳凝固厚度与时间的关系，并且得到坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系 数；
[0142] 9)测量靠近第一组热电偶(29)的坯壳面部位置表面的振痕间距以及振痕深度;测 量靠近第三组热电偶(32)的坯壳角部位置表面的振痕间距以及振痕深度；
[0143] 10)改变连铸参数，重复进行实验，研究连铸工艺参数对结晶器角部附近钢液初始 凝固行为的影响。进而得出优化实施条件。
【主权项】
1. 一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，包括结晶器振动电机（1)、拉坯电 机(2)、第一升降电机(3)、第二升降电机(4)、拉坯器(5)、结晶器(6)、冷却水道、惰性保护气 罩（12)、定位电极（15)、熔炼炉（16)、基座（17)、温度采集系统（18)、熔炉控制系统（19)、电 机控制系统(20)、第一升降托架(21)、第二升降托架(22);其特征在于： 所述基座（17)上装有第一升降电机(3 )、第二升降电机(4 )，第一升降电机(3)控制着第 一升降托架(21)上下移动，第二升降电机(4)控制着第二升降托架(22)上下移动； 所述熔炼炉（16)设置在所述基座（17)上并处于第一升降电机(3)、第二升降电机(4)之 间；所述结晶器振动电机（1)和拉坯电机(2)均设置在所述第一升降托架(21)上;所述温度 采集系统（18)与埋藏在结晶器(6)中的热电偶连接； 所述结晶器(6)被所述拉坯器(5)包裹着，只露出第一铜板面(23)、第二铜板面(24)与 钢液接触;所述结晶器(6)通过所述结晶器振动电机（1)的驱动作上下振动;所述第二升降 托架(22)与定位电极（15)相连;所述拉坯电机(2)控制所述拉坯器(5)向下拉动；与所述第 一铜板面(23)相对的外壁为结晶器第一外壁(27)，与所述第一铜板面(23)直接相连的结晶 器侧壁为结晶器第一侧壁(25)，在第一铜板面(23)、结晶器第一侧壁(25)和结晶器第一外 壁（27)所形成的空间内布置有第一组热电偶（29)、第二组热电偶（30)以及1号冷却水道 (10);所述结晶器中与第二铜板面(24)相对的外壁为结晶器第二外壁(28)，与所述第二铜 板面(24)直接相连的结晶器侧壁为结晶器第二侧壁(26);在第二铜板面(24)、结晶器第二 侧壁(26)和结晶器第二外壁(28)所形成的空间内布置有2号冷却水道（11)、第三组热电偶 (31)、第四组热电偶(32); 第一铜板面(23)与第二铜板面(24)所构成的夹角为90° ; 在结晶器(6)内，位于1号冷却水道（10)与2号冷却水道（11)之间还设有3号冷却水道 (9)〇2. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，其特征在 于： 第一铜板面(23)的宽度为20-50mm; 第二铜板面(24)的宽度为20-50mm; 结晶器第一侧壁(25)的厚度为10-30mm; 结晶器第二侧壁(26)的厚度为10-30mm; 结晶器第一外壁(27)的宽度为30-80mm; 结晶器第二外壁(28)的宽度为30-80mm。3. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，其特征在 于： 第一组热电偶（29)与第二组热电偶(30)处于同一个平面，并且所述平面垂直于第一铜 板面(23)且平行于拉坯方向； 第一组热电偶(29)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上； 第二组热电偶(30)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方向； 第三组热电偶（31)与第四组热电偶(32)处于同一个平面，并且所述平面与第一铜板面 (23)成45度角，与第二铜板面(24)也成45度角； 第三组热电偶(31)中的所有热电偶可以处于不同一竖直线上； 第四组热电偶(32)中的所有热电偶处于同一竖直线上，所述竖直线沿着拉坯方向。4. 根据权利要求1或3所述的一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，其特征 在于： 第一组热电偶（29)到第一铜板面（23)的垂直距离均为l-5mm，到结晶器第一侧壁（25) 的垂直距离均为10-20mm; 第二组热电偶(30)到第一铜板面(23)的垂直距离均为5-12mm，到结晶器第一侧壁(25) 的垂直距离均为10-20mm; 第一组热电偶(29)到第二组热电偶(30)的垂直间距为l-8mm; 第三组热电偶（31)到平面B的垂直距离均为l-5mm;定义：以第一铜板面（23)与第二铜 板面(24)相交线为A边，以结晶器第一外壁(27)、结晶器第二外壁的相交线为B边，一个平面 同时经过A、B两个边，则定义该平面为平面A，与平面A垂直且过A边的平面为平面B;所述A边 即为结晶器角部(33); 第四组热电偶(32)到平面B的垂直距离均为5-12_; 第三组热电偶(31)到第四组热电偶(32)的垂直距离为l-8mm。5. 根据权利要求1所述的一种连铸倒角结晶器铸坯模拟装置，其特征在于： 1号冷却水道（10)的直径为5-13mm，所述冷却水道（10)的中轴线与第一铜板面(23)的 垂直距离为9-18mm，与结晶器第一侧壁(25)的垂直距离为6-15mm; 2号冷却水道（11)的直径为5-13mm，所述冷却水道（11)的中轴线与第二铜板面(24)的 垂直距离为9-18mm，与结晶器第二侧壁(26)的垂直距离为6-15mm; 3号冷却水道(9)的直径为5-13mm，所述冷却水道(9)的中轴线处于第三组热电偶（31) 和第四组热电偶(32)所构成的平面处，冷却水道(9)的中轴线到平面B的垂直大于第三、第 四组热电偶到平面B的垂直距离，其距离为9-18mm。6. 根据权利要求1或5所述的一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，其特征 在于：1号冷却水道（10)和3号冷却水道(9)均为出水道;3号冷却水道(9)为进水道，且依次 与水流量计(7)、冷却水阀门（8)连接。7. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置，其特征在 于： 第一组热电偶(29)共有m个热电偶，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)顶部的距离最 短的热电偶计为1上，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为1下； 热电偶1上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1;热电偶1下到结 晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4-8;所述m大于等于4; 第二组热电偶(30)共有η个热电偶，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)顶部的距离最 短的热电偶计为2上，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为2下； 热电偶2上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1;热电偶2下到结 晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4-8;所述η大于等于4; 第三组热电偶(31)共有ρ个热电偶，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)顶部的距离最 短的热电偶计为3上，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为3下； 热电偶3上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1;热电偶3下到结 晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4-8;所述ρ大于等于4; 第四组热电偶(32)共有q个热电偶，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)顶部的距离最 短的热电偶计为4上，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为4下； 热电偶4上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6-0.9:1;热电偶4下到结 晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4-8;所述q大于等于4。8.-种利用权利要求1所述的装置模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，其 特征在于包括以下步骤： 步骤一 准备好实验钢种以及对应的实验保护渣;将实验钢种加入熔炼炉（16)中升温至熔化， 并且保持钢液温度在实验钢种液相温度以上20-50°C;升温过程使用惰性保护气罩（12)防 止钢液被氧化;接着加入保护渣，保护渣熔化后所形成的液态保护渣层（13)的厚度为5-10mm； 步骤二 开启升降电机(4)，控制定位电极（15)的运动，当定位电极（15)接触高温导电液面时， 低电压回路接通，定位电极(15)停止运动;计算机记录此时定位电极（15)的位置，计算机根 据定位电极（15)的位置信息给升降电机(3)发送运行指令，使拉坯器(5)和结晶器(6)-起 向下运动，并且进入熔池（14)中，此时热电偶1上和定位电极（15)的底端处于同一高度上;结 晶器(6)在进入熔池（14)的同时，通过结晶器振动电机（1)控制其振幅和振频;结晶器(6)在 进入熔池（14)的同时，开启冷却水阀门（8); 步骤三 结晶器(6)在熔池（14)中停留3-8s后，启动拉坯电机(2)驱动拉坯器(5)向下拉动，结晶 器(6)上的凝固钢坯随着拉坯器（5)向下运行，不断有新的钢液接触结晶器的第一铜板面 (23)与第二铜板面(24)，以模拟工厂拉坯过程，拉出设定长度的初始凝固坯壳；同时温度采 集系统（18)以频率f采集拉坯过程中结晶器(6)内温度的变化，并且将温度数据存储于电脑 中； 步骤四 拉坯过程结束后，升降托架(21)往上运动，使初始凝固坯壳脱离熔池，并且在空气中冷 却，最后将坯壳被切割下来； 步骤五 根据拉坯过程中，第一组热电偶(29)、第二组热电偶(30)的测量值，计算出拉坯过程中 第一铜板面(23)的热流密度； 根据拉坯过程中，第三组热电偶(31 )、第三组热电偶（32)的测量值，计算出拉坯过程中 结晶器角部(33)的热流密度； 步骤六 测量靠近第一组热电偶（29)的坯壳面部位置和靠近第三组热电偶（32)的角部位置的 厚度并采用凝固平方根定律对坯壳面部位置和角部位置的厚度与时间的关系进行拟合，得 到坯壳凝固厚度与时间的关系，并且得到坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数； 步骤七 测量靠近第一组热电偶(29)的坯壳面部位置表面的振痕间距以及振痕深度； 测量靠近第三组热电偶(32)的坯壳角部位置表面的振痕间距以及振痕深度； 步骤八 改变连铸参数，重复进行实验，研究连铸工艺参数对结晶器角部附近钢液初始凝固行 为的影响；当步骤八调整后的参数使得结晶器的温度波动小于:rc、热流密度波动小于 0.2MW/m2;结晶器同一水平高度不同位置处的温度差值小于5°C，热流密度差值小于0.3MW/ m2;坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数的差值小于0.2mm/s1/2;各个振痕间距的差值 小于1mm、振痕深度小于0.4mm，所对应的连铸参数即为优化参数。9. 根据权利要求8所述的一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，其特征 在于:所述结晶器(6)的振幅为2-7mm，振频为80-150cpm;所述f的取值为30-80HZ。10. 根据权利要求8所述的一种模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，其特征 在于:冷却水温为20-30°C，冷却水流量为3-6L/min。
【文档编号】B22D11/16GK106041008SQ201610531444
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】王万林, 吕培生, 张海辉, 肖丹, 路程, 龙旭凯, 高尔卓
【申请人】中南大学