一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，属于钢铁连铸技术领域；本发明首先进行小型连铸实验，利用热电偶采集连铸实验过程中的温度并保存在计算机中，用实测的温度反算出沿拉坯方向分布的结晶器热面的热流密度；切取实验后初始凝固铸坯并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用铸坯厚度反算出坯壳表面的沿拉坯方向分布的温度和热流密度；在此基础上，结合保护渣的物性参数，计算出结晶器壁与铸坯表面间液态渣膜的厚度分布；本发明利用连铸结晶器内凝固模拟装置结合数学模型准确计算出特定连铸条件下的结晶器壁与铸坯表面间液态渣膜的厚度分布，为准确把握结晶器内保护渣的润滑、传热和液态摩擦力的计算提供可靠数据。
【专利说明】
一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，属于钢铁连铸技术领域。
【背景技术】
[0002] 结晶器的润滑与传热是控制铸坯质量、提高生产效率最为关键的两大因素。通过 结晶器的振动，钢液上层的液态保护渣被栗入结晶器壁与铸坯表面之间的空隙，形成固态 渣膜与液态渣膜，渣膜起到控制传热的作用;液态渣膜还有润滑的作用，减少拉坯阻力，防 止坯壳结晶器壁的黏结。若液态渣膜太薄，会导致保护渣润滑性能变差，增加结晶器壁与铸 坯表面间的摩擦力，容易导致铸坯产生表面裂纹甚至漏钢现象的发生;若液态渣膜过厚，会 增加结晶器壁与铸坯表面间的热阻，阻碍钢水热量传递，使得生产效率降低，同时使得出结 晶器的铸坯过薄，容易导致漏钢;若液态渣膜分布不均匀，造成凝固铸坯与结晶器间的传热 介质不一致，由于其热特性的差异使得铸坯表面温度分布不均匀，在凝固铸坯上产生较大 的热应力，一旦超过高温坯壳的许用应力，会引起铸坯裂纹的产生。因此，液渣膜的厚度和 分布的均匀性对传热和润滑有极其重要的影响，进而影响到铸坯的表面质量和连铸生产效 率。
[0003] 结晶器内润滑状况通常用摩擦力来表示，结晶器壁与铸坯表面间的摩擦力是连续 铸钢中应被密切监测和控制的重要过程参数，尤其是弯月面附近液态渣与铸坯间的液态摩 擦力，对初始凝固铸坯表面质量影响更大。目前摩擦力的测试方法主要有：（1)测力传感器 直接测试法；（2)实验模型测试法；（3)数学模型计算法。其中数学模型法当中用的最多的是 牛顿流体模型：6 =以（^-￥。)/(11，其中，6为单位面积液体摩擦力，？&;以为液态渣粘度， Pa · s;vm为结晶器振动速度，m/s;V。拉还速度，m/s;di液渣膜厚度，m;该计算模型简单便捷， 但是要求精准的液渣膜厚度，而液渣膜厚度则非常难以准确确定，目前的研究仅能证明液 渣膜厚度数量级在ΠΓ 5~l(T4m范围。因此，一种准确预测连铸结晶器内液渣膜厚度的方法 对于连铸实际生产的铸坯质量控制和提高连铸生产效率具有重大的指导意义。由于高温恶 劣环境很难直接测量到液渣膜厚度;结晶器与坯壳之间其润滑作用的主要是液态保护渣渣 膜，一般认为液态渣膜厚度约为0 · 1mm; Jenkins(Jenkins M S.Heat transfer in the continuous casting mold.Ph.D thesis Clayton,Monash University，1999·)认为液渣 膜平均厚度为1/(3VCQ· 5)，其中为Vc连铸拉速。日本NKK工学研究所Tsutsumi等，Kawakami等 (Tsutsumi K,Murakami H,Nishioka S I,et al:Tetsu-t〇-Hagane 84,no.9(1998):617-624.Kawakami K,Kitagawa T,Mizukami H,et al:Tetsu-to-Hagane 67,no .8(1981): 1190-1199.)采用mold simulator测量了不同连铸浇注工艺保护渣的消耗量;但是没有测 量到沿着拉坯方向的液渣膜厚度。
【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内液渣膜厚度的测试方法，使 用结晶器内初始凝固模拟装置，以实测的温度和实测的铸坯厚度为基础，反算出结晶器热 面的热流密度、铸坯表面的温度和铸坯表面的热流密度;在此基础上，结合保护渣物性参 数，其中保护渣的结晶温度通过SHTT实验测得，计算出液态渣厚度，为准确把握结晶器内保 护渣的润滑、传热和液态摩擦力的计算提供可靠数据。
[0005] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，包括下述步骤：
[0006] 步骤一
[0007] 基于实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程;采集结晶器内的热电偶测量的 温度数据，并传给数据处理设备；
[0008] 步骤二
[0009] 数据处理设备将采集好的温度数据代入结晶器传热数学模型，实时计算通过结晶 器热面各点的热流密度qint;
[0010] 步骤三
[0011] 切取实验后初始凝固坯壳并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用坯壳厚度、钢水 浇铸温度和钢的传热学物理性能参数(密度、热容，导热系数和热焓)反算出坯壳表面沿拉 坯方向分布的温度Till和沿拉坯方向分布的热流密度q-11;
[0012] 步骤四
[0013]测量保护渣的结晶温度％。1;
[0014] 步骤五
[0015]计算出沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度d1;
[0016]本发明中所述温度采集器优选为热电偶。
[0017]本发明中数据处理设备优选为计算机，当然其他能处理数据的设备均可用于本发 明。
[0018] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤一中，所述连铸实验，采用 连铸结晶器内凝固模拟装置，设定好连铸参数，所述参数包括振动频率、振动幅度、浇注温 度，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验;所述振动频率为l-5Hz，优选为工业 应用时连续结晶器的实际振动频率;振动幅度为l_6mm、浇注温度为钢的液相线温度以上 10-50。。。
[0019] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤二中，所述结晶器内，沿着 高度方向（拉坯方向），在垂直结晶器热面的结晶器壁内纵剖面内，安装两组热电偶，第一组 热电偶设置在同一条竖直线上;在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热 电偶，第二组热电偶可以不在同一条竖直线上。
[0020] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，两组热电偶，第一组热电偶设 置在同一条竖直线上;在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第 二组热电偶可以不在同一条竖直线上。
[0021] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤二中，所述qint为沿拉坯方 向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的热流密度集合。
[0022] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤二中，所述传热数学模型 为二维传热数学模型。在工业化应用时优选为2DIHCP for mold heat flux软件（登记号 2016SR067373)处理采集到的数据。
[0023] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤三中，通过利用凝固反问 题Levenberg-Marquardt method算法来求解还壳表面沿拉还方向分布的温度Tsheii和沿拉 还方向分布的热流密度qsheii。所述凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法参见Kei Okamoto的《OPTIMAL NUMERICAL METHODS FOR INVERSE HEAT CONDUCTION AND INVERSE DESIGN SOLIDIFICATION PROBLEMS》第21-33页。
[0024] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤四中，通过SHTT实验，测得 液态保护渣的结晶温度TSQl。其中液态保护渣的降温速度由步骤三中实时计算得到的铸坯 表面的温度即坯壳表面温度T shell决定的，结晶器内的保护渣冷却速率近似等于铸坯表面的 冷却速率。
[0025] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤五中，所述cU为沿拉坯方 向，结晶器壁与铸坯间不同位置液态保护渣渣膜厚度的数据集合。
[0026] 本发明一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，步骤五中，计算沿拉坯方向分 布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度cU时，是结合保护渣的物性参数，所述物性参数包 括液态渣导热系数、辐射系数、保护渣结晶温度和结晶器热流密度q int、坯壳表面温度Tshell， 来计算的。其优化计算以及所用公式如下：
[0031] 上述式子中，办为液渣膜总热阻m2 · K/W;Ri。为液渣膜导热热阻，m2 · K/W;hir为液 渣膜辐射传热系数，W/m2 · K;ksi为液态渣导热系数，W/m · K;ai为液态渣的吸收系数nfShh 为铸坯的发射率；为结晶态保护渣的发射率;m为反射因子;σΒ为Stefan-Boltzmann常 数，W/(m 2 ·Κ4);
[0032] 其中1^、&1、￡^、￡町、111、(^为已知的参数(通过查阅手册即可得出）；联立以上几个 式子可以得到结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度du
[0033] 其他计算沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间的液渣膜厚度cU的方法也可用 于本发明。
[0034]本发明的优点：
[0035]采用连铸结晶器初始凝固模拟装置(ZL201110301430.3)，能够很方便的设置与实 际工业生产接近的连铸工艺参数，同时以工业保护渣和钢铁为原料，因此实验过程能够很 好还原实际连铸过程中结晶器内钢液的初始凝固行为；以实测的结晶器内温度和实测铸坯 厚度为基础，能更准确的反算出结晶器热面的热流密度、铸坯表面温度和铸坯表面热流密 度;结合保护渣物性参数，其中保护渣的结晶温度通过SHTT实验测得，计算出液态渣厚度， 为准确把握结晶器内保护渣的润滑、传热和液态摩擦力的计算提供可靠数据。
【附图说明】
[0036] 图1为热电偶安装位置、保护渣膜分布和坯壳生长剖面示意图；
[0037] 图2为一个振动周期内结晶器的速度及位移；
[0038] 图3为计算的沿拉坯方向分布的结晶器热面的热流密度；
[0039]图4为测量的铸坯厚度；
[0040]图5为计算的沿拉坯方向分布的铸坯表面的温度；
[0041 ]图6为计算的沿拉坯方向分布的铸坯表面的热流密度；
[0042] 图7为结晶器壁与铸坯表面间液渣厚度的分布；
[0043] 图1为热电偶安装位置、保护渣膜分布和坯壳生长剖面示意图；热电偶排列在弯月 面附近的结晶器臂内，矩形AB⑶为二维传热数学模型的计算区域，六8、8(：、00^0分别为边界 位置;在弯月面附近，钢液接触水冷结晶器臂凝固形成初始凝固坯壳，随着拉坯往下厚度不 断长大；同时在结晶器振动下，液态保护渣渗入结晶器壁与坯壳表面间的缝隙，在结晶器壁 的冷却作用下形成靠近结晶器壁的固态渣膜和靠近铸坯表面的液态渣膜，渣膜起到控制传 热的作用，使坯壳传热均匀，并且液渣膜起到润滑的作用，减少拉坯时的摩擦阻力；最后液 态渣膜厚度逐渐变薄至为零;Z方向为拉坯的方向，X渣膜厚度方向。
[0044] 从图2可以看出结晶器一个振动周期T = 0.5s内结晶器上下运动过程中每一时刻 对应的速度和位移。
[0045] 从图3可以看出计算得到的沿拉坯方向分布的结晶器热面AB每一点对应的热流密 度qint，其中Z = 0mm处对应铸还的尖端。
[0046] 从图4可以看出测量所得的铸坯厚度;其实施方案为实验结束后，沿拉坯方向截取 铸坯的纵截面，接着测得铸坯沿拉坯方向的厚度。
[0047] 从图5和图6可以看出利用凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法所求解 出的还壳表面沿拉还方向分布的温度Tshell沿拉还方向分布的热流密度qshell。
[0048]从图7可以看出沿拉坯方向的结晶器壁与铸坯表面间液渣厚度cU与位置Z的关系。
【具体实施方式】
[0049] 下面通过具体的实施例，结合附图对本发明作进一步详细的描述。
[0050] 本实施例中，为了计算结晶器振动过程中的保护渣渣耗，具体包括以下步骤：
[0051 ]步骤1、准备好实验用钢和实验用保护渣；
[0052]本发明实施例中，所用钢种为超低碳钢，成分如下表1所示；所用保护渣碱度为 0.96，成分如表2所不；
[0053] 表1超低碳钢成份(wt%).
[0055] 表2保护渣成份(wt% ).
[0057]步骤2、采用连铸结晶器内凝固模拟装置进行实验，设定好连铸参数，所述参数包 括振动频率、振动幅度、浇注温度和冷却条件，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连 铸实验；
[0058]本实施例中，连铸结晶器内凝固模拟装置采用专利号为ZL201110301430.3的连铸 结晶器内钢液凝固模拟装置，该装置在专利中公开了结构，属于公知常识;设定的具体的连 铸参数为：拉速l〇mm/S，振动频率2Hz(即振动周期T = 0.5s)，振动幅度3mm，浇注温度1555 °C，冷却水流量3.0L/min，水温24°C;按照所设定的参数，一个振动周期内结晶器的振动速 度Vm及振动位移EV如图2所示；
[0059] 步骤3、实验过程中利用埋藏在结晶器铜板内的热电偶以一定速率采集连铸过程 中的温度并存储于计算机中，基于实测的温度，反算得到结晶器热面的热流密度；
[0060] (1)结晶器铜板中心面安装两排深浅不同的热电偶，距离结晶器壁的距离分别为 3mm和8mm，热电偶共有八行，从上到下，行之间的距离分别为3mm、3mm、3mm、3mm、3mm、6mm、 10mm，如图1所示；
[0061] (2)快速热电偶的测温频率设为60Hz，通过数据采集卡及相配套的软件采集并存 储热电偶测得的温度；
[0062] (3)基于实测的温度，将温度数据代入结晶器二维传热数学模型2DIHCP for mold heat flux软件，得到结晶器热面(AB)的热流密度qint如图3所示，铸坯尖端所在位置Z = 〇mm，尖端以上Z值为负，尖端以下Z值为正；
[0063] 步骤4、切取实验后初始凝固铸坯并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用铸坯厚度 反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度和热流密度；
[0064] (1)连铸过程完成后，将凝固铸坯从结晶器上取下来，采用轮廓仪测定铸坯沿拉坯 向上的厚度分布，如图4所示；
[0065] (2)基于测量的铸坯厚度，采用一维凝固传热反问题模型（1DITPS)反算出坯壳表 面沿拉坯方向分布的温度和热流密度，铸坯表面温度Tshell如图5所示，铸坯表面热流密度 qsheii如图6所示；
[0066] 步骤5、结合保护渣的物性参数，所述物性参数包括液态渣导热系数、辐射系数、保 护渣结晶温度，在步骤2和步骤3的基础上，计算出沿拉坯方向分布的结晶器壁与铸坯之间 的液渣膜厚度di;
[0067] (1)保护渣冷却速率近似的等于铸坯表面温度的下降速率：
[0068] (1800K-1600K)/2. Os = 100K/s
[0069] (2)在100K/s的冷却速率下，使用单热电偶技术（SHTT)测量保护渣结晶温度Ts〇i， 为 1050°C;
[0070] (3)视结晶器、渣膜和铸坯间的传热为X方向上的一维传热，基于能量守恒，结合保 护渣物性参数、结晶器热流密度、铸坯表面温度，液态渣膜厚度的计算可联立以下方程：
[0075] 上述式子中，办为液渣膜总热阻m2 · K/W;Ri。为液渣膜导热热阻，m2 · K/W;hir为液 渣膜辐射传热系数，W/m2 · K;ksi为液态渣导热系数，W/m · K;ai为液态渣的吸收系数nfShh 为铸坯的发射率；为结晶态保护渣的发射率;m为反射因子;σΒ为Stefan-Boltzmann常 数，W/(m 2 ·Κ4);
[0076] 上述四个方程中，共有四个未知量和cU，联立以上四个方程可以得到液 渣膜厚度的分布，如图7所示。
【主权项】
1. 一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于包括下述步骤： 步骤一 基于实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程;采集结晶器内的热电偶测量的溫度 数据，并传给数据处理设备； 步骤二 数据处理设备将采集好的溫度数据代入结晶器传热数学模型，实时计算通过结晶器热 面各点的热流密度qint; 步骤Ξ 切取实验后初始凝固巧壳并测量出巧壳沿拉巧方向的厚度，利用巧壳厚度、钢水诱铸 溫度和钢的传热学物理性能参数反算出巧壳表面沿拉巧方向分布的溫度Tshell和沿拉巧方 向分布的热流密度qshell; 步骤四 测量保护渣的结晶溫度Tsoi; 步骤五 计算出沿拉巧方向分布的结晶器壁与铸巧之间的液渣膜厚度山。2. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 一中，所述连铸实验，采用连铸结晶器内凝固模拟装置，设定好连铸参数，所述参数包括振 动频率、振动幅度、诱注溫度，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验;所述振动 频率为1-甜Z、振动幅度为l-6mm、诱注溫度为钢的液相线溫度W上1〇-50 C。3. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 二中，所述结晶器内，沿拉巧方向安装两排热电偶;所述两排热电偶均平行于结晶器的热 面。4. 根据权利要求3-种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:沿着高度方 向，在垂直结晶器热面的结晶器壁内纵剖面内，安装两组热电偶，第一组热电偶设置在同一 条竖直线上;在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第二组热电 偶可W不在同一条竖直线上。5. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 二中，所述qint为沿拉巧方向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的热流密度集合。6. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 二中，所述传热数学模型为二维传热数学模型。7. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 Ξ中，利用凝固反问题Levenberg-Ma巧uardt me化od算法来求解巧壳表面沿拉巧方向分布 的溫度Tshell和沿拉巧方向分布的热流密度qshell。8. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 四中，通过SHTT实验，测得保护渣的结晶溫度TsDi。9. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于:步骤 五中，所述di为沿拉巧方向，结晶器壁与铸巧间不同位置液态保护渣渣膜厚度的数据集合。10. 根据权利要求1所述的一种连铸结晶器内液渣膜厚度的测试方法，其特征在于：步 骤五中，沿拉巧方向分布的结晶器壁与铸巧之间的液渣膜厚度计算公式如下：上述式子中，Ri为液渣膜总热阻m2 · K/W;Ri。为液渣膜导热热阻，m2 · K/W;hir为液渣膜福 射传热系数，W/V · K;ksi为液态渣导热系数，W/m · K;ai为液态渣的吸收系数nfi;esh为铸巧 的发射率；ε。巧为结晶态保护渣的发射率；m为反射因子；日B为Stefan-Boltzmann常数，W/ (m2 ·护）； 其中431、日1、634、6。巧、111、啡为已知的参数;联立^上几个式子可^得到结晶器壁与铸巧 之间的液渣膜厚度山。
【文档编号】G01B21/08GK106092020SQ201610390708
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610390708.1, CN 106092020 A, CN 106092020A, CN 201610390708, CN-A-106092020, CN106092020 A, CN106092020A, CN201610390708, CN201610390708.1
【发明人】王万林, 张海辉, 吕培生, 龙旭凯, 肖丹, 罗志灿
【申请人】中南大学