专利名称：板坯连铸结晶器热流密度的确定方法
板坯连铸结晶器热流密度的确定方法
技术领域：
连铸坯的表面质量主要取决于结晶器内初生凝固坯壳的均勻性、弯月面的传热强 度和热流均勻性。控制初始凝固坯壳的形成，关键在于形成合适的坯壳强度和厚度，而初始 凝固的传热特性和坯壳受力情况是其两大决定因素。了解和控制初始凝固坯壳的传热特 性，并且提出相关控制技术，可以获得较好的表面质量。因此，连铸结晶器热流密度的大小 是连铸研究工作的热点和难点。
背景技术：
结晶器被称为连铸过程的“心脏”，对铸坯质量产生决定性的影响。正确的掌握结 晶器内的传热边界条件对于改善结晶器铜板的工作条件，更好的实现漏钢预报，以及更复 杂的铸坯表面质量诊断和预测工作都有极其重要的作用。采用数值模拟的方法计算结晶器 内的传热过程既可以了解到各种工况条件对传热产生的影响，而且还可以显著的减少用于 现场测试的成本。但是，数值模拟的方法需要准确的传热边界条件才能得到可靠的结果。目 前很多研究者在进行结晶器热分析计算时，直接采用Samarasekra等在测定静止水冷结晶 器内热流与钢液停留时间关系的基础上得到的铸坯与结晶器界面间局部热流密度的计算 公式作为热面的边界条件进行计算，这无疑和实际生产过程产生了很大的误差。实际生产 中，凝固坯壳与结晶器之间保护渣的流入，形成固态和液态渣膜，渣膜的存在状态、导热系 数等都极大地影响着整个过程热量的传递。
发明内容
本发明根据保护渣动量与质量守恒，以及结晶器内稳态传热过程，计算保护渣渣 膜厚度，从而得到结合实际生产过程的热流密度作为边界条件，建立结晶器三维传热计算 模型，计算结晶器温度场，实现了考虑渣膜参与传热的结晶器稳态传热数学模拟。
具体实施例方式1.渣膜厚度计算模型在钢水自由液面所添加的保护渣溶化并且在凝固坯壳和结晶器内壁之间流动，在 液态情况下，充当凝固坯壳和结晶器内壁之间的润滑剂。靠近结晶器内壁的保护渣冷却非 常快，形成了很薄的玻璃态渣层，如果在结晶器内停留时间足够长的话可以成为结晶态。相 对来说可以被称之为固态的保护渣渣膜通常是紧贴结晶器内壁的，但偶尔也会以小于拉速 的速度Vs。lid(m/min)间歇性的被拉下。这类渣层的结构取决于它的冷却效率，可以是玻璃 态的也可以是结晶态的或者两者结合的。本文为研究问题方便假设渣膜全为固态。 _6] Vsolid = fv. Vc(I)式中V。为拉速(m/s) ;fv为固态渣速度比只要凝固坯壳表面温度在保护渣结晶器温度以上，就会有液态渣随着钢液被拉 下，从而造成保护渣的大量消耗，液态渣运动的速度靠近固态渣一面速度小，靠近凝固坯壳一面速度大，其平均速度歹/一为。 式中μ s为液态保护渣与凝固坯壳界面间的保护渣黏度(Poise) ； P &8为保护渣 密度(Kg/m3) ； Pstral为钢液密度(Kg/m3) ；dli(luid为液态渣膜的厚度(m) ;n为与温度有关的 保护渣黏度的指数。同时，还有一些保护渣会由于振痕以及铸坯表面缺陷而以拉坯速度流下。所有保 护渣的消耗量都是和自由液面补给的保护渣量(Qslag(Kg/m2))平衡的。质量守恒关系式如 下 式中Qslag为保护渔的消耗量(Kg/m2) ；ds。lid为固态渣膜的厚度(m) ；dosc为等量的 振痕深度(m)。其中
，MslagS每吨钢所消耗的保护渣的量(Kg/ ton) ；W为板坯宽度(m) ；N为板坯厚度(m)。
Lmark 为实际振痕宽度(m) ;dmark 为实际振痕深度(m) ；Lpitch
L pitch
为拉速与振频之比。结晶器内热量由钢液传给冷却水分为五个过程，分别为钢水对初生坯壳的传热， 凝固坯壳内的传热，凝固坯壳向结晶器铜板传热，铜板内部传热以及结晶器铜板对冷却水 的传热。稳态过程中，各个过程之间所传递的热量是相等的。即液态渣向冷却水传递的热 量与凝固坯壳表面向冷却水传递的热量是相等的 其中， 式中TS为凝固坯壳表面温度⑷；Twate为冷却水的温度⑷；Tfs()1为保护渔的结 晶温度⑷；r。。nta。t为接触热阻(m2 · Κ/ff) ；ksolid为固态渣膜的导热系数(W/(m · K)) ；Kliquid 为液态渣膜的导热系数(W/(m · K)) ;kffl0ld为铜板的导热系数(W/(m · K)) ;hw为冷却水的换 热系数(W/(m2 · K)) ；hrad为辐射换热系数(W/(m2 · K)) ;m为保护渣的折射率；ε slag为保护渣的发射率；ε steel为钢的发射率；a为保护渣的吸收因子OiT1)。结晶器上部保护渣与结晶器内壁之间接触紧密，接触热阻取为0. 0002，下部分接 触热阻取为0.0004。由于镍层的存在会减小接触热阻，根据Jungwook CHO研究可确定有镍 层部分的接触热阻值。2.结晶器传热模型的建立和边界条件的确定 由于结晶器铜板、连铸坯及冷却水之间的传热非常复杂，因此，在建立数学模型 时，需要做如下假设(1)铜板导热系数为各向同性，密度和比热容视为常数；(2)结晶器铜板、冷却水及铸坯之间的传热为稳态；(3)忽略结晶器水缝冷却水的核态沸腾；(4)结晶器内传热具有对称性，以四分之一结晶器为研究对象。(5)冷却水槽与铜板交界处之间的传热系数在整个结晶器高度方向上保持恒定， 冷却水温度从水槽入口至出口的温度保持线性变化形式，在结晶器同一高度上冷却水温处 处相等。针对结晶器的结构特征，考虑模型的对称性，根据上述假设条件，结晶器内的传热 微分方程为
求解的边界条件确定为结晶器顶面与底面，-、_7 = 0;结晶器与冷却水的
OZ
界面， ；结晶器铜板宽面热面，
-义1 = ;结晶器铜板窄面热面，-义！ = ^其中，q本文计算基于实测的铸坯表面温度， Sydx
其确定方法如下根据连铸生产现场所采集到的大量铸坯表面温度数据，代入(6)式中得到相应位 置的热流密度，将其作为对应高度处的边界热流，然后多项式回归得出整个结晶器高度方 向上的热流边界条件，从而计算得到结晶器铜板的温度分布，再与实测的热电偶测点温度 比较，从而验证模型的准确性。
权利要求
一种连铸结晶器热流密度的确定方法，其特征在于得出基于实际操作条件的热流密度和保护渣渣膜厚度。
2.根据权利要求1所述的结晶器热流密度确定方法，其特征在于所述热流密度可由现 场热电偶实测数据进行检验。
全文摘要
连铸坯的表面质量主要取决于结晶器内初生凝固坯壳的均匀性、弯月面的传热强度和热流均匀性。控制初始凝固坯壳的形成，关键在于形成合适的坯壳强度和厚度，初始凝固的传热特性和坯壳受力情况是其两大决定因素。因此，连铸结晶器热流密度的大小是连铸研究工作的热点和难点。很多研究者在进行结晶器热分析数值计算时，直接采用前人在测定静止水冷结晶器内热流与钢液停留时间关系的基础上得到的铸坯与结晶器界面间局部热流密度的计算公式作为热面的边界条件进行计算，这无疑和实际生产过程存在很大的误差。本发明根据保护渣动量与质量守恒，以及结晶器内稳态传热过程，计算保护渣渣膜厚度，从而得到结合实际生产过程的热流密度作为边界条件。
文档编号B22D11/111GK101844214SQ20091001081
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者高*妮 申请人:高*妮