专利名称：在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法
技术领域：
本发明涉及连铸技术领域，尤其是在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿
真方法。
背景技术：
作为连铸的心脏，结晶器内的连铸过程是一个关联着传热，凝固，流动和溶质再分配等现象的复杂过程。各现象之间相互关联，交互影响作用，使结晶器内的传热行为变得异常复杂。但结晶器内钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率不均勻易于引发铸坯裂纹；此外，若传热不充分，则容易导致较薄的坯壳鼓肚，变形，甚至被拉漏。铸坯的凝固行为取决于钢液向外进行热传递的能力。通过对结晶器内的凝固传热过程进行仿真计算，即可以获知铸坯在结晶器中生长得到的凝固坯壳厚度，铸坯表面温度分布，结晶器冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布等重要的冶金参数。这对整个连铸过程工艺参数的优化和铸坯质量的改善等都具有十分重要的意义。连铸结晶器内钢液的凝固传热过程研究中，主要是通过离线仿真方式计算得到与铸机结晶器相关的冶金参数，进而指导生产。这其中基本上是利用结晶器传热热流分布来分析钢液的凝固过程，得到与连铸生产相关的参数，并均取得了一定的实际效果。但这种离线仿真的手段在实际生产中，往往无法应对可能出现的突发状况。诸如处于高温热负荷的连铸结晶器承受着高温钢液，凝固铸坯、固液渣、结晶器振动、冷却水等诸多因素的影响，容易造成凝固传热不稳定，不利于连续生产。因此，需要有一种可以通过实时测量的方式，监测结晶器内钢液凝固传热过程，调整连铸操作工艺，避免突发情况造成的生产停滞以及由此带来的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法，该方法可以通过实时测量的方式，监测结晶器内钢液凝固传热过程，调整连铸操作工艺，避免突发情况造成的生产停滞以及由此带来的损失。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法，具体是以控制系统监测得到的结晶器实时水量和温差关系为基础，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来模拟整个结晶器内高温钢液的凝固传热过程，换算得到结晶器单位面积上的热流密度边界条件，以此计算结晶器内钢液的凝固传热过程。所述的仿真方法可以由下述方法获得所述的凝固传热过程，其步骤包括 第一步，进行模型数据初始化过程
初始化过程中首先要设定铸机参数确认连铸机型、铸坯断面尺寸、结晶器尺寸、计算模型和计算步长；其次设定物性参数输入钢种成分、凝固潜热、导热系数、热膨胀系数、比热容和钢种的固液相密度；然后输入生产工艺参数包括浇注温度、拉坯速度、冷却水初始温度、冷却水流速、结晶器铜板厚度； 第二步，实时参数导入过程
通过控制系统中监测得到的结晶器实时水量和温差数值关系，将其导入到仿真系统计算方式面板，确认数据输入； 第三步，数据仿真计算过程
数据运行模块中将初始化过程中的数据，以及实时水量和温差关系换算得到的结晶器热流密度导入计算模型，利用所选择的模型计算连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中，与结晶器相关的铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度和结晶器锥度分布等重要冶金参数；
第四步，仿真结果输出过程
通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，将结晶器热流分布，铸坯表面温度，凝固坯壳厚度，结晶器冷热面温度分布，结晶器锥度分布以曲线和数字方式显示在功能面板上；
经过上述步骤，获得所述的凝固传热过程。所述的传热过程，其传递热量、结晶器冷热面温度和结晶器锥度，可以通过结晶器表面实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。检验后，通过比较结晶器表面实测温度和结晶器实际使用锥度数值，对结晶器中钢液的凝固传热过程做进一步的修正，指导连铸生产。本发明能够通过实时在线输入结晶器水量和温差关系，结合实际生产工艺条件和铸机参数，换算单位面积上的热流密度，经由凝固传热仿真系统，获得与连铸结晶器内钢液凝固传热过程相关的重要冶金参数，以此来指导连铸生产工艺的调整，为稳定、连续、安全生产提供便捷的途径。并且还具有以下的有益效果
结晶器内铸坯的凝固传热对连铸生产的稳定运行和铸坯产品的质量有着至关重要的作用，而处于高温热负荷的连铸结晶器承受着高温钢液，凝固铸坯、固液渣、结晶器振动、冷却水等诸多因素的影响，容易造成凝固传热不稳定，不利于连续生产。为此本发明从控制系统中实时监测得到的冷却水流量和温差关系出发，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，在线模拟整个结晶器内钢液的凝固传热过程，获得与生产相关的重要冶金参数，以此来指导连铸生产的顺行。例如实际生产中，150X150 mm方坯连铸机浇铸Q235钢，浇铸温度1535 °C，控制系统测得结晶器冷却水流量110 m3/h，温差7 K。通过将水量和温差关系输入仿真系统中， 就能够得到结晶器坯壳厚度11. 4 mm，出结晶器坯壳表面温度1191°C。此外，仿真得到的结晶器理想锥度为1. 16 %/m，与实际使用锥度1. 12 %/m相符。这些数据说明该条件下，生产条件符合连铸操作要求，无需调整工艺参数即可保证连铸生产顺利进行。总之，本发明简便易行、适用性高、可靠性高，能够实时在线仿真计算不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中连铸生产工艺的不断调整和改进提供便捷途径。
图1为在1000X200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内热流密度分布图。图2为在1000X200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内坯壳表面
温度分布示意图。图3为 在1000X200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器内凝固坯壳
厚度分布示意图。图4为在1000X200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板冷热面
温度分布示意图。图5为在1000X200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢时得到的结晶器铜板倒锥度
关系分布示意图。图6为在150X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内热流密度分布图。图7为在150X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内坯壳表面
温度分布示意图。图8为在150X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器内凝固坯壳
厚度分布示意图。图9为在150X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器铜板冷热面
温度分布示意图。图10为在150X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢时得到的结晶器铜板倒锥度
关系分布示意图。
具体实施例方式本发明从方坯连铸机结晶器或板坯连铸机结晶器控制系统监测得到的实时水量和温差为基础，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来换算结晶器内的热流密度，模拟整个结晶器内高温钢液的凝固传热过程。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细阐述。实施例1
在1000 X 200 mm板坯连铸机上浇铸Stb32钢。1.模型数据初始化过程
首先确认板坯二维计算模型、结晶器尺寸1000X200 mm、结晶器高度900 mm、弯月面位置100 mm、时间步长0. 1 S、空间步长10 mm ； 其次通过确认钢种Stb32，得到钢种物性参数；
然后在生产工艺数据库中，确认浇注温度1572°C、拉速1. 2 m/min、结晶器铜板有效厚度24 mm、结晶器冷却水初始温度35°C、流速8 m/s。2.实时参数导入过程
通过监测系统中获得的结晶器冷却水实时流量和温差数据，宽面铜板水量3960 L/ min,窄面铜板水量400 L/min，温差4. 5°C，将其导入仿真系统数据初始化模型中的生产工艺数据库操作面板中。所述监测系统由宽面水量窗口，窄面水量窗口和温差输入窗口组成，能够通过控制系统中的监测系统实时采集结晶器的水量和温差数据。控制系统由流量计和热电偶组成，将监测系统实时测量得到的结晶器水量和温差变化结果输出于显示系统中。通过实时采集上述数据，确认仿真系统的模型初始化模块，并将数据传入数据运行模块。3.数据仿真计算过程
通过接收模型数据初始化过程得到的初始数据，在仿真系统中利用二维计算模型，仿真结晶器内钢液凝固传热过程。4.仿真结果输出过程
通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，显示凝固传热过程的相关重要冶金参数，该参数包括结晶器内热流密度、结晶器内坯壳表面温度、结晶器内凝固坯壳厚度、结晶器铜板冷热面温度和结晶器铜板倒锥度关系，可用图1-图5表示。本实施例仿真得到的结晶器内热流密度分布如图1所示弯月面位置热流密度最大，与弯月面距离越远，结晶器内的热流密度越低，这与实际相符。本实施例仿真得到的结晶器内坯壳表面温度分布如图2所示钢液在弯月面迅速凝固，凝固坯壳温度随着距弯月面距离的加大，温度逐渐降低。凝固坯壳角部由于受二维传热的影响，温度降低最快，此外钢液凝固传热热量主要由宽面传出，温度降低较窄面来的更为迅速。本实施例仿真得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布如图3所示钢液在弯月面位置开始凝固，随着距结晶器弯月面距离的加大，凝固传热过程的继续，凝固坯壳逐渐增大，变化呈抛物线规律分布。本实施例仿真得到的结晶器铜板冷热面温度分布如图4所示结晶器铜板冷热面温度分布规律与结晶器热流密度分布规律一致。热面最高温度低于结晶器铜板再结晶温度，能够正常使用。本实施例仿真得到的结晶器铜板倒锥度关系分布如图5所示结晶器锥度分布符合凝固分布规律，具有抛物线变化特征。实施例2
在150 X 150 mm小方坯连铸机上浇铸Q235钢。1.模型数据初始化过程
首先确认板坯二维计算模型、结晶器尺寸150X150 mm、结晶器高度1000 mm、弯月面位置100 mm、时间步长0. 1 S、空间步长10 mm ；其次通过确认钢种Q235，得到钢种物性参数；然后在生产工艺数据库中，确认浇注温度1535°C、拉速3m/min、结晶器铜板有效厚度14 mm、结晶器冷却水初始温度35°C、流速8 m/s。2.实时参数导入过程
通过监测系统中获得的结晶器冷却水实时流量和温差数据，结晶器水量Iio L/min，温差7°C，将其导入仿真系统数据初始化模型中。将其导入仿真系统数据初始化模型中的生产工艺数据库操作面板中。所述监测系统由宽面水量窗口，窄面水量窗口和温差输入窗口组成，能够通过控制系统中的监测系统实时采集结晶器的水量和温差数据。通过实时采集上述数据，确认仿真系统的模型初始化模块，并将数据传入数据运行模块。
3.数据仿真计算过程 通过接收模型数据初始化过程得到的初始数据，在仿真系统中利用二维计算模型，仿真结晶器内钢液凝固传热过程。4.仿真结果输出过程
通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，显示凝固传热过程的相关重要冶金参数，该参数包括结晶器内热流密度、结晶器内坯壳表面温度、结晶器内凝固坯壳厚度、结晶器铜板冷热面温度和结晶器铜板倒锥度关系，可用图6-图10表示。本实施例仿真得到的结晶器内热流密度分布如图6所示弯月面位置热流密度最大，与弯月面距离越远，结晶器内的热流密度越低，这与实际相符。本实施例仿真得到的结晶器内坯壳表面温度分布如图7所示钢液在弯月面迅速凝固，凝固坯壳温度随着距弯月面距离的加大，温度逐渐降低。凝固坯壳角部由于受二维传热的影响，温度降低最快，此外钢液凝固传热热量主要由宽面传出，温度降低较窄面来的更为迅速。本实施例仿真得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布如图8所示钢液在弯月面位置开始凝固，随着距结晶器弯月面距离的加大，凝固传热过程的继续，凝固坯壳逐渐增大，变化呈抛物线规律分布。本实施例仿真得到的结晶器铜板冷热面温度分布如图9所示结晶器铜板冷热面温度分布规律与结晶器热流密度分布规律一致。热面最高温度低于结晶器铜板再结晶温度，能够正常使用。本实施例仿真得到的结晶器铜板倒锥度关系分布如图10所示结晶器锥度分布符合凝固分布规律，具有抛物线变化特征。上述实施例中，所述的一维计算模型是以铸坯厚度方向的切片模型为基础，忽略沿宽度方向上的传热，适用于板坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。所述的二维计算模型是以铸坯横截面方向切片模型为基础，考虑沿铸坯厚度和宽度方向上的传热，适用于板/ 方坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。本发明提供的上述方法可以由在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真系统来实现，该系统由模型数据初始化模块，数据运行模块和结果输出模块三部分组成，其中模型数据初始化模块依次由连铸机数据库，物性参数数据库和生产工艺数据库组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输入端相连；实时导入控制系统中监测得到的结晶器水量和温差数值关系，并确认数据输入；数据运行模块由一维计算模型和二维计算模型组成，用于在线实时仿真连铸结晶器内钢液的凝固传热过程；结果输出模块用于显示并保存计算结果，该模块由数据自动输出保存功能和计算结果图形显示功能组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输出端相连。
权利要求
1.在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法，其特征是以控制系统监测得到的结晶器实时水量和温差关系为基础，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来模拟整个结晶器内高温钢液的凝固传热过程，换算得到结晶器单位面积上的热流密度边界条件，以此计算结晶器内钢液的凝固传热过程。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于由下述方法获得所述的凝固传热过程，其步骤包括第一步，进行模型数据初始化过程初始化过程中首先要设定铸机参数确认连铸机型、铸坯断面尺寸、结晶器尺寸、计算模型和计算步长；其次设定物性参数输入钢种成分、凝固潜热、导热系数、热膨胀系数、比热容和钢种的固液相密度；然后输入生产工艺参数包括浇注温度、拉坯速度、冷却水初始温度、冷却水流速、结晶器铜板厚度；第二步，实时参数导入过程通过控制系统中监测得到的结晶器实时水量和温差数值关系，将其导入到仿真系统计算方式面板，确认数据输入；第三步，数据仿真计算过程数据运行模块中将初始化过程中的数据，以及实时水量和温差关系换算得到的结晶器热流密度导入计算模型，利用所选择的模型计算连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中，与结晶器相关的铸坯表面温度、凝固坯壳厚度、结晶器冷热面温度和结晶器锥度分布等重要冶金参数；第四步，仿真结果输出过程通过程序将数据仿真计算得到的结果自动保存，并在图形显示功能中，将结晶器热流分布，铸坯表面温度，凝固坯壳厚度，结晶器冷热面温度分布，结晶器锥度分布以曲线和数字方式显示在功能面板上；经过上述步骤，获得所述的凝固传热过程。
3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于所述的传热过程，其传递热量、结晶器冷热面温度和结晶器锥度通过结晶器表面实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。
4.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于检验后，通过比较结晶器表面实测温度和结晶器实际使用锥度数值，对结晶器中钢液的凝固传热过程做进一步的修正，指导连铸生产。
全文摘要
本发明是一种在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法，具体是以控制系统监测得到的结晶器实时水量和温差关系为基础，利用铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来模拟整个结晶器内高温钢液的凝固传热过程，换算得到结晶器单位面积上的热流密度边界条件，以此计算结晶器内钢液的凝固传热过程。本发明提供的在线模拟连铸结晶器内钢液凝固传热过程的仿真方法，不仅简便易行、适用性高、可靠性高，而且能够实时在线仿真计算不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中连铸生产工艺的不断调整和改进提供便捷途径。
文档编号B22D11/22GK102228971SQ20111018154
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者叶理德, 孙铁汉, 幸伟, 徐永斌, 徐海伦, 李智, 杜斌, 邵远敬, 马春武 申请人:中冶南方工程技术有限公司