专利名称：连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真方法
技术领域：
本发明涉及连铸技术领域，特别是涉及连铸结晶器内高温钢液凝固传热过程的离线仿真。
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，主要是通过获知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工艺参数。一方面，可以利用静止水冷结晶器内测定得到的热流与钢液停滞时间的关系，得到铸坯与结晶器界面间的局部热流密度， 进而研究结晶器内的凝固传热过程，得到与之相关的数据，但经验公式对不同的机型存在明显差异，很难对结晶器内钢液凝固传热过程做精确解析。此外，通过考虑液相对流，振痕， 固液渣状态，气隙等因素得到对应的综合传热系数来计算结晶器内钢液的凝固传热过程。 整个过程中，由于对液相对流程度，振痕范围，固液渣分布状态以及气隙等具体过程参数的认识存在差异，且计算过程相当复杂，不同机型的适用性差别也较大。致使实际生产中，很难快速获得结晶器内热边界条件，仿真结晶器内钢液的凝固传热过程。因此，我们通过简化高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响。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，仿真计算整个结晶器内钢液的凝固传热过程。该系统简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真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，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真方法，该方法简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真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，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案
本发明提供的连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真方法，用于获取连铸结晶器内钢液凝固的传热过程，其仿真传热过程的步骤包括
第一步，由模型数据初始化模块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，
最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、结晶器铜板厚度和计算仿真选择方式；
第二步，由数据运行模块进行数据仿真计算
数据运行模块中将初始化过程中的数据导入计算模型，利用所选择的模型和计算方式仿真连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中，包括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、冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布的重要冶金参数；
第三步，仿真结果输出过程
通过结果输出模块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，冷却水量和温差以曲线和数字方式显示在功能面板上。所述的仿真传热过程，其传递热量、结晶器冷热面温度和结晶器锥度均通过结晶器冷却水温差、结晶器实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。本发明可以采用以下方法对传递热量进行检验 Q=CrnkT(1)
式中Q为单位时间内冷却水带走的热量，C为水的比热容，m为单位时间内冷却水的流量，ΔΤ为进出结晶器冷却水温差；
通过比较单位时间内冷却水带走热量就能够检验权利要求2中仿真计算得到的数据， 并对传热过程做进一步的修正。第二步中，所述计算模型为综合传热系数传热模型。通过计算结晶器间隙间，结晶器铜板和结晶器铜板与冷却水之间的传热热阻，获取结晶器单位面积上的瞬时热流密度。q= 1 χ(Γ-7；)(2)
JSj* 十 X1VQ,十 Z^
式中q为结晶器瞬时热流密度，Rt为结晶器间隙间热阻，Rcu为铜板热阻，Rw为结晶器铜板与冷却水之间的传热热阻，τ为铸坯表面温度，Tw为冷却水初始温度本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果
结晶器内钢液的凝固传热过程对产品的质量有着至关重要的作用，而处于高温状态下，结晶器内热流密度的大小则反映出结晶器的传热能力。为此，本发明从高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热出发，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，离线仿真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。例如实际生产中，150 mmX150 mm的小方坯连铸机浇铸Q235钢，浇铸温度1535 °C，拉速3 m/s，结晶器冷却水初始温度35°C，流量110 m3/h，温差7 K，仿真系统得到的结晶器冷却水流量108 m3/h，温差7 K，与实际结晶器冷却水流量和温差相符。此外，结晶器实际使用锥度为1. 12 %/m，计算得到的理想锥度为1.07 %/m，二者基本相符。
此外，在1000 mmX200 mm的板坯连铸机浇注Stb32钢时，浇注温度1572°C，拉速 1.2 m/s，结晶器冷却水初始温度35°C，流量520 m3/h，温差4.5 K，仿真系统得到的结晶器冷却水流量512 m3/h，温差4 K，与实际结晶器冷却水流量和温差相符。由此可知，本发明简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真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，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。
图1是实施例1仿真结果输出过程中得到的结晶器内热流密度分布的曲线图。图2是实施例1仿真结果输出过程中得到的结晶器内坯壳表面温度分布的曲线图。图3是实施例1仿真结果输出过程中得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布曲线图。图4是实施例1仿真结果输出过程中得到的结晶器铜板冷热面温度分布曲线图。图5是实施例1仿真结果输出过程中得到的结晶器铜板倒锥度关系分布曲线图。图6是实施例2仿真结果输出过程中得到的结晶器内热流密度分布曲线图。图7是实施例2仿真结果输出过程中得到的结晶器内坯壳表面温度分布曲线图。图8是实施例2仿真结果输出过程中得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布曲线图。图9是实施例2仿真结果输出过程中得到的结晶器铜板冷热面温度分布曲线图。图10是实施例2仿真结果输出过程中得到的结晶器铜板倒锥度关系分布曲线图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明上述内容作进一步详细阐述，但不局限下述内容。实施例1 在1000 mmX200謹板坯连铸机上浇铸Stb32钢。具体步骤如下
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1000 mmX200 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Mb32，得到钢种物性参数；最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M mm、结晶器冷却水初始温度35°C、流速8 m/s。2.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的公式(1)和(2)，获取和检验仿真结晶器内钢液凝固传热过程。3.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。这样，就能够计算单位面积上的热流密度，以此求解连铸结晶器内钢液凝固传热过程的具体计算参数。综上，就能够通过设定连铸生产基本数据，经由凝固传热仿真系统，获得连铸结晶器内钢液凝固传热过程的相关重要冶金参数。
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由图1所示在浇铸Mb32钢，1000 mmX200 mm板坯连铸机上仿真得到的结晶器内
热流密度分布曲线图可知热流密度在弯月面以下迅速达到峰值；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。由图2所示在浇铸Mb32钢，1000 mmX200 mm板坯连铸机上仿真得到的结晶器内
坯壳表面温度分布曲线图可知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，而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迅速。由图3所示在浇铸Mb32钢，1000 mmX200 mm板坯连铸机上仿真得到的结晶器内凝固坯壳厚度分布曲线图可知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，出结晶器位置凝固坯壳厚度16. 15 mm。由图4所示在浇铸Mb32钢，1000 mmX200 mm板坯连铸机上仿真得到的结晶器铜板冷热面温度分布曲线图可知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。由图5所示在浇铸Stb32钢，1000 mmX200 mm板坯连铸机上得到的结晶器铜板倒锥度关系分布曲线图可知结晶器锥度分布符合凝固分布规律，具有抛物线变化特征，最大锥度 0. 973 %/m。实施例2 在150謹X 150謹小方坯连铸机上浇铸Q235钢。具体步骤如下
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150 mmX150 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；最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.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的公式(1)和(2)，获取和检验仿真结晶器内钢液凝固传热过程。3.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。由图6所示在浇铸Q235钢，150 mmX150 mm小方坯连铸机上仿真得到的结晶器内热流密度分布曲线图可知热流密度在弯月面以下迅速达到峰值；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。由图7所示在浇铸Q235钢，150 mmX150 mm小方坯连铸机上仿真得到的结晶器内坯壳表面温度分布曲线图可知由于机型特点，角部二维传热，该位置处坯壳表面温度最低。宽窄面相同，具有相同的传热条件，得到的二者温度相等。由图8所示在浇铸Q235钢，150 mmX150 mm小方坯连铸机上仿真得到的结结晶器内凝固坯壳厚度分布曲线图可知高温钢液在弯月面位置开始凝固，随着拉坯的进行，距弯月面越远位置，凝固坯壳越厚，凝固分布呈现抛物线分布规律，出结晶器位置凝固坯壳厚度10. 16 mm。由图9所示在浇铸Q235钢，150 mmX150 mm小方坯连铸机上仿真得到的结晶器铜板冷热面温度分布曲线图可知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。由图10所示在浇铸Q235钢，150 mmX 150 mm小方坯连铸机上仿真得到的结晶器铜板倒锥度关系分布曲线图可知结晶器锥度分布符合凝固分布规律，具有抛物线变化特征，出结晶器位置最大锥度1.07 %/m，实际出结晶器位置使用最大锥度为1.12 %/m，二者基本相符。本发明提供的上述方法可以由连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真系统来实现， 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；数据运行模块由一维计算模型和二维计算模型组成，用于离线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
1.一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真方法，其特征是用于获取连铸结晶器内钢液凝固的传热过程，其仿真传热过程的步骤包括第一步，由模型数据初始化模块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，最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、结晶器铜板厚度和计算仿真选择方式；第二步，由数据运行模块进行数据仿真计算数据运行模块中将初始化过程中的数据导入计算模型，利用所选择的模型和计算方式仿真连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中，包括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、冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布的重要冶金参数；第三步，仿真结果输出过程通过结果输出模块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，冷却水量和温差以曲线和数字方式显示在功能面板上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的仿真传热过程，其传递热量，结晶器冷热面温度和结晶器锥度均通过结晶器冷却水温差、结晶器实测温度和结晶器实际使用锥度数值进行检验。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用以下方法对传递热量进行检验Q=CmLT(ι)式中Q为单位时间内冷却水带走的热量，C为水的比热容，m为单位时间内冷却水的流量，ΔΤ为进出结晶器冷却水温差；通过比较单位时间内冷却水带走热量就能够检验权利要求2中仿真计算得到的数据， 并对传热过程做进一步的修正。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步中，所述计算模型为综合传热系数传热模型；通过计算结晶器间隙间，结晶器铜板和结晶器铜板与冷却水之间的传热热阻，获取结晶器单位面积上的瞬时热流密度，^ ο .ο1 +R Χ(Γ_。(2)式中q为结晶器瞬时热流密度，Rt为结晶器间隙间热阻，Rcu为铜板热阻，Rw为结晶器铜板与冷却水之间的传热热阻，T为铸坯表面温度，Tw为冷却水初始温度。
全文摘要
本发明提供的连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真方法，包括由模型数据初始化模块进行模型数据初始化过程、由数据运行模块进行数据仿真计算和仿真结果输出过程步骤，数据运行模块中将初始化过程中的数据导入计算模型，利用所选择的模型和计算方式仿真连铸结晶器内钢液凝固传热过程，得到连铸生产过程中包括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、冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布的重要冶金参数。本发明简便易行、可靠性高，适用于离线仿真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确定和调整提供理论依据。
文档编号B22D11/22GK102228974SQ201110182828
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