生产异型坯的连铸机的喷嘴布置方法及系统与流程

本发明涉及连铸技术领域，更具体地，涉及一种生产异型坯的连铸机喷嘴布置方法及系统。

背景技术：

异型坯与方坯和板坯铸坯不同，它的断面形状复杂，断面上各点的散热条件差别很大，使得异型坯断面上各点的温差很大，表面温度分布尤其不均匀。如果二冷段喷嘴布置稍有不合理，会加剧这种铸坯表面温度的不均匀性，从而加速异型坯表面铸坯裂纹的倾向以及产生较大的鼓肚量，造成铸坯质量缺陷和设备损耗，因此喷嘴布置是铸机设计的一个重要环节，直接影响异形坯铸坯质量。

目前异形坯无现有的喷嘴空间布置处理方法，只是在冷却区内按照水量平均分布计算水流密度，也就是说冷却回路水量L，其对应喷射铸坯表面积为S，则水流密度为q＝L/S。

上述处理方法不考虑喷嘴分布对水流密度的影响，只是在冷却区内做水流密度平均处理，存在以下缺点：

第一，异形坯几何相对比较复杂，需要处理空间曲面和空间喷嘴的关系，因此上述处理方法不适合异形坯；

第二，异形坯温度场计算中，表面水流密度作为边界条件进行输入，温度计算为二维模型，如图1所示，仅采用1/4面积作为计算区域，在异形坯横截面上划分网格，在拉坯方向时间推进，并不能反映整个异型坯表面的温度情况；

第三，异形坯温度长计算系统没有考虑喷嘴在空间不同位置分布的差异性，各区水流密度平均处理；

第四，异形坯温度长计算系统冷却区与冷却回路之间没有建立联系，水流密度计算比较麻烦，需要手动处理。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种模拟不同喷嘴布置对铸坯温度的影响的生产异型坯的连铸机的喷嘴布置方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种生产异型坯的连铸机的喷嘴布置方法，包括：初步设定连铸机二冷段的各喷嘴的设置参数，所述设置参数包括喷嘴数量、喷嘴高度、喷嘴间距、喷嘴安装角度、喷嘴流量、喷射压力和喷嘴的喷射角度；以每一个喷嘴安装位置为原点，以喷嘴喷射方向、喷嘴长轴方向和喷嘴短轴方向为坐标轴，建立每一个喷嘴的局部笛卡尔坐标系；在连铸机坐标系中，利用网格技术采用空间曲面模拟连铸生产中的铸坯，得到形成铸坯的多个网格；以喷嘴在铸坯上形成的喷射表面为检测平面，以检测平面上每一个网格的中心点作为空间着水点，确定每一个喷嘴的每一个空间着水点在所述喷嘴的局部笛卡尔坐标系中的辐射向量；根据每一个网格的四个角点在连铸机坐标系中的向量确定所述每一个网格的法向量；确定每一个空间着水点的辐射向量在连铸机坐标系中相对于所在网格法向量的欧拉角；根据喷嘴的每一个空间着水点的水量分布和辐射向量确定每一个空间着水点的角密度χ，其中，Q为喷嘴的喷水量，f为空间着水点的水量分布密度值，θ为空间着水点的辐射向量与喷嘴喷射方向的夹角；根据每一个空间着水点的角密度、辐射向量和欧拉角确定每一个空间着水点所在网格的水流面密度w，其中，θ₁为欧拉角，r为辐射向量；根据每一个空间着水点所在网格的水流面密度和所述网格的铸坯传热系数，得到每一个空间着水点所对应的每一个网格的铸坯表面温度，获得铸坯表面温度变化曲线；根据铸坯表面温度变化曲线按照使得铸坯表面纵向和横向温度分布均匀的趋势调整各喷嘴的设置参数。

根据本发明的另一个方面，提供一种生产异型坯的连铸机的喷嘴布置系统，包括：输入单元，初步设定连铸机二冷段的各喷嘴的设置参数，所述设置参数包括喷嘴数量、喷嘴高度、喷嘴间距、喷嘴安装角度、喷嘴流量、喷射压力和喷嘴的喷射角度；喷淋装置，设置在连铸机的二冷区，对铸坯喷淋冷却，包括总管、从总管分出的多个支管以及设置在支管上的多个喷嘴，所述总管上设置有进水口，所述进水口设置有阀门，通过阀门控制该喷淋装置的开断；铸坯模拟单元，在连铸机坐标系中，利用网格技术采用空间曲面模拟连铸生产中的铸坯，得到形成铸坯的多个网格，根据每一个网格的四个角点在连铸机坐标系中的向量确定所述每一个网格的法向量；喷嘴空间构建单元，以每一个喷嘴安装位置为原点，以喷嘴喷射方向、喷嘴长轴方向和喷嘴短轴方向建立每一个喷嘴的局部笛卡尔坐标系，以喷嘴在铸坯上形成的喷射表面为检测平面，以检测平面上每一个网格的中心点作为空间着水点，确定每一个喷嘴的每一个空间着水点在所述喷嘴的局部笛卡尔坐标系中的辐射向量；角密度确定单元，根据喷嘴的每一个空间着水点的水量分布和辐射向量确定每一个空间着水点的角密度；面密度确定单元，在连铸机坐标系中，确定每一个空间着水点的辐射向量相对于所在网格法向量的欧拉角，根据每一个空间着水点的角密度、辐射向量和欧拉角确定每一个空间着水点所在网格的水流面密度；铸坯温度模拟单元，根据每一个空间着水点所在网格的水流面密度确定所述网格的传热系数，从而得到每一个空间着水点所对应的每一个网格的铸坯表面温度，获得铸坯表面温度变化曲线；喷嘴调整单元，根据铸坯表面温度变化曲线按照使得铸坯表面纵向和横向温度分布均匀的趋势调整各喷嘴的设置参数。

上述生产异型坯的连铸机喷嘴布置方法将整个异形坯外表面模拟为一个空间曲面，考虑喷嘴在空间中的分布对铸坯表面水流密度的影响，能够模拟不同喷嘴设置参数对铸坯温度的影响，从而能够避免幅切情况对板坯角部温度的影响，使得铸坯表面纵向和横向温度分布均匀。

附图说明

通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是现有技术中采用网格技术模拟异型坯的示意图

图2是本发明生产异型坯的连铸机的喷嘴布置方法的流程图；

图3是本发明喷嘴局部笛卡尔坐标的示意图；

图4是本发明确定水流面密度的坐标图的示意图；

图5是本发明喷嘴的水量分布密度函数的示意图

图6是本发明生产异型坯的连铸机的喷嘴布置系统的构成框图；

图7是本发明喷淋装置分段设置的示意图；

图8是图7中各段喷淋装置的喷嘴改造前设置的示意图；

图9是图7中各段喷淋装置的喷嘴改造后设置的示意图；

图10a和10b分别示出了改造前1段二冷区内冷却回路和左冷却回路的铸坯水流面密度模拟图；

图10c和10d分别示出了改造后1段二冷区内冷却回路和左冷却回路的铸坯水流面密度模拟图；

图10e示出了改造前后1段二冷区水流面密度的对比图；

图10f示出了改造前后1段二冷区铸坯表面温度的对比图。

在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图2是本发明生产异型坯的连铸机喷嘴布置方法的流程图，如图2所示，所述喷嘴布置方法包括：

首先，在步骤S100中，初步设定连铸机二冷段的各喷嘴的设置参数，所述设置参数包括喷嘴数量、喷嘴高度、喷嘴间距、喷嘴安装角度、喷嘴流量、喷射压力和喷嘴的喷射角度中的一个或多个；

在步骤S110中，以每一个喷嘴安装位置为原点，喷嘴在铸坯上形成的喷射表面为检测平面，以喷嘴喷射方向、喷嘴长轴方向和喷嘴短轴方向为坐标轴，建立每一个喷嘴的局部笛卡尔坐标系，如图3所示，x₀为一个喷嘴的安装位置(也是原点0)，α为喷嘴的长轴喷射角度，面p为检测平面，n₀为喷嘴喷射方向，a₀喷嘴长轴方向，b₀喷嘴短轴方向(未示出，垂直于纸面向外的方向)，在n₀和a₀定了之后，b₀＝n₀×a₀；

在步骤S120中，在连铸机坐标系中，利用网格技术采用空间曲面模拟连铸生产中的铸坯，得到形成铸坯的多个网格；

在步骤S130中，以喷嘴在铸坯上形成的喷射表面为检测平面，以检测平面上每一个网格的中心点作为空间着水点，确定每一个喷嘴的每一个空间着水点在所述喷嘴的局部笛卡尔坐标系中的辐射向量，如图3所示，x为空间着水点，辐射向量r和单位向量为：

r＝x-x₀

空间着水点局部Cartesian坐标(笛卡尔坐标)(ξ,η,ζ)由三个单位向量决定

ξ＝r·a₀

η＝r·b₀

ζ＝r·n₀

其中，ζ是高度，ξ和η是检测平面坐标，辐射向量与喷射方向的夹角为：

检测平面半径R和辐射向量在检测平面的辐射角φ为：

R＝r-n₀n₀·r＝r-ζn₀

从而，空间着水点x局部Cartesian坐标(ξ,η,ζ)的关系

ζ＝r cosθ；

在步骤S140中，根据每一个网格的四个角点在连铸机坐标系中的向量确定所述每一个网格的法向量，例如，对任意异型坯空间曲面四边形网格，其有4个角点，角点在连铸机坐标系中的向量为：x₁、x₂、x₃、x₄，该网格的法向量n为：

e₁＝x₁+x₄

e₂＝x₁+x₂

e₃＝x₃+x₂

e₄＝x₃+x₄，

t₁＝e₃-e₁

t₂＝e₄-e₂，

n＝t₁×t₂；

其中，e₁、e₂、e₃和e₄分别为四边形网格四个边的中心点在连铸机坐标系中的向量，t₁和t₂为切向量；

在步骤S150中，确定每一个空间着水点的辐射向量在连铸机坐标系中相对于所在网格法向量的欧拉角，如图4所示，n为网格法向，θ₁为辐射向量r在n向的欧拉角，

在步骤S160中，根据喷嘴的每一个空间着水点的水量分布和辐射向量确定每一个空间着水点的角密度χ，如图3所示，角密度χ定义为：

dQ＝χdΩ

其中，Q为喷嘴的喷水量，f为空间着水点的水量分布密度值，θ为空间着水点的辐射向量与喷嘴喷射方向的夹角，dΩ为网格的立体角，dS为假定接受面为通过x点的，以n为法向的表面元，dS＝ndS，

在步骤S170中，根据每一个空间着水点的角密度、辐射向量和欧拉角确定每一个空间着水点所在网格的水流面密度，如图3和图4所示，空间着水点所在的网格的角密度χ和面密度w的关系为，dQ＝χdΩ＝wdS，因此网格的水流面密度w为：

在步骤S180中，根据每一个空间着水点所在网格的水流面密度和所述网格的铸坯传热系数，得到每一个空间着水点所对应的每一个网格的铸坯表面温度，获得铸坯表面温度变化曲线；

在步骤S190中，根据铸坯表面温度变化曲线按照使得铸坯表面纵向和横向温度分布均匀的趋势调整各喷嘴的设置参数。

在上述步骤S160中，还包括：根据不同喷嘴在铸坯上的检测平面形状(水斑形状)确定喷嘴的水量分布密度曲线，其中，

对于检测平面呈椭圆形的喷嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

ρ为归一化向量，若ρ＞1，则不计算水量分布密度；

对于检测平面呈矩形的喷嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

若：ξ＞aη＞b，则不计算水量分布密度，

其中，f(ρ)为水量分布密度函数，ρ是检测平面上设定的等效半径，a为检测平面的长轴长度，b为检测平面的短轴长度，ξ为空间着水点在局部笛卡尔坐标系中长轴方向的坐标，η为空间着水点在局部笛卡尔坐标系中短轴方向的坐标，α为喷嘴长轴的喷射角度，β为喷嘴短轴的喷射角度，φ为空间着水点在局部坐标系中的辐射向量在检测平面的辐射角，c₀...c_M为根据喷嘴出厂设定的多个水量分布密度值进行曲线拟合得到多项式系数，如图5所示，横坐标为等效半径，纵坐标为水量分布密度值，坐标图中的“+”为喷嘴出厂设定的多个水量分布密度值，坐标中的曲线为通过水量分布密度函数与出厂设定的多个水量分布密度值根据水斑形状进行曲线拟合(例如最小二乘拟合)得到所述喷嘴的水量分布密度曲线，从而确定水量分布密度函数多项式系数。

另外，优选地，上述喷嘴布置方法还包括：根据铸坯水流面密度设计二冷段的长度，也就是说，上述设置参数还包括二冷段长度，所述二冷段长度不小于从结晶器下口到铸坯凝固点的长度，根据铸坯水流面密度调整铸坯中心温度曲线，从而获得铸坯凝固点。

上述铸坯表面温度变化曲线和铸坯中心温度曲线包括三维曲线和二维曲线中的一种或多种，其中所述三维曲线以网格坐标为面坐标，以温度为纵坐标；所述二维曲线包括沿拉坯方向各网格的温度变化曲线、沿铸坯宽度方向各网格的温度变化曲线以及以距离结晶器弯月面的距离为纵坐标，以铸坯宽度方向为横坐标，以不同颜色代表铸坯不同横纵坐标处铸坯的温度的二维铸坯温度模拟图。

另外，优选地，上述喷嘴布置方法还包括：

生成铸坯水流面密度曲线或铸坯水流面密度模拟图，其中，所述水流面密度曲线为沿拉坯方向各网格的水流面密度变化曲线以及沿铸坯宽度方向各网格的水流面密度变化曲线，所述铸坯水流面密度模拟图横坐标为距离结晶器弯月面的长度，纵坐标为铸坯宽度，通过图形显示各喷嘴在铸坯上形成水斑，通过不同颜色及颜色深浅表示水流面密度。

上述生产异型坯的连铸机喷嘴布置方法建立了冷却区-冷却回路-喷嘴布置之间的联系，考虑喷嘴在空间中的分布对铸坯表面水流密度的影响，能够模拟不同喷嘴布置对铸坯温度的影响，从而评估喷嘴系统的好坏。

图6是本发明生产异型坯的连铸机的喷嘴布置系统的构成框图，如图6所示，所述生产异型坯的连铸机的喷嘴布置系统100包括：

输入单元110，初步设定连铸机二冷段的各喷嘴的设置参数，所述设置参数包括喷嘴数量、喷嘴高度、喷嘴间距、喷嘴安装角度、喷嘴流量、喷射压力和喷嘴的喷射角度中的一个或多个；

喷淋装置120，设置在连铸机的二冷区，对铸坯喷淋冷却，包括总管(未示出)、从总管分出的多个支管(未示出)以及设置在支管上的多个喷嘴121(图8示出)，所述总管上设置有进水口(未示出)，所述进水口设置有阀门(未示出)，通过阀门控制该喷淋装置的开断；

铸坯模拟单元140，在连铸机坐标系中，利用网格技术采用空间曲面模拟连铸生产中的铸坯，得到形成铸坯的多个网格，根据每一个网格的四个角点在连铸机坐标系中的向量确定所述每一个网格的法向量；

喷嘴空间构建单元130，以输入单元110中每一个喷嘴安装位置为原点，以喷嘴喷射方向、喷嘴长轴方向和喷嘴短轴方向建立每一个喷嘴的局部笛卡尔坐标系，以喷嘴在铸坯上形成的喷射表面为检测平面，以检测平面上每一个网格的中心点作为空间着水点，确定每一个喷嘴的每一个空间着水点在所述喷嘴的局部笛卡尔坐标系中的辐射向量；

角密度确定单元150，根据喷嘴的每一个空间着水点的水量分布和辐射向量确定每一个空间着水点的角密度；

面密度确定单元160，在连铸机坐标系中，确定每一个空间着水点的辐射向量相对于所在网格法向量的欧拉角，根据每一个空间着水点的角密度、辐射向量和欧拉角确定每一个空间着水点所在网格的水流面密度；

铸坯温度模拟单元170，根据每一个空间着水点所在网格的水流面密度确定所述网格的传热系数，从而得到每一个空间着水点所对应的每一个网格的铸坯表面温度，获得铸坯表面温度变化曲线；

喷嘴调整单元180，根据铸坯表面温度变化曲线按照使得铸坯表面纵向和横向温度分布均匀的趋势调整各喷嘴的设置参数；

水流面密度模拟单元190，根据面密度确定单元确定的各网格的水流面密度生成铸坯水流面密度曲线或铸坯水流面密度模拟图。

优选地，如图7所示，所述喷淋装置分段设置，每一段喷淋装置均设置至少一个阀门，也就是说，在结晶器出口到拉矫机长度内多个喷嘴沿拉坯方向分段设置，每一段的喷淋装置的多个喷嘴至少由一个阀门控制，不同阀门控制的不同喷嘴形成多个冷却回路，不同段或者同一段喷淋装置可以采用不同类型的喷嘴(全水喷嘴、喷雾喷嘴、椭圆喷嘴、矩形喷嘴等)，进一步优选地，所述每一段的喷淋装置的多个喷嘴由多个阀门控制，形成多个冷却回路，例如，所述每一段的多个喷嘴按照连铸机的内弧曲线、外弧曲线、铸坯的左侧面和右侧面分成内冷却回路n、外冷却回路w、左冷却回路z和右冷却回路y(图8示出)，所述内冷却回路n、外冷却回路w、左冷却回路z和右冷却回路y由1～4个阀门控制。

优选地，还包括：水量分布密度曲线拟合单元，根据不同喷嘴在铸坯上的检测平面形状(水斑形状)设置不同的等效半径，通过与所述等效半径相关的水量分布密度函数和出厂设定的多个水量分布密度值根据水斑形状进行曲线拟合(例如最小二乘拟合)得到每一个喷嘴的水量分布密度曲线。

上述生产异型坯的连铸机的喷嘴布置系统基于异型坯传热模型和喷嘴布置设计工具，通过调整冷却区段的划分和喷嘴的空间分布，实现铸坯表面温度均匀，从而评估二冷喷淋系统的设计，进而改进铸坯质量。

如图8和9所示，异型坯包括翼缘、腹板，连接翼缘和腹板的R角处，翼缘和R角处的表面为曲面，并带有一定的倾斜角度，喷嘴喷射角度在侧边垂直于铸坯表面，由于在内外弧一般有一定的倾斜角度，而且不同的喷嘴其高度也不一样，因此需要进行单独处理翼缘和R角处几何信息，计算区域为铸坯表面，也就是说铸坯的翼缘和R角处的网格采用角点向量得到网格的法向量，腹板处网格为矩形，垂直线即为腹板处网格的法线。

图7-图10是本发明生产异型坯的连铸机的喷嘴布置方法及系统的一个具体实施例的示意图，如图7所示，采用全弧型连铸机生产异型坯，所述全弧型连铸机包括3个扇形段和一个拉矫机段，二冷段分成5段设置在扇形段上，喷嘴布置在连铸机的支撑辊周围，优选地，从喷嘴辊间布置，翼缘处的支撑辊偏转角度越小，则喷嘴喷射在R角处的水流密度越大，铸坯越不容易发生鼓肚，进一步，优选地，在布置辊间喷嘴时，还根据喷嘴水流量分布调整喷嘴的安装位置，使的喷嘴的喷射中心线对准R角处，使水流密度最大的地方发生在R角处。

图7中各段的喷嘴初始布置如图8所示，采用图8所示的二冷段喷嘴布置生产异型坯，产生了铸坯表面温度不均匀，温度梯度大，在R角处产生鼓肚的现象，因此，根据铸坯表面温度曲线和铸坯水流面密度模拟图对各段的喷嘴进行了调整，调整后各段的喷嘴布置如图9所示，1段二冷区的内冷却回路n和外冷却回路w的喷嘴数由2个变为3个，左冷却回路z和右冷却回路y的喷嘴数由1个变为2个，且改进了喷嘴间的间距和高度，2段、4段和5段二冷区对喷嘴的间距和高度进行了调整，3段二冷区内冷却回路和外冷却回路的喷嘴数由1个变为2个，且改进了喷嘴间的间距和高度。

以1段二冷区铸坯表面温度曲线和铸坯水流面密度模拟图为例对上述喷嘴的设置参数修改过程进行说明，图10a和10b分别示出了改造前1段二冷区内冷却回路和左冷却回路的铸坯水流面密度模拟图，图10c和10d分别示出了改造后1段二冷区内冷却回路和左冷却回路的铸坯水流面密度模拟图，图10a-10d的x轴为异形坯宽度方向长度，单位为m，y轴为异形坯厚度方向长度，单位m，z轴为拉坯方向距弯月面距离，单位为m，图10e示出了改造前后1段二冷区水流面密度的对比图，横坐标为异形坯表面网格序号，纵坐标为水流密度，单位m^3/(m^2s),图10f示出了改造前后1段二冷区铸坯表面温度的对比图，横坐标为异形坯表面网格序号，纵坐标为温度，单位℃，从10a、10b、10e和10f可以看出，喷嘴的设置参数改造前，铸坯腹板处的水流面密度变化剧烈，容易产生裂纹，1段二冷区的铸坯表面温度梯度较大，温度不均匀，因此，在增加内、外冷却回路的喷嘴的同时，不能降低R处的水流密度，如图8和9所述，将1段2冷区的内、外冷却回路的喷嘴由2个改为3个，且三个喷嘴的喷射中心线均位于R角处的弧面上，为了保证铸坯内外表面和左右表面的铸坯表面温度变化均匀，在左、右冷却回路分别增加1个喷嘴，如图10c、10d、10e和10f所示，改造后R角处的水流面密度较改进前增大，降低了鼓肚发生的概率，改造后铸坯腹板处的水流面密度变化平稳，防止了裂纹的产生，改进后1段二冷区的铸坯表面温度梯度更小，温度更均匀，更有利于铸坯质量提高。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。