一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统和方法与流程

本发明属于冶金连铸设备技术领域，具体涉及一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统和方法。

背景技术：

在板坯连铸机的生产中，需根据生产的钢种、拉速的变化合理地调整结晶器铜板冷却水流量，改变其在铜板水缝中的对流换热系数，从而达到调整结晶器冷却强度的目的。冷却水在结晶器铜板水缝中的对流换热系数的合理性和科学性是保证良好铸坯表面质量的关键。

通常，在制定结晶器铜板冷却水流量变化规则的时候，将冷却水的温度视为恒定值(一般为35℃)，并未考虑结晶器铜板冷却水的供水温度变化所带来的影响；实际上，结晶器铜板冷却水的供水温度因天气、环境、生产的不同阶段等多方面因素的影响会发生较大变化；在这个过程中，由于水的物理属性随温度的变化而发生变化，即便在相同冷却水流量的条件下，冷却水在结晶器铜板水缝中的对流换热系数也会因供水温度的不同而有所不同，从而导致结晶器的冷却强度偏离了预定值；尤其在在生产热裂纹敏感的钢种时，若结晶器铜板冷却水的供水温度变化较大，则铸坯表面出现裂纹的几率明显上升，给后续的工艺过程埋下了更多隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，克服现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，避免了因结晶器铜板冷却水供水温度的变化而导致结晶器的冷却强度偏离预定值的现象发生；降低了热裂纹敏感的钢种表面裂纹产生的几率，进一步提高了铸坯的表面质量。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，包括结晶器铜板冷却水水量计算模块、tmean处理模块、水量控制模块、进水温度传感器、出水温度传感器、电磁流量计、气动调节阀；

所述进水温度传感器和出水温度传感器均与tmean处理模块电连接，所述tmean处理模块用于实时接收进水温度传感器和出水温度传感器的信号并计算出结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，所述电磁流量计、结晶器铜板冷却水水量计算模块和气动调节阀均与水量控制模块电连接，所述水量控制模块用于实时接收结晶器铜板冷却水水量计算模块发出的水量信息和电磁流量计实际测量的水量信息，并根据二者之间的差异向气动调节阀发出调节控制信号，所述tmean处理模块与结晶器铜板冷却水水量计算模块电连接。

所述气动调节阀、电磁流量计、进水温度传感器依次设于结晶器铜板冷却水水箱的出水口和结晶器铜板进水口之间的管线上，所述出水温度传感器设于结晶器铜板出水口和结晶器铜板冷却水水箱的进水口之间的管线上。

所述结晶器铜板冷却水水量计算模块用于实时获取tmean，根据结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws、结晶器铜板水缝的数量n、结晶器铜板冷却水对流换热系数目标值haim计算出当前应当供给结晶器铜板的冷却水水量，并将该水量信息发送给水量控制模块。

所述气动调节阀与结晶器铜板冷却水水箱之间设有泵。

所述结晶器铜板出水口和结晶器铜板冷却水水箱的进水口之间的管线上依次设有出水温度传感器、结晶器铜板冷却水散热器。

一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，使用稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，包括以下步骤：

步骤1)tmean处理模块通过进水温度传感器和出水温度传感器分别获取当前结晶铜板冷却水的进水温度tin和出水温度tout，并计算出结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean；

步骤2)结晶器铜板冷却水水量计算模块通过tmean处理模块实时获取tmean，根据结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws、结晶器铜板水缝的数量n、结晶器铜板冷却水对流换热系数目标值haim计算出当前应当供给结晶器铜板的冷却水水量q，并将该水量信息发送给水量控制模块；

步骤3)水量控制模块实时接收结晶器铜板冷却水水量计算模块发出的水量信息q和电磁流量计实际测量的水量信息，并根据二者之间的差异向气动调节阀发出调节控制信号，通过调节供给结晶器铜板的冷却水水量控制结晶器铜板冷却水对流换热系数稳定为目标值haim。

步骤2)中结晶器铜板冷却水水量计算模块计算出当前应当供给结晶器铜板的冷却水水量q过程如下：

步骤(1)实时获取结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean；

步骤(2)根据结晶器铜板水缝的数量n、结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws计算出单个结晶器铜板水缝的水力直径dh；

步骤(3)设定三个变量qup、qdown和qcur，令qup＝qmax、qdown＝0、qcur＝0.5(qup+qdown)；其中，qmax为结晶器铜板冷却水设定最大水量，m³/s；

步骤(4)根据结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，用qcur计算结晶器铜板水缝中冷却水的流速v，结晶器铜板冷却水对应的雷诺数red(tmean,v)、结晶器铜板冷却水对应的努塞尔数nud(tmean,v)及结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)；

步骤(5)将结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)与结晶器铜板冷却水对流换热系数haim进行对比，若hcur(tmean,v)＜haim，则设定qdown＝qcur，qcur＝0.5(qup+qdown)，若hcur(tmean,v)＞haim，则设定qup＝qcur，qcur＝0.5(qup+qdown)，重复步骤(4)直到haim-δhdown≤h(tmean,v)≤haim+δhup或(qup-qdown)＜δq，然后让q＝qcur；

其中，δhdown为结晶器铜板冷却水对流换热系数目标下偏差，w·m^-2·k^-1；δhup为结晶器铜板冷却水对流换热系数目标上偏差，w·m^-2·k^-1；

步骤(6)获取当前结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，若本次的tmean相对于上次tmean发生的改变超过结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度许可偏差δtmean，则重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，否则水量不再进行调整。

铜板水缝的水力直径dh计算式如下：

结晶器铜板水缝中冷却水的流速v计算式如下：

结晶器铜板冷却水对应的雷诺数red(tmean,v)计算式如下：

式中，ν(tmean)为水的运动粘度关于温度的函数，m²·s^-1；

结晶器铜板冷却水对应的努塞尔数nud(tmean,v)计算式如下：

式中，f为结晶器铜板水缝的摩擦因子，无量纲；prd(tmean)为水的普朗特数关于温度的函数，无量纲。

结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)计算式如下：

式中，k(tmean)为水的导热系数关于温度的函数，w·m^-1·k^-1。

结晶器铜板水缝的摩擦因子f的计算式如下：

f(tmean,v)＝(0.790lnred(tmean,v)-1.64)^-2

水的普朗特数关于温度的函数prd(tmean)如下式：

式中，ρ(tmean)为水的密度关于温度的函数，kg/m^-3；cp(tmean)为水的比热容关于温度的函数，j·kg^-1·k^-1；ν(tmean)为水的运动粘度关于温度的函数m²/s。

本发明的有益效果是：

本发明通过动态调整结晶器铜板冷却水的水量来实时平衡和消除冷却水温变化带来的影响，避免了因结晶器铜板冷却水供水温度的变化而导致结晶器的冷却强度偏离预定值的现象发生；降低了热裂纹敏感的钢种表面裂纹产生的几率，进一步提高了铸坯的表面质量。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1本发明系统的原理图；

图2水的导热系数与温度的关系；

图3是水的密度与温度的关系；

图4是水的比热与温度的关系；

图5是水的运动黏度与温度的关系；

图6是水的普朗特数与温度的关系；

图7是结晶器铜板冷却水对流换热系数与tmean的关系；

图8是结晶器内外弧铜板与铸坯关系的横断面示意图。

附图标记说明：

1、结晶器铜板冷却水水箱；2、泵；3、气动调节阀；4、电磁流量计；5、水量控制模块；6、结晶器铜板冷却水水量计算模块；7、tmean处理模块；8、进水温度传感器；9、出水温度传感器；10、结晶器铜板；11、结晶器铜板冷却水散热器；12、铸坯；13、结晶器外弧铜板；14、结晶器内弧铜板；15、结晶器铜板水缝。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，包括气动调节阀3、电磁流量计4、水量控制模块5、结晶器铜板冷却水水量计算模块6、tmean处理模块7、进水温度传感器8、出水温度传感器9；

所述进水温度传感器8和出水温度传感器9均与tmean处理模块7电连接，所述tmean处理模块7用于实时接收进水温度传感器8和出水温度传感器9的信号并计算出结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，所述电磁流量计4、结晶器铜板冷却水水量计算模块6和气动调节阀3均与水量控制模块5电连接，所述水量控制模块5用于实时接收结晶器铜板冷却水水量计算模块6发出的水量信息和电磁流量计4实际测量的水量信息，并根据二者之间的差异向气动调节阀3发出调节控制信号，所述tmean处理模块7与结晶器铜板冷却水水量计算模块6电连接。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，所述气动调节阀3、电磁流量计4、进水温度传感器8依次设于结晶器铜板冷却水水箱1的出水口和结晶器铜板进水口之间的管线上，所述出水温度传感器9设于结晶器铜板10出水口和结晶器铜板冷却水水箱1的进水口之间的管线上。

如图1所示，所述气动调节阀3与结晶器铜板冷却水水箱1之间设有泵2。

所述结晶器铜板10出水口和结晶器铜板冷却水水箱1的进水口之间的管线上依次设有出水温度传感器9、结晶器铜板冷却水散热器11。

其中，结晶器铜板冷却水水量计算模块6用于实时获取tmean，根据结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws、结晶器铜板水缝15的数量n、结晶器铜板冷却水对流换热系数目标值haim计算出当前应当供给结晶器铜板的冷却水水量，并将该水量信息发送给水量控制模块5。

实施例3：

本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，使用实施例1提供的稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的系统，包括以下步骤：

步骤1)tmean处理模块7通过进水温度传感器8和出水温度传感器9分别获取当前结晶铜板冷却水的进水温度tin和出水温度tout，并计算出结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean；

步骤2)结晶器铜板冷却水水量计算模块通过tmean处理模块7实时获取tmean，根据结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws、结晶器铜板水缝15的数量n、结晶器铜板冷却水对流换热系数目标值haim计算出当前应当供给结晶器铜板的冷却水水量q，并将该水量信息发送给水量控制模块5；

步骤3)水量控制模块5实时接收结晶器铜板冷却水水量计算模块6发出的水量信息q和电磁流量计4实际测量的水量信息，并根据二者之间的差异向气动调节阀3发出调节控制信号，通过调节供给结晶器铜板的冷却水水量控制结晶器铜板冷却水对流换热系数稳定为目标值haim。

本发明通过动态调整结晶器铜板冷却水的水量来实时平衡和消除冷却水温变化带来的影响，避免了因结晶器铜板冷却水供水温度的变化而导致结晶器的冷却强度偏离预定值的现象发生；降低了热裂纹敏感的钢种表面裂纹产生的几率，进一步提高了铸坯的表面质量。

实施例4：

在实施例3的基础上，本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，步骤2)中结晶器铜板冷却水水量计算模块6计算出当前应当供给结晶器铜板10的冷却水水量q过程如下：

步骤(1)实时获取结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean；

步骤(2)根据结晶器铜板水缝15的数量n、结晶器铜板单个水缝的横截面面积aws、结晶器铜板单个水缝的横截面周长pws计算出单个结晶器铜板水缝的水力直径dh；

步骤(3)设定三个变量qup、qdown和qcur，令qup＝qmax、qdown＝0、qcur＝0.5(qup+qdown)；其中，qmax为结晶器铜板冷却水设定最大水量，m³/s；

步骤(4)根据结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，用qcur计算结晶器铜板水缝中冷却水的流速v，结晶器铜板冷却水对应的雷诺数red(tmean,v)、结晶器铜板冷却水对应的努塞尔数nud(tmean,v)及结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)；

步骤(5)将结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)与结晶器铜板冷却水对流换热系数haim进行对比，若hcur(tmean,v)＜haim，则设定qdown＝qcur，qcur＝0.5(qup+qdown)，若hcur(tmean,v)＞haim，则设定qup＝qcur，qcur＝0.5(qup+qdown)，重复步骤(4)直到haim-δhdown≤h(tmean,v)≤haim+δhup或(qup-qdown)＜δq，然后让q＝qcur；

其中，δhdown为结晶器铜板冷却水对流换热系数目标下偏差，w·m^-2·k^-1；δhup为结晶器铜板冷却水对流换热系数目标上偏差，w·m^-2·k^-1；

步骤(6)获取当前结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean，若本次的tmean相对于上次tmean发生的改变超过结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度许可偏差δtmean，则重复步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)，否则水量不再进行调整。

实施例5：

在实施例4的基础上，本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，铜板水缝的水力直径dh计算式如下：

结晶器铜板水缝中冷却水的流速v计算式如下：

结晶器铜板冷却水对应的雷诺数red(tmean,v)计算式如下：

式中，ν(tmean)为水的运动粘度关于温度的函数，m²·s^-1；如图5所示；

结晶器铜板冷却水对应的努塞尔数nud(tmean,v)计算式如下：

式中，f为结晶器铜板水缝的摩擦因子，无量纲；prd(tmean)为水的普朗特数关于温度的函数，无量纲。

其中，结晶器铜板水缝的摩擦因子f的计算式如下：

f(tmean,v)＝(0.790lnred(tmean,v)-1.64)^-2

水的普朗特数关于温度的函数prd(tmean)如下式：

式中，ρ(tmean)为水的密度关于温度的函数，kg/m^-3；cp(tmean)为水的比热容关于温度的函数，j·kg^-1·k^-1；ν(tmean)为水的运动粘度关于温度的函数m²/s。分别如图3、图4和图5所示。水的普朗特数关于温度的函数如图6所示。

实施例6：

在实施例4的基础上，本实施例提供了一种稳定结晶器铜板冷却水对流换热系数的方法，结晶器铜板冷却水对流换热系数hcur(tmean,v)计算式如下：

式中，k(tmean)为水的导热系数关于温度的函数，w·m^-1·k^-1。如图2所示。

实施例7：

本实施例根据现场具体工况，采用本发明方法将结晶器铜板冷却水对流换热系数稳定在目标值haim。

如图7所示，本实施例中haim(15000w·m^-2·k^-1)为水平线，不同的结晶器铜板冷却水流量(分别为2500l/min、2750l/min、3000l/min)在不同的温度下所对应的对流换热系数为一系列曲线，它们各自对应的对流换热系数都随温度的升高而升高。

如图7所示，假定当前结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean为41.5℃、结晶器铜板冷却水流量为2750l/min时，对应的对流换热系数为目标值，即haim＝15000w·m^-2·k^-1；若结晶器铜板冷却进水和出水的平均温度tmean降低到33.5℃，若还是维持2750l/min冷却水流量，则对应对流换热系数会低于目标值haim，此时可通过将冷却水的流量提升到3000l/min，而使对应的对流换热系数稳定在目标值haim；若结晶器铜板冷却水进水和出水的平均温度tmean上升到52.5℃时，若还是维持2750l/min冷却水流量，则对应对流换热系数会高于目标值haim，此时可通过将冷却水的流量降低到2500l/min而使对应的对流换热系数稳定在目标值haim。

本发明的目的是针对板坯连铸机结晶器铜板冷却水的供水温度受天气、环境、生产的不同阶段等多方面因素的影响会发生较大变化，由于水的物理属性(导热系数、动力黏度、比热、密度等)在不同的温度下而有所不同，即便在相同冷却水流量的条件下，冷却水在结晶器铜板水缝中的对流换热系数也会因供水温度的不同而有所不同，从而导致结晶器的冷却强度偏离了预定值；尤其在生产热裂纹敏感的钢种时，铸坯表面出现裂纹的几率明显上升，给后续的工艺过程埋下了更多隐患的情况。

如图8所示，结晶器铜板为铸坯提供支撑并对其进行冷却，结晶器铜板10包括结晶器外弧铜板13和结晶器内弧铜板14，结晶器外弧铜板13和结晶器内弧铜板14上均有多个结晶器铜板水缝15。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。