一种铸坯凝固结构的确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种铸坯凝固结构的确定方法，属于冶金行业连铸生产技术领域。本发明的铸坯凝固结构的确定方法，包括以下步骤：(A)初始参数确定；(B)射钉试验；(C)铸坯表面测温；(D)模型选择；(E)实测模型；(F)数学模型。本发明发现并且克服了现有技术中对于“射钉法”测量连铸凝固坯壳厚度的技术偏见，提供了一种铸坯凝固结构的确定方法，能够科学精确地测定连铸坯凝固坯壳厚度等参数，且适合任意钢种铸坯凝固结构的确定，对连铸生产技术领域具有显著的借鉴和指导意义。
【专利说明】
一种铸坯凝固结构的确定方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金行业连铸生产技术领域，更具体地说，涉及一种铸坯凝固结构的 确定方法。
【背景技术】
[0002] 铸坯在二冷区一定位置的凝固坯壳厚度，是连铸中一项十分重要的工艺参数。测 定铸坯坯壳厚度和液相穴终点的方法有很多种，如"坯壳穿刺法"、"板坯鼓肚法"、"电磁超 声波法"以及"射钉法"等，但各有利弊。"坯壳穿刺法"的优点是结果直观准确，缺点是对连 铸生产影响大，且只能在结晶器出口坯壳较薄的地方实施，仅能获取不太精确的固相厚度 数据；"板坯鼓肚法"的优点是操作简单，缺点是对生产有影响，仅能获得固相坯壳厚度；"电 磁超声波法"的优点是对生产无干扰，但结果的精确度有待提高；"射钉法"的优点是对生产 几乎无干扰，成本低，装置简单，便于携带，缺点是具有一定的危险性。鉴于上述各种方法的 优缺点，目前，广大企业和科研院所在测定铸坯坯壳厚度时普遍采用的是"射钉法"。
[0003] 用"射钉法"测定铸坯凝固坯壳的厚度，是将作为示踪材料的钢钉击入正在凝固的 铸坯，然后在铸坯相应位置取样进行解剖分析。射钉试验的主体设备由射钉枪和激发器组 成。射钉枪的中部靠近前端的位置安装射钉专用的钢钉，钢钉的两侧上设有沿钢钉长度方 向的硫槽，硫槽中有硫化铁。低熔点的硫化物在射钉进入铸坯液相穴中后迅速扩散，从而能 够用硫印或低倍酸浸的方法显示硫化物的扩散情况进而测量得到坯壳厚度。
[0004] 现有技术中关于"射钉法"应用的相关技术方案，已有大量公开:例如专利公开号： CN 101992281A，【公开日】：2011年3月30日，发明创造名称为：一种连铸坯壳厚度测量方法及 其装置，该申请案公开了一种连铸坯壳厚度测量方法及其装置，利用连续布置的至少两个 射钉枪，通过准确计算和控制每一次开枪时刻，使射出的射钉集中于设定位置，实现剖析后 对铸坯各时刻坯壳厚度的测量，该申请案尤其适用于弧形连铸机的坯壳厚度检测。
[0005] 使用"射钉法"虽然从理论上能够比较准确地得知连铸凝固坯壳厚度的变化，而且 国内外的炼钢厂也大多数采用上述"射钉法"测量铸坯凝固坯壳厚度，但是，发明人在实际 使用"射钉法"测量坯壳厚度时，经过与其他测量铸坯凝固坯壳厚度的方法进行对比试验发 现，采用上述"射钉法"测量坯壳厚度时，有时候会出现测量出的凝固坯壳厚度值精确度较 差的问题，造成这钟现象的具体原因发明人百思不得其解。
[0006] 现有技术中还存在对"射钉法"进行改进来测量连铸坯壳厚度的技术方案公开，例 如专利公开号:CN 103940351A，【公开日】：2014年3月30日，发明创造名称为:射钉试样精确判 断铸坯坯壳厚度原位分析方法，该申请案公开了一种射钉试样精确判断铸坯坯壳厚度原位 分析方法，属于连铸技术领域。该申请案的原位分析方法是将射钉试样加工成50~90mm X 80~150mm的原位分析试样并进行连续光谱扫描分析，根据各元素浓度沿钉身方向的变化 规律，定量、精确地判断连铸坯固相区以及两相区不同液相率区域之间的界限，研究凝固末 端铸坯内部的流动和扩散情况并对各种元素的含量分布和基体致密度进行分析，可以精确 获得连铸二冷过程指定位置处铸坯坯壳厚度、两相区不同液相率区域的宽度。该申请案虽 然能精确获得指定位置处铸坯坯壳厚度，但是操作复杂，同时采用光谱扫描的成本较高。
[0007] 综上所述，如何采用"射钉法"简单、低成本且精确地测量出凝固坯壳厚度值，是现 有技术中亟需解决的一大技术难题。
【发明内容】
[0008] 1.发明要解决的技术问题
[0009] 本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供了一种铸坯凝固结构的确定 方法，能够简单、低成本且精确地测量出凝固坯壳厚度值等参数。
[0010] 2.技术方案
[0011]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0012] 本发明的铸坯凝固结构的确定方法，包括以下步骤：
[0013] (A)初始参数确定；
[0014] (B)射钉试验；
[0015] (C)铸坯表面测温；
[0016] (D)模型选择；
[0017] (E)实ii模型；
[0018] (F)数学模型。
[0019] 作为本发明更进一步的改进，步骤(A)中，根据铸坯的材质和射钉的材质，分别计 算得到铸坯的固相线温度Ts和射钉的固相线温度Td。
[0020] 作为本发明更进一步的改进，步骤(B)中，采用射钉装置对铸坯进行射钉操作，并 测得射入的射钉保留在铸坯中的完整长度Ld。
[0021] 作为本发明更进一步的改进，步骤(C)中，使用测温装置测量射钉处铸坯表面温度 Tbi〇
[0022] 作为本发明更进一步的改进，步骤(D)中，1)当Ts 2 Td时，进入步骤(E); 2)当Ts<Td 时，进入步骤(F)。
[0023] 作为本发明更进一步的改进，步骤(E)中，铸坯射钉位置的坯壳厚度Lz = Ld。
[0024] 作为本发明更进一步的改进，步骤(F)中，1)编制铸坯凝固与传热数学模型；2)选 择射钉处铸坯表面一点Μ和铸坯中距射钉处铸坯表面距离为Ld处的一点W;3)在铸坯厚度方 向划分网格;4)将射钉操作时的实际工况参数输入上述数学模型，并通过Μ点和W点的参数 值校正上述数学模型;5)根据校正后数学模型的计算结果，确定铸坯凝固结构。
[0025] 作为本发明更进一步的改进，步骤(F)的第1)分步骤中，铸坯凝固与传热数学模型 为：
[0026]
[0027]
[0028] 式中，Τ:铸坯温度，K;t:时间，s;P:密度，kg · m-3;λ:热传导系数，W · πΓ1 · K-SCp: 比热，J · KgH ·厂^八和心均为T的函数;Tm:纯铁的熔点，K;TL:铸坯的液相线温度，K;L:铸 坯凝固潜热，J · KgH; fs，固相率；
[0030]
[0029] 边界条件为：
[0031]
[0032]
[0033] 式中，η:坐标X或系数;Lm:结晶器有效长度，m;V:拉速，m · mif Shz:二次 冷却综合换热系数；ε :表面黑度系数;Tb:铸坯表面温度，K; Tw:冷却水温度，K;Ta:环境空气 温度，K;〇:斯蒂芬波尔兹曼常数;h' ：空冷区对流换热系数，W · πΓ2 · ΙΓ1。
[0034] 作为本发明更进一步的改进，步骤(F)的第3)分步骤中，在铸坯厚度方向划分Ν个 网格，则铸坯表面处为第一个网格，该第一个网格处表示的厚度为〇,铸坯中心处为第Ν个网 格，铸坯厚度为Ds，则第Ν个网格处表示的厚度为假设距铸坯表面Ld处的网格数为第Κ 个，则第K个网格处表示的厚度为 2iV
[0035] 步骤(F)的第4)分步骤中，计算得到Μ点和W点以坐标形式表达的参数值M(1，Tbl)、W (K，Td)，利用上述参数值校正铸坯凝固与传热数学模型，上述坐标形式为(所在点处于第几 个网格，所在点温度值）。
[0036] 作为本发明更进一步的改进，步骤(F)的第5)分步骤中，根据校正后数学模型的计 算结果，在铸坯断面的温度场中以铸坯的固相线温度位置距铸坯表面的距离作为铸坯射钉 位置的坯壳厚度L z，以铸坯的固相线温度位置距铸坯的液相线温度位置作为固液两相区距 离，以铸坯的液相线温度位置距铸坯中心处的距离作为液芯厚度。
[0037] 3.有益效果
[0038] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
[0039] (1)本发明发现并且克服了现有技术中对于"射钉法"测量连铸凝固坯壳厚度的技 术偏见，提供了一种铸坯凝固结构的确定方法，能够科学精确地测定连铸坯凝固坯壳厚度 等参数，且适合任意钢种铸坯凝固结构的确定，对连铸生产技术领域具有显著的借鉴和指 导意义。
[0040] (2)本发明的铸坯凝固结构的确定方法，不需要改变现有生产工艺，不影响正常的 生产，对铸坯及设备无污染，测量成本低，操作简单，经济实用。
【附图说明】
[0041] 图1为现有技术中射钉硫印示意图；
[0042]图2为铸坯材质为Q345的射钉硫印示意图；
[0043] 图3为铸坯材质为GCrl5的射钉硫印示意图；
[0044] 图4为在铸坯厚度方向划分网格后的射钉硫印示意图；
[0045] 图5为本发明的铸坯凝固结构的确定方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 如图1所示，通过分析射钉硫印图，现有技术中根据射钉的外形变化将铸坯内部分 为三个区域:A区域，在此区域中射钉保持了其原来的外形，硫化物没有扩散;B区域，在此区 域中射钉周边有小部分熔化硫化物开始向四周扩散，但内部组织仍与坯壳组织不同；C区 域，在此区域中射钉完全熔化，硫化物充分扩散，组织也已改变为与坯壳相同的组织。对于 如何根据射钉外形确定坯壳厚度，NKK公司的T · Kawawa等曾进行了较系统的研究，现有技术 中也基本采用与其相同的方法，即将图1中B区域与C区域的边界线视为铸坯的液相线，A区 域与B区域的边界线视为铸坯的固相线，因此，现有的"射钉法"以测量A区域的厚度来作为 凝固坯壳厚度的测量值。（图1中的T代表铸坯温度，铸坯内部越靠近中心位置温度越高）
[0047] 但是，发明人在实际使用"射钉法"测试坯壳厚度时，经过与其他测量铸坯凝固坯 壳厚度的方法进行对比试验发现，采用上述"射钉法"测量坯壳厚度时，有时候会出现测量 出的凝固坯壳厚度值精确度较差的问题，尤其是采用上述"射钉法"测量轴承钢的坯壳厚度 时，经常发现测量出的凝固坯壳厚度值与实际值存在较大的偏差。发明人经过大量实验数 据的对比，发现产生上述偏差的原因很可能是铸坯钢种的不同，具体原因分析如下：
[0048]现有"射钉法"中射钉的材质是中碳钢60Si2Mn(由于国内生产射钉的企业寥寥可 数，射钉的材质长期以来是固定的），其固相线温度Td为1354 如图2所示，对于固相线 温度明显大于Td的铸坯，如Q345固相线温度为1472Γ，当铸坯内温度低于1472Γ时，铸坯凝 固，射钉进入此处后，虽然会熔融，但由于没有空间流走，所以在后续的降温过程中，又会凝 固成射钉形状，得到射钉硫印图后，也可认为A区域中钢钉完整的外形显示的是此位置坯壳 的厚度；（2)如图3所示，对于固相线温度明显小于Td的铸坯，如轴承钢GCrl5固相线温度为 1314°C，当铸坯内温度高于1314°C且低于1354 °C时，此处为GCrl5固液两相区，但射钉进入 此处后不会被熔融，仍保持原有外形，得到射钉硫印图后，显然不能认为此时A区域中射钉 完整的外形显示的是坯壳的厚度，此时，坯壳的厚度应该为图3中A'区域的厚度。由上述分 析可知，当铸坯材质的固相线温度与射钉材质固相线温度的相对关系不同时，A区域的厚度 不一定能直接代表坯壳的厚度，这也是现有的"射钉法"测量凝固坯壳厚度值时经常与实际 值存在较大偏差的主要原因；而现有技术中，国内外很多炼钢厂因为种种原因（例如对坯壳 厚度测量值的精确度要求不是很高或者长久以来的思维定势等），依旧从理论上相信采用 上述"射钉法"能够比较准确地测量连铸凝固坯壳厚度，这其实是长久以来的一个技术偏 见，而本发明不仅从理论上揭示了这个技术偏见，而且提出了相应的具体解决方案，对连铸 生产技术领域具有显著的借鉴和指导意义。
[0049] 上述相应的具体解决方案如下，本发明的铸坯凝固结构的确定方法，包括以下步 骤(参考图5):
[0050] (A)初始参数确定:根据铸坯的材质和射钉的材质，分别计算得到铸坯的固相线温 度Ts和射钉的固相线温度Td;(-旦明确钢种，即可方便地计算出其固相线温度、液相线温度 等参数）
[0051] (B)射钉试验：采用射钉装置对铸坯进行射钉操作，经过相关处理后，测得射入的 射钉保留在铸还中的完整长度Ld;
[0052] (C)铸坯表面测温:使用红外测温装置测量射钉处铸坯表面温度Tbl;
[0053] (D)模型选择：
[0054] 1)当Ts 2 Td时，进入步骤(E);由上面的分析可知，此种情况下，Ld能够真实的反反 映铸坯射钉位置的坯壳厚度;2)当Ts<Td时，进入步骤(F);由上面的分析可知，此种情况下， Ld不能真实的反映铸坯射钉位置的坯壳厚度值，但是通过Ld可以准确地反映一个实测的温 度点数据(即图4中W点），通过该点能够对后面的数学模型进行校正。
[0055] (E)实测模型:铸坯射钉位置的坯壳厚度Lz = Ld，此时，铸坯凝固结构的确定与现有 技术中的"射钉法" 一致，铸坯的其他参数可采用现有的"射钉法"得出；
[0056] (F)数学模型：步骤(F)中，1)编制铸坯凝固与传热数学模型；其中，铸坯凝固与传 热数学模型为：
[0057]
[0058]
[0059] 式中，T:铸坯温度，K;t:时间，s;P:密度，kg · πΓ3;λ:热传导系数，W · πΓ1 · K+^Cp: 比热，J · KgH · 均为T的函数;Tm:纯铁的熔点，K;TL:铸坯的液相线温度，K;T S: 铸坯的固相线温度，K;L:铸坯凝固潜热，J · KgH;fs，固相率；
[0060] 边界条件为：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 式中，η:坐标X或y，m;i31:系数(不同的结晶器，?Μ直有所不同，对于具体的连铸机， 可以通过现场实测数据计算出）；L m:结晶器有效长度，m;V:拉速，n^mirTShz:二次冷却综 合换热系数;ε:表面黑度系数(即铸坯表面辐射率）；T b:铸坯表面温度，K;TW:冷却水温度，K; Ta:环境空气温度，K; σ:斯蒂芬波尔兹曼常数，5.67 X 10、· πΓ2 · K_4;h ' ：空冷区对流换热 系数，W.m-2 ·Κ-、
[0065] 2)如图4，选择射钉处铸坯表面一点Μ和铸坯中距射钉处铸坯表面距离为Ld处的一 点W;易知:Μ点距铸坯表面的距离为0，Μ点的温度为T bl; W点距铸坯表面的距离为Ld，W点的温 度为Td(由于从铸坯表面向铸坯中心位置方向，温度越来越高，与此同时，从W点向铸坯表面 方向，射钉保持完整外形，即射钉未熔化，从W点向铸坯中心位置方向，射钉开始熔化，因此， 说明W点的温度必然为Td);
[0066] 3)在铸坯厚度方向划分网格，具体为:在铸坯厚度方向划分N个网格，则铸坯表面 处为第一个网格，该第一个网格处表示的厚度为〇,铸坯中心处为第N个网格，铸坯厚度为 Ds，则第N个网格处表示的厚度为$，假设距铸坯表面Ld处的网格数为第K个，则第K个网格 处表示的厚度为# 2N
[0067] 4)将射钉操作时的实际工况参数输入上述数学模型，并通过Μ点和W点的参数值校 正上述数学模型（主要是校正、确定其中的hz和〇,具体为：计算得到Μ点和W点以坐标形式 表达的参数值1(1，1^1)、1(1(，了(1)，利用上述参数值校正铸坯凝固与传热数学模型，上述坐标 Ds 形式为(所在点处于第几个网格，所在点温度值）；其中，=二/，由于DS、N和Ld均为已知参 2N 数，因此可计算出K的值。
[0068] 5)根据校正后数学模型的计算结果，确定铸坯凝固结构，具体为:根据校正后数学 模型的计算结果，在铸坯断面的温度场中以铸坯的固相线温度位置距铸坯表面的距离作为 铸坯射钉位置的坯壳厚度Lz，以铸坯的固相线温度位置距铸坯的液相线温度位置作为固液 两相区距离，以铸坯的液相线温度位置距铸坯中心处的距离作为液芯厚度。
[0069] 本发明发现并且克服了现有技术中对于"射钉法"测量连铸凝固坯壳厚度的技术 偏见，提供了一种铸坯凝固结构的确定方法，能够科学精确地测定连铸坯凝固坯壳厚度等 参数，且适合任意钢种(高、中、低碳等钢种)铸坯凝固结构的确定，对连铸生产技术领域具 有显著的借鉴和指导意义。
[0070] 本发明的铸坯凝固结构的确定方法，不需要改变现有生产工艺，不影响正常的生 产，对铸坯及设备无污染，测量成本低，操作简单，经济实用。
[0071] 为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。以下是本发明给 出的实施例，需要说明的是，本发明包括但不限于以下实施例。
[0072] 实施例1
[0073] 本实施例的连铸机为圆坯连铸机，浇铸断面380mm，浇铸钢种轴承钢GCrl 5，根据成 分计算铸坯的固相线温度Ts= 1314°C，液相线温度TL= 1441°C。
[0074] 1)在连铸二冷段距离结晶器液面11.10m的位置安装射钉装置，射钉操作后割取坯 块，刨、磨加工后依次进行硫印、酸浸处理，测得射入的射钉保留在铸坯中的完整长度Ld = 103mm，根据射钉的材质60Si2Mn计算射钉的固相线温度Td= 1354°C ;
[0075] 2)射钉操作后，使用红外测温装置测量连铸机射钉处铸坯表面温度Tbl = 96rC;
[0076] 3)由于Ts<Td，此时Ld不能反映出铸坯射钉位置的坯壳真实厚度，本实施例中将射 钉操作时生产的实际工况参数输入铸坯凝固与传热数学模型，其中中包钢水温度=1478 °C、结晶器冷却水流量=3342L/min，拉速=0.47m/min，结晶器进口温度27.1°C，结晶器出 口温度32.5 °C，二冷冷却水量70L/min，并通过射钉处铸坯表面一点Μ和铸坯中距射钉处铸 坯表面距离为Ld处的一点W，来对铸坯凝固与传热数学模型进行校正，经过分析可知，Μ点和 W点的相关参数为准确值，因此能够对数学模型进行准确校正。（其中Μ点距离铸坯表面的距 离为〇，Μ点的温度为Tbl = 961°C;W点距离铸坯表面的距离为Ld，M点的温度为Td=1354°C)
[0077] 4)根据校正后数学模型的计算结果，在铸坯断面的温度场中以轴承钢的固相线温 度位置距铸坯表面的距离作为铸坯射钉位置的坯壳厚度L z = 87.4mm，以轴承钢的固相线温 度位置距轴承钢的液相线温度位置作为固液两相区距离：102.6mm，以轴承钢的液相线温度 位置距铸坯断面中心位置的距离作为液芯厚度:〇mm。
[0078] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技 术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:包括以下步骤： (A) 初始参数确定； (B) 射钉试验； (C) 铸坯表面测温； (D) 模型选择； (E) 实测模型； (F) 数学模型。2. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(A)中，根据铸坯 的材质和射钉的材质，分别计算得到铸坯的固相线温度Ts和射钉的固相线温度Td。3. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(B)中，采用射钉 装置对铸坯进行射钉操作，并测得射入的射钉保留在铸坯中的完整长度L d。4. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(C)中，使用测温 装置测量射钉处铸坯表面温度Tbl。5. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(D)中，1)当Ts 2 Td时，进入步骤(E); 2)当Ts<Td时，进入步骤(F)。6. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(E)中，铸坯射钉 位置的坯壳厚度Lz = Ld。7. 根据权利要求1所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(F)中，1)编制铸 坯凝固与传热数学模型；2)选择射钉处铸坯表面一点Μ和铸坯中距射钉处铸坯表面距离为 Ld处的一点W;3)在铸坯厚度方向划分网格;4)将射钉操作时的实际工况参数输入上述数学 模型，并通过Μ点和W点的参数值校正上述数学模型;5)根据校正后数学模型的计算结果，确 定铸坯凝固结构。8. 根据权利要求7所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于：步骤(F)的第1)分步 骤中，铸坯凝固与传热数学模型为：式中，Τ:铸坯温度，K;t:时间，s;P:密度，kg · πΓ3;λ:热传导系数，W · πΓ1 · [^(^比热， J · Kg4 · [^^和^均为T的函数;Tm:纯铁的熔点，Κ;?Υ:铸坯的液相线温度，K;L:铸坯凝 固潜热，J*Kg 4;fs，固相率； 边界条件为：式中，η:坐标x或y，m;0i:系数;Lm:结晶器有效长度，m;V:拉速，m · mirT^hz:二次冷却综 合换热系数；ε :表面黑度系数;Tb:铸坯表面温度，K;Tw:冷却水温度，K; Ta:环境空气温度，K; σ:斯蒂芬波尔兹曼常数;h' ：空冷区对流换热系数，W · πΓ2 · ΙΓ1。9. 根据权利要求8所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于：步骤(F)的第3)分步 骤中，在铸坯厚度方向划分Ν个网格，则铸坯表面处为第一个网格，该第一个网格处表示的 厚度为〇,铸坯中心处为第Ν个网格，铸坯厚度为Ds，则第Ν个网格处表示的厚度为假设 Ds 距铸坯表面Ld处的网格数为第K个，则第K个网格处表示的厚度为^ 步骤(F)的第4)分步骤中，计算得到Μ点和W点以坐标形式表达的参数值M(1，Tbl)、W(K， Td)，利用上述参数值校正铸坯凝固与传热数学模型，上述坐标形式为（所在点处于第几个 网格，所在点温度值）。10. 根据权利要求9所述的铸坯凝固结构的确定方法，其特征在于:步骤(F)的第5)分步 骤中，根据校正后数学模型的计算结果，在铸坯断面的温度场中以铸坯的固相线温度位置 距铸坯表面的距离作为铸坯射钉位置的坯壳厚度L z，以铸坯的固相线温度位置距铸坯的液 相线温度位置作为固液两相区距离，以铸坯的液相线温度位置距铸坯中心处的距离作为液 芯厚度。
【文档编号】B22D11/18GK105855495SQ201610214771
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】朱正海
【申请人】马鞍山尚元冶金科技有限公司