一种定量浇铸曲线的获取方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种定量浇铸曲线的获取方法及装置，其中，该方法包括:建立铜水流动过程的数学模型，以及建立浇铸工具对应的物理模型；对物理模型和数学模型进行离散化处理；确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件；通过基于Fluent软件的有限体积算法、物理模型、初始条件及边界条件对数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数据，并生成定量浇铸曲线。实现通过建立铜水流动过程的数学模型，准确描述了高温铜水在浇铸过程中的运动状态和温度变化，通过对该数学模型进行求解并对求解得到的数值进行仿真，得到浇铸精度很高的定量浇铸曲线，根据该定量浇铸曲线进行铜水的定量浇铸，大大提高了生产出的铜阳极板的质量。
【专利说明】
一种定量浇铸曲线的获取方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及铜冶炼及定量浇铸技术领域，尤其涉及一种定量浇铸曲线的获取方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 目前，铜冶炼过程中，定量浇铸技术直接影响着铜阳极板质量的好坏，而定量浇铸 曲线作为定量浇铸技术的核心，定量浇铸曲线设置的合理与否直接影响阳极板的质量和产 量。
[0003] 当前，在定量浇铸过程中，技术人员首先根据经验设定定量浇铸过程所需的浇铸 包和中间包的参数，当设定好各个参数后，圆盘浇铸机根据设定的参数生成定量浇铸曲线， 并根据该定量浇铸曲线控制铜水的定量浇铸过程，当定量浇铸曲线不满足浇铸精度要求 时，从而生产出的铜阳极板的质量不符合要求，此时，技术人员需要修改定量浇铸过程所需 的浇铸包和中间包的参数，以使生成的定量浇铸曲线符合满足浇铸精度要求，以使生产出 的铜阳极板符合质量要求。由于定量浇铸现场受高温、高尘、浓烟等恶劣环境的干扰，且定 量浇铸过程需要很多的人工干预，如此，导致根据设置的浇铸包和中间包的参数确定出的 定量浇铸曲线的准确性很低，根据准确性很低的定量浇铸曲线生产出的阳极板的质量很 低。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上 述问题的一种定量浇铸曲线的获取方法及装置。
[0005] 依据本发明的一个方面，提供了一种定量浇铸曲线的获取方法，所述方法包括：
[0006] 分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程的数学模型；
[0007] 获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物理模型；
[0008] 对所述物理模型和所述数学模型进行离散化处理；
[0009] 确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件；
[0010]通过基于Fluent软件的有限体积算法、所述物理模型、所述初始条件及所述边界 条件对所述数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数据， 所述Fluent软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件；
[0011]根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。
[0012] 可选地，所述分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程的 数学模型，包括：
[0013] 根据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，确定流动状态特征对应的参数和约 束条件；
[0014] 根据所述参数和所述约束条件，确定浇铸工具的流动状态特征对应的连续性方 程、动量方程、能量守恒方程、流体控制V0F方程、湍流模型k-ε方程和用户自定义UDF函数， 所述VOF方程表示体积分数分布和自由表面运动，k-ε方程表示流体的湍流流动，UDF函数方 程用于确定浇铸包与中间包的运动状态；
[0015] 通过所述连续性方程、所述动量方程、所述能量守恒方程、所述V0F方程、所述k-ε 方程和所述UDF函数实现铜水流动过程的三维仿真；
[0016] 将三维仿真后得到的各个模型，确定为定量浇铸过程的数学模型。
[0017] 可选地，所述对所述物理模型和所述数学模型进行离散化处理，包括：
[0018] 通过Meshing对所述物理模型进行网格划分，得到空间网格区域所述Meshing为 ANSYS软件中的划分网格功能单元；
[0019]通过控制方程离散技术将所述数学模型在所述空间网格区域上进行离散。
[0020] 可选地，所述确定初始条件和边界条件，包括：
[0021] 通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲线；
[0022] 通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程；
[0023] 将所述通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程，作为浇铸过 程的初始条件和边界条件。
[0024] 可选地，所述通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲线，包括：
[0025] 根据所述浇铸工具的运动状态，通过Profile文件设置各个时间点中间包和浇铸 包的运动速度，所述Profile文件是Fluent软件中一种指定边界运动的描述方式；
[0026] 判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件，以及分析 浇铸包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件;若中间包以及浇铸 包均满足预设浇铸条件，通过Profile文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系； 若否，不断增加时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。
[0027] 可选地，根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线，包括：
[0028] 对所述浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水的体积分数和速 度场；
[0029] 根据所述体积分数和所述速度场，确定中间包和浇铸包中铜水液面流动情况以及 铜阳极质量；
[0030] 根据所述铜水液面流动情况及所述铜阳极质量判断浇铸精度是否满足预设浇铸 精度;若是，根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间点与 速度的对应关系，根据所述离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运动曲 线，将所述浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定量浇铸曲线，若否，则修正UDF 函数，重新确定边界条件。
[0031] 依据本发明的另一个方面，提供了一种定量浇铸曲线的获取装置，所述装置包括：
[0032] 第一建立模块，用于分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动 过程的数学模型；
[0033]第二建立模块，用于获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物理 丰旲型；
[0034]处理模块，用于对所述物理模型和所述数学模型进行离散化处理；
[0035]确定模块，用于确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件；
[0036]计算模块，用于通过基于Fluent软件的有限体积算法、所述物理模型、所述初始条 件及所述边界条件对所述数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水 流动的数据，所述Fluent软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件； [0037]生成模块，用于根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。 [0038]可选地，所述确定模块包括：
[0039] 设置单元，用于通过用户自定义UDF函数设置浇铸工具的运动曲线；
[0040] 控制单元，通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程；
[0041] 第一确定单元，用于将所述通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运 动过程，作为浇铸过程的初始条件和边界条件。
[0042] 可选地，所述设置单元包括：
[0043]设置子单元，用于根据所述浇铸工具的运动状态，通过Profile文件设置各个时间 点中间包和饶铸包的运动速度，所述Profile文件是Fluent软件中一种指定边界运动的描 述方式；
[0044] 判断子单元，用于判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇 铸条件，以及分析浇铸包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件；
[0045] 生成子单元，若判断子单元判断中间包以及浇铸包均满足预设浇铸条件，用于通 过Prof i 1 e文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系；
[0046] 修正子单元，若判断子单元判断中间包或浇铸包不满足预设浇铸条件，用于不断 增加时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。
[0047] 可选地，生成模块包括：
[0048] 分析单元，用于对所述浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水 的体积分数和速度场；
[0049] 第二确定单元，用于根据所述体积分数和所述速度场，确定中间包和浇铸包中铜 水液面流动情况以及铜阳极质量；
[0050] 判断单元，用于根据所述铜水液面流动情况及所述铜阳极质量判断浇铸精度是否 满足预设浇铸精度；
[0051] 第三确定单元，若判断单元判断浇铸精度是否满足预设浇铸精度时，根据所述浇 铸包和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系；
[0052] 拟合单元，用于根据所述离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运 动曲线；
[0053]所述第三确定单元，用于将所述浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定 量浇铸曲线；
[0054]修正单元，用于判断单元判断浇铸精度不满足预设浇铸精度时，修正UDF函数，以 使重新确定边界条件。本发明提供的定量浇铸曲线的获取方法及装置，通过建立铜水流动 过程的数学模型，准确描述了高温铜水在浇铸过程中的运动状态和温度变化，通过对该数 学模型进行求解并对求解得到的数值进行仿真，可以得到浇铸精度很高的定量浇铸曲线， 根据该定量浇铸曲线进行铜水的定量浇铸，大大提高了生产出的铜阳极板的质量。
【附图说明】
[0055]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0056] 图1是本发明一种实施方式的一种定量浇铸曲线的获取方法的流程图；
[0057] 图2是本发明一种实施方式的确定定量浇铸过程的数学模型的流程图；
[0058] 图3是本发明一种实施方式的设置浇铸工具的运动曲线的流程图；
[0059] 图4是本发明一种实施方式的生成定量浇铸曲线的流程图；
[0060] 图5是本发明一种实施方式的一种定量浇铸曲线的获取装置的示意图。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于 说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0062] 图1是本发明实施方式的一种定量浇铸曲线的获取方法的流程图。参见图1，该方 法可通过以下S101-S106步骤实现。
[0063]步骤S101:分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程的数 学模型。
[0064]上述分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程的数学模 型，具体可通过以下S1011-S1014步骤建立，如图2所示。
[0065]步骤S1011:根据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，确定流动状态特征对应 的参数和约束条件。
[0066] 在本发明实施例中，首先需要根据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，剖析 铜水在浇铸工具内流动的基本物理过程。剖析的过程如下：
[0067] 根据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，还原炉的铜水，让经过溜槽流向中 间包，存储并将铜水按一定量交替倾倒在两边定量浇铸包中，以便进行铜阳极板的定量浇 铸;浇铸包承接中间包倾倒的一定量的铜水，存储并将铜水按一定量浇铸在铸模中，进行阳 极板精确浇铸。浇铸过程通常被认为是伴随着热量散失的不可压缩粘性流体带有自由表面 的非稳态流动。浇铸过程具体的问题为浇铸工具的主动运动导致的高温铜水的运动变化， 只考虑浇铸工具对高温铜水的作用力，需要预先设定浇铸工具的运动轨迹，进而计算得出 高温铜水的运动规律。
[0068] 在本发明实施例中，上述流动状态对应的参数，主要是与流体流动过程、中间包与 浇铸包运动过程等相关的已知因素，包括溜槽中铜水流动速度，铜水温度，铜水成分，铜水 粘性系数，铜水密度、工作时铜水容量和中间包与浇铸包运动参数等。上述流动状态对应的 约束条件为上述各个参数的取值范围。
[0069]步骤S1012:根据参数和约束条件，确定浇铸工具的流动状态特征对应的连续性方 程、动量方程、能量守恒方程、流体控制V0F方程、湍流模型k-ε方程和UDF函数（User Defined Function，用户自定义函数），V0F方程表示体积分数分布和自由表面运动，k-ε方 程表示流体的湍流流动，UDF函数方程用于确定浇铸包与中间包的运动状态。
[0070]在本发明实施例中，上述确定的质量守恒方程如下式（1)所示，上述确定的动量守 恒方程如下式(2)所示，上述确定的能量守恒方程如下式(3)所示，对于不可压缩的高温铜 水，上述确定的k-ε方程如下式(4)和(5)所示。
[0071]
( '1 ).
[0072] 式（1)中为，P为流体密度(kg/m3);x为位移(m);i为三维直角坐标系下的坐标方 向；出是^方向上的速度分量(m/s) ;t为时间（s)。
[0073]
[0074] 式(2)中，t是时间（s);x为位移(m)，i和j为三维直角坐标系下的坐标方向，m、Uj* 别是Xi、xj方向上的速度分量(m/s) ;p是压强(Pa) ;p是流体密度(kg/m3) ;yeff是有效粘度， 为μ和μ*之和;μ是分子动力学粘度(Pa · s)，yt是湍流动力粘度(Pa · s)。
[0075]
[0076] 式(3)中，P为流体密度(kg/m3) ;x为位移(m); i为三维直角坐标系下的坐标方向;m 是Xi方向上的速度分量(m/s) ;t为时间（s) ;keff为导热率(w/m · k)，H为显洽(J/mol)。
[0077] 湍流动能方程
[0078]
[0079] 湍流耗散率方程
[0080]
[0081] 式(4)和式(5)中，G是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，G用等式可以表 述为：
[0082]
[0083]式(4)和（5)中，t是时间（s);Ui分别是Xi方向上的速度分量(m/s);P是流体密度 (kg/m3) ;μ是流体的分子动力学粘度(Pa · s) ;k是湍动能(m2/s2); ε是湍动耗散率(m2/s3) ;p 是压力(卩&);〇1{和~分别是1^和6湍流?瓜11(^1数;(^，(^，〇 1{和~为模型常数，在标准1^-6模型 中，根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，Cie的值为1.44，C 2e的值为1.92，〇k的值为 1·〇，σε 的值为 1.33。
[0084] 步骤S1013:通过连续性方程、动量方程、能量守恒方程、V0F方程、k-ε方程和UDF函 数实现铜水流动过程的三维仿真。
[0085]上述步骤S1014:将三维仿真后得到的各个模型，确定为定量浇铸过程的数学模 型。
[0086]要实现铜水流动过程的三维仿真，需将整个流动过程描述为若干基本过程，根据 研究问题的性质和要求的精度，分别建立起基本方程中各变量之间的数学式，即上述连续 性方程、动量方程、能量守恒方程、V0F方程、k-ε方程和UDF函数。
[0087]将上述连续性方程、动量方程、能量守恒方程、V0F方程、k-ε方程和UDF函数综合起 来，得到浇铸过程的方程组，将该方程组及该方程组对应的约束条件组成的模型作为定量 浇铸过程的数学模型。
[0088]在本发明实施例中，建立浇铸过程的数学模型的同时，需要通过以下S102步骤建 立浇铸工具对应的物理模型。
[0089]步骤S102:获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物理模型。
[0090] 上述浇铸工具的实际尺寸为生产现场提供的浇铸工具详细的几何尺寸，可以通过 Ansys中DM等比例建立浇铸工具对应的实体模型，该实体模型即为浇铸工具对应的物理模 型，其中，Ansys软件是一种有限元分析软件，DM是该Ansys软件中的建模功能单元。
[0091] 步骤S103:对物理模型和数学模型进行离散化处理。
[0092]在本发明实施例中，上述对物理模型和数学模型进行离散化处理时，首先通过 Ansys中的Meshing对物理模型进行网格划分，得到空间网格区域;然后通过控制方程离散 技术将数学模型在空间网格区域上进行离散，其中，Meshing为Ansys软件的划分网格功能 单元。
[0093]在本发明实施例中，对数学模型进行离散后，该数学模型中方程组中的各个方程 得到简化，从而可以快速、准确地对简化后的各个方程进行求解，大大提高了模型的求解速 度以及求解得到的数据的准确性。
[0094]步骤S104:确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件。
[0095] 在进行瞬态问题数值模拟时，需要设置初始条件。初始条件是所研究对象在过程 开始时刻各个求解变量的空间分布情况，是确定偏微分方程具有唯一解的初值。
[0096] 在本发明实施例中，在设置定量浇铸过程的初始条件时，需要设置初始时刻整个 计算域内的压力场、气-液两相体积分数及高温铜水的温度和初始流动速度，同时由于流场 和温度场的親合计算，还需要设定初始状态下计算域内的温度场等。在Fluent软件中初始 条件的设定通过计算域初始化功能选项完成。
[0097] 边界条件是指在求解域边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的 规律。
[0098] 在本发明实施例中，在设定定量浇铸过程的边界条件时，除了设置基本边界条件， 如进出口边界条件、给定压力边界和wall壁面边界条件等。还要根据浇铸的目标，使用UDF 函数设置浇铸工具运动曲线，用动网格技术实现浇铸工具的运动。具体的，可通过预先设定 的UDF(User Defined Function，用户自定义函数）函数设置饶铸工具的运动曲线;通过动 网格技术控制浇铸工具实现运动曲线的运动过程;将通过动网格技术控制浇铸工具实现运 动曲线的运动过程，作为浇铸过程的初始条件和边界条件。其中，通过UDF函数设置浇铸工 具的运动曲线，具体可通过以下S1041-S1044步骤设置，如图3所示。
[0099] 在设置浇铸工具的运动曲线时，需要首先分析浇铸工具的运动状态。浇铸工具包 括中间包和浇铸包。中间包与浇铸包的运动状态不同，浇铸的精度也不相同。中间包的运动 相对比较简单，主要是旋转运动，有最大旋转角度、最大旋转速度和浇铸时间的限制。浇铸 包的运动十分复杂，为后滑移运动。由于浇铸包浇铸的精度要求很高，浇铸包的运动一般分 解为五个运动阶段，快速启动浇铸包-慢速浇铸-快速浇铸-慢速浇铸-恒速浇铸-快速收起 浇铸包。浇铸包的运动也有极限位、运动速度和浇铸时间的限制。
[0100] 步骤S1041:根据浇铸工具的运动状态，通过Profile文件设置各个时间点中间包 和浇铸包的运动速度。
[0101 ]在本发明实施例中，上述设置各个时间点的中间包的运动速度时，包括设置中间 包各个时间点内的y方向速度、Z方向速度和旋转角速度速度;上述设置各个时间点的浇铸 包的运动速度时，包括设置浇铸包的旋转角速度、y方向速度和z方向速度、位置变化与浇铸 铜水重量的关系。
[0102] 步骤S1042:判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条 件，以及分析浇铸包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件;若中间 包以及浇铸包均满足预设浇铸条件，则执行以下S1043步骤，若中间包或浇铸包不满足预设 浇铸条件，则执行以下S1044步骤。
[0103] 步骤S1043:通过Profile文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系。 [0104]步骤S1044:不断增加时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。 [0105]在本发明实施例中，当修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度后，需要通过 以上S1042步骤继续进行判断，直至满足预设浇铸条件。
[0106] 步骤S105:通过基于Fluent软件的有限体积算法、物理模型、初始条件及边界条件 对数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数据，该Fluent 软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件。
[0107] 步骤S106:根据浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。
[0108] 在本发明实施例中，上述根据浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲 线，具体可通过以下S1061-S1067步骤生成，如图4所示。
[0109] 步骤S1061:对浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水的体积分 数和速度场；
[0110] 在本发明实施例中，对浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析时，首先将 该浇铸包和中间包内的铜水流动的数据转化为可视化的浇铸过程图像，从该可视化的浇铸 过程图像中获取铜水在浇铸工具内的速度场和温度场，根据温度场确定出铜水的体积分 数。
[0111] 步骤S1062:根据体积分数和速度场，确定中间包和浇铸包中铜水液面流动状态以 及铜阳极质量；
[0112] 在本发明实施例中，上述铜水液面流动状态可以是铜水流动速度。其中，可以通过 速度场和铜水的体积分数，分析浇铸工具中不同容量的铜水、不同的运动速度、不同角度下 的铜水流动速度。根据该铜水流动速度与铜阳极板的质量的对应关系，确定出铜阳极板的 质量。
[0113] 步骤S1063:根据铜水液面流动状态及铜阳极质量判断浇铸精度是否满足预设浇 铸精度;若浇铸精度是否满足预设浇铸精度时，则执行以下S1064-S1066步骤，若浇铸精度 是不满足预设浇铸精度，则执行以下S1067步骤。
[0114] 在本发明实施例中，上述预设浇铸精度为生产出的铜阳极板质量符合质量要求时 所需的浇铸精度，具体的浇铸精度值在浇铸前设定。
[0115] 步骤S1064:根据浇铸包和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间 点与速度的对应关系。
[0116]步骤S1065:根据离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运动曲线。 [0117]步骤S1066:将浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定量浇铸曲线。
[0118] 步骤S1067:修正UDF函数，重新确定边界条件。
[0119] 在本发明实施例中，当需要重新确定边界条件时，具体可通过上述S104步骤提供 的方法确定。
[0120]在本发明实施例中，修正UDF函数时，首先需要将上述拟合得到浇铸包和中间包的 运动曲线用函数形式表示，编写成UDF函数。然后指定该运动曲线上特定动态区域的运动， 产生随时间变化的浇铸工具运动的线速度、角速度及重心运动。最后，利用这些速度更新动 态区域的位置。当重新确定边界条件后，将得到的运动曲线函数加载到Fluent软件中，通过 该重新确定的边界条件以及上述S105步骤，以及S106步骤中的S1061-S1063步骤重新确定 浇铸精度是否满足预设浇铸精度，若不满足再增加时间点的个数，然后再根据上述拟合得 到的浇铸工具的运动曲线，重新确定UDF函数，直至浇铸精度满足预设浇铸精度时，通过 S1064-S1066步骤生成定量浇铸曲线。
[0121] 本发明实施提供的一种定量浇铸曲线的获取方法中，通过建立铜水流动过程的数 学模型，准确描述了高温铜水在浇铸过程中的运动状态和温度变化，通过对该数学模型进 行求解并对求解得到的数值进行仿真，可以得到浇铸精度很高的定量浇铸曲线，根据该定 量浇铸曲线进行铜水的定量浇铸，大大提高了生产出的铜阳极板的质量。
[0122] 图5是本发明实施方式的一种定量浇铸曲线的获取装置的示意图，参见图5,该装 置包括：
[0123] 第一建立模块S1，用于分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流 动过程的数学模型；
[0124] 第二建立模块S2,用于获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物 理模型；
[0125] 处理模块S3，用于对物理模型和数学模型进行离散化处理；
[0126] 确定模块S4，用于确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件；
[0127] 计算模块S5,用于通过基于Fluent软件的有限体积算法、物理模型、初始条件及边 界条件对数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数据，该 Fluent软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件；
[0128] 生成模块S6,用于根据浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。
[0129] 在本发明实施例中，上述第一建立单元建立铜水流动过程的数学模型时，首先根 据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，确定流动状态特征对应的参数和约束条件。然 后根据参数和约束条件，确定浇铸工具的流动状态特征对应的连续性方程、动量方程、能量 守恒方程、流体控制V0F方程、端流模型k-ε方程和UDF(User Defined Function,用户自定 义函数）函数，V0F方程表示体积分数分布和自由表面运动，k-ε方程表示流体的湍流流动， UDF函数方程用于确定浇铸包与中间包的运动状态。通过连续性方程、动量方程、能量守恒 方程、V0F方程、k-ε方程和UDF函数实现铜水流动过程的三维仿真。最后，将三维仿真后得到 的各个模型，确定为定量浇铸过程的数学模型。其中，上述第一建立单元建立铜水流动过程 的数学模型的具体过程，可通过上述实施例提供的定量浇铸曲线的获取方法中提供的数学 模型的建立方法来建立，在此不再赘述。
[0130] 上述浇铸工具的实际尺寸为生产现场提供的浇铸工具详细的几何尺寸，上述第二 建立模块S2确定浇铸工具对应的物理模型时，可以通过Ansys中DM等比例建立浇铸工具对 应的实体模型，该实体模型即为浇铸工具对应的物理模型，Ansys软件是一种有限元分析软 件，DM是该Ansys软件中的建模功能单元。
[0131] 在本发明实施例中，上述处理模块S3对物理模型和数学模型进行离散化处理时， 首先通过Ansys中的Meshing对物理模型进行网格划分，得到空间网格区域;然后通过控制 方程离散技术将数学模型在空间网格区域上进行离散，其中，Meshing为Ansys软件中的划 分网格功能单元。
[0132] 在本发明实施例中，处理模块S3对数学模型进行离散后，该数学模型中方程组中 的各个方程得到简化，从而可以快速、准确地对简化后的各个方程进行求解，大大提高了模 型的求解速度以及求解得到的数据的准确性。
[0133] 在进行瞬态问题数值模拟时，需要设置初始条件。初始条件是所研究对象在过程 开始时刻各个求解变量的空间分布情况，是确定偏微分方程具有唯一解的初值。边界条件 是指在求解域边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。上述确定模块 S4确定浇铸过程的初始条件和边界条件时，可通过以下设置单元、控制单元和第一确定单 元确定出。
[0134] 上述确定模块S4包括设置单元、控制单元和第一确定单元。
[0135] 设置单元，用于通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲线；
[0136] 控制单元，通过动网格技术控制浇铸工具实现运动曲线的运动过程；
[0137] 第一确定单元，用于将通过动网格技术控制浇铸工具实现运动曲线的运动过程， 作为浇铸过程的初始条件和边界条件。
[0138] 在本发明实施例中，在确定定量浇铸过程的初始条件时，上述设置单元，需要设置 初始时刻整个计算域内的压力场、气-液两相体积分数及高温铜水的温度和初始流动速度， 同时由于流场和温度场的耦合计算，还需要设定初始状态下计算域内的温度场等。在 Fluent软件中初始条件的设定通过计算域初始化功能选项完成。
[0139] 在本发明实施例中，在确定定量浇铸过程的边界条件时，上述设置单元除了需要 设置基本边界条件，如进出口边界条件、给定压力边界和wal 1壁面边界条件等，还要根据浇 铸的目标，使用UDF函数设置浇铸工具运动曲线，用动网格技术实现浇铸工具的运动。
[0140] 上述设置单元，通过预先设定的UDF(User Defined Function，用户自定义函数） 函数设置浇铸工具的运动曲线时，具体可通过以下设置子单元、判断子单元、生成子单元和 修正子单元进行设置。
[0141] 上述设置单元包括：
[0142] 设置子单元，用于根据浇铸工具的运动状态，通过Profile文件设置各个时间点中 间包和饶铸包的运动速度，该Profile文件是Fluent软件中一种指定边界运动的描述方式；
[0143] 判断子单元，用于判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇 铸条件，以及分析浇铸包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件；
[0144] 生成子单元，若判断子单元判断中间包以及浇铸包均满足预设浇铸条件，用于通 过Prof i 1 e文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系；
[0145] 修正子单元，若判断子单元判断中间包或浇铸包不满足预设浇铸条件，用于不断 增加时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。
[0146] 在本发明实施例中，上述设置子单元、判断子单元、生成子单元和修正子单元饶铸 工具的运动曲线时，具体可通过上述实施例提供的定量浇铸曲线的获取方法中提供的对应 方法进彳丁处理。
[0147] 上述设置单元通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲线后，通过动网格技术控制浇 铸工具实现运动曲线的运动过程;将通过动网格技术控制浇铸工具实现运动曲线的运动过 程，作为浇铸过程的初始条件和边界条件。
[0148] 当建立上述数学模型、上述物理模型，以及确定上述初始条件和边界条件后，上述 计算模块S5对该数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数 据。
[0149] 当上述计算模块S5计算得到铜水流动过程中饶铸包和中间包内铜水流动的数据 后，可通过上述生成模块S6生成定量浇铸曲线。
[0150] 上述生成模块S6包括：
[0151] 分析单元，用于对浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水的体 积分数和速度场。
[0152] 在本发明实施例中，对浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析时，首先将 该浇铸包和中间包内的铜水流动的数据转化为可视化的浇铸过程图像，从该可视化的浇铸 过程图像中获取铜水在浇铸工具内的速度场和温度场，根据温度场确定出铜水的体积分 数。
[0153] 第二确定单元，用于根据体积分数和速度场，确定中间包和浇铸包中铜水液面流 动状态以及铜阳极质量。
[0154] 在本发明实施例中，上述铜水液面流动状态可以是铜水流动速度。其中，可以通过 速度场和铜水的体积分数，分析浇铸工具中不同容量的铜水、不同的运动速度、不同角度下 的铜水流动速度。根据该铜水流动速度与铜阳极板的质量的对应关系，确定出铜阳极板的 质量。
[0155] 判断单元，用于根据铜水液面流动状态及铜阳极质量判断浇铸精度是否满足预设 浇铸精度；
[0156] 第三确定单元，若判断单元判断浇铸精度是否满足预设浇铸精度时，根据浇铸包 和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系；
[0157] 拟合单元，用于根据离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运动曲 线；
[0158] 第三确定单元，用于将浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定量浇铸曲 线；
[0159]修正单元，用于判断单元判断浇铸精度不满足预设浇铸精度时，修正UDF函数，以 使重新确定边界条件。
[0160] 在本发明实施例中，当修正单元需要重新确定边界条件时，具体可通过上述确定 模块S4确定。
[0161] 在本发明实施例中，修正UDF函数时，上述修正单元首先需要将上述拟合得到浇铸 包和中间包的运动曲线用函数形式表示，编写成UDF函数。然后指定该运动曲线上特定动态 区域的运动，产生随时间变化的浇铸工具运动的线速度、角速度及重心运动。最后，利用这 些速度更新动态区域的位置。
[0162] 当确定模块S4重新确定边界条件后，上述设置单元将得到的运动曲线函数加载到 Fluent软件中，通过该重新确定的边界条件以及上述计算模块S5,以及生成模块S6中的第 二确定单元、判断单元和第三确定单元重新确定浇铸精度是否满足预设浇铸精度，若不满 足，上述修正单元再增加时间点的个数，然后再根据上述拟合得到的浇铸工具的运动曲线， 重新确UDF函数，直至浇铸精度满足预设浇铸精度时，通过上述拟合单元和上述第三确定单 元生成定量浇铸曲线。
[0163] 本发明实施例提供的定量浇铸曲线的获取装置，通过建立铜水流动过程的数学模 型，准确描述了高温铜水在浇铸过程中的运动状态和温度变化，通过对该数学模型进行求 解并对求解得到的数值进行仿真，可以得到浇铸精度很高的定量浇铸曲线，根据该定量浇 铸曲线进行铜水的定量浇铸，大大提高了生产出的铜阳极板的质量。
[0164] 综上所述，本实施例提供了一种定量浇铸曲线的获取方法及装置，通过建立铜水 流动过程的数学模型，准确描述了高温铜水在浇铸过程中的运动状态和温度变化，通过对 该数学模型进行求解并对求解得到的数值进行仿真，可以得到浇铸精度很高的定量浇铸曲 线，根据该定量浇铸曲线进行铜水的定量浇铸，大大提高了生产出的铜阳极板的质量。
[0165] 本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发 明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选 择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员 能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
【主权项】
1. 一种定量浇铸曲线的获取方法，其特征在于，所述方法包括： 分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程的数学模型； 获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物理模型； 对所述物理模型和所述数学模型进行离散化处理； 确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件； 通过基于Fluent软件的有限体积算法、所述物理模型、所述初始条件及所述边界条件 对所述数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动的数据，所述 Fluent软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件； 根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析高温铜水在浇铸工具内的流动状 态特征，建立铜水流动过程的数学模型，包括： 根据高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，确定流动状态特征对应的参数和约束条 件； 根据所述参数和所述约束条件，确定浇铸工具的流动状态特征对应的连续性方程、动 量方程、能量守恒方程、流体控制VOF方程、湍流模型k-ε方程和用户自定义UDF函数，所述 VOF方程表示体积分数分布和自由表面运动，k-ε方程表示流体的湍流流动，UDF函数方程用 于确定浇铸包与中间包的运动状态； 通过所述连续性方程、所述动量方程、所述能量守恒方程、所述VOF方程、所述k-ε方程 和所述UDF函数实现铜水流动过程的三维仿真； 将三维仿真后得到的各个模型，确定为定量浇铸过程的数学模型。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述物理模型和所述数学模型进行 离散化处理，包括： 通过Meshing对所述物理模型进行网格划分，得到空间网格区域，所述Meshing为Ansys 软件中的划分网格功能单元； 通过控制方程离散技术将所述数学模型在所述空间网格区域上进行离散。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定初始条件和边界条件，包括： 通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲线； 通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程； 将所述通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程，作为浇铸过程的 初始条件和边界条件。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过UDF函数设置浇铸工具的运动曲 线，包括： 根据所述浇铸工具的运动状态，通过Profile文件设置各个时间点中间包和浇铸包的 运动速度，所述Profi Ie文件是Fluent软件中一种指定边界运动的描述方式； 判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件，以及分析浇铸 包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件;若中间包以及浇铸包均 满足预设浇铸条件，通过Profile文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系；若 否，不断增加时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数 据生成定量浇铸曲线，包括： 对所述浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水的体积分数和速度 场； 根据所述体积分数和所述速度场，确定中间包和浇铸包中铜水液面流动情况以及铜阳 极质量； 根据所述铜水液面流动情况及所述铜阳极质量判断浇铸精度是否满足预设浇铸精度； 若是，根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间点与速度的 对应关系，根据所述离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运动曲线，将所 述浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定量浇铸曲线，若否，则修正UDF函数，重 新确定边界条件。7. -种定量浇铸曲线的获取装置，其特征在于，所述装置包括： 第一建立模块，用于分析高温铜水在浇铸工具内的流动状态特征，建立铜水流动过程 的数学模型； 第二建立模块，用于获取浇铸工具的实际尺寸，等比例建立浇铸工具对应的物理模型； 处理模块，用于对所述物理模型和所述数学模型进行离散化处理； 确定模块，用于确定定量浇铸过程的初始条件和边界条件； 计算模块，用于通过基于Fluent软件的有限体积算法、所述物理模型、所述初始条件及 所述边界条件对所述数学模型进行求解，得到铜水流动过程中浇铸包和中间包内铜水流动 的数据，所述Fluent软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件； 生成模块，用于根据所述浇铸包和中间包内铜水流动的数据生成定量浇铸曲线。8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块包括： 设置单元，用于通过用户自定义UDF函数设置浇铸工具的运动曲线； 控制单元，通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过程； 第一确定单元，用于将所述通过动网格技术控制浇铸工具实现所述运动曲线的运动过 程，作为浇铸过程的初始条件和边界条件。9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述设置单元包括： 设置子单元，用于根据所述浇铸工具的运动状态，通过Prof i Ie文件设置各个时间点中 间包和饶铸包的运动速度，所述Prof i Ie文件是Fluent软件中一种指定边界运动的描述方 式； 判断子单元，用于判断中间包速度、倾角与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条 件，以及分析浇铸包不同位置、速度与浇铸铜水重量的关系是否满足预设浇铸条件； 生成子单元，若判断子单元判断中间包以及浇铸包均满足预设浇铸条件，用于通过 Prof i I e文件生成浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系； 修正子单元，若判断子单元判断中间包或浇铸包不满足预设浇铸条件，用于不断增加 时间点个数，修正中间包或浇铸包各个时间点的运动速度。10. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述生成模块包括： 分析单元，用于对所述浇铸包和中间包内的铜水流动的数据进行分析，得到铜水的体 积分数和速度场； 第二确定单元，用于根据所述体积分数和所述速度场，确定中间包和浇铸包中铜水液 面流动情况以及铜阳极质量； 判断单元，用于根据所述铜水液面流动情况及所述铜阳极质量判断浇铸精度是否满足 预设浇铸精度； 第三确定单元，若判断单元判断浇铸精度是否满足预设浇铸精度时，根据所述浇铸包 和中间包内铜水流动的数据确定出浇铸过程的离散时间点与速度的对应关系； 拟合单元，用于根据所述离散时间点与速度的对应关系拟合浇铸包和中间包的运动曲 线； 所述第三确定单元，用于将所述浇铸包和中间包的运动曲线确定为浇铸工具的定量浇 铸曲线； 修正单元，用于判断单元判断浇铸精度不满足预设浇铸精度时，修正UDF函数，以使重 新确定边界条件。
【文档编号】B22D37/00GK105945270SQ201610424666
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】蒋朝辉, 刘昕, 桂卫华, 阳春华, 谢永芳, 周家达, 李中美
【申请人】中南大学