专利名称：一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法
技术领域：
本发明属于连铸工艺技术领域，尤其涉及一种连铸坯凝固过程中温度和固相率分 布的计算方法，适用于连铸工艺过程中铸流全三维温度和固相率的确定。
背景技术：
连铸工艺过程中，钢由液体凝固为固体过程中温度和固相率变化是最重要的工艺 参数，也是最终决定铸坯质量的决定性因素，连铸的全部操作都是为了获得铸流整体合理 的温度及固相率分布。在实际生产过程中，由于钢种成分、铸机结构、工艺参数及外部条件的复杂多变， 导致铸坯的温度和固相率确定难度很大，而连铸生产中恶劣的现场条件，又给实际测试工 作带来了无法克服的难度，因此通过数学物理方程来计算连铸坯凝固过程中温度和固相率 的分布，并且利用计算机可视化便成为最有效、最直观的方式。
发明内容
本发明的目的旨在根据铸坯凝固过程的特点和连铸工艺过程的外部条件，建立相 应的数学模型，通过数值计算对铸流全三维温度场和固相率分布进行求解，并将计算结果 输出，为现场工艺人员提供一种诊断铸坯质量及进行工艺优化必要前提的连铸铸流温度及 固相率分布计算方法。具体技术方案是一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法，是根据钢种成分确定钢种的物性参 数，将整个连铸铸流划分为立方体网格，并在此基础上建立三维凝固过程数学模型。用于确 定铸坯内部各网格之间热量传递的铸流整体三维传热-凝固过程数学模型为
权利要求
1. 一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征是，根据钢种成分确定钢种的物性参数，将整个连铸铸流划分为立方体网格，并在此基础上建立三维凝固过程数学模型；用于确定铸坯内部各网格之间热量传递的铸流整体三维传热_凝固过程数学模型为
2.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中液相线温度T1的确定方法为T1 = 1810-78X [C]-4. 9X [Mn]-7. 6X [Si]-38X [S]-34. 4X [P]-3. IX [Ni]-1. 3X [Cr ]-4. 7 X [Cu]-3. 6 X [Al][]内为该元素在钢中含量百分数，％。
3.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中固相线温度Ts的确定方法为Ts = 1810-175X[C]-30X[Mn]-20 X[Si]-575X[S]-280X[P]-4. 75X[Ni] -6. 5X [Cr]-0X [Cu]-5X [Mo]-4X [V]-60X [Nb]-7. 5X [Al]-40X [Ti]。
4.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢 种物性参数中密度P的确定方法是将钢种按照低碳钢[C] < 0. 14%、中碳钢0. 14% ([C] ( 0. 45%、高碳钢[C] > 0. 45%三种情况，根据铸坯温度场变量T的不同而对应选 择，具体选择范围为(1)、低碳钢T < 1902K 时，P = 2. 54X (3091. 41_e0.0032T)1902K 彡 T 彡 2100K 时，P = (-0. 0011+0. 00084XT0 05)(2)、中碳钢T < 1529K 时，P = 0. 32X (24286. 97_Ε°·005Τ) 1529Κ 彡 T 彡 2200Κ 时，P = 8700. O-T(3)、高碳钢T < 1610Κ 时，P = 0. 32Χ (24286. 97_e0.005T) 1610K 彡 T 彡 2200K 时，P = 7900-0. 66XT。
5.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中导热系数h按照钢的固相分数ε分为液态即ε =0、固、液两相区即0< ε < 1、 固态即ε = 1三种情况，根据铸坯温度场变量T的不同，分别进行选取，具体选择范围为(1)、低碳钢ε = 0 时，h = (280. 72-0. 14XT) X (1+μ X (1-f)2) 0 < ε < 1 时，h = [fX (13. 58+0. 011XT) + (l-f) Χ29] X [1+μ X (1-f)2] ε = 1时，当T > 1768K 时，h = 280. 72-0. 14XT 1122K 彡 T 彡 1768K 时，h = 13. 58-0. OllXT 873K 彡 T 彡 1122K 时，h = 69. 34-0. 038XT 373K 彡 T 彡 873K 时，h = 74. 34-0. 044XT T 彡 373K 时，h = 58 ；(2)、中碳钢ε = 0 时，h = (349. 99-0. 18XT) X [1+μ X (1-f)2]0 < ε < 1 时，h = [fX (15. 19+0. 0097XT) +(1-f) X (349. 99-0. 18XT)] X [1+μ X (ι-f)2]ε = 1时，当T > 1768K 时，h = 349. 99-0. 18XT1082K ≤ T ≤ 1768K 时，h = 15. 19-0. 0097XT851K ≤ T ≤ 1082K 时，h = 78. 54-0. 049XT373K ≤ T ≤ 851K 时，h = 60. 72-0. 028XTT ≤ 373K 时，h = 55 ；(3)、高碳钢ε = 0 时，h = (130. 36-0. 059XT) X [1+μ X (1-f)2]0 < ε < 1 时，h = [fX (8· 56+0. 015XT) +((1-f) X (130. 36-0. 059XT)] X [1+μ X (ι-f)2]ε = 1时，当T > 1660Κ 时，h = 130. 36-0. 059XT 1073K ≤ T ≤ 1660K 时，h = 8. 56-0. 015XT 980K ≤ T ≤ 1073K 时，h = 88. 48-0. 060XT 373K ≤ T ≤ 980K 时，h = 58. 37-0. 029XT T ≤ 373K 时，h = 50。
6.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中定压比热Cp的确定方法是将钢种按照低碳钢、中碳钢和高碳钢三种情况，根据铸 坯温度场变量T的不同，分别对应取值(1)、低碳钢T > 1273K 时，Cp = (10. 52+4. 80 X IO-5XT) X 1000 1073K ≤ T ≤ 1273K 时，Cp = (2. 62-1. 55 X IO-3XT) X 1000 1023K ≤ T ≤ 1073K 时，Cp = (4. 72-3. 50 X I(T3XT) X 1000 973K ≤ T ≤ 1023K 时，Cp = (-4. 67+5. 68 X I(T3XT) X 1000 T ≤ 973K 时，cp = (0. 52-3. 74X 1(Γ4ΧΤ+7· 27 X ICT7XT2) X 1000 ；(2)、中碳钢T > 1379Κ 时，cp = (0. 35+2. IXl(T4XT) Χ1000 1100Κ ≤ T ≤ 1379Κ 时，Cp = 6441023Κ ≤ T ≤1100Κ 时，cp = (11. 873-1. 0208 X IO-2XT) X 1000 973Κ ≤ T ≤ 1023Κ 时，Cp = (-10. 54+1. 17 X I(T2XT) X 1000 T ≤ 973Κ 时，Cp= (0. 51-3. 35 X ICT4X Τ+6. 89 X ICT7X T2) Χ1000 ；(3)、高碳钢T > 1073Κ 时，cp = (0. 45+1. 43 X I(T4XT) X 1000 1023Κ ≤ T ≤ 1073Κ 时，Cp = (32. 03-2. 93 X I(T2XT) X 1000 973Κ ≤ T ≤ 1023Κ 时，Cp = (-24. 89+2. 64X I(T2XT) X 1000 T ≤ 973Κ 时，cD = (0. 32+4. 51 X I(T4XT) X 1000。
7.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中根据钢中主要元素选取的平衡分配系数κ值为
8.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中根据钢中主要元素选取的溶质扩散系数D值为
9.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，钢种物 性参数中，二次枝晶间距λ取值为λ = lX10_4m。
10.根据权利要求1所述的连铸铸流温度及固相率分布计算方法，其特征在于，边界条 件中铸机二次冷却段的冷却水分布状态参数α根据铸流长度确定，具体对应取值范围是
全文摘要
本发明提供一种连铸铸流温度及固相率分布计算方法，根据成分确定钢种的物性参数，将整个铸流划分为立方体网格，建立三维凝固过程数学模型，将各物性参数和铸坯冷却边界条件代入各数学模型，形成该钢种的计算方程组，迭代求解并将结果输出。由于依据铸机结构设置计算参数，与实际铸坯凝固过程相吻合；根据铸坯传热方式和铸机特性计算铸坯实际水流密度分布，使计算结果更加科学；针对不同钢种各元素含量，计算液、固相线温度，使固相分数计算准确度高；将热物性参数转化为凝固温度及组元成分的函数，实现计算机可视化描述铸坯全三维温度场及固相率分布状态，全面反映整个铸坯任意位置的温度、固相分数、温度变化曲线及坯壳厚度。
文档编号G06F19/00GK102110188SQ20091024878
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者刘伟, 吴世龙, 安连旗, 张相春, 王鹏, 田勇, 简龙 申请人:鞍钢股份有限公司