专利名称：板坯连铸二次冷却离线仿真系统和方法
技术领域：
本发明属于炼钢连铸生产仿真技术领域，具体涉及一种板坯连铸二次冷却离线仿真系统和方法，用于连铸坯二冷凝固过程的仿真模拟。
背景技术：
连续铸钢就是通过辐射、传导和对流传热方式使过热、潜热和显热三部分的能量释放，把液态钢转变为固体钢的加工过程。连铸的正常生产操作中，铸坯凝固进程直接影响着产品的结构性能，二冷区的冷却凝固是铸坯凝固的中心环节，在铸机设备和操作工艺一定的情况下，二次冷却对铸坯质量起决定作用。连铸坯内部裂纹、表面裂纹、鼓肚、菱变(脱方)、中心偏析等缺陷的形成与二次冷却有紧密的联系。为确保连铸机的高产量和良好的铸坯质量，必须根据钢种、浇注断面、浇注温度、 拉坯速度和铸机几何尺寸等参数来制定连铸机二冷区合适的冷却制度。而二冷制度的制定首先必须掌握铸坯的温度变化，即凝固传热过程。实际生产中，由于真实连铸条件下的凝固过程难于直接观察或进行实验研究，多种因素的影响较为复杂，而且相互制约，因此很难通过实验研究的方法来对连铸过程进行研究。针对连铸的一系列问题，开发适合连铸特点的凝固冷却仿真系统，有效的预测和研究连铸坯的凝固过程，对于冷却区的合理配水、防止事故发生、提高铸坯质量等都有很重要的意义。目前国内企业的板坯连铸二次冷却仿真系统，并未对铸坯凝固传热过程的复杂性深入涉及，工艺参数确定多根据经验，不能真实反应铸坯的凝固传热过程。同时，通用性和扩展性差，工艺条件变化时，不能满足现场要求。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出一种通用可扩展的板坯连铸二次冷却离线仿真系统和方法，用于连铸坯二冷凝固过程的仿真模拟，能更真实反应铸坯的凝固传热过程，并不再完全依赖经验值，能够根据仿真结果进行控制和优化现有参数，从而更能精确反映铸坯表面温度变化的信息。为解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种板坯连铸二次冷却离线仿真系统，其特征在于包括工艺设备参数设定单元，用于仿真系统启动前对模型中所需的工艺条件、铸机结构参数以及冷却参数的输入；计算条件设置单元，基于铸机结构参数，工艺条件建立凝固传热方程以构建仿真模型；仿真计算单元，用于结合初始条件和边界条件根据所建立的凝固传热方程进行工艺模型结果计算；结果显示单元，用于对仿真计算单元所计算出的铸坯温度场及凝固特征结果进行显不；
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扩展单元，用于仿真过程中调用和/或存放直接用于仿真计算的数据或参数，并能对系统数据库进行添加和修改操作。所述的工艺设备参数设定单元用于启动仿真系统前对模型中所需的三种参数的输入，三种参数分别为包含钢种、浇注温度、拉速、铸坯断面尺寸的工艺条件参数，包含铸机二冷分区、辊列布置、喷嘴布置的铸机结构参数，以及包含二次冷却水量、环境温度的冷却参数。所述的计算条件设置单元，将拉速、浇注温度作为初始条件代入仿真系统，并进行边界条件设置，以建立凝固传热方程；所设置的边界条件中的换热系数按照两棍间的不同传热方式进行设置，基于二冷回路中的每一种边界换热条件并采用非平均换热系数模型， 综合考虑两辊之间不同冷却区域铸坯表面热量传递的四种方式铸坯表面自然对流及辐射散热、冷却水与铸坯表面强制对流换热、铸坯与支撑辊接触导热；按不同冷却区进行分段设计或者按照棍子进行分段设计；不同传热方式选择不同的计算公式，直接选取或自行输入公式均可；在设备和工艺参数确定时，冷却水与铸坯表面强制对流传热的热量根据喷嘴的热态特性参数进行计算。各冷却区进行分段设计时各区的综合换热系数h为
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八totalhroll, hnat、hMd、hspray分别为铸坯与支撑辊接触导热、铸坯表面自然对流散热、铸坯表面辐射散热及冷却水与铸坯表面强制对流换热系数；按照棍子进行分段设计时，两辊间采取不同的冷却换热系数hrall、hnat、hMd、hspray代入所建立的凝固传热方程进行计算。所述的仿真计算单元，用于将初始条件及边界条件代入基于铸机结构参数和工艺条件而建立的凝固传热方程，同时进行时间、空间步长划分，并对凝固传热方程进行求解。所述的扩展单元即为系统的数据库，数据库内具有可供调用和/或存放的多种铸机结构参数、多种钢种的热物性参数、多种喷嘴型号及与喷嘴型号相关的冷态及热态性能参数；且数据库存放的参数数据均能够根据实验和生产情况自行增加和修改。一种板坯连铸二次冷却离线仿真方法，其特征在于包含以下步骤步骤一、在仿真系统启动前，通过工艺设备参数设定单元对模型中所需的工艺条件、铸机结构参数以及冷却参数进行输入；步骤二、通过计算条件设置单元并基于铸机结构参数、工艺条件建立凝固传热方程以构建仿真模型；步骤三、利用仿真计算单元，结合初始条件和边界条件根据所建立的凝固传热方程进行工艺模型结果计算；步骤四、通过结果显示单元对仿真计算单元所计算出的铸坯温度场及凝固特征结果进行显示；在上述步骤中，通过扩展单元调用和/或存放能够直接用于仿真计算的数据或参数，并对系统数据库进行添加和修改操作。步骤一中，通过工艺设备参数设定单元在启动仿真系统前对模型中所需输入的三种参数分别为包含钢种、浇注温度、拉速、铸坯断面尺寸的工艺条件参数，包含铸机二冷分区、辊列布置、喷嘴布置的铸机结构参数，以及包含二次冷却水量、环境温度的冷却参数；
步骤二中，通过计算条件设置单元，将拉速、浇注温度作为初始条件代入仿真系统，并进行边界条件设置，以建立凝固传热方程；按照两棍间的不同传热方式设置边界条件中的换热系数，基于二冷回路中的每一种边界换热条件并采用非平均换热系数模型，综合考虑两辊之间不同冷却区域铸坯表面热量传递的四种方式铸坯表面自然对流及辐射散热、冷却水与铸坯表面强制对流换热、铸坯与支撑辊接触导热；按不同冷却区进行分段设计或者按照棍子进行分段设计；不同传热方式选择不同的计算公式，直接选取或自行输入公式均可；在设备和工艺参数确定时，冷却水与铸坯表面强制对流传热的热量根据喷嘴的热态特性参数进行计算；步骤三中，通过仿真计算单元，将初始条件及边界条件代入基于铸机结构参数和工艺条件而建立的凝固传热方程，同时进行时间、空间步长划分，并对凝固传热方程进行求解；各步骤中，通过扩展单元调用和/或存放数据库内的多种铸机结构参数、多种钢种的热物性参数、多种喷嘴型号及与喷嘴型号相关的冷态及热态性能参数；并根据实验和生产情况自行增加和修改数据库存放的参数。进一步地，步骤二中，各冷却区进行分段设计时各区的综合换热系数h为
权利要求
1.一种板坯连铸二次冷却离线仿真系统，其特征在于包括工艺设备参数设定单元，用于仿真系统启动前对模型中所需的工艺条件、铸机结构参数以及冷却参数的输入；计算条件设置单元，基于铸机结构参数，工艺条件建立凝固传热方程以构建仿真模型；仿真计算单元，用于结合初始条件和边界条件根据所建立的凝固传热方程进行工艺模型结果计算；结果显示单元，用于对仿真计算单元所计算出的铸坯温度场及凝固特征结果进行显示；扩展单元，用于仿真过程中调用和/或存放直接用于仿真计算的数据或参数，并能对系统数据库进行添加和修改操作。
2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于所述的工艺设备参数设定单元用于启动仿真系统前对模型中所需的三种参数的输入，三种参数分别为包含钢种、浇注温度、拉速、铸坯断面尺寸的工艺条件参数，包含铸机二冷分区、辊列布置、喷嘴布置的铸机结构参数，以及包含二次冷却水量、环境温度的冷却参数。
3.根据权利要求1或2所述的仿真系统，其特征在于所述的计算条件设置单元，将拉速、浇注温度作为初始条件代入仿真系统，并进行边界条件设置，以建立凝固传热方程；所设置的边界条件中的换热系数按照两棍间的不同传热方式进行设置，基于二冷回路中的每一种边界换热条件并采用非平均换热系数模型，综合考虑两辊之间不同冷却区域铸坯表面热量传递的四种方式铸坯表面自然对流及辐射散热、冷却水与铸坯表面强制对流换热、铸坯与支撑辊接触导热；按不同冷却区进行分段设计或者按照棍子进行分段设计；不同传热方式选择不同的计算公式，直接选取或自行输入公式均可；在设备和工艺参数确定时，冷却水与铸坯表面强制对流传热的热量根据喷嘴的热态特性参数进行计算。
4.根据权利要求3所述的仿真系统，其特征在于各冷却区进行分段设计时各区的综合换热系数h为h — Koii j^roii + hnatAnat + hradArad + hspray AsprayΛ八totalhroll> hnat、hrad、hspray分别为铸坯与支撑辊接触导热、铸坯表面自然对流散热、铸坯表面辐射散热及冷却水与铸坯表面强制对流换热系数；按照棍子进行分段设计时，两辊间采取不同的冷却换热系数hrall、hnat、hMd、hspray代入所建立的凝固传热方程进行计算。
5.根据权利要求1或2或4所述的仿真系统，其特征在于所述的仿真计算单元，用于将初始条件及边界条件代入基于铸机结构参数和工艺条件而建立的凝固传热方程，同时进行时间、空间步长划分，并对凝固传热方程进行求解。
6.根据权利要求5所述的仿真系统，其特征在于所述的扩展单元即为系统的数据库， 数据库内具有可供调用和/或存放的多种铸机结构参数、多种钢种的热物性参数、多种喷嘴型号及与喷嘴型号相关的冷态及热态性能参数；且数据库存放的参数数据均能够根据实验和生产情况自行增加和修改。
7.—种板坯连铸二次冷却离线仿真方法，其特征在于包含以下步骤步骤一、在仿真系统启动前，通过工艺设备参数设定单元对模型中所需的工艺条件、铸机结构参数以及冷却参数进行输入；步骤二、通过计算条件设置单元并基于铸机结构参数、工艺条件建立凝固传热方程以构建仿真模型；步骤三、利用仿真计算单元，结合初始条件和边界条件根据所建立的凝固传热方程进行工艺模型结果计算；步骤四、通过结果显示单元对仿真计算单元所计算出的铸坯温度场及凝固特征结果进行显不；在上述步骤中，通过扩展单元调用和/或存放能够直接用于仿真计算的数据或参数， 并对系统数据库进行添加和修改操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤一中，通过工艺设备参数设定单元在启动仿真系统前对模型中所需输入的三种参数分别为包含钢种、浇注温度、拉速、铸坯断面尺寸的工艺条件参数，包含铸机二冷分区、 辊列布置、喷嘴布置的铸机结构参数，以及包含二次冷却水量、环境温度的冷却参数；步骤二中，通过计算条件设置单元，将拉速、浇注温度作为初始条件代入仿真系统，并进行边界条件设置，以建立凝固传热方程；按照两棍间的不同传热方式设置边界条件中的换热系数，基于二冷回路中的每一种边界换热条件并采用非平均换热系数模型，综合考虑两辊之间不同冷却区域铸坯表面热量传递的四种方式铸坯表面自然对流及辐射散热、冷却水与铸坯表面强制对流换热、铸坯与支撑辊接触导热；按不同冷却区进行分段设计或者按照棍子进行分段设计；不同传热方式选择不同的计算公式，直接选取或自行输入公式均可；在设备和工艺参数确定时，冷却水与铸坯表面强制对流传热的热量根据喷嘴的热态特性参数进行计算；步骤三中，通过仿真计算单元，将初始条件及边界条件代入基于铸机结构参数和工艺条件而建立的凝固传热方程，同时进行时间、空间步长划分，并对凝固传热方程进行求解；各步骤中，通过扩展单元调用和/或存放数据库内的多种结构的铸机参数、多种钢种的热物性参数、多种喷嘴型号及与喷嘴型号相关的冷态及热态性能参数；并根据实验和生产情况自行增加和修改数据库存放的参数。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于步骤二中，各冷却区进行分段设计时各区的综合换热系数h为
全文摘要
本发明涉及一种板坯连铸二次冷却离线仿真系统和方法，工艺设备参数设定单元在仿真系统启动前对模型中所需的参数的输入；计算条件设置单元用于建立凝固传热方程；仿真计算单元根据所建立的凝固传热方程进行模型结果计算；结果显示单元用于对仿真计算单元所计算出的铸坯温度场及凝固特征进行显示；扩展单元用于存放直接用于仿真计算的数据或参数并能对系统数据库进行添加和修改，供用户直接选取。综合考虑二冷区铸坯表面热量传递的几种方式，能精确反映铸坯表面温度变化的信息；全面考虑钢种的热物性参数以及不同喷嘴的冷态及热态性能参数对仿真结果的影响，更贴近现场实际情况，具有良好的通用性和扩展性，参数选取不再完全依靠经验值。
文档编号G06F17/50GK102508943SQ20111030208
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者叶理德, 幸伟, 徐永斌, 徐海伦, 邓维, 邵远敬, 马春武 申请人:中冶南方工程技术有限公司