[發明專利]一種連鑄板坯內部裂紋在線預測方法

有效

• 申請號: 201310012646.7
• 申請日: 2013-01-14
• 公開（公告）號: CN103920859A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 幸偉;范小剛;馬春武;徐永斌;徐海倫;陳洪智;邵遠敬;葉理德;袁德玉
• 申請（專利權）人: 中冶南方工程技術有限公司
• 主分類號: B22D11/16
• 分類號: B22D11/16;B22D11/18
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

1.一種連鑄板坯內部裂紋在線預測方法，其特征在于：將鑄坯從結晶器彎月面到控制區末端劃分為若干個切片，在忽略沿拉坯方向傳熱的基礎上，建立每個切片的二維凝固傳熱的切片熱跟蹤模型；通過切片熱跟蹤模型對鑄坯凝固過程進行動態跟蹤，將所有切片連在一起動態描述整個鑄流的溫度場分布；根據溫度場分布或鑄坯凝固參數，通過鼓肚應變模型在線實時計算鑄坯產生的鼓肚應變，同時設定鑄坯的臨界應變值作為產生內部裂紋的標準，當鼓肚應變超過鑄坯臨界應變值時，鑄坯即發生內部裂紋。

2.根據權利要求1所述的連鑄板坯內部裂紋在線預測方法，其特征在于：上述方法具體包括如下步驟：

第一步：數據初始化過程：從一級計算機、二級計算機和三級計算機讀取鋼種信息、鋼種物性參數、工藝參數、設備參數以及設定的模型計算參數；

第二步：將鑄坯從結晶器彎月面到控制區末端劃分為若干個切片，對于每個切片，以板坯寬度方向為X軸，厚度方向為Y軸，運動方向為Z軸建立坐標系，進而在忽略沿拉坯方向傳熱的基礎上，建立每個切片的二維凝固傳熱的切片熱跟蹤模型；

第三步：動態跟蹤每個切片，通過每個切片的獨立信息單元在不同時刻隨著工藝參數的實時變化，確定出每個切片在不同時刻下的凝固傳熱微分方程邊界條件；對微分方程進行周期性求解，動態描述每個切片在不同時刻、不同位置處的溫度場，將所有切片連在一起，動態描述整個鑄流的溫度場分布；所述獨立信息包括切片的壽命、表面溫度、坯殼厚度、位置；中包溫度、溫度場、固液相線位置和拉速。

熱跟蹤模型對所有切片的重要信息進行跟蹤存儲。計算程序內部為這些信息建立了專門的數據存儲單元；

第四步：進行鑄坯鼓肚應變形分析：將步驟三中切片熱跟蹤模型計算得到的鑄坯溫度場及坯殼厚度信息代入鼓肚應變模型中，計算當前切片所產生的鼓肚應變；

第五步：當鼓肚應變超過鑄坯臨界應變值時，系統即發出鑄坯產生內部裂紋的預告；同時，將所有切片串起來，動態展現整個鑄流的鼓肚應變情況。

3.根據權利要求1或2所述的連鑄板坯內部裂紋在線預測方法，其特征在于：所述的切片熱跟蹤模型，按如下凝固傳熱微分方程表示：

ρc∂T∂t=λ∂2T∂x2+λ∂2T∂y2---(1)]]>

式中：ρ-鋼的密度，kg/m³；

c-等效比熱容，J/kg.K；

λ—導熱系數，W/m.℃；

T—溫度，K；

該模型中所需輸入的將初始條件參數包括四種分別為：鋼種和鋼種參數；包含澆注溫度、拉速、鑄坯斷面尺寸、二次各分區冷卻水量、環境溫度的工藝參數；包含鑄機二冷分區、輥列布置、噴嘴布置的鑄機結構參數；包含時間步長、空間步長、切片長度、計算周期的計算參數；

凝固初期整段鋼坯的溫度場均勻一致，都和澆鑄溫度相同；

鑄坯凝固過程中依次經過結晶器，二冷區，空冷區，所有熱量均由表面傳出，各區的冷卻條件不同，邊界條件也不同；

結晶器內邊界條件：

結晶器瞬時熱流密度的表達式為：

q=A-Bt(W/m2)---(2)]]>

式中，A、B為常數，通常取A=2×10⁶~3×10⁶W/m²；B為氣隙在結晶器高度方向上對熱流密度q的影響；

由上式，得到結晶器的平均熱流密度：

q‾=∫0tm(A-Bt)dttm=A-23Btm---(3)]]>

其中：tm=LmV×60---(4)]]>

式中，t_m為鑄坯從彎月面至結晶器出口所需的時間，s；L_m為結晶器的長度，m；V為拉速，m/min；

冷卻水帶走的熱量通過下式進行計算：

qw=ρw·Cw·ΔT·QwF---(5)]]>

式中，ρ_w為水的密度，1.0×10³kg/m³；C_w為水的比熱，4.2×10³J/(kg·℃)；ΔT為結晶器冷卻水溫差，℃；Q_w為結晶器冷卻水流量，m³/s；F為鑄坯與結晶器接觸面積，m²；

由計算出B，進而得到結晶器瞬時熱流密度的表達式作為結晶器內微分方程邊界條件；

二冷區，采用第三類邊界條件來計算其熱流密度，如下式所示：

q₂=h(T_s-T_w)??????（6）

式中，h為噴水冷卻傳熱系數，W/(m²·℃)；T_s為鑄坯表面溫度，℃；T_w為噴淋冷卻水溫度，℃；

h=A+BWⁿ??????（7）

式中A、B、n均為經驗常數，通過實驗測試并由現場實測修正得出，w為水流密度，L/(m²·s)；

空冷區，表面熱流密度按下式確定：

q_k=εσ[(T_b+273)⁴-(T_a+273)⁴]??????（8）

式中ε—鑄坯表面黑度，一般取0.8；

σ—波爾茲曼常數,W/m².k⁴，取5.67×10^-8；

T_a—環境溫度,℃；

T_b—鑄坯表面溫度,℃；

將初始條件及邊界條件代入基于鑄機結構參數和工藝條件而建立的凝固傳熱微分方程（1），同時進行時間、空間步長劃分，并對凝固傳熱方程進行求解得到鑄坯的凝固參數。