[發明專利]考慮振動行為的連鑄結晶器流場物理模擬方法

有效

• 申請號: 201310182341.0
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103231031A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 陳登福;謝鑫;龍木軍;張蕾蕾;董志華;申嘉龍
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B22D11/00
• 分類號: B22D11/00;B22D11/16
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華

技術領域

本發明涉及一種連鑄結晶器流場物理模擬方法，該方法主要應用于冶金行業鋼鐵材料及其他金屬材料的連續澆鑄成型領域，研究連續澆注過程中結晶器內金屬流動狀態和液面波動行為，適用于各種類型連鑄結晶器的物理模擬研究。

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背景技術

連鑄過程中，鋼液從浸入式水口澆注到結晶器，其行為十分復雜。在結晶器冷卻和振動的作用下，鋼液的行為包含了流動、傳熱、凝固等現象。其中鋼液的流動行為是基礎，合理的結晶器內鋼液流動行為是取得高質量鑄坯的重要保障，不合理的流動行為可能引起凝固殼不均勻、鋼液面卷渣、夾雜物不易上浮、氣泡附著凝固殼等問題，從而影響連鑄順行和鑄坯質量。因此，研究并優化設計結晶器內鋼液流動過程非常重要。

結晶器內鋼液流動行為的研究方法有實際生產實驗、數學模擬和物理模擬。但實際生產實驗不便于觀測和代價昂貴；而數學模擬采用了很多假設，并且其準確性主要取決于數學模型和邊界條件。物理模擬基于相似原理，主要用水的流動模擬鋼液的流動，由于它具有方便、直觀、比較可靠等優點，受到廣大研究者的青睞。

目前國內外結晶器鋼液流動行為的物理模擬，主要是借助先進的測試方法精細的研究不同參數下結晶器內的相關現象，而對物理模型本身的發展還沒有多少關注。研究者主要關注結晶器內液面波動、表面流速、卷渣、非對稱流動等現象，以及工藝參數（拉速、水口浸入深度、吹氬量）和結構參數（浸入式水口、塞棒、滑動水口）對結晶器內這些現象的影響。通過這些研究明確結晶器流場的基本規律，為優化結晶器流場，取得優良的連鑄坯質量奠定一定的基礎。然而在這些物理模擬中，并沒有考慮實際生產中結晶器振動這個重要因素對流場的影響。

結晶器振動是連鑄技術的重大突破，通過液壓或者機械振動裝置，使結晶器銅板在垂直方向往復運動，一般振幅3-5mm，頻率100-200Hz/min。振動可以改善連鑄過程中結晶器內壁的潤滑條件，一定程度減少結晶器與鑄坯間的摩擦力，防止冷凝中的連鑄坯坯殼與結晶器內壁銅板的粘結。

由于結晶器振動行為復雜，實際生產過程的相關現象不便觀測，結晶器振動的研究主要通過數值模擬，也有學者用低熔點金屬研究了振動對溫度的影響。數值模擬中，結晶器的振動行為還不能通過合理的接觸傳遞方式加載到鋼液，而且由于結晶器的高頻振動，數值模擬需要高性能的計算機進行非穩態求解。其次，目前的物理模擬主要用簡化的物理模型研究振動對銅板上溫度波動的影響，還沒有文獻研究振動對流場的影響，也沒有發現考慮振動行為的結晶器物理模擬方面的專利。

結晶器的振動行為會通過保護渣和凝固殼傳遞到鋼液中，對結晶器內鋼液流場產生周期性的影響，特別是對結晶器液面波動產生較大影響。結晶器銅板的周期性運動，會直接對凝固殼產生周期性擠壓，造成結晶器液面一定的上升；同時，在結晶器液面凝結的渣圈會隨著銅板往復運動，對鋼液面造成直接的波動。一般認為結晶器內鋼液面波動過大可能引起鋼液卷渣和保護渣膜不連續等問題，因此要求結晶器內液面波動應在±5mm以內。目前，物理模擬都是在忽略結晶器振動的情況下，以液面波動<±5mm為主要判定條件進行流場的優化設計。由于結晶器液面本身的波動與結晶器振動的幅度（3-5mm）相當，結晶器流場自身的波動和結晶器振動引起的波動可能會疊加，導致物理模擬優化的流場在實際生產中應用的效果不佳。

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發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明提供了一種考慮振動行為的連鑄結晶器流場物理模擬方法。

本發明實現上述目的的技術解決方案如下：

考慮振動行為的連鑄結晶器流場物理模擬方法，本方法通過物理模擬裝置來模擬連鑄過程，所述物理模擬裝置包括中間包、浸入式水口、結晶器和循環泵，浸入式水口插入結晶器中；結晶器在高度方向由上至下逐漸收縮，結晶器的下端通過軟連接與結晶器延長段連接，軟連接可在結晶器振動時隨之伸縮變形；在結晶器延長段底部設有循環水出口，循環水出口、循環泵、中間包和浸入式水口依次連接，從而在中間包、浸入式水口、結晶器、循環水出口和循環泵之間形成循環水路；結晶器通過夾持裝置夾持并處于懸空狀態，結晶器延長段水平放置于穩定的支架上，所述夾持裝置放置在振動臺上，可由振動臺通過夾持裝置帶動結晶器振動。