[發明專利]一種板坯結晶器錐度設計方法

有效

• 申請號: 201310356316.X
• 申請日: 2013-08-14
• 公開（公告）號: CN103406505A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 蔡兆鎮;朱苗勇;祭程;吳晨輝
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22D11/057
• 分類號: B22D11/057;B22D11/18
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種板坯結晶器錐度設計方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：根據連鑄機所連鑄主流鋼種中C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr與Al主要成分的含量，確定所連鑄鋼種的密度、導熱系數、比熱以及線性熱膨脹系數，為坯殼-結晶器系統熱/力耦合有限元數值計算模型建立提供坯殼凝固的高溫物性參數；

步驟2：根據結晶器銅板結構與連鑄坯斷面尺寸以及所連鑄鋼種的高溫物性參數，建立以1/4坯殼-結晶器橫截面系統為計算對象的二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型，計算確定坯殼在整個結晶器沿其高度和周向上的收縮與變形分布、保護渣厚度分布；

步驟2.1：根據結晶器銅板結構、連鑄坯斷面尺寸以及所連鑄鋼種的高溫物性參數，建立以1/4坯殼-結晶器橫截面系統為計算對象的二維瞬態熱/力耦合有限元實體模型，并對實體模型劃分網格；

步驟2.2：確定結晶器銅板初始溫度場和坯殼-結晶器界面初始熱流；取任一接近銅板真實溫度值的溫度為銅板熱面溫度，并假設坯殼初始表面溫度為鋼液澆注溫度，彎月面處坯殼-結晶器界面內保護渣膜分布均勻，根據連鑄坯斷面尺寸和保護渣消耗量，計算出界面內保護渣膜的厚度，并以上述坯殼表面溫度、渣膜厚度和銅板熱面溫度為參數，計算出坯殼-結晶器界面初始熱流；

將該坯殼-結晶器界面初始熱流和所取的銅板熱面溫度分別作為1/4坯殼-結晶器橫截面系統二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型的銅板熱面熱流邊界條件和銅板初始溫度，并僅計算銅板溫度場，獲得新的銅板熱面溫度；

將坯殼表面溫度、保護渣厚度和上述計算出的新銅板熱面溫度值為參數，計算新的坯殼-結晶器界面熱流，并將該新坯殼-結晶器界面熱流和算出的銅板溫度場分別作為1/4坯殼-結晶器橫截面系統二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型新的銅板熱面熱流邊界條件和初始溫度，再次僅計算銅板溫度場，以獲得更逼近真實銅板溫度的熱面溫度和坯殼-結晶器界面熱流；重復該計算過程，直至銅板熱面溫度兩次迭代差值小于0.5℃；將最后所求得的銅板溫度場和坯殼-結晶器界面熱流作為最終1/4坯殼-結晶器橫截面系統二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型銅板的初始溫度場和坯殼表面與銅板熱面熱流邊界條件；

步驟2.3：計算坯殼-結晶器系統傳熱；即基于坯殼初始溫度場和銅板初始溫度場，以已確定的坯殼-結晶器界面熱流為坯殼表面和銅板熱面熱流邊界條件，計算坯殼與結晶器銅板的溫度場，為確定下一結晶器高度的坯殼-結晶器界面熱流計算提供坯殼表面與銅板熱面溫度參數和計算1/4坯殼-結晶器橫截面系統二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型所需的坯殼與銅板初始溫度場；

步驟2.4：計算坯殼凝固收縮與變形行為；即基于已求得的坯殼與銅板的溫度場分布，計算坯殼沿結晶器寬面中心與窄面中心方向的收縮與變形量；同時計算坯殼表面與銅板熱面間的位移差，以確定坯殼-結晶器界面間隙寬度，為確定下一結晶器高度坯殼-結晶器界面熱流提供坯殼-結晶器界面間隙寬度參數；

步驟2.5：根據坯殼表面溫度、銅板熱面溫度以及坯殼-結晶器間隙寬度，確定下一結晶器高度下沿結晶器周向變化的坯殼-結晶器界面熱流；

步驟2.5.1：根據坯殼表面溫度與保護渣凝固溫度關系確定坯殼-結晶器界面熱阻構成，若坯殼表面溫度高于保護渣凝固溫度，則坯殼-結晶器界面熱阻由液渣層、固渣層與結晶器-固渣界面熱阻串聯組成，執行步驟2.5.2；若坯殼表面溫度小于或等于保護渣凝固溫度，則坯殼-結晶器界面熱阻由氣隙層、固渣層與結晶器-固渣界面熱阻串聯組成，執行步驟2.5.3；

步驟2.5.2：規定保護渣總厚度等于坯殼-結晶器界面間隙寬度，根據通過液渣層、固渣層和結晶器-固渣界面的熱流相等原理，計算液渣層熱阻、固渣層熱阻、結晶器-固渣界面熱阻以及保護渣膜總厚度沿結晶器周向的分布，執行步驟2.5.4；

步驟2.5.3：根據通過氣隙層、固渣層和結晶器-固渣界面的熱流相等原理，計算氣隙層熱阻、固渣層熱阻、結晶器-固渣界面熱阻以及保護渣膜沿結晶器周向的分布；

步驟2.5.4：根據坯殼表面與銅板熱面溫度差與坯殼-結晶器界面總熱阻間的關系，確定沿結晶器周向的熱流密度分布；

步驟2.6：將步驟2.3計算所得的坯殼與結晶器溫度場和步驟2.5.4所確定的坯殼-結晶器界面熱流設定為下一結晶器高度下1/4坯殼-結晶器橫截面系統二維瞬態熱/力耦合有限元數值計算模型的坯殼與銅板初始溫度場和坯殼表面與銅板熱面熱流邊界條件，并重復執行步驟2.3至步驟2.6，直至連鑄坯出結晶器，從而求得在整個結晶器沿其高度和周向上的坯殼收縮與變形分布、保護渣厚度分布；

步驟3：根據保護渣膜在結晶器寬面與窄面的厚度分布，確定寬面上交界線位置與窄面上交界線位置，并設定寬面上交界線一側為寬面角部楔形狀錐度區，另一側為寬面中部無錐度區；窄面上交界線一側為窄面角部楔形狀錐度區，另一側為窄面中部曲線錐度區；

所述的交界線位置確定如下：

在結晶器出口處的坯殼-結晶器界面內，確定沿結晶器寬面或窄面中部向角部方向保護渣厚度增長量斜率第一次大于0.002的位置，通過該位置并垂直于結晶器上或下口的直線為交界線；

步驟4：根據步驟2.3～2.6所求得的坯殼窄面中部向結晶器寬面中心方向的收縮量，擬合其沿結晶器高度方向分布的表達式，進而確定其為結晶器窄面中部曲線錐度區的錐度；

步驟5：根據步驟2.3～2.6所求得坯殼窄面角部向結晶器寬面中心方向的收縮與變形分布，確定角部與中部區域向結晶器寬面中心方向的收縮與變形量差，進而獲得二者差值的最大值，并在窄面中部曲線錐度區錐度補償量的基礎上，設計結晶器窄面角部的錐度補償量從彎月面至結晶器出口由0線性增加至上述最大值；同時將角部的錐度補償量沿角部至交界線方向線性減至0，使結晶器窄面角部區域成為楔形狀結構；

步驟6：根據步驟2.3～2.6所求得的坯殼寬面角部向結晶器窄面中心方向的收縮與變形分布，確定角部收縮與變形的最大值，設計結晶器寬面角部的錐度補償量從彎月面至結晶器出口由0線性增加至上述最大值，同時將角部的錐度補償量沿角部至交界線方向線性減至0，使結晶器寬面角部區域成為楔形狀結構。