[發明專利]一種連鑄結晶器保護渣液態、固態渣膜與氣隙厚度非均勻分布的計算方法

在審

• 申請號: 201410652827.0
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104331629A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 王旭東;姚曼;孔令偉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;B22D11/16
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種連鑄結晶器保護渣液態、固態渣膜與氣隙厚度非均勻分布的計算方法，屬于鋼鐵冶金連鑄技術領域。

背景技術

結晶器是連鑄機的核心部件，其內部的傳熱和摩擦狀態直接決定鑄坯質量和鑄機生產效率，準確把握結晶器內的傳熱行為并對其進行合理調控，是連鑄機設備設計、工藝開發和質量優化的前提。出于澆鑄安全和生產順行的要求，在一定的拉速下應盡力促使鑄坯沿結晶器周向均勻生長，在脫離結晶器時形成一定厚度的坯殼以抵抗鋼水靜壓力而不至漏鋼。實踐表明，結晶器內坯殼生長的均勻性對鑄坯表面質量具有重要影響。受設備對中、水口偏流、保護渣不均勻流入等狀況的影響，坯殼在結晶器內的生長往往呈現出顯著的非均勻特征，成為導致縱裂、橫裂等表面缺陷的主要因素，嚴重時將直接造成漏鋼。

生產過程中，在結晶器銅板與高壓冷卻水的強制冷卻作用之下，結晶器與鑄坯間構成了一個十分復雜的熱交換體系。在彎月面區域，熔融的液態保護渣滲入結晶器和鑄坯間的狹小縫隙內，高溫鋼液受到銅板的激冷作用很快凝固形成初生坯殼，沿澆鑄方向坯殼厚度不斷增加。在溫度降低、相變等因素的作用下，坯殼逐漸脫離結晶器壁而出現氣隙。在影響結晶器傳熱和坯殼生長的眾多因素中，結晶器和鑄坯間縫隙內的保護渣和氣隙的存在和分布狀態，是決定結晶器換熱的關鍵。因此，正確認識結晶器內保護渣和氣隙的分布區域及其厚度的非均勻性，對于結晶器錐度設計、連鑄工藝優化和鑄坯質量控制具有重要意義。

查閱已經公布的文獻和專利，目前在計算結晶器內的傳熱和力學行為存在以下局限：1)通常沿用熱流經驗公式作為計算的邊界條件，忽略實測數據的影響，使得計算出的傳熱、凝固和力學行為普遍呈“均勻性”和“對稱性”特點，無法體現實際工況下的非均勻特征，而這是考察和優化連鑄坯質量的前提；2)很少考慮保護渣的存在狀態，且通常假定結晶器內為全程的液態潤滑，即結晶器壁周向存在著厚度均勻的液態保護渣；3)在少數考慮氣隙的資料中，氣隙厚度的計算結果呈均勻分布，但是由于氣隙的熱阻最大，是限制結晶器傳熱的瓶頸，氣隙的處理會直接影響到數值計算的準確性。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種能夠準確計算結晶器內保護渣液態、固態渣膜與氣隙厚度非均勻分布的方法，在連鑄坯結晶器銅板溫度在線檢測的基礎上，建立考慮實測溫度的結晶器傳熱/鑄坯凝固反問題計算模型，反算結晶器與鑄坯間的熱流、銅板熱面溫度和鑄坯表面溫度，獲得符合實際工況條件的結晶器和鑄坯溫度場；在此基礎上，結合保護渣物性參數判斷結晶器與鑄坯間縫隙內保護渣渣膜和氣隙的存在狀態，并計算出不同存在狀態下的液態渣膜、固態渣膜和氣隙厚度的非均勻分布，為準確把握結晶器內的傳熱特性，工藝優化和鑄坯質量控制提供可靠數據。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案和具體步驟如下：一種連鑄結晶器保護渣液態、固態渣膜與氣隙厚度非均勻分布的計算方法，綜合考慮保護渣渣膜和氣隙在連鑄結晶器內的形成、演化與傳熱特征，提供一種將數值模擬與在線檢測相結合，準確計算結晶器內液態、固態保護渣渣膜和氣隙厚度非均勻分布的方法，具體包括以下步驟：

第1步：結晶器傳熱/鑄坯凝固數值模型建立

基于結晶器銅板和連鑄坯斷面工藝條件，建立二維非穩態結晶器傳熱/鑄坯凝固數值計算模型，利用有限差分法將模型進行離散化處理；將斷面尺寸、拉速、澆溫、液位工藝參數，以及鋼種、結晶器銅板和保護渣熱物性參數輸入傳熱凝固數值模型；

第2步：結晶器和鑄坯溫度場反問題計算

在二維結晶器/鑄坯切片沿澆鑄方向從彎月面向下移動至結晶器出口的過程中，通過反算迭代降低銅板測點處計算溫度與實測溫度的差值，當銅板測點處計算溫度高于實測溫度時，表明熱流高于實際值，需要降低熱流；反之，在計算溫度低于實測溫度時，需要增加熱流，通過反復迭代，直至計算結果滿足誤差的收斂條件，進而獲得結晶器與鑄坯間的反算熱流q、結晶器銅板熱面溫度T_m與連鑄坯表面溫度T_s；

第3步：判斷結晶器與鑄坯間縫隙內液態、固態渣膜和氣隙的存在狀態并計算其厚度

(1)當連鑄坯表面溫度(T_s)>保護渣凝固溫度(T_fsol)時，縫隙內僅存在液態渣膜和固態渣膜，

液態渣膜厚度d_l通過以下公式計算：