[发明专利]用于连铸结晶器凝固传热过程热流密度的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及连铸凝固传热过程，尤其是结晶器内凝固传热模型的热边界条件确定。

背景技术

作为连铸过程的心脏，连铸钢液在结晶器中的传热行为保证了连铸生产过程的顺利进行。连铸过程中，液态钢水由水口进入结晶器，经由结晶器冷却，不断将自身热量向外传递，在弯月面以下便形成具有一定形状的凝固坯壳。从传热学角度出发，钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率过快且不均匀，过大的热应力则可能引起铸坯裂纹；相反，若传热不充分，则可能导致薄的坯壳鼓肚，变形，甚至被拉漏。铸坯的凝固行为取决于钢液向外进行热传递的能力。因此，了解和控制初始凝固坯壳的传热特性，掌握结晶器内钢液传热行为及热边界条件，对于改善铜板工作条件，实现漏钢预报，提升铸坯表面质量等都具有极其重要的作用。

在连铸坯凝固传热的研究中，人们通过考虑液相对流，振痕，固液渣状态，气隙等因素得到对应的综合传热系数来计算结晶器内钢液的凝固过程。但在这个过程中，由于人们对液相对流程度，振痕范围，固液渣分布状态以及气隙等具体过程参数的认识有差异，且计算过程相当复杂。这对实际生产中，获得简单的热边界条件用于凝固传热计算并不适用。进一步的，研究人员通过在水冷结晶器内测定热流与钢液停滞时间的关系上，得到铸坯与结晶器界面间的局部热流密度经验公式，极大地简化了传热研究过程。为获得公式中的具体参数解，人们或者采用传统的板/方坯计算参数（板坯：q=2.688-0.227                                               ；方坯：q=2.688-0.335），固定的参数对不同的机型存在误差。在传统计算方式下，又提出了结合实测数据反向确定热流密度的方法，但这一过程在实际生产中并不能广泛适用，仅适用于实验室等小规模研究中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于连铸结晶器凝固传热过程热流密度的计算方法，该方法简易可行，为用于大规模连铸生产中的结晶器凝固传热过程的研究提供了便捷的途径，从而保证连铸生产过程的顺利进行。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的用于连铸结晶器凝固传热过程热流密度的计算方法，具体是：以方坯连铸机结晶器出口处坯壳的安全厚度和板坯结晶器出口处坯壳的安全厚度为标准，将其换算成单位体积的钢液；然后通过单位时间内凝固的坯壳体积，换算得到凝固坯壳从结晶器中传递出的热量，并以该热量来计算单位面积上的热流密度。

所述的热流密度可由下述方法得到，其步骤包括：

第一步，确定钢水过热散发热量Q₁：

单位时间内，一定量的钢水过热散发热量Q₁由热量计算公式（1）得出，

Q₁=C_pm(T_c-T_L)                            （1）

式中：Q₁为钢液散发的过热量，C_p为钢液的比热容，m为钢液重量，T_c为钢液的浇铸温度，T_L为浇铸钢种的液相线温度；

第二步，确定钢水凝固过程散发热量Q₂：

单位时间内，一定量的钢水凝固过程散发热量Q₂由热量计算公式（2）得出，

Q₂=C_effm(T_L-T_s)                            （2）

式中：Q₂为钢液凝固过程散发的热量，C_eff为钢液凝固过程中，固液两相区的等效比热容，m为凝固钢液重量，T_L为浇铸钢种的液相线温度，T_s为浇铸钢种的固相线温度；

第三步，确定凝固坯壳冷却过程散发显热热量Q₃： 

单位时间内，凝固坯壳冷却过程散发显热热量Q₃由热量计算公式（3）得出，

Q₃=C_sm(T_s-T₀)/2                            （3）