[发明专利]连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，特别是涉及连铸结晶器内高温钢液凝固传热过程的离线仿真。

背景技术

作为连铸的心脏，结晶器内的连铸过程是一个关联着传热，凝固，流动和溶质再分配等现象的复杂过程。各现象之间相互关联，交互影响作用，使结晶器内的传热行为变得异常复杂。但结晶器内钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率不均匀，易于引发铸坯裂纹；此外，若传热不充分，则容易导致较薄的坯壳鼓肚，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。通过对结晶器内的凝固传热过程进行仿真计算，即可以获知铸坯在结晶器中生长得到的凝固坯壳厚度，铸坯表面温度分布，结晶器冷却水量、冷却水温差和结晶器锥度分布等重要的冶金参数。这对整个连铸过程工艺参数的优化和铸坯质量的改善等都具有十分重要的意义。

连铸结晶器内钢液的凝固传热过程研究中，主要是通过获知结晶器传热热流分布来分析钢液的凝固过程，得到与连铸生产相关的工艺参数。一方面，可以利用静止水冷结晶器内测定得到的热流与钢液停滞时间的关系，得到铸坯与结晶器界面间的局部热流密度，进而研究结晶器内的凝固传热过程，得到与之相关的数据，但经验公式对不同的机型存在明显差异，很难对结晶器内钢液凝固传热过程做精确解析。此外，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传热过程。整个过程中，由于对液相对流程度，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存在差异，且计算过程相当复杂，不同机型的适用性差别也较大。致使实际生产中，很难快速获得结晶器内热边界条件，仿真结晶器内钢液的凝固传热过程。

因此，我们通过简化高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响。利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，仿真计算整个结晶器内钢液的凝固传热过程。该系统简便易行、适用性高、可靠性极高，能够用于离线仿真不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真系统，该系统适用性高、可靠性好，能够用于离线仿真不同连铸机型的结晶器内钢液凝固传热过程，为大规模生产中，连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的连铸结晶器内钢液凝固传热过程仿真系统，由模型数据初始化模块、数据运行模块和结果输出模块三部分组成，其中：模型数据初始化模块设立接口与数据运行模块的输入端相连；结果输出模块用于显示并保存计算结果，该模块由数据自动输出保存功能和计算结果图形显示功能组成，并在模块上设立接口与数据运行模块的输出端相连。

所述的模型数据初始化模块由依次连接的连铸机数据库模块、物性参数数据库模块和生产工艺数据库模块组成。

所述的数据运行模块由一维计算模型和二维计算模型组成，用于离线仿真连铸结晶器内钢液的凝固传热过程。

所述的一维计算模型是以铸坯厚度方向的切片模型为基础，忽略沿宽度方向上的传热，适用于板坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。

所述的二维计算模型是以铸坯横截面方向切片模型为基础，考虑沿铸坯厚度和宽度方向上的传热，适用于板/方坯连铸结晶器内，钢液的凝固传热过程。 

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

结晶器内钢液的凝固传热过程对产品的质量有着至关重要的作用，而处于高温状态下，结晶器内热流密度的大小则反映出结晶器的传热能力。为此，本发明从高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热出发，利用不同铸机参数、钢种数据参数及生产工艺参数来初始化系统，离线仿真整个结晶器内钢液的凝固传热过程，获得与生产相关的重要冶金参数。

例如：实际生产中，150 mm×150 mm的小方坯连铸机浇铸Q235钢，浇铸温度1535 ℃，拉速3 m/s，结晶器冷却水初始温度35℃，流量110 m³/h，温差7 K，仿真系统得到的结晶器冷却水流量108 m³/h，温差7 K，与实际结晶器冷却水流量和温差相符。此外，结晶器实际使用锥度为1.12 %/m，计算得到的理想锥度为1.07 %/m，二者基本相符。