[发明专利]一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法，属于钢铁冶金连铸技术领域。

背景技术

结晶器是连铸机的核心部件，其内部的传热和摩擦状态直接决定铸坯质量和铸机生产效率，准确把握结晶器内的传热行为并对其进行合理调控，是连铸机设备设计、工艺开发和质量优化的前提。出于浇铸安全和生产顺行的要求，在一定的拉速下应尽力促使铸坯沿结晶器周向均匀生长，在脱离结晶器时形成一定厚度的坯壳以抵抗钢水静压力而不至漏钢。实践表明，结晶器内坯壳生长的均匀性对铸坯表面质量具有重要影响。受设备对中、水口偏流、保护渣不均匀流入等状况的影响，坯壳在结晶器内的生长往往呈现出显著的非均匀特征，成为导致纵裂、横裂等表面缺陷的主要因素，严重时将直接造成漏钢。

生产过程中，在结晶器铜板与高压冷却水的强制冷却作用之下，结晶器与铸坯间构成了一个十分复杂的热交换体系。在弯月面区域，熔融的液态保护渣渗入结晶器和铸坯间的狭小缝隙内，高温钢液受到铜板的激冷作用很快凝固形成初生坯壳，沿浇铸方向坯壳厚度不断增加。在温度降低、相变等因素的作用下，坯壳逐渐脱离结晶器壁而出现气隙。在影响结晶器传热和坯壳生长的众多因素中，结晶器和铸坯间缝隙内的保护渣和气隙的存在和分布状态，是决定结晶器换热的关键。因此，正确认识结晶器内保护渣和气隙的分布区域及其厚度的非均匀性，对于结晶器锥度设计、连铸工艺优化和铸坯质量控制具有重要意义。

查阅已经公布的文献和专利，目前在计算结晶器内的传热和力学行为存在以下局限：1)通常沿用热流经验公式作为计算的边界条件，忽略实测数据的影响，使得计算出的传热、凝固和力学行为普遍呈“均匀性”和“对称性”特点，无法体现实际工况下的非均匀特征，而这是考察和优化连铸坯质量的前提；2)很少考虑保护渣的存在状态，且通常假定结晶器内为全程的液态润滑，即结晶器壁周向存在着厚度均匀的液态保护渣；3)在少数考虑气隙的资料中，气隙厚度的计算结果呈均匀分布，但是由于气隙的热阻最大，是限制结晶器传热的瓶颈，气隙的处理会直接影响到数值计算的准确性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够准确计算结晶器内保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的方法，在连铸坯结晶器铜板温度在线检测的基础上，建立考虑实测温度的结晶器传热/铸坯凝固反问题计算模型，反算结晶器与铸坯间的热流、铜板热面温度和铸坯表面温度，获得符合实际工况条件的结晶器和铸坯温度场；在此基础上，结合保护渣物性参数判断结晶器与铸坯间缝隙内保护渣渣膜和气隙的存在状态，并计算出不同存在状态下的液态渣膜、固态渣膜和气隙厚度的非均匀分布，为准确把握结晶器内的传热特性，工艺优化和铸坯质量控制提供可靠数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案和具体步骤如下：一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法，综合考虑保护渣渣膜和气隙在连铸结晶器内的形成、演化与传热特征，提供一种将数值模拟与在线检测相结合，准确计算结晶器内液态、固态保护渣渣膜和气隙厚度非均匀分布的方法，具体包括以下步骤：

第1步：结晶器传热/铸坯凝固数值模型建立

基于结晶器铜板和连铸坯断面工艺条件，建立二维非稳态结晶器传热/铸坯凝固数值计算模型，利用有限差分法将模型进行离散化处理；将断面尺寸、拉速、浇温、液位工艺参数，以及钢种、结晶器铜板和保护渣热物性参数输入传热凝固数值模型；

第2步：结晶器和铸坯温度场反问题计算

在二维结晶器/铸坯切片沿浇铸方向从弯月面向下移动至结晶器出口的过程中，通过反算迭代降低铜板测点处计算温度与实测温度的差值，当铜板测点处计算温度高于实测温度时，表明热流高于实际值，需要降低热流；反之，在计算温度低于实测温度时，需要增加热流，通过反复迭代，直至计算结果满足误差的收敛条件，进而获得结晶器与铸坯间的反算热流q、结晶器铜板热面温度T_m与连铸坯表面温度T_s；

第3步：判断结晶器与铸坯间缝隙内液态、固态渣膜和气隙的存在状态并计算其厚度

(1)当连铸坯表面温度(T_s)>保护渣凝固温度(T_fsol)时，缝隙内仅存在液态渣膜和固态渣膜，

液态渣膜厚度d_l通过以下公式计算：