[发明专利]一种确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置的方法

说明书

本发明提供一种确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置的方法，通过计算参数输入模型获得瞬态凝固过程计算模型，进一步获得输出凝固末端电磁搅拌动态位置控制曲线模型，将该控制曲线模型输入到垂直半连铸电磁搅拌控制系统中，以控制凝固末端电磁搅拌器的升降机构。本发明开发了一种适用于模拟垂直半连铸大圆坯瞬态凝固过程的动网格算法和相应的计算模型，该模型完全有别于传统连铸工艺的计算模型，可以准确模拟出垂直半连铸大圆坯的凝固过程，准确计算出垂直半连铸大圆坯在凝固过程中凝固末端各个固相率的动态位置，准确控制搅拌器升降机构的动态位置，有效改善凝固末端的钢水流动状态，达到电磁搅拌的冶金效果，提高大圆坯的芯部质量。

技术领域

本发明涉及钢铁和有色金属冶金铸造技术领域，具体而言，尤其涉及一种确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置的方法。

背景技术

大圆坯是一类重要的铸件产品，被广泛应用于风机轴、核电和水电发电机组转子、大型支承辊、船舶主轴和环类零件等领域。此类大圆坯有多种制备方法，如电渣熔铸、模铸件自由锻造、连铸和垂直半连铸等方法。根据大圆坯的用途和生产组织方式的不同，选取的制备工艺方法也不尽相同，其中，垂直半连铸工艺则适用于单批次、小批量的定制化生产模式，同时生产效率远高于电渣熔铸法，可以生产各类品种钢和有色金属。

垂直半连铸工艺明显有别于连铸工艺，其制坯过程分为两个阶段：首先是连续拉坯阶段，该阶段与连铸启动状态相同，但区别在于拉坯至预定长度时将停止拉坯；随后是静置冷却阶段，该阶段凝固坯壳内盛有大量的未凝固钢水，随着坯壳不断向环境中辐射热量，内部钢水随之冷却直至完全凝固。

垂直半连铸工艺也可称为立式半连铸、立式半连续铸造、分段铸造等。

电磁搅拌是改善大圆坯芯部质量，抑制芯部成分偏析和疏松缩孔最为有效的技术手段。其中凝固末端电磁搅拌技术，可以通过强化凝固末端粘稠钢水的流动，有效打断枝晶间的“搭桥”，还可以破坏V型偏析通道，从而起到改善芯部疏松锁孔、提高凝固组织的致密度、抑制中心偏析的作用。因此凝固末端电磁搅拌技术是控制垂直半连铸大圆坯铸造质量最主要的技术手段，其在凝固过程中动态跟踪大圆坯的凝固末端，在拉坯阶段随之不断下降，在静置冷却阶段随之不断上升。

凝固末端电磁搅拌技术如要起到预期的冶金效果，准确判断凝固末端的位置则是关键的先决条件。对于连铸工艺，在稳定的拉坯过程中，由于换热条件相对稳定，因此在拉坯方向上某一空间点的温度不随时间变化，进而凝固末端的位置是固定不变的。而对于垂直半连铸工艺，其不存在相对稳定的拉坯过程和换热过程，在拉坯阶段和静置冷却阶段，铸坯任一位置的温度都是随时间变化的，因此凝固末端的位置也是动态变化的。

目前，暂时没有关于确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置方法的相关资料，而确定连铸坯凝固末端电磁搅拌位置的方法则较多。但是，连铸工艺和垂直半连铸工艺的凝固过程完全不同：如前所述连铸的拉坯过程为相对稳态的传热过程，凝固末端的位置是稳定不变的；而垂直半连铸为全程瞬态的传热过程，其凝固末端的位置是动态变化的。因此二者凝固末端电磁搅拌位置的计算模型和算法则完全不同，需要针对垂直半连铸工艺特点开发专有的计算方法和模型。

发明内容

根据上述提出的现有技术无法确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置的技术问题，而提供一种确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌动态位置的方法。本发明主要利用计算参数输入模型获得瞬态凝固过程计算模型，进一步获得输出凝固末端电磁搅拌动态位置控制曲线模型，将该控制曲线模型输入到垂直半连铸电磁搅拌控制系统中，以控制凝固末端电磁搅拌器的升降机构，准确确定垂直半连铸大圆坯凝固末端电磁搅拌的动态位置。本发明开发了一种适用于模拟垂直半连铸大圆坯瞬态凝固过程的动网格算法和相应的计算模型，该套模型完全有别于传统连铸工艺的计算模型，可以准确模拟出垂直半连铸大圆坯的凝固过程；可以准确计算出垂直半连铸大圆坯在凝固过程中凝固末端各个固相率的动态位置，从而可以根据凝固末端电磁搅拌的工艺要求，准确控制搅拌器升降机构的动态位置，进一步的可以有效改善凝固末端的钢水流动状态，达到电磁搅拌的冶金效果，提高大圆坯的芯部质量。