[发明专利]一种小方坯连铸拉坯方向二冷喷淋状态的数值化方法

说明书

本发明提供一种小方坯连铸拉坯方向二冷喷淋状态的数值化方法，涉及钢连铸技术领域。首先读取小方坯连铸机结构参数、连铸工艺参数和喷嘴冷态性能参数，构建单喷嘴的二维喷淋网络，进而根据冷却区水流量、喷嘴数量和喷嘴流量，计算单喷嘴二维喷淋网络内的水流量分布；其次，将喷嘴喷淋网络映射到小方坯表面，并根据所在喷淋区垂直喷嘴的喷淋网络结构，调整映射网络，插值计算倾斜喷嘴映射喷淋网络的水流量分布，将各喷淋区的喷嘴叠加装配到喷淋架上，形成喷淋区多喷嘴二维喷淋网络；然后，处理两相邻喷淋区无夹辊阻挡而产生的水流量分布相互叠加的情形，构建二冷各区小方坯表面的水流密度网络，实现对小方坯连铸拉坯方向二冷喷淋状态的数值化。

技术领域

本发明涉及钢连铸技术领域，尤其涉及一种小方坯连铸拉坯方向二冷喷淋状态的数值化方法。

背景技术

小方坯的断面尺寸通常在70mm×70mm～250mm×250mm范围内，广泛用于制作线材和棒材产品。小方坯生产的钢种丰富，几乎覆盖钢的整个碳含量范围，且随着钢铁行业的持续转型升级，合金种类逐渐扩大，含量也逐渐增多。近年来，以热作与冷作模具钢为代表的Cr、Mo、V高合金钢也纷纷由模铸转为小方坯连铸生产。随着合金含量的提高，钢种的裂纹敏感性提升，极易开裂、脆断，对冷却均匀性的要求更为强烈。这就需要建立小方坯连铸凝固传热模型时准确考虑二次非均匀喷淋冷却的状态，研究揭示喷淋布局对温度分布的影响，为均匀冷却设计提供指导。

与板坯和大方坯连铸机相似，小方坯连铸机也包含结晶器一次冷却、喷淋二次冷却(简称二冷)和空冷辐射冷却。但是，小方坯连铸机一般为全弧形，夹辊较少，二冷喷淋长度短，且喷淋结构也明显不同。板坯和大方坯连铸机采用扇形段支撑，喷嘴安装在扇形段内相邻两夹辊之间，以冷却裸露的连铸坯表面。然而，小方坯连铸机直接采用夹辊夹持连铸坯，相邻夹辊间距十分巨大，其间装配了带有喷嘴的喷淋架。由于缺少夹辊的分割，喷嘴喷射出的冷却水沿拉坯方向会发生叠加。该现象不仅局限在单一喷淋区内，当相邻喷淋区交界处缺少夹辊时也会发生。板坯和大方坯连铸机相邻两夹辊之间的裸露区域很小，因此喷嘴通常垂直安装在铸坯表面。除垂直喷淋外，小方坯连铸机喷淋架最后一个喷嘴沿拉坯方向倾斜，以扩大喷淋冷却范围，弥补二冷区短的不足。因此，小方坯非均匀喷淋的数学处理明显不同于板坯和大方坯，且更加复杂，需要全面细致地考虑沿拉坯方向的喷淋叠加。

能够反映连铸坯周向和拉坯方向非均匀喷淋状态的边界条件是确保连铸凝固传热模型精准的关键条件之一。但是，传统模型通常根据整个二冷区的水流量，计算该区的平均对流换热系数，即使考虑了拉坯方向上辊-坯接触传热，但裸漏部位的对流换热系数仍按线性或非线性分布处理，而非取决于喷嘴喷淋特性和布局共同决定的实际能接收到的水流量。例如，专利“CN105798253B”针对异型坯连铸过程，根据拉坯方向两夹辊间的传热特点，将其细分为辊-坯接触传热区、辐射传热区、喷淋水传热区和水聚集蒸发传热区，但是忽略了喷嘴喷淋特性和布局的影响，仍采用经验公式确定拉坯方向冷却水覆盖长度，也未展现出横向非均匀冷却状态。最近，随着合金钢连铸坯凝固质量控制的需求日益迫切，二冷非均匀喷淋得到深入关注。申请人提出了一种考虑非均匀二次冷却的连铸坯凝固传热计算方法，公开了专利“CN202011400751.4”。该专利首先通过单线性插值方法，将单个喷嘴的一维喷淋特性，旋转扩展至二维；其次，根据二冷区喷嘴实际安装高度和位置装配在连铸坯表面，形成喷淋网络层；然后，根据连铸坯切片上边界节点坐标在喷淋网络层中双线性插值，确定传热边界条件。因此，与专利“CN105798253B”相比，专利“CN202011400751.4”根据边界节点实际接收到的水流量，而非经验公式，判断其传热形式是冷却水对流换热还是空冷辐射，同时也贴合实际地处理了横向喷嘴喷淋叠加现象。但是，专利“CN202011400751.4”仅适用于大方坯和板坯连铸两夹辊之间布置一组喷嘴的情况，未能考虑拉坯方向上喷嘴喷淋状态的叠加，不能满足小方坯喷淋架上布置多组喷嘴的情况；其次，横向喷淋叠加也局限在同区、同种类型、同安装高度的喷嘴，不能直接推广到小方坯拉坯方向上不同区、不同类型、不同安装高度的喷嘴叠加情况；然后，喷嘴垂直于连铸坯表面，不能有效覆盖小方坯存在喷嘴在拉坯方向上倾斜安装的情形。