基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法
【专利摘要】一种基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，属于冶金连铸过程数值模拟仿真领域。根据结晶器铜板结构与连铸坯断面尺寸，建立以1/4坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热/力耦合有限元模型，确定坯壳表面温度、铜板热面温度和坯壳-结晶器界面间隙宽度；坯壳-结晶器界面热阻构成包括，若坯壳表面温度高于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由液渣层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成，若坯壳表面温度小于或等于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由气隙层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成。本发明具有较好的普适性，适用于目前所有连铸机型与断面的结晶器热流密度的确定。
【专利说明】基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于冶金连铸过程数值模拟仿真领域，一种基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法。
【背景技术】
[0002]结晶器作为高效传热器，承担着高温钢液初凝成坯的任务，其传热均匀性直接决定连铸坯的表面质量。为此，研究结晶器的传热行为已成为近年来重要的关注对象。然而，在实际钢连铸生产中，结晶器具有高温性和“黑箱”性的特点，直接检测或测量结晶器内传热行为十分困难。近年来，随着数值模拟技术和计算机科学技术的发展，利用数值仿真手段研究钢在结晶器内的凝固传热行为已成为重要手段。但运用该手段研究钢在结晶器内的凝固传热行为需基于准确的结晶器传热边界条件。其中，结晶器热流密度是最为常用且最为直接的传热边界。
[0003]中国专利“CN101844214A”公开了一种板坯连铸结晶器热流密度的确定方法。该方法基于结晶器内保护渣的质量守恒和动量守恒原理，以及渣道内热量通过各传热介质层热流相等原理，获取渣道内保护渣厚度沿结晶器纵向的分布，从而求得基于实际操作条件的热流密度。但是该方法存在如下缺点:(1)该方法确定热流密度的前提是提供结晶器内坯壳表面温度，但在实际连铸过程中，结晶器内的坯壳表面温度很难测得，因此不具有适用性；(2)该方法所确定 的保护渣厚度没有考虑坯壳在结晶器内的动态收缩行为，与实际连铸过程不相符；(3)该方法所确定的热流密度仅沿结晶器纵向变化，无法确定在结晶器周向上的热流密度分布。
[0004]中国专利“CN101984348A”公开了一种基于质量平衡和热平衡连铸结晶器铜板热流密度确定方法，该方法以建立的结晶器渣道轮廓曲线和渣道长度计算式为基础，利用渣道内保护 渣质量守恒和热平衡原理，求取渣道内液态保护渣层和固态保护渣层的厚度，并通过Ansys有限元软件修正计算，从而获取结晶器铜板的热流密度。但是该方法也存在如下缺点:(1)该方法求取液/固保护渣厚度时需以连铸机内置在线仿真系统所提供的坯壳表面温度为前提，但在实际连铸过程中，如若连铸机仿真系统已能够精确给出坯壳表面温度分布，结晶器的热流密度已可直接确定，因此由该方法确定结晶器的热流密度意义不大；
(2)该方法所需前提数据之一的渣道轮廓曲线同样未考虑具体钢种在结晶器内的动态收缩性，由其获得的液/固保护渣厚度也未能准确描述连铸实际过程；(3)由该方法所确定的结晶器热流密度同样仅考虑沿高度方向上的变化，而无法确定其在结晶器周向上的分布。
[0005]中国专利“CN102078947A”公开了一种用于连铸结晶器凝固传热过程热流密度的计算方法，该方法以方坯或板坯连铸结晶器出口处坯壳的安全厚度为标准，将其换算为单位体积钢液，进而通过单位体积内凝固的坯壳体积，换算得到凝固坯壳从结晶器中传出的热量，从而计算单位面积上的热流密度。该计算方法也存在以下缺点:(I)该方法所确定的热流密度是整个结晶器内的平均热流密度，不能反映结晶器局部热流密度特征；(2)其求
解结晶器内瞬时热流密度时由经典热流计算公式A-B# (MW/m2)获得，但该热流计算式仅适用于静止水冷结晶器，不完全适用于实际循环冷却的钢连铸结晶器热流密度的确定。
[0006]中国专利“CN102205403A”公开了一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法，该方法基于专门设计的结晶器热电偶埋设方案，采用结晶器铜板温度测量与结晶器传热实时计算相结合的手段，在线获取铜板局部热流密度。该方法也存有以下缺点:(I)该方法的实施需要基于专门的结晶器热电偶埋设方法，但是在实际连铸生产中的结晶器铜板结构是一定的，按该方法埋设热电偶实现起来十分困难；(2)无法给出结晶器角部等区域的局部热流。
[0007]在实际钢连铸生产中，影响结晶器热流密度的因素十分众多，包括钢的浇铸温度、坯壳-结晶器界面传热行为、结晶器冷却结构与冷却制度等。其中，坯壳-结晶器界面传热行为的影响最为关键。对其描述的准确性直接决定了所确定热流密度的有效性。然而，在实际生产中，受坯壳-结晶器界面间隙以及坯壳温度变化的影响，保护渣与气隙在界面内动态填充，使得对该界面传热行为的准确描述变得十分困难。为此，准确描述保护渣膜与气隙在还壳-结晶器界面内动态分布行为，并基于该二传热介质的分布准确描述其在还壳-结晶器界面传热行为是有效确定热流密度在整个结晶器内分布的关键。
【发明内容】
[0008]针对现有技术存在的不足，本发明依据坯壳-结晶器界面内传热介质(液渣、固渣和气隙)分布与构成以及热量在不同介质内的传输特点，提供了一种基于保护洛膜与气隙在坯壳-结晶器界面内动态分布行为的连铸结晶器热流密度确定方法。
[0009]本发明解决其技术问题的主要方案为:一种基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，包括以下步骤:
[0010]一种基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，包括以下步骤:
[0011]步骤1:根据结晶器铜板结构与连铸坯断面尺寸，建立以1/4坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热/力耦合有限元模型，用于确定坯壳表面温度、铜板热面温度和坯壳-结晶器界面间隙宽度；
[0012]步骤1.1:结晶器铜板初始温度场和坯壳-结晶器界面初始热流确定:取任一接近铜板真实温度值的温度为铜板热面温度，并假设坯壳初始表面温度为钢液浇注温度，弯月面处坯壳-结晶器界面内保护渣膜分布均匀，根据连铸坯断面尺寸和保护渣消耗量，计算出界面内保护渣膜的厚度，以上述坯壳表面温度、渣膜厚度和铜板热面温度为参数，计算出坯壳-结晶器界面初始热流；
[0013]将该坯壳-结晶器界面初始热流和所取的铜板热面温度分别作为1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型的铜板热面热流边界条件和铜板初始温度，并仅计算铜板温度场，获得新的铜板热面温度；
[0014]将坯壳表面温度、保护渣厚度和上述计算出的新铜板热面温度值为参数，计算新的坯壳-结晶器界面热流，并将该新坯壳-结晶器界面热流和算出的铜板温度场分别作为1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型新的铜板热面热流边界条件和初始温度，再次仅计算铜板温度场，以获得更逼近真实铜板温度的热面温度和坯壳-结晶器界面热流；重复该计算过程，直至铜板热面温度两次迭代差值小于0.5°C ;将最后所求得的铜板温度场和坯壳-结晶器界面热流作为最终1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型铜板的初始温度场和坯壳表面与铜板热面热流边界条件；
[0015]步骤1.2:计算坯壳与结晶器传热行为，即基于坯壳初始温度场和铜板初始温度场，以已确定的坯壳-结晶器界面热流为坯壳表面和铜板热面热流边界条件，计算坯壳与结晶器铜板的温度场，为确定下一结晶器高度坯壳-结晶器界面热流计算提供坯壳表面与铜板热面温度参数和计算1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型所需的坯壳与铜板初始温度场；
[0016]步骤1.3:计算坯壳与结晶器力学行为，即基于坯壳与铜板的温度场分布，计算坯壳与结晶器的变形量，再通过坯壳表面与铜板热面间的位移差求出坯壳-结晶器界面间隙宽度，为确定下一结晶器高度坯壳-结晶器界面热流计算提供坯壳-结晶器界面间隙宽度参数；
[0017]步骤2:根据坯壳表面温度与保护渣凝固温度关系确定坯壳-结晶器界面热阻构成，若坯壳表面温度高于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由液渣层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成，执行步骤3 ;若坯壳表面温度小于或等于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由气隙层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成，执行步骤4 ；
[0018]步骤3:规定保护渣总厚度等于坯壳-结晶器界面间隙宽度，根据通过液渣层、固渣层和结晶器-固渣界面的热流相等原理，计算液渣层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻，执行步骤5;
[0019]步骤4:根据通过气隙层、固渣层和结晶器-固渣界面的热流相等原理，计算气隙层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻；
[0020]步骤5:根据坯壳表面与铜板热面温度差与坯壳-结晶器界面总热阻间的关系，确定当前结晶器高度下沿结晶器周向的热流密度分布；
[0021]步骤6:将步骤1.2计算所得的坯壳与结晶器温度场和步骤5所确定的坯壳-结晶器界面热流设定为下一结晶器高度下1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型的坯壳与铜板初始温度场和坯壳表面与铜板热面边热流界条件，并重复执行步骤1.2至步骤6，直至连铸坯出结晶器，从而求得在整个结晶器沿其高度和周向分布的热流密度分布。
[0022]步骤I所述的以1/4坯壳-结晶器横截面系统是指根据钢厂实际连铸结晶器铜板结构与所连铸铸坯断面尺寸而建立的以连铸坯与结晶器宽、窄面中心为对称面的1/4连铸坯-结晶器横截面。
[0023]步骤I所述的连铸坯-结晶器横截面系统的二维瞬态热/力耦合有限元模型的传热与力学边界条件为:设定坯壳与结晶器铜板对称面热流等于O ;坯壳表面与结晶器铜板热面热流由上一步计算所得的坯壳-结晶器界面热流沿对应的周向施加实现；结晶器铜板水槽传热设定为与冷却水对流传热；连铸坯宽、窄面对称面的力学边界条件分别设定为沿铸坯窄面与宽面方向的位移为O ;结晶器宽面铜板固定不动，窄面铜板按锥度偏移量大小向宽面中心方向平行移动；坯壳凝固前沿的钢水静压力以剔除连铸坯未凝固液芯单元的方式垂直施加于坯壳凝固前沿单元的边上；连铸坯与结晶器铜板的接触行为采用刚-柔接触分析算法施加约束；
[0024]连铸坯与结晶器的传热控制方程为:二维瞬态传热微分方程；[0025]连铸坯力学控制方程选为Anand率相关本构方程。
[0026]根据步骤I-步骤6所求得的热流密度为整个结晶器沿其高度和周向分布的热流密度分布。
[0027]步骤5所述的总热阻，计算过程为:
[0028]坯壳-结晶器界面内液渣层、固渣层和气隙层的热阻由导热热阻与辐射热阻并联构成，而坯壳-结晶器界面总热阻则根据该界面内的传热介质(液渣、固渣和气隙)组成，由各传热介质层热阻串联构成。
[0029]步骤1.1所述的计算坯壳-结晶器界面初始热流，由公式(I)-(5)实现:
[0030]液渣层热阻:
[0031]
【权利要求】
1.一种基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:包括以下步骤:步骤1:根据结晶器铜板结构与连铸坯断面尺寸，建立以1/4坯壳-结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热/力耦合有限元模型，用于确定坯壳表面温度、铜板热面温度和坯壳-结晶器界面间隙宽度；步骤1.1:结晶器铜板初始温度场和坯壳-结晶器界面初始热流确定:取任一接近铜板真实温度值的温度为铜板热面温度，并假设坯壳初始表面温度为钢液浇注温度，弯月面处坯壳-结晶器界面内保护渣膜分布均匀，根据连铸坯断面尺寸和保护渣消耗量，计算出界面内保护渣膜的厚度，以上述坯壳表面温度、渣膜厚度和铜板热面温度为参数，计算出坯壳-结晶器界面初始热流；将该坯壳-结晶器界面初始热流和所取的铜板热面温度分别作为1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型的铜板热面热流边界条件和铜板初始温度，并仅计算铜板温度场，获得新的铜板热面温度；将坯壳表面温度、保护渣厚度和上述计算出的新铜板热面温度值为参数，计算新的坯壳-结晶器界面热流，并将该新坯壳-结晶器界面热流和算出的铜板温度场分别作为1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型新的铜板热面热流边界条件和初始温度，再次仅计算 铜板温度场，以获得更逼近真实铜板温度的热面温度和坯壳-结晶器界面热流；重复该计算过程，直至铜板热面温度两次迭代差值小于0.5°C ;将最后所求得的铜板温度场和坯壳-结晶器界面热流作为最终1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型铜板的初始温度场和坯壳表面与铜板热面热流边界条件；步骤1.2:计算坯壳与结晶器传热行为，即基于坯壳初始温度场和铜板初始温度场，以已确定的坯壳-结晶器界面热流为坯壳表面和铜板热面热流边界条件，计算坯壳与结晶器铜板的温度场，为确定下一结晶器高度坯壳-结晶器界面热流计算提供坯壳表面与铜板热面温度参数和计算1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型所需的坯壳与铜板初始温度场；步骤1.3:计算坯壳与结晶器力学行为，即基于坯壳与铜板的温度场分布，计算坯壳与结晶器的变形量，再通过坯壳表面与铜板热面间的位移差求出坯壳-结晶器界面间隙宽度，为确定下一结晶器高度坯壳-结晶器界面热流计算提供坯壳-结晶器界面间隙宽度参数；步骤2:根据坯壳表面温度与保护渣凝固温度关系确定坯壳-结晶器界面热阻构成，若坯壳表面温度高于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由液渣层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成，执行步骤3 ;若坯壳表面温度小于或等于保护渣凝固温度，则坯壳-结晶器界面热阻由气隙层、固渣层与结晶器-固渣界面热阻串联组成，执行步骤4 ；步骤3:规定保护渣总厚度等于坯壳-结晶器界面间隙宽度，根据通过液渣层、固渣层和结晶器-固渣界面的热流相等原理，计算液渣层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻，执行步骤5;步骤4:根据通过气隙层、固渣层和结晶器-固渣界面的热流相等原理，计算气隙层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻；步骤5:根据坯壳表面与铜板热面温度差与坯壳-结晶器界面总热阻间的关系，确定当前结晶器高度下沿结晶器周向的热流密度分布；步骤6:将步骤1.2计算所得的坯壳与结晶器温度场和步骤5所确定的坯壳-结晶器界面热流设定为下一结晶器高度下1/4坯壳-结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元模型的坯壳与铜板初始温度场和坯壳表面与铜板热面边热流界条件，并重复执行步骤1.2至步骤6，直至连铸坯出结晶器，从而求得在整个结晶器沿其高度和周向分布的热流密度分布。
2.根据权利要求1所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤I所述的以1/4坯壳-结晶器横截面系统是指根据钢厂实际连铸结晶器铜板结构与所连铸铸坯断面尺寸而建立的以连铸坯与结晶器宽、窄面中心为对称面的1/4连铸坯-结晶器横截面。
3.根据权利要求1所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤I所述的连铸坯-结晶器横截面系统的二维瞬态热/力耦合有限元模型的传热与力学边界条件为:设定坯壳与结晶器铜板对称面热流等于O ;坯壳表面与结晶器铜板热面热流由上一步计算所得的坯壳-结晶器界面热流沿对应的周向施加实现；结晶器铜板水槽传热设定为与冷却水对流传热；连铸坯宽、窄面对称面的力学边界条件分别设定为沿铸坯窄面与宽面方向的位移为O;结晶器宽面铜板固定不动，窄面铜板按锥度偏移量大小向宽面中心方向平行移动；坯壳凝固前沿的钢水静压力以剔除连铸坯未凝固液芯单元的方式垂直施加于坯壳凝固前沿单元的边上；连铸坯与结晶器铜板的接触行为采用刚-柔接触分析算法施加约束；连铸坯与结晶器的传热控制方程为:二维瞬态传热微分方程；连铸坯力学控制方程选为Anand率相关本构方程。
4.根据权利要求1所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:根据步骤I?步骤6所求得的热流密度为整个结晶器沿其高度和周向分布的热流密度分布。
5.根据权利要求1所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤2所述的坯壳-结晶器界面内液渣层热阻由导热热阻与辐射热阻并联构成；固渣层热阻由导热热阻与辐射热阻并联构成；气隙层热阻由导热热阻与辐射热阻并联构成；还壳结晶器界面内的总热阻由液渣层热阻、固渣层热阻、气隙层热阻和结晶器-固渣界面热阻串联构成。
6.根据权利要求1所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤1.1所述的计算坯壳-结晶器界面初始热流，由公式(I)?(5)实现:液渣层热阻: 式中，馬一为液渣层导热热阻，馬&为液渣层辐射热阻，Rliquid为液渣层热阻，dliquid液密层厚度，kliquid为液密的导热系数，σ为波兹曼常数，Eliquid为液密的消光系数，nliquid为液渣的折射率，ε shell为坯壳的发射率，ef为保护渣的发射率，Tshell为坯壳表面温度，°C，Tsol为保护渣凝固温度，V ；固渣层热阻:
7.根据权利要求1或权利要求4所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤3所述的确定液渣层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻，过程为:根据式(1)，式(2)，式(3)和式(4)，先计算坯壳-结晶器界面内液渣层厚度、固渣层厚度以及结晶器-固渣界面温度，并将上述求得的结果带回式(1)，(2)和(3)，即可得到液渣层热阻、固渣层热阻以及结晶器-固渣界面热阻。
8.根据权利要求1或权利要求4所述的基于渣膜与气隙动态分布的连铸结晶器热流密度确定方法，其特征在于:步骤4所述的确定气隙层厚度、气隙-固渣界面温度以及结晶器-固渣界面温度，采用公式(3)及如下公式确定:
【文档编号】B22D2/00GK103433448SQ201310355699
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】蔡兆镇, 朱苗勇, 王卫领, 祭程 申请人:东北大学