CN103433442A - 连铸结晶器内腔锥度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器内腔锥度确定方法，1）根据结晶器、金属液和浸入式水口参数建立三维流动传热凝固模型，进而得到结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布；2）分别计算结晶器铜板和铸坯不同部位的形变；3）将铸坯表面与结晶器铜板热面在横截面上的同一点的形变进行矢量加权，得到该点在该结晶器高度上将会产生的空隙大小，能补偿这一空隙的锥度值即为理论锥度；4）对第3）步得到的理论锥度曲线进行修正以满足可加工性即为最终确定的连铸结晶器内腔锥度。本发明锥度确定准确、合理，确定的结晶器内腔锥度可更有效抑制气隙产生，有效改善结晶器与钢液之间的传热，保证生产的顺行和连铸坯的表面质量。

Description

连铸结晶器内腔锥度确定方法

技术领域

本发明涉及一种在设计连铸结晶器时如何确定其内腔锥度的方法，该方法能够通过考虑连铸结晶器内的气隙、渣膜的分布状态，钢液流动对连铸坯壳在结晶器中收缩的影响，为连铸坯结晶器设计一个理想的锥度曲线。本方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，适用于方坯、圆坯、板坯、异形坯连铸机的结晶器锥度设计。

 

背景技术

在钢水凝固与热量传输过程中，结晶器是连铸机中的关键部件，被称为连铸机的“心脏”， 结晶器决定了一个连铸机的生产率和最终产品的表面质量。在连铸过程中，钢液从弯月面处开始凝固收缩，凝固坯壳外表面和结晶器铜板热面脱离接触产生气隙，气隙的存在给结晶器内的传热带来阻碍，使得凝固坯壳厚度在周向上分布不均，在结晶器出口处厚度不足抵御钢水静压力，从而随之带来表面质量缺陷或漏钢等一系列的问题。为消除气隙对结晶器传热的影响，现在的连铸结晶器内腔形状普遍被加工成倒锥形，以弥补连铸凝固坯壳在凝固过程中的收缩，减小气隙出现的可能性和厚度，改善结晶器内的传热条件。

合理的锥度值才能发挥效果，当锥度过大时，会造成结晶器对凝固坯壳的挤压，导致铸坯表面凹陷，坯壳与结晶器的摩擦增加，加剧结晶器的磨损，出现连铸坯表面增铜；而过小的锥度不能有效补偿凝固坯壳的收缩，气隙依旧存在，热流减小，出结晶器坯壳厚度不足以抵抗金属液压力，容易发生漏钢，同时角部区域由于气隙的作用会形成热点，坯壳相对薄，凝固坯壳分布不均造成收缩差异，这样的差异会使得角部变形，诱发皮下裂纹和纵向凹陷的产生。

长久以来冶金工作者们为设计一个合理的锥度尝试了多种方法，主要有以下几种：

1) 经验确定方法

各厂家的实际经验，根据生产的坯型、钢种和拉速等工艺参数先给一个锥度，再在生产中对成品的质量进行分析，从而来修正改善这一锥度。也就是边试验，边设计，边改进的方法来确定。

2) 凝固系数计算法

在已知凝固系数的前提下，用碳含量与凝固收缩、相变收缩的关系，液态钢液在降温时的收缩，固态在降温时的收缩，计算得到铸坯横断面的总收缩，并将收缩量均匀地分布到锥度设置的面上。

3) 热—力数学模拟方法

利用数值模拟的方法，计算得到凝固坯壳的温度分布，再将该温度分布作为载荷计算凝固坯壳的收缩。此类方法采用二维切片模型，将经验热流加载在铸坯表面，计算不同结晶器高度上的温度和凝固收缩，同时可以考虑结晶器的变形，用经验热流公式加载在铜板热面上计算铜板热变形。

以上三种方法占据了目前连铸机锥度设计的大部分领域，在多年的应用中解决了大量的连铸问题，特别是第三种热-力耦合数值模拟方法，随着计算机技术的发展，近年来得到了越来越多的认可，连铸技术巨头奥钢联也应用了此方法设计了自己的连铸机产品。

但是连铸结晶器内部钢水流动、凝固、热传输、坯壳应力状态是非常复杂的，钢水、保护渣、坯壳和结晶器构成了一个热状态和力学状态耦合的复杂体系。以上三种设计方法面对这样的复杂体系具有明显的局限性，主要体现在：

1) 经验起主导作用。方法一是完全依靠技术人员经验的设计方法，方法三采用建模的传热边界也是经验热流边界，并且只在角部采用修正系数来表示气隙的影响，这样的设置在结晶器同一高度上热流均匀分布，未考虑结晶器铜板冷却水缝排布差异带来的热流分布差异。

2) 未考虑钢水流动对凝固坯壳分布的影响。连铸结晶器的浸入式水口设计一直为结晶器工艺优化的重点对象，因为大量研究表明浸入式水口对结晶器内温度的分布、凝固坯壳的生长有着重要影响，考虑了水口形状和流股运动状态才能准确获得结晶器内的温度分布，这一条件往往都被目前的锥度设计方法忽视。

3) 气隙分布无差别化。唯一考虑了气隙的第三种方法中，为考虑不能消除的角部气隙的影响，对于角部的热流处理多采用0.3～0.7的比例因子缩小，而并未从角部形状来区分气隙分布的不同，例如当角部为圆角倒角时与角部没有倒角时，气隙的厚度分布是不一样的，或者是异形坯中内凹角的气隙分布是否与角部一致等，都没有在以上方法中体现。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种连铸结晶器内腔锥度确定方法，本发明锥度确定准确、合理，确定的结晶器内腔锥度可更有效抑制气隙产生，有效改善结晶器与钢液之间的传热，保证生产的顺行和连铸坯的表面质量。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

连铸结晶器内腔锥度确定方法，按以下步骤进行，

1）根据实际的结晶器、金属液和浸入式水口参数联合建立三维流动传热凝固模型，再根据该三维流动传热凝固模型，计算得到结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布；

在建立三维流动传热凝固模型时，先假设此时的传热状态为已具有一个理想锥度的状态，在理想的锥度下断面的直线区域或圆坯的弧面上凝固均匀，凝固收缩值在结晶器同一高度上一致，结晶器锥度能够很好地补偿这些区域的气隙；而在边角部、外凸或凹陷区域不可避免存在气隙，这些区域的气隙是一般锥度不能消除的，这些区域的气隙将以热阻的方式作用于传热模型；建模时考虑了不可消除的气隙对结晶器温度分布的影响，主动地将其加入到传热边界条件里；气隙的分布通过根据实际角部形状进行的直接热力耦合方法分析获得；

2）根据结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布分别计算结晶器铜板和铸坯不同部位的形变；

3）将铸坯表面与结晶器铜板热面在横截面上的同一点的形变进行矢量加权，得到该点在该结晶器高度上将会产生的空隙大小，设置一个锥度值，使其刚好能补偿这一空隙，这一锥度值即为理论锥度，所有点共同形成理论锥度曲线；

4）根据实际需要对第3）步得到的理论锥度曲线进行修正以满足可加工性，修正后的锥度曲线即为最终确定的连铸结晶器内腔锥度。

上述第2）步计算结晶器铜板形变方法为：先建立铜板3-D热弹性变形模型，使各个方向的约束与实际工作中的铜板一致，再采用有限元方法利用3-D热弹性变形模型对铜板的变形进行计算。

上述第2）步计算铸坯的形变方法为：根据三维温度分布，从不同结晶器高度的温度提取得到铸坯二维温度切片，将能够保证收敛的足够多个二维切片设为同一切片在不同时刻的温度分布状态，用有限元方法对这一切片进行热弹塑性形变计算；同时，在凝固坯壳与钢液的界面处加载向外的钢水静压力，以考虑钢水静压力对形变的影响。

上述第1）步根据结晶器、金属液和浸入式水口参数联合建立三维流动传热凝固模型时，考虑如下建模参数，

几何参数：包括铜板的结构，受到水箱与固定钢板的约束方向，浸入式水口的形状以及***深度，结晶器与铸坯之间的渣膜厚度d_glab，结晶器与铸坯之间不可避免的气隙厚度d_air；

工艺参数：包括连铸拉坯速度                                                

，浇铸温度，结晶器冷却水缝的进出口温度以及流速；

材料参数：包括密度

，比热容

，传热系数，固、液相线T _s 与T _l ，泊松比

，运动粘度

，热膨胀系数

，不同温度下的弹性模量E(T)，不同温度下的塑性应力应变曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明准确把握结晶器这一复杂体系的各个传热环节，包括冷却水的温度分布、保护渣膜的热阻及分布、浸入式水口参数等等。通过建立数学模型，最终将得到理想的设计值。采用本发明的设计方法可以准确地为连铸结晶器设计合理的锥度，有效改善结晶器与钢液之间的传热，保证生产的顺行和连铸坯的表面质量。

 

附图说明

图1-本发明确定连铸结晶器内腔锥度的流程图。

 

具体实施方式

在连铸过程中，结晶器传热对生产的顺行以及铸坯的表面质量有直接影响，而结晶器锥度是保证结晶器传热稳定的重要环节。目前的结晶器锥度设计方法考虑因素简略，多采用经验确定以及在生产过程中再反复验证修改，这不仅耗时冗长，也造成了很多不必要的材料浪费。本发明提供一种连铸结晶器锥度的设计方法，利用数值模拟手段，结合铸坯尺寸，铸机设备等参数进行建模，最终综合凝固坯壳的变形以及结晶器铜板的变形，为连铸结晶器内腔设计最优锥度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明连铸结晶器内腔锥度确定方法，按以下步骤进行，

1）根据实际的结晶器、金属液和浸入式水口参数联合建立三维流动传热凝固模型，再根据该三维流动传热凝固模型，计算得到结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布。本发明对浸入式水口，钢液和结晶器铜板同时进行三维建模，高温钢液从结晶器浸入式水口上端流入，通过浸入式水口进入结晶器，钢液在结晶器中的流股形状跟水口参数有关。钢液受到铜板的冷却凝固形成坯壳，冷却水以一定温度和流速从水缝的下端流入，并从水缝上端流出，带走热量。

在建立三维流动传热凝固模型时，先假设此时的传热状态为已具有一个理想锥度的状态，在理想的锥度下断面的直线区域(或圆坯的弧面上)上凝固均匀，凝固收缩值在结晶器同一高度上一致，锥度能够很好地补偿这些区域的气隙。而在边角部、外凸或凹陷区域，由于其本身几何形状与周边发生了改变，该区域的凝固坯坯壳分布不能同样保持均匀，收缩值或收缩方向都存在差异，这些区域的气隙是一般锥度不能去消除的，不可避免存在气隙，这些区域的气隙将以热阻的方式作用于传热模型。在本发明中考虑了不可消除的气隙对结晶器温度分布的影响，主动地将其加入到传热边界条件里。气隙的分布通过根据实际角部形状进行的直接热力耦合方法分析获得。

2）根据结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布分别计算结晶器铜板和铸坯不同部位的形变；

同时考虑结晶器本体的变形和铸坯的变形，才能准确得到它们之间将会产生的气隙设计锥度。形变计算的温度载荷来自于结晶器/金属液/浸入式水口参数联合建立的流动传热模型。

3-1) 铜板3-D热弹性变形模型。铜板的形变进行三维建模，各个方向的约束与实际工作中的铜板一致。正常工作下的铜板不会发生塑性变形，因此采用有限元方法利用热弹性模型对铜板的变形进行计算。

3-2) 凝固坯壳2-D切片热弹塑性变形模型。金属材料在高温区特别是两相区的弹塑性临界应力很小，极易发生塑性变形，在计算铸坯变形时需要考虑到塑性的形变量，而塑性形变将会给该区域带来塑性强化，影响它往后的变形形态。对于此现象，本发明从三维温度场中的不同结晶器高度的温度提取得到二维温度切片，将能够保证收敛的足够多个二维切片设为同一切片在不同时刻的温度分布状态，用有限元方法对这一切片进行热弹塑性形变计算，保证了计算结果能够考虑了塑性强化带来的影响。同时，在凝固坯壳与钢液的界面处加载向外的钢水静压力，考虑了钢水静压力对形变的影响。

3）将铸坯表面与结晶器铜板热面在横截面上的同一点的形变进行矢量加权，得到该点在该结晶器高度上将会产生的空隙大小，设置一个锥度值，使其刚好能补偿这一空隙，这一锥度值即为理论锥度，所有点共同形成理论锥度曲线；

4）根据实际需要对第3）步得到的理论锥度曲线进行修正以满足可加工性，修正后的锥度曲线即为最终确定的连铸结晶器内腔锥度。

本发明适用于各种横断面形状尺寸、各种金属材料的连续浇铸成型领域，可以准确有效地设计结晶器的内腔锥度。但根据对各个设计环节把握程度的不同，会得到不同的实施效果。为了得到较佳的实施效果，可以考虑按以下方式进行。

(1) 准确收集建模参数

几何参数：

铜板的结构，受到水箱与固定钢板的约束方向，浸入式水口的形状以及***深度，结晶器与铸坯之间的渣膜厚度d_glab，结晶器与铸坯之间不可避免的气隙厚度d_air。

工艺参数：

连铸拉坯速度

，浇铸温度

，结晶器冷却水缝的进出口温度以及流速。

材料参数：

密度

，比热容

，传热系数，固、液相线T _s 与T _l ，泊松比，运动粘度

，热膨胀系数，不同温度下的弹性模量E(T)，不同温度下的塑性应力应变曲线。

(2) 对结晶器铜板、钢液、水口参数进行三维流动传热凝固模型的建立及运算

采用有限体积法对结晶器铜板以及钢液进行联立建模，为确保建模的可行性，做以下假设。

a. 流动为不可压缩粘性流体的稳态流动；

b. 忽略结晶器弯月面的表面波动；

c. 忽略振动对流动的影响；

d. 结晶器内钢液按均相介质处理。

本流动传热模型由N-S连续性方程、动量方程、能量方程及k-ε双方程湍流模型描述。

结晶器热面与凝固坯壳表面的热阻由下式确定

其中

 (3) 采用三维热弹性模型计算结晶器铜板的形变

将(2)中得到的铜板温度作为温度载荷施加到铜板三维热弹性有限元模型，根据连铸机的构造对铜板进行约束，计算得到结晶器热面的自由位移。

(4) 计算凝固坯壳部分的形变

以(2)得到的三维温度分布为基础，在结晶器高度方向上每1mm截取一个二维温度切片，利用有限元方法，以弯月面处的温度为初始温度，把每一个切片看做一个载荷步来进行多载荷步的热弹塑性变形分析。模型做以下假设：

a. 材料是各向同性及均匀，力学性能为非线性；

b. 用Prandtl Reuss流动增量理论描述铸坯塑性屈服状态下的应力和应变增量关系；

c. 用Von Mises 屈服准则描述铸坯的屈服；

d. 材料满足小变形理论；

e. 铸坯遵从各向同性硬化理论。

同时，在固液界面上设置金属液静压力，方向垂直于固液界面向外。最终计算得到凝固坯壳表面的形变位移。

(5) 综合(3)、(4)中得到的形变值，得到理论锥度曲线

铸坯表面与结晶器铜板热面在横截面上的同一点的位移进行矢量加权，得到该点在该结晶器高度上将会产生的空隙大小，能够刚好补偿这一空隙的锥度值即为理论锥度。

(6) 根据实际需要对(5)中得到的理论锥度曲线进行修正

根据实际需要和锥度曲线的趋势将锥度曲线进行修正，从而得到可加工性高、能满足连铸复杂过程的的理想锥度曲线。

(7) 加工结晶器，投入生产

将运用本发明所得的结晶器理想内腔锥度送至加工厂家进行加工，最终将结晶器成品应用到相应的连铸生产线上。

相对现有技术，本发明有如下技术特点：

(1) 摒弃传统经验热流边界方法，对结晶器和钢液联立建模，铸坯的传热直接通过与结晶器的接触实现。这样的建模方法使得结晶器水缝的布置和铜板的厚度等因素都能在传热计算中体现影响。

(2) 加入了水口参数对结晶器内温度分布的影响，通过三维建模模拟强制流动规律，得到一个三维的温度分布。而在后续的应力应变计算中，将凝固坯壳的三维温度场映射为二维切片来计算，这样的处理既能考虑了浸入式水口参数对凝固坯壳的影响，也能模拟铸坯的受力历程，考虑了铸坯的塑性硬化对最终应变的影响。

(3) 用直接耦合的结果作为气隙分布依据。角部形状的不同、结晶器水缝分布的不同等都会给角部气隙的分布带来影响，本发明采用热力直接耦合得到的气隙结果进行分析，去掉被认为一般锥度能够补偿的气隙，将剩下的不能补偿的气隙作为边界条件准确地加入三维流动传热凝固模型中，这是更精准的边界条件处理方式。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.连铸结晶器内腔锥度确定方法，其特征在于：按以下步骤进行，

1）根据实际的结晶器、金属液和浸入式水口参数联合建立三维流动传热凝固模型，再根据该三维流动传热凝固模型，计算得到结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布；

在建立三维流动传热凝固模型时，先假设此时的传热状态为已具有一个理想锥度的状态，在理想的锥度下断面的直线区域或圆坯的弧面上凝固均匀，凝固收缩值在结晶器同一高度上一致，结晶器锥度能够很好地补偿这些区域的气隙；而在边角部、外凸或凹陷区域不可避免存在气隙，这些区域的气隙是一般锥度不能消除的，这些区域的气隙将以热阻的方式作用于传热模型；建模时考虑了不可消除的气隙对结晶器温度分布的影响，主动地将其加入到传热边界条件里；气隙的分布通过根据实际角部形状进行的直接热力耦合方法分析获得；

2）根据结晶器铜板和凝固坯壳的三维温度分布分别计算结晶器铜板和铸坯不同部位的形变；

3）将铸坯表面与结晶器铜板热面在横截面上的同一点的形变进行矢量加权，得到该点在该结晶器高度上将会产生的空隙大小，设置一个锥度值，使其刚好能补偿这一空隙，这一锥度值即为理论锥度，所有点共同形成理论锥度曲线；

4）根据实际需要对第3）步得到的理论锥度曲线进行修正以满足可加工性，修正后的锥度曲线即为最终确定的连铸结晶器内腔锥度。

2.根据权利要求1所述的连铸结晶器内腔锥度确定方法，其特征在于：所述第2）步计算结晶器铜板形变方法为：先建立铜板3-D热弹性变形模型，使各个方向的约束与实际工作中的铜板一致，再采用有限元方法利用3-D热弹性变形模型对铜板的变形进行计算。

3.根据权利要求1所述的连铸结晶器内腔锥度确定方法，其特征在于：所述第2）步计算铸坯的形变方法为：根据三维温度分布，从不同结晶器高度的温度提取得到铸坯二维温度切片，将能够保证收敛的足够多个二维切片设为同一切片在不同时刻的温度分布状态，用有限元方法对这一切片进行热弹塑性形变计算；同时，在凝固坯壳与钢液的界面处加载向外的钢水静压力，以考虑钢水静压力对形变的影响。

4.根据权利要求1所述的连铸结晶器内腔锥度确定方法，其特征在于：所述第1）步根据结晶器、金属液和浸入式水口参数联合建立三维流动传热凝固模型时，考虑如下建模参数，

几何参数：包括铜板的结构，受到水箱与固定钢板的约束方向，浸入式水口的形状以及***深度，结晶器与铸坯之间的渣膜厚度d_glab，结晶器与铸坯之间不可避免的气隙厚度d_air；

工艺参数：包括连铸拉坯速度                                                

，浇铸温度，结晶器冷却水缝的进出口温度以及流速；

材料参数：包括密度

，比热容

，传热系数，固、液相线T _s 与T _l ，泊松比，运动粘度

，热膨胀系数，不同温度下的弹性模量E(T)，不同温度下的塑性应力应变曲线。

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