CN107844633A - 一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法 - Google Patents

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陈涛
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Abstract

一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法，属于炼钢近终形连铸技术领域。包括获取异型坯断面尺寸与结晶器铜板结构参数：异型坯连铸机断面尺寸范围为295mm×205mm×85mm～430mm×300mm×85mm；采用有限元商业软件建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的2D热‑力耦合分析模型；通过条件公式计算后提取翼梢表面中心节点在厚度方向位移距离，作为结晶器铜板锥度的设置依据。优点在于，方便、有效的设计异型坯结晶器翼梢铜板锥度，减小铸坯缺陷，提高铸坯内部质量及成材率，经济高效，增强产品的市场竞争力。

Description

一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法
技术领域
本发明属于炼钢近终形连铸技术领域，特别涉及一种异型坯翼梢铜板锥度的确定方法。
背景技术
采用异型坯代替方坯生产型钢，可显著减小开坯机的轧制工作量，节省轧制、加热能耗以及人工成本。异型坯连铸在国内外较为迅速，断面覆盖范围295～1118mm×150～500mm×50～140mm较广。
由于异型坯浇铸断面复杂，结晶器形状和二冷区铸坯支撑***形式特殊，异型坯易产生腹板、翼梢表面纵裂、腹板中心裂纹等缺陷。
翼梢表面纵裂是异型坯连铸生产中的主要缺陷之一。控制翼梢位置的均匀传热是控制该缺陷的关键环节，而翼梢位置处的铜板锥度设计时影响其传热与坯壳生长的主要因素之一。目前，尚未有异型坯翼梢锥度设计的方法报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异型坯结晶器翼梢锥度的确定方法，解决了异型坯结晶器翼梢铜板锥度的设计依据欠缺的问题。实现了快速有效获取不同钢种、拉速下异型坯翼梢位置处的凝固收缩规律。
一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法，具体步骤及参数如下：
1、获取异型坯断面尺寸与结晶器铜板结构参数：异型坯连铸机断面尺寸范围为295mm×205mm×85mm～430mm×300mm×85mm。
所属异型坯结晶器类型为板式组合结晶器，由内弧铜板、外弧铜板以及两侧铜板构成，铜板厚度45～60mm。其中，内弧与外弧铜板上加工有冷却水孔两侧铜板加工有冷却水槽，冷却水槽宽度3～7mm，深度15～30mm。
2、采用有限元商业软件MSC.Marc，ANSYS等建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的2D热-力耦合分析模型，用于分析铸坯在结晶器内的凝固收缩行为；其计算对象包括铸坯和结晶器铜板，二者间的界面接触状态和界面热阻根据铸坯与结晶器热面铜板的实际位置关系进行判定与计算，根据实际结晶器一冷工艺，温度场和应力场的计算相互耦合，交替进行，直到所模拟铸坯出结晶器出口。
界面接触状态，通过铸坯表面节点与结晶器表面间距离判断，本模型中，铸坯为可变形体，铜板为刚性体，为防止铸坯表面节点穿越铜板壁面，对其施加如下约束条件：
其中，为铸坯表面节点A的位移向量，为铜板在A点处表面的单位法向量，为向量点乘符，D为铸坯和铜板之间的接触容限。
界面热阻包括铜板表面对流换热、气隙内热传导、渣膜内热传导、坯壳与渣膜间的界面传热、以及热辐射。坯壳与铸坯表面间界面总换热系数hf按照下式确定
上式中，hrad为坯壳和铜壁间的辐射传热系数，按照下式确定
其中，σSB为Stefan－Boltzsman常数，ε为辐射系；Tb为坯壳表面温度，Tm-in铜板热面温度。
R1为铜板表面处与保护渣间的接触热阻
其中hmf为铜板表面处的对流换热系数
R2为气隙内的热阻
其中Kair为气隙内空气的导热系数，dair为气隙宽度，其值根据应力场计算结果，由变形后的坯壳形状和当前结晶器壁面位置共同决定。
R3为渣膜内的热阻
其中Kflux为保护渣导热系数，dflux为渣膜厚度。
R4铸坯表面与保护渣间的接触热阻
其中，hbf为坯壳表面处的换热系数，其值取决于铸坯表面温度
所述结晶器一冷工艺在模型中通过结晶器铜板外表面与冷却水进行对流换热，其热流可表示为
Q＝hw·(TM-out-Tw)
上式中，Q为铜板与结晶器冷却水接触面热流密度，Tw为结晶器冷却水温度，TM-out为铜板外表面温度，hw为铜板和冷却水界面的对流换热系数，按照下面的无量纲方程来确定
其中，DH为冷却水缝的水力学直径，kw为冷却水导热系数，ρw为冷却水密度，uw冷却水流速，CPw冷却水比热。
3、提取翼梢表面中心节点在厚度方向位移距离，作为结晶器铜板锥度的设置依据。
本发明的优点在于：利用本发明可以方便、有效的设计异型坯结晶器翼梢铜板锥度，减小翼梢附近铸坯缺陷，显著提高铸坯的内部质量及后续工序轧制成材率，方法简单合理，经济高效，增强产品的市场竞争力。
附图说明
图1为连铸异型坯结晶器内铸坯凝固收缩热-力耦合模型计算域及网格划分示意图。
图2为生产钢种的瞬时热膨胀系数与温度间关系曲线图。
图3为不同拉速下研究异型坯翼梢位置凝固收缩规律曲线图。
具体实施方式
实施例1
一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法，具体步骤及参数如下：
1、获取异型坯断面尺寸与结晶器铜板构几何参数：异型坯连铸机断面尺寸范围为295mm×205mm×85mm。
所属异型坯结晶器类型为板式组合结晶器，由内弧铜板、外弧铜板以及两侧铜板构成，铜板厚度55mm。其中，内弧与外弧铜板上加工有冷却水孔 两侧铜板加工有冷却水槽，冷却水槽宽度5mm，深度25mm。
2、采用有限元商业软件MSC.Marc建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的2D热-力耦合分析模型，用于分析铸坯在结晶器内的凝固收缩行为；其计算对象包括铸坯和结晶器铜板，二者间的界面接触状态和界面热阻根据铸坯与结晶器热面铜板的实际位置关系进行判定与计算，根据实际结晶器一冷工艺，温度场和应力场的计算相互耦合，交替进行，直到所模拟铸坯出结晶器。
界面接触状态，通过铸坯表面节点与结晶器表面间距离判断，本模型中，铸坯为可变形体，铜板为刚性体，为防止铸坯表面节点穿越铜板壁面，对其施加如下约束条件：
其中，为铸坯表面节点A的位移向量，为铜板在A点处表面的单位法向量，为向量点乘符，D为铸坯和铜板之间的接触容限，0.01mm。
界面热阻包括铜板表面对流换热、气隙内热传导、渣膜内热传导、坯壳与渣膜间的界面传热、以及热辐射。坯壳与铸坯表面间界面总换热系数hf按照下式确定
上式中，hrad为坯壳和铜壁间的辐射传热系数，按照下式确定
其中，σSB为Stefan－Boltzsman常数，ε为辐射系，0.5；Tb为坯壳表面温度，Tm-in铜板热面温度。
R1为铜板表面处与保护渣间的接触热阻
其中，hmf为铜板表面处的对流换热系数，取3000W·m-2·℃
R2为气隙内的热阻
其中Kair为气隙内空气的导热系数，取0.1W·m-1·℃-1，dair为气隙宽度，其值根据应力场计算结果，由变形后的坯壳形状和当前结晶器壁面位置共同决定。
R3为渣膜内的热阻
其中Kflux为保护渣导热系数，模型中取1.0W·m-1·℃-1，dflux为渣膜厚度，本模型中取100μm。
R4铸坯表面与保护渣间的接触热阻
其中，hbf为坯壳表面处的换热系数，其值取决于铸坯表面温度,模型中取1000W·m-2·℃-1。
所述结晶器一冷工艺在模型中通过结晶器铜板外表面与冷却水进行对流换热，其热流可表示为
Q＝hw·(TM-out-Tw)
上式中，Q为铜板与结晶器冷却水接触面热流密度，Tw为结晶器冷却水温度，TM-out为铜板外表面温度，hw为铜板和冷却水界面的对流换热系数，按照下面的无量纲方程来确定
其中，DH为冷却水缝的水力学直径，模型中为5mm；kw为冷却水导热系数，模型中为0.614Wm-1K-1；ρw为冷却水密度，模型中为1×106kg m-3；uw冷却水流速，模型中为7.0m s-1，CPw冷却水比热，模型中为4.178×103J kg-1K-1。
3、提取翼梢表面中心节点在厚度方向位移距离，作为结晶器铜板锥度的设置依据。
表1为现场相关连铸机设备与工艺参数，表2为研究钢种的主要化学成分。表1铸机基本工艺参数及连铸工艺
表2钢种成分
应用本专利所述方法建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的热-力耦合模型。
根据钢种成分，通过计算或实验手段可以获得该钢种的瞬时线膨胀系数，如图2所示。
模型中描述钢在不同温度下应力应变特点的本构方程采用如下公式描述：
C＝0.3091+0.2090pctC+0.1773(pctC)2
Q＝17160
n＝6.365-4.521×10-3T+1.439×10-6T2
m＝-1.362+5.761×10-4T+1.982×10-8
图3所述，为295mm×205mm×85mm断面异型坯在0.8m/min、1.2m/min拉速下翼梢表面中心节点的位移变化趋势。可见，结晶器上部100mm范围内翼梢收缩最快，随后的350mm范围内收缩变缓，结晶器下部150mm范围内收缩最慢。
基于本专利所述方法，充分认识了295mm×205mm×85mm断面异型坯在结晶器内凝固收缩行为及翼梢锥度设计原则，为该国内最小断面异型坯的稳定生产奠定了基础。可见，本专利所述的异型坯翼梢锥度的确定方法能够很好的指导实际生产，对铸坯质量的持续改善以及降低试验成本具有重要意义。

Claims (2)

1.一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)获取异型坯断面尺寸与结晶器铜板结构参数：异型坯连铸机断面尺寸范围为295mm×205mm×85mm～430mm×300mm×85mm；结晶器由内弧铜板、外弧铜板以及两侧铜板构成，铜板厚度45～60mm；
2)采用有限元商业软件建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的2D热-力耦合分析模型，分析铸坯在结晶器内的凝固收缩行为；其计算对象包括铸坯和结晶器铜板，二者间的界面接触状态和界面热阻根据铸坯与结晶器热面铜板的实际位置关系进行判定与计算，根据实际结晶器一冷工艺，温度场和应力场的计算相互耦合，交替进行，直到所模拟铸坯出结晶器出口；界面接触状态，通过铸坯表面节点与结晶器表面间距离判断；
本模型中，铸坯为可变形体，铜板为刚性体，为防止铸坯表面节点穿越铜板壁面，对其施加如下约束条件：
<mrow> <msub> <mover> <mi>u</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mi>A</mi> </msub> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <mover> <mi>n</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> </mover> <mo>&amp;le;</mo> <mi>D</mi> </mrow>
其中，为铸坯表面节点A的位移向量，为铜板在A点处表面的单位法向量，为向量点乘符，D为铸坯和铜板之间的接触容限；
界面热阻包括铜板表面对流换热、气隙内热传导、渣膜内热传导、坯壳与渣膜间的界面传热、以及热辐射；坯壳与铸坯表面间界面总换热系数hf按照下式确定：
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上式中，hrad为坯壳和铜壁间的辐射传热系数，按照下式确定：
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其中，σSB为Stefan－Boltzsman常数，ε为辐射系；Tb为坯壳表面温度，Tm-in铜板热面温度:
R1为铜板表面处与保护渣间的接触热阻:
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其中hmf为铜板表面处的对流换热系数；
R2为气隙内的热阻；
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其中Kair为气隙内空气的导热系数，dair为气隙宽度，其值根据应力场计算结果，由变形后的坯壳形状和当前结晶器壁面位置共同决定；
R3为渣膜内的热阻；
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其中Kflux为保护渣导热系数，dflux为渣膜厚度；
R4铸坯表面与保护渣间的接触热阻；
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其中，hbf为坯壳表面处的换热系数，其值取决于铸坯表面温度；
所述结晶器一冷工艺在模型中通过结晶器铜板外表面与冷却水进行对流换热，其热流可表示为：
Q＝hw·(TM-out-Tw)
上式中，Q为铜板与结晶器冷却水接触面热流密度，Tw为结晶器冷却水温度，TM-out为铜板外表面温度，hw为铜板和冷却水界面的对流换热系数，按照下面的无量纲方程来确定：
<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>H</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>w</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0.023</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>u</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mi>H</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>w</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>0.8</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>w</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>w</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>0.4</mn> </msup> </mrow>
其中，DH为冷却水缝的水力学直径，kw为冷却水导热系数，ρw为冷却水密度，uw冷却水流速，CPw冷却水比热；
3)提取翼梢表面中心节点在厚度方向位移距离，作为结晶器铜板锥度的设置依据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的异型坯结晶器类型为板式组合结晶器，由内弧铜板、外弧铜板以及两侧铜板构成，铜板厚度45～60mm；内弧与外弧铜板上加工有冷却水孔两侧铜板加工有冷却水槽，冷却水槽宽度3～7mm，深度15～30mm。
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Application publication date: 20180327

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