一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，该模拟装置包括炼钢炉、电机驱动系统、连铸漏斗形结晶器模拟系统、冷却水系统、温度采集系统。本发明专利技术通过模拟薄板坯连铸生产中钢液在漏斗形结晶器内的凝固过程与连铸过程，获得具有实际薄板坯特征的初始凝固坯壳及结晶器内温度变化曲线，实现对钢液在漏斗形结晶器内钢液初始凝固行为和铸坯表面质量、及连铸工艺参数对钢液初始凝固行为影响的模拟研究。该发明专利技术适用于模拟现有钢种的生产，还可用于裂纹敏感型钢种薄板坯连铸生产的开发研究。本发明专利技术与薄板坯实际连铸工业生产过程相比，具有操作简单、方便，实验成本低等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法
本专利技术公开了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，属于钢铁冶金

技术介绍
上个世纪九十年代，经过两次石油危机和三次金融危机，全球经济低迷，钢铁工业作为能耗大、利润低的产业，必然要面临结构调整、技术优化、工艺改进，以提升竞争力和保证经济效益。因而，以薄板坯连铸连轧为代表的短流程工艺因其低能耗、低成本、高效率而收到投资者和生产企业的特别关注。自1989年第一条由德国西马克公司开发的薄板坯连铸连轧产线-CSP工艺生产线在美国纽克克劳福兹维尔钢厂建成投产以来，截至到2017年，全球已建成的薄板坯连铸连轧产线已达67条，年生产能力超过1.24亿吨。其中CSP工艺产线达34条，其技术也相对成熟，生产稳定。众所周知，结晶器是连铸机的“心脏”。薄板坯连铸连轧取得的巨大成功和CSP工艺的成功突破，其关键在于漏斗形结晶器的设计。漏斗形结晶器的特点在于上口漏斗形状，面积大；边部和下部是一段平行板，板间距窄即为铸坯厚度；实际工业生产中连铸漏斗形结晶器示意图如图2所示(L.C.Hibbeler.Thermo-MechanicalBehaviorduringSteelContinuousCastinginFunnelMolds[D].UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign,2009)。这种设计的优势在于，上口面积大，有利于高拉速下减缓钢液流场的剪切速度，保证流场的稳定和连铸过程的顺行；下部平行板间距窄，可有效地降低铸坯出结晶器的厚度，从而很好地实现了薄板坯连铸的生产过程。在薄板坯连铸连轧发展三十年的时间，还有许多技术问题和基础研究需要开展。例如铸坯缺陷相比于传统连铸更为严重，高拉速下结晶器内流场、温度场、热流分布，钢种应用的拓展。但由于实际工业生产所用漏斗形结晶器是一体的，且结晶器内往往是“黑箱”，并不能观察到结晶器内钢液和保护渣的高温动态行为，无法研究钢液在结晶器内的凝固行为；当保护渣随铸坯一起出结晶器时立刻就会被二冷水给冲刷掉，而无法收集到保护渣渣膜，从而也无法研究保护渣在结晶器内的动态行为。目前最常用的方法就是进行数值计算和仿真模拟。但数值计算和仿真模拟因边界条件设定的不确定或不准确，往往与实际过程偏差较大，一般只能作为定性分析的参考。而在工业连铸机上开展研究和工业试验的成本巨大，且试验过程容易出现安全事故。这严重阻碍了薄板坯连铸的基础研究、优化研究以及开发研究的进行。最好的办法是在实验室层面建立结晶器模拟系统，依据现场工艺参数开展物理实验，再结合数值模拟进行分析，在一定程度上就可以很好的还原实际生产的效果。但到目前为止，还没有很好的设计来模拟薄板坯连铸用漏斗形结晶器，并在实验室层面实现漏斗形结晶器的连铸模拟研究。
技术实现思路
为了很好地模拟薄板坯连铸过程中漏斗形结晶器内高温动态行为及连铸过程，本专利技术提供了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法。本专利技术提供的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置，包括以下主要配件：感应加热炉体(炼钢炉)，电机驱动系统(拉坯器驱动电机M1、结晶器振动电机M2)、连铸漏斗形结晶器模拟系统(包括漏斗形结晶器、拉坯器)，冷却水系统(结晶器铜模冷却水、炼钢炉线圈冷却水)，温度采集系统(采温热电偶)，以及自动化的动力操作系统等；其装置整体示意图如图1a所示。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；所述模拟装置包括炼钢炉、拉坯电机、振动电机、拉坯器、结晶器金属模；所述拉坯电机通过刚性连接杆与拉坯器相连，所述拉坯器套在结晶器金属模上；所述结晶器金属模内设有冷却通道；所述结晶器金属模的宽面上设有曲面凹槽，所述曲面凹槽呈漏斗形；定义曲面凹槽最下端为底部；曲面凹槽底部到结晶器金属模底部的间距大于等于7mm；结晶器金属模设有至少3排热电偶；其中第一排、第二排热电偶位于曲面凹槽正对的结晶器金属模内，第三排热电偶设置的位置不与第一排、第二排热电偶重合；垂直于结晶器金属模宽面进行投影，至少有2个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影内；至少有1个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影外，且位于曲面凹槽所形成的投影的左侧或者右侧。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；任意2排热电偶的个数相等；从结晶器金属模上到下的方向，将第1排热电偶中各热电偶命名为TC1-1、TC1-2、TC1-3、…直至TC1-N；将第2排热电偶中各热电偶命名为TC2-1、TC2-2、TC2-3、…直至TC2-N；将第3排热电偶中各热电偶命名为TC3-1、TC3-2、TC3-3、…直至TC3-N；……将第i排热电偶中各热电偶命名为TCi-1、TCi-2、TCi-3、…直至TCi-N；所述i大于等于3；垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第一排热电偶中第p个热电偶的投影与第二排中第p个热电偶的投影重合，所述P为大于等于1且小于等于N的正整数；当i等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第三排热电偶中第p个热电偶的投影与第四排中第p个热电偶的投影重合，所述P为大于等于1且小于等于N的正整数；当热电偶的命名为TCx-y；当y为定值时，所有的热电偶位于一个平面上；所述x大于等于1小于等于i；所述y大于等于1，小于等于N。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；所述曲面凹槽为对称结构；所述结晶器金属模的宽面也呈对称设计；在竖直平面上，曲面凹槽的对称轴与结晶器金属模宽面的对称轴位于同一个平面上，且二者重合；垂直于结晶器金属模宽面进行投影；所得投影为对称结构；投影的对竖直称轴与第一排、第二排热电偶的投影重合；当所述N等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影；第三排、第四排热电偶的投影重合。第三排和/或第四排热电偶的投影所在的一侧，第三排和/或第四排热电偶的投影到结晶器金属模宽面的投影边框的最小距离等于其到直线A的距离；所述直线A为：在投影上，沿着曲面凹槽所形成的投影边界做垂直于结晶器金属模宽面底部所得投影线的垂直线，所述垂直线中，到结晶器金属模宽面的投影边框距离最小的线条为A或A1；其中和第三排和/或第四排热电偶的投影在同一侧的线条为A。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；漏斗形的为70mm；凹槽倾斜角度为8°～10°。作为优选，本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；漏斗形结晶器金属模的有效长度为77mm(其中(其中凹槽部分为70mm，凹槽下部平板部分7mm；凹槽倾斜角度为8°-10°)，上部为平板，铜模内部有冷却水槽，并嵌有测温热电偶。结晶器装置示意图如图1b所示。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；结晶器金属模的材质为铜、优选为紫铜。本专利技术一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；结晶器金属模内，第一排4根热电偶位于铜模中线处，分布的位置分别在距铜模底部70mm、45mm、25mm、5mm处，对应的距铜模表面的垂直距离依次为4.47mm、11.89m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：所述模拟装置包括炼钢炉、拉坯电机、振动电机、拉坯器、结晶器金属模；所述拉坯电机通过刚性连接杆与拉坯器相连，所述拉坯器套在结晶器金属模上；所述结晶器金属模内设有冷却通道；所述结晶器金属模的宽面上设有曲面凹槽，所述曲面凹槽呈漏斗形；定义曲面凹槽最下端为底部；曲面凹槽底部到结晶器金属模底部的间距大于等于7mm；结晶器金属模设有至少3排热电偶；其中第一排、第二排热电偶位于曲面凹槽正对的结晶器金属模内，第三排热电偶设置的位置不与第一排、第二排热电偶重合；/n垂直于结晶器金属模宽面进行投影，至少有2个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影内；至少有1个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影外，且位于曲面凹槽所形成的投影的左侧或者右侧。/n

【技术特征摘要】
1.一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：所述模拟装置包括炼钢炉、拉坯电机、振动电机、拉坯器、结晶器金属模；所述拉坯电机通过刚性连接杆与拉坯器相连，所述拉坯器套在结晶器金属模上；所述结晶器金属模内设有冷却通道；所述结晶器金属模的宽面上设有曲面凹槽，所述曲面凹槽呈漏斗形；定义曲面凹槽最下端为底部；曲面凹槽底部到结晶器金属模底部的间距大于等于7mm；结晶器金属模设有至少3排热电偶；其中第一排、第二排热电偶位于曲面凹槽正对的结晶器金属模内，第三排热电偶设置的位置不与第一排、第二排热电偶重合；
垂直于结晶器金属模宽面进行投影，至少有2个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影内；至少有1个热电偶的投影，落在曲面凹槽所形成的投影外，且位于曲面凹槽所形成的投影的左侧或者右侧。


2.根据权利要求1所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：任意2排热电偶的个数相等；从结晶器金属模上到下的方向，将第1排热电偶中各热电偶命名为TC1-1、TC1-2、TC1-3、…直至TC1-N；将第2排热电偶中各热电偶命名为TC2-1、TC2-2、TC2-3、…直至TC2-N；将第3排热电偶中各热电偶命名为TC3-1、TC3-2、TC3-3、…直至TC3-N；……将第i排热电偶中各热电偶命名为TCi-1、TCi-2、TCi-3、…直至TCi-N；所述i大于等于3；
垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第一排热电偶中第p个热电偶的投影与第二排中第p个热电偶的投影重合，所述P为大于等于1且小于等于N的正整数；
当i等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影，第三排热电偶中第p个热电偶的投影与第四排中第p个热电偶的投影重合，所述P为大于等于1且小于等于N的正整数；
当热电偶的命名为TCx-y；当y为定值时，所有的热电偶位于一个平面上；所述x大于等于1小于等于i；所述y大于等于1，小于等于N。


3.根据权利要求2所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：
所述曲面凹槽为对称结构；所述结晶器金属模的宽面也呈对称设计；在竖直平面上，曲面凹槽的对称轴与结晶器金属模宽面的对称轴位于同一个平面上，且二者重合；
垂直于结晶器金属模宽面进行投影；所得投影为对称结构；投影的对竖直称轴与第一排、第二排热电偶的投影重合；
当所述N等于4时；垂直于结晶器金属模宽面进行投影；第三排、第四排热电偶的投影重合。第三排和/或第四排热电偶的投影所在的一侧，第三排和/或第四排热电偶的投影到结晶器金属模宽面的投影边框的最小距离等于其到直线A的距离；所述直线A为：在投影上，沿着曲面凹槽所形成的投影边界做垂直于结晶器金属模宽面底部所得投影线的垂直线，所述垂直线中，到结晶器金属模宽面的投影边框距离最小的线条为A或A1；其中和第三排和/或第四排热电偶的投影在同一侧的线条为A。


4.根据权利要求1所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：漏斗形的长度为70mm；凹槽倾斜角度为8°～10°。


5.根据权利要求1所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：结晶器金属模的材质为紫铜。


6.根据权利要求3所述的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置；其特征在于：
结晶器金属模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万林，张磊，梁策，张华龙，吕培生，颜雄，王凤康，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43