设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法及内结晶器技术

本发明专利技术涉及一种设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法及内结晶器，包括：建立第一1/4对称的渣池

【技术实现步骤摘要】
设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法及内结晶器


[0001]本专利技术涉及冶金
，尤其涉及一种设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法及内结晶器。

技术介绍

[0002]电渣重熔空心锭工艺作为一种高质量、高效和节能的电渣冶金领域的生产技术，为高品质特殊钢和特种合金空心锭的制备提供了一种新的途径。电渣重熔空心钢锭过程中，在内结晶器、外结晶器和引锭装置构成的环形空间中加入液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。当多支并联的自耗电极(蝶形布置)、炉渣、底水箱通过短网与变压器形成供电回路时，便有电流从变压器输出通过液态熔渣，使自耗电极的端部被逐渐加热熔化。熔化的金属穿过渣池进入金属熔池，因结晶器中心装有水冷内结晶器，液态金属逐渐凝固，形成空心铸锭。当空心铸锭达到一定高度后，引锭装置开始抽锭。
[0003]电渣重熔空心锭内结晶器包含两个部分：圆柱部分(用于控制内孔成形尺寸控制和凝固)和圆锥部分(用于控制凝固)，其中渣/金界面距圆柱部分底部距离(H
cyl
，实际生产时也为渣/金界面控制高度)和圆锥部分锥角θ的合理设计对工艺的顺行至关重要。
[0004]空心钢锭凝固时，不同于外壁向内的径向收缩，使外壁远离外结晶器；内壁内向的径向收缩，使内壁靠近内结晶器。过大的渣/金界面距圆柱部分底部距离H
cyl
和过小圆锥部分锥角θ，会导致空心锭径向凝固收缩时“抱紧”内结晶器，拉坯时摩擦力过大，严重时会导致内结晶器被拉断事故。而过小的渣/金界面距圆柱部分底部距离H
cyl
和过大圆锥部分锥角θ，会导致空心锭冷却效果差，凝固收缩量远远不能补偿内结晶器圆锥部分本身的缩进位移量，进而造成铸锭
‑
内结晶器气隙过大，严重时会导致漏渣、漏钢的风险。
[0005]近年来，随着国内外研究者对连铸坯壳在结晶器内凝固收缩及变形规律的研究深入，针对连铸结晶器锥度设计取得了系列研究成果。中国专利技术专利公开号：CN 103406505 B公开了板坯结晶器锥度可充分补偿坯壳在结晶器内的收缩，有效抑制坯壳在结晶器内的变形，防止了初凝坯壳在结晶器上部因变形量过大而造成连铸坯表面和皮下裂纹的频发。中国专利技术专利公开号：CN 108526421 B公开了一种连铸薄板坯窄面高斯凹形曲面结晶器及其设计方法，该专利技术连铸结晶器的窄面铜板内表面工作面自上而下均为以横向宽度中心线为对称呈高斯曲线分布的凹形结构、沿高度方向为迎合坯壳窄面凝固收缩特性的连续变化曲线结构。但上述专利均为连铸外结晶器内锥度设计方法，同时电渣重熔空心钢锭技术与连铸工艺之间存在很大区别：电渣重熔空心钢锭拉速很慢(几乎是连铸拉速的百分之几)；钢液过热度大；结晶器内温度梯度大；多物理场耦合(电
‑
磁
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流
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热)显著不同。
[0006]中国技术专利公开号：CN 201482972 U公开了一种用于电渣重熔连续抽锭空心钢锭的结晶器，其芯部结晶器的截面呈现上边宽、下边窄的倒梯形状，芯部结晶器的锥度范围在3/100～3.5/100之间。但该技术内结晶器(芯部)无圆柱段部分，液态金属凝固成形，初生坯壳形成的内孔必然是上大下小，后续凝固无法完全克服空心钢锭内孔与内结晶器之间出现漏渣、漏钢和“抱死”内结晶器等问题。
[0007]因此，亟需基于电渣重熔空心锭在内、外结晶器共同作用下的实际凝固收缩规律，充分迎合空心锭在内、外结晶器内收缩并均匀空心锭传热和生长，又能最大化减轻内结晶器受到的摩擦力的锥度，解决电渣重熔空心锭凝固质量和避免漏渣、漏钢和“抱死”内结晶器等问题。

技术实现思路

[0008](一)要解决的技术问题
[0009]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法及内结晶器，其解决了电渣重熔空心锭凝固质量和传统的内结晶器下易产生漏渣、漏钢和“抱死”内结晶器的难题。
[0010](二)技术方案
[0011]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0012]第一方面，本专利技术实施例提供一种设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法，包括：
[0013]S1、基于预先获取的实际的电渣重熔空心锭的电极尺寸、空心锭尺寸、渣量，采用建模软件建立第一1/4对称的渣池
‑
空心锭体系三维实体模型；
[0014]S2、针对所述第一1/4对称的渣池
‑
空心锭体系三维实体模型进行网格划分得到相应的第一网格模型；
[0015]S3、针对第一网格模型中渣池的计算域设定渣池的物理属性以及为空心锭的计算域设定空心锭的物理属性，得到第二网格模型；
[0016]S4、针对所述第二网格模型中空心锭的计算域赋予预先获取的第一属性，以及针对渣池的计算域赋予预先获取的第二属性，得到第三网格模型；
[0017]S5、基于预先设定的三维电磁场边界条件、流场边界条件和传热边界条件，采用多物理场实施耦合方法，建立针对第三网格模型所对应的三维瞬态多物理场耦合分析模型；
[0018]S6、基于所述三维瞬态多物理场耦合分析模型，获取空心锭动态凝固传热及基于密度基变形行为的模拟结果；
[0019]S7、根据所述模拟结果，确定渣/金界面距内结晶器的圆柱部分底部距离H
cyl
、气隙宽度、内壁与内结晶器实际接触高度H
con
；
[0020]S8、基于所述H
cyl
、气隙宽度、内壁与内结晶器实际接触高度H
con
和预先设定的第一圆锥部分锥角范围，确定最终的内结晶器圆锥部分锥角范围；
[0021]所述第一圆锥部分锥角范围包括多个锥角值。
[0022]优选的，
[0023]所述空心锭电极尺寸包括：电极直径；
[0024]所述空心锭尺寸包括：空心锭的内径、空心锭的外径、空心锭的壁厚；
[0025]所述1/4对称的渣池
‑
空心锭体系三维实体模型的高度为空心锭壁厚的5.5～6倍；
[0026]所述S3中，采用fluent软件，针对第一网格模型中渣池的计算域设定渣池的物理属性以及为空心锭的计算域设定空心锭的物理属性，得到第二网格模型。
[0027]优选的，所述S3中针对所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型进行网格划分得到第一网格模型，具体包括：
[0028]针对所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型，采用非均匀化网格划分方法，对所述1/4对称的渣池
‑
空心锭体系三维实体模型的接触区域的网格之间的距离划分为1～2mm，对非接触区域网格之间的距离划分为6～10mm；
[0029]其中，所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型的接触区域为1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型中空心锭所对应的区域与内结晶器所对应的区域以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种设定电渣重熔空心钢锭内结晶器的锥角的方法，其特征在于，包括：S1、基于预先获取的实际的电渣重熔空心锭的电极尺寸、空心锭尺寸、渣量，采用建模软件建立第一1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型；S2、针对所述第一1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型进行网格划分得到相应的第一网格模型；S3、针对第一网格模型中渣池的计算域设定渣池的物理属性以及为空心锭的计算域设定空心锭的物理属性，得到第二网格模型；S4、针对所述第二网格模型中空心锭的计算域赋予预先获取的第一属性，以及针对渣池的计算域赋予预先获取的第二属性，得到第三网格模型；S5、基于预先设定的三维电磁场边界条件、流场边界条件和传热边界条件，采用多物理场实施耦合方法，建立针对第三网格模型所对应的三维瞬态多物理场耦合分析模型；S6、基于所述三维瞬态多物理场耦合分析模型，获取空心锭动态凝固传热及基于密度基变形行为的模拟结果；S7、根据所述模拟结果，确定渣/金界面距内结晶器的圆柱部分底部距离H
cyl
、气隙宽度、内壁与内结晶器实际接触高度H
con
；S8、基于所述H
cyl
、气隙宽度、内壁与内结晶器实际接触高度H
con
和预先设定的第一圆锥部分锥角范围，确定最终的内结晶器圆锥部分锥角范围；所述第一圆锥部分锥角范围包括多个锥角值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空心锭电极尺寸包括：电极直径；所述空心锭尺寸包括：空心锭的内径、空心锭的外径、空心锭的壁厚；所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型的高度为空心锭壁厚的5.5～6倍；所述S3中，采用fluent软件，针对第一网格模型中渣池的计算域设定渣池的物理属性以及为空心锭的计算域设定空心锭的物理属性，得到第二网格模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3中针对所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型进行网格划分得到第一网格模型，具体包括：针对所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型，采用非均匀化网格划分方法，对所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型的接触区域的网格之间的距离划分为1～2mm，对非接触区域网格之间的距离划分为6～10mm；其中，所述1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型的接触区域为1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型中空心锭所对应的区域与内结晶器所对应的区域以及外结晶器所对应的区域的的接触的区域；所述非接触区域为1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型中空心锭所对应的区域与内结晶器所对应的区域以及外结晶器所对应的区域的没有接触的区域。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预先获取的第一属性包括：空心锭的电导率、黏度、密度、导热系数以及比热随温度的变化关系；所述预先获取的第二属性包括：渣系的电导率、黏度、密度、导热系数以及比热随温度的变化关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S5包括：S51、设定渣池
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空心锭计算域电磁场、流场和传热控制方程以及第三属性；所述第三属性为所述第三1/4对称的渣池
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空心锭体系三维实体模型中空心锭内外壁在圆周方向上具有均匀的渣皮厚度的属性；S52、基于所设定的渣池
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空心锭计算域电磁场、流场和传热控制方程以及第三属性和预先设定的电磁场边界条件、流场边界条件和传热边界条件，采用多物理场实施耦合方法，建立所述第三网格模型所对应的三维瞬态多物理场耦合分析模型。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，渣池
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘福斌，姜周华，李花兵，索浩洋，耿鑫，朱红春，康从鹏，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：