水平连铸时空温度场的建立方法技术

本发明专利技术属于熔铸凝固温度场分析测试领域，具体涉及一种水平连铸时空温度场的建立方法，该方法适用于铜管坯水平连铸等通过石墨结晶器进行金属液凝固结晶的场合，通过对结晶器不同深度、不同周向位置、不同时刻温度、结晶器入液口附近实时温度的测量，并借助于数据对应处理方法建立保温炉前膛近入液口温度

【技术实现步骤摘要】
水平连铸时空温度场的建立方法


[0001]本专利技术涉及熔铸凝固温度场分析测试，尤其是一种水平连铸时空温度场的建立方法。

技术介绍

[0002]在冷却水的作用下，铜液到铜管坯的凝固过程涉及到物态变化，属于高度非线性变化过程，流场、温度场、组织场、应力场多场耦合的过程，其中温度场作为流场和组织场的桥梁，在整个凝固过程的解析和研究中处于核心地位。结晶器作为整个连续铸造设备的最关键部件，通常被称为连续铸造机的“心脏”，对铸坯的质量起到至关重要的直接影响作用，因此结晶器内温度场的揭示是研究连续铸造过程中铸坯组织性能、质量的重要方法和途径。
[0003]连铸过程中温度场的获取方法主要有理论计算及数值模拟法和直接测量法两大类。其中，数值模拟及理论计算法，通过传热机理及计算、凝固潜热的处理、导热系数的处理、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等一系列计算，实现温度场模型的建立。例如，文献“下引式连续定向凝固薄壁铜管温度场的计算与验证”基于凝固原理、热量平衡、边界条件假设等建立起一维稳态数学、物理模型，实现各工艺参数对整个温度场的影响关系的建立。但是，该种方法进行了热物性参数和边界条件的诸多假设，未能考虑重力、界面气隙等影响，难以准确地对实际凝固过程中的温度场进行揭示。此外，文献“结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数值模拟”中早在上个世纪九十年代就提出并考虑了气隙对热流量方程的影响，研究了铸坯角部气隙对坯壳凝固行为的影响，但是实际凝固过程产生气隙的位置及气隙产生后对结晶器温度场的影响因素较多，通过模拟很难准确地对这些信息进行定量的模拟。
[0004]直接测量法主要有射钉法、热电偶测试法等。其中，专利CN101992281B中提出射钉法，通常作为测试钢坯等凝壳厚度的方式可以对凝固铸坯的温度进行测试，该种方法可以实现对二冷区以及空冷区的凝壳厚度和温度进行测量，但是难以对封闭在铜套内部的一冷区进行温度测量，只能采用数学模型进行推算，不能真实地反映一冷结晶区结晶器温度场。论文“铜管水平连铸过程数值模拟及结晶器结构参数优化研究”中指出采用两个呈60
°
夹角的热电偶进行结晶器温度的测试，作为和数值模拟进行对比的参考，可以获得某一区域内的温度场数据，但是缺少空间的系统性的温度结果，难以反映温度场随结晶器空间的变化规律。
[0005]截止目前，尚未见针对铜管坯水平连铸过程石墨结晶器时空温度场的测试手段，无法反映整个结晶器空间温度场随时间的变化情况，因此有必要针对铜管坯凝固过程中的结晶器温度进行测试并建立相应的温度场模型。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种水平连铸时空温
度场的建立方法。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水平连铸时空温度场的建立方法，包括如下工艺步骤：
[0008]S1：根据结晶器测温的深度以及保温炉前膛温度测试的热电偶尺寸，对结晶器中热电偶安装孔和前膛盖板上热电偶安装孔进行加工；
[0009]S2：将高温密封胶均匀涂抹在结晶器测温热电偶表面，将不同周向位置处的热电偶插入到结晶器相应的热电偶安装孔中，通过固定装置进行热电偶的固定；将保温炉前膛测温热电偶固定于前膛盖板之上；
[0010]S3：将结晶器温度测量热电偶与无纸记录仪连接，然后将浇注温度测量热电偶连接至熔炉控制系统的相应温度测试及控制模块；
[0011]S4：在打开无纸记录仪和温度测试及控制模块的前提下，进行连铸成形实验，对实验过程中各处温度进行记录；
[0012]S5：实验结束后，将无纸记录仪和熔铸系统中记录的温度数据库文件考出，并通过终端设备进行处理和提取，输出以分钟为单位的浇注温度
‑
结晶器指定深度不同周向位置处的温度数据；
[0013]S6：重复步骤(S1)～(S5)，依次开展结晶器不同轴向深度处温度的测量实验并获得相应的温度场数据；
[0014]S7：对同一周向区域不同轴向深度温度进行测量实验，并获取相应温度数据，对若干温度数据进行代表平均温度处理，并基于牛顿插值法进行高阶多项式的拟合，确定不同周向位置处的温度插值，以建立结晶器不同轴向深度、不同周向位置处随时间变化的温度场，得到统一的浇注温度
‑
不同轴向深度
‑
不同周向位置处的时空温度场模型。
[0015]本专利技术方法解决了铜管坯连铸过程中温度场的测试和建立问题，确定连续铸造条件下结晶器时空温度场的测试及分析方法；通过时空温度场的建立，为连铸多场耦合有限元模拟提供准确的温度边界条件，实现对模型参数优化和确定；另外，获取准确的温度场信息，为水冷系统的流程控制提供定量的依据；有助于判断准确的结晶区域和凝固状态，借助于牵引速率、水流量及水温度的综合控制可以定量化调控结晶区域和干预连铸凝固状态，有效提高结晶器模具的使用寿命和铸坯产品质量和精度。
[0016]进一步地，所述步骤(S1)中热电偶的安装孔设置7组不同的轴向深度，并采用短钻头与长钻头配合的方式进行深孔的开孔加工。
[0017]进一步地，所述步骤(S1)中热电偶的安装孔设置4个不同的周向位置。
[0018]进一步地，所述步骤(S7)中测量实验的温度数据确定的方法如下：
[0019]通过最小均方差方法，以S
min
为优化目标，获取同一周向区域每一个轴向深度处的多天内的平均代表温度，计算公式如下：
[0020][0021]其中，N代表采样数据个数；表示每个时刻对应的温度值，
[0022]表示若干时刻温度的平均值，即平均代表温度；表示不同轴
向深度和不同周向位置处的温度，P
m
表示不同牵引程序，其与牵引速率对应满足一定关系；C1表示周向位置1；Z
d
表示距离石墨结晶器外端面的不同深度位置；
[0023]获得的不同轴向深度平均代表温度，可以采用高阶多项式拟合的方法进行近似表示，通过采用牛顿插值法可以构造相应的多项式函数，也即满足如下关系式：
[0024][0025]其中，表示周向位置1不同牵引程序下多项式拟合获得的温度场；而表示Z
d
位置处的温度数值；表示的d阶差商，通过计算各阶差商，最终可以获得某一牵引程序和确定周向位置处的沿轴向方向的温度场曲线；
[0026]同样通过最小均方差方法，以S
min
为优化目标，获取同一轴向深度不同周向位置处的多天内的平均代表温度，计算公式如下：
[0027][0028]其中，表示若干时刻某一牵引程序、某一轴向深度、某一周向位置处的温度值；代表若干温度值满足最小均方差条件下的平均代表温度；C
k
表示不同周向位置；
[0029]不同周向位置处平均代表温度，以周向位置1作为参考，即可获得其他周向位置处温度与周向位置1温度的关系，用表示；通过确定周向位置处的温度场多项式即可以推导出其他周向位置处的温度场，最终获得不同牵引速率、不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平连铸时空温度场的建立方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：S1：根据结晶器(1)测温的深度以及保温炉前膛温度测试的热电偶(2)尺寸，对结晶器(1)中热电偶(2)安装孔和前膛盖板(3)上热电偶(2)安装孔进行加工；S2：将高温密封胶均匀涂抹在结晶器(1)测温热电偶(2)表面，将不同周向位置处的热电偶(2)插入到结晶器(1)相应的热电偶(2)安装孔中，通过固定装置进行热电偶(2)的固定；将保温炉前膛测温热电偶(2)固定于前膛盖板(3)之上；S3：将结晶器(2)温度测量热电偶(2)与无纸记录仪连接，然后将浇注温度测量热电偶(2)连接至熔炉控制系统的相应温度测试及控制模块(4)；S4：在打开无纸记录仪和温度测试及控制模块(4)的前提下，进行连铸成形实验，对实验过程中各处温度进行记录；S5：实验结束后，将无纸记录仪和熔铸系统中记录的温度数据库文件考出，并通过终端设备进行处理和提取，输出以分钟为单位的浇注温度
‑
结晶器指定深度不同周向位置处的温度数据；S6：重复步骤(S1)～(S5)，依次开展结晶器(1)不同轴向深度处温度的测量实验并获得相应的温度场数据；S7：对同一周向区域不同轴向深度温度进行测量实验，并获取相应温度数据，对若干温度数据进行代表平均温度处理，并基于牛顿插值法进行高阶多项式的拟合，确定不同周向位置处的温度插值，以建立结晶器(1)不同轴向深度、不同周向位置处随时间变化的温度场，得到统一的浇注温度
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不同轴向深度
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不同周向位置处的时空温度场模型。2.根据权利要求1所述的水平连铸时空温度场的建立方法，其特征在于：所述步骤(S1)中热电偶(2)的安装孔设置7组不同的轴向深度，并采用短钻头与长钻头配合的方式进行深孔的开孔加工。3.根据权利要求1所述的水平连铸时空温度场的建立方法，其特征在于：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈大勇，李庆文，宋鸿武，陈云月，李洋，武安琪，程明，刘劲松，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：