【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及炼钢连铸，特别涉及一种异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法。
技术介绍
1、异形坯断面尺寸形状复杂，由腹板、翼缘、翼缘窄面、r角、斜面组成，在连铸过程中，随着连铸坯在结晶器中凝固坯壳的产生与逐渐增厚，铸坯产生凝固收缩变形，由于异型坯横断面形状复杂，同时受腹板处结晶器板体的限制，铸坯凝固收缩受到阻碍，因此连铸坯整体变形复杂，变形后的连铸坯与结晶器内腔之间形成的气隙不均，影响结晶器中冷却水对钢水的冷却效果。如果结晶器内腔形状和尺寸设计不合理，导致气隙过大，会减小热流，引起连铸坯局部坯壳变薄，在拉坯过程中容易出现漏钢，如果气隙过小，在拉坯过程中连铸坯和结晶器板体之间会发生剧烈的摩擦，影响结晶器的使用寿命。因此，结晶器铜板内腔形状和尺寸设计是开发超大型异形坯结晶器的关键所在。
2、目前，异形坯连铸结晶器主要为从上至下单锥度设计，但钢水凝固不是线性收缩，从上到下逐渐呈曲线变化，因此，由腹板、翼缘、翼缘窄面、r角、斜面组成的异型坯各面凝固时为曲面，难以用单一数值表示，学者力图采用数值模拟的方式，采用切片模型计算连铸坯在结晶器出口处横截面变形，从而设计出单锥度的板体内腔。但是，因为是二维传热及热—力耦合，不能全面模拟整个结晶器内钢水的凝固变形，从而不能为结晶器板体内腔形状和尺寸的设计提供准确依据。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术实施例所要解决的技术问题是提供了一种异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其能够解决目前结晶器内腔形状和尺寸设计不合理
2、本专利技术实施例的具体技术方案是：
3、一种异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，所述异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法包括：
4、建立异型坯结晶器与结晶器内钢水的三维热力耦合模型，所述三维热力耦合模型包括几何模型和与所述几何模型相对应的换热计算模型，其中，结晶器包括无锥度的内腔；
5、对所述换热计算模型创建移动边界条件和静态边界条件；对所述几何模型划分网格并设置所述几何模型的材料属性参数和工艺参数；
6、采用有限差分法热力耦合求解器仿真计算在异型坯结晶器内腔无锥度情况下异型坯结晶器内异型坯温度场和应力场，从而得到凝固收缩变形后的异型坯；
7、按照凝固收缩变形后的异型坯重新设计得到修正后的异型坯结晶器，修正后的异型坯结晶器的内腔和尺寸与凝固收缩变形后的异型坯相对应；
8、将修正后的异型坯结晶器再次建立相对应的三维热力耦合模型并进行铸坯热力耦合计算从而得到第二次凝固收缩变形后的异型坯；
9、根据第二次凝固收缩变形后的异型坯得到内腔形状和尺寸相对应的最终的异型坯结晶器。
10、优选地，在步骤按照凝固收缩变形后的异型坯重新设计得到修正后的异型坯结晶器，修正后的异型坯结晶器的内腔和尺寸与凝固收缩变形后的异型坯相对应中，具体包括：
11、将凝固收缩变形后的异型坯的结果导出，在三维建模软件中测量得到凝固收缩变形后的异型坯的变形结果；或者，通过3d打印技术将凝固收缩变形后的异型坯打印出来，之后完成测量得到凝固收缩变形后的异型坯的变形结果；
12、按照测量得到的凝固收缩变形后的异型坯的变形结果重新设计得到修正后的异型坯结晶器，修正后的异型坯结晶器的内腔形状和尺寸与凝固收缩变形后的异型坯相对应。
13、优选地，在步骤根据第二次凝固收缩变形后的异型坯得到内腔形状和尺寸相对应的最终的异型坯结晶器中，具体包括：
14、将第二次凝固收缩变形后的异型坯的结果导出，在三维建模软件中测量得到第二次凝固收缩变形后的异型坯的变形结果；或者，通过3d打印技术将第二次凝固收缩变形后的异型坯打印出来，之后完成测量得到第二次凝固收缩变形后的异型坯的变形结果；
15、比较第二次凝固收缩变形后的异型坯的变形结果与修正后的异型坯结晶器之间形成的尺寸偏差，按照消除或接近消除连铸培和结晶器之间的尺寸偏差原则，采用第二次凝固收缩变形后的异型坯的形状和尺寸再次重新设计最终的异型坯结晶器内腔的形状和尺寸。
16、优选地，所述几何模型包括由板体形成的结晶器、结晶器板体内水缝和水孔中的冷却水、结晶器板体外钢质背板、结晶器内钢水和保护渣，所述板体内具有无锥度的内腔；
17、所述换热计算模型包括各介质导热与对流模型、各界面换热模型，各介质导热与对流模型包括钢水、结晶器铜板、冷却介质的导热与对流换热，各界面换热模型包括：钢水与结晶器板体热面的界面换热、结晶器板体与冷却水界面的换热、冷却水与钢质背板界面的换热、板体与钢质背板之间的界面换热。
18、优选地，在步骤对所述换热计算模型创建移动边界条件中，具体包括：
19、建立移动边界数据库；
20、根据所述移动边界数据库对所述换热计算模型创建移动边界条件。
21、优选地，在步骤建立移动边界数据库中，具体包括：
22、将所述几何模型的板体和冷却水沿异型坯结晶器高度方向分为若干层，钢水在结晶器中以工作拉速由结晶器上部向下移动，流经各层板体至结晶器出口，以连铸坯拉速为前提条件，计算得到工作拉速下钢水流经板体各层所需时间，冷却水通过板体传热带走钢水热量；
23、建立以时间为函数的移动边界数据库，所述移动边界数据库包括钢水与板体各层界面相应时间下之间的换热系数、板体与冷却水各层界面相应时间下之间的换热系数；板体与冷却水之间换热系数根据水流速与水流量而定；其中，在工作拉速下，钢水与铜板各层界面相应时间下之间的换热系数、板体与冷却水各层界面相应时间下之间的换热系数均为时间函数，即当钢水在某一时间段流经一层板体，与该层板体和冷却水换热时，该层板体和冷却水对钢水起到冷却作用，否则其它时间段不换热。
24、优选地，在步骤根据所述移动边界数据库对所述换热计算模型创建移动边界条件中，具体包括：
25、从移动边界数据库中提取界面换热系数，即按照钢水流经结晶器不同时间段提取各层换热系数，包括钢水与板体各层界面相应时间下之间的换热系数、板体与冷却水各层界面相应时间下之间的换热系数，从而在钢水周围形成移动的板体及冷却水的边界条件，其中，铜板与冷却水之间时间同步，冷却水相对铜板之间换热系数不随时间变化，以为钢水创建移动边界条件。
26、优选地，在步骤对所述换热计算模型创建静态边界条件中，所述静态边界条件包括：钢水与保护渣界面的换热系数、板体与保护渣界面的换热系数、各层板体与板体之间界面的换热系数、各层冷却水与冷却水之间界面的换热系数，其中，相同材料之间为无限换热。
27、优选地，在步骤对所述几何模型划分网格并设置所述几何模型的材料属性参数和工艺参数中，具体包括：对所述几何模型划分六面体网格，设置材料属性、热物性参数及高温力学性能参数，输入连铸工艺参数，包括钢水浇铸温度，结晶器板体、冷却水、保护渣的初始温度，连铸坯拉速。
28、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，所述异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法包括：
2.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤按照凝固收缩变形后的异型坯重新设计得到修正后的异型坯结晶器，修正后的异型坯结晶器的内腔和尺寸与凝固收缩变形后的异型坯相对应中，具体包括：
3.根据权利要求2所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤根据第二次凝固收缩变形后的异型坯得到内腔形状和尺寸相对应的最终的异型坯结晶器中，具体包括：
4.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，所述几何模型包括由板体形成的结晶器、结晶器板体内水缝和水孔中的冷却水、结晶器板体外钢质背板、结晶器内钢水和保护渣，所述板体内具有无锥度的内腔；
5.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤对所述换热计算模型创建移动边界条件中，具体包括：
6.根据权利要求5所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤建立移动边
7.根据权利要求6所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤根据所述移动边界数据库对所述换热计算模型创建移动边界条件中，具体包括：
8.根据权利要求6所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤对所述换热计算模型创建静态边界条件中，所述静态边界条件包括：钢水与保护渣界面的换热系数、板体与保护渣界面的换热系数、各层板体与板体之间界面的换热系数、各层冷却水与冷却水之间界面的换热系数，其中，相同材料之间为无限换热。
9.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤对所述几何模型划分网格并设置所述几何模型的材料属性参数和工艺参数中，具体包括：对所述几何模型划分六面体网格，设置材料属性、热物性参数及高温力学性能参数，输入连铸工艺参数，包括钢水浇铸温度，结晶器板体、冷却水、保护渣的初始温度，连铸坯拉速。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9任一项所述方法的步骤。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，所述异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法包括：
2.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤按照凝固收缩变形后的异型坯重新设计得到修正后的异型坯结晶器，修正后的异型坯结晶器的内腔和尺寸与凝固收缩变形后的异型坯相对应中，具体包括：
3.根据权利要求2所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤根据第二次凝固收缩变形后的异型坯得到内腔形状和尺寸相对应的最终的异型坯结晶器中，具体包括：
4.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，所述几何模型包括由板体形成的结晶器、结晶器板体内水缝和水孔中的冷却水、结晶器板体外钢质背板、结晶器内钢水和保护渣，所述板体内具有无锥度的内腔；
5.根据权利要求1所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤对所述换热计算模型创建移动边界条件中，具体包括：
6.根据权利要求5所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的设计方法，其特征在于，在步骤建立移动边界数据库中，具体包括：
7.根据权利要求6所述的异型坯结晶器内腔形状和尺寸的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳，耿明山，李伟，雷少武，王永涛，陈杰，常海，
申请(专利权)人：中冶京诚工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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