【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冶金连续铸钢设备领域，更具体地说，涉及一种大方坯结晶器铜管及其制备方法。
技术介绍
1、结晶器是连铸机的核心部件，承担着高温钢液初凝成坯的任务。初凝坯壳在结晶器内逐步凝固，进而沿其宽、窄面中心方向发生显著收缩而脱离结晶器铜管，由此引发保护渣膜与气隙对产生的界面间隙不均匀填充。特别是，对于凝固坯壳角部，由于其近二维传热，表面温度最早降至保护渣熔点以下，且收缩量最大，造成了保护渣膜与气隙在坯壳角部集中分布，从而造成铸坯角部表层等凝固组织晶粒粗大，引发铸坯角部受力产生裂纹缺陷。
2、目前，大方坯常用结晶器铜管的内腔为弯面、直面均采用近似抛物线曲线锥度、角部为直角、圆角或倒角的结构，铜管的角部无特殊的锥度补偿结构。这种结晶器优点是制造简单，其缺点是铜管内腔，特别是角部的形状不能完全适应坯壳的收缩，容易导致大方坯角部高发裂纹缺陷。
3、中国专利cn 204524200 u一种均匀冷却结晶器铜管，在结晶器铜管的角部管壁外有角部外层管壁，角部外层管壁与角部管壁之间构成的夹层降低了铜管角部的冷却强度，使铜管角部与边部的冷却均匀。该方法仅仅通过解决铜管角部冷却不匀问题，降低了铸坯角裂倾向，没有充分考虑初凝坯壳在结晶器内收缩变化的特性，导致在结晶器上部锥度对坯壳收缩补偿不充分而在结晶器下部锥度补偿量过大的现象。同时，在结晶器下部的锥度补偿量大于坯壳收缩量，增加了结晶器下部磨损。
4、倒角结晶器将铸坯角部的传热由二维转化成近一维，可减缓热应力集中，同时有利于降低二维传热，提高了铸坯角部温度，避开了第ⅲ
5、文献《连铸结晶器内大方坯的热力耦合分析》(陈永，罗歆，沈厚发，钢铁，2008，43(3)，p33～37)研究认为合适的结晶器倒角，有利于减轻和防止铸坯角部裂纹。鞍钢康伟等(连铸坯角部裂纹控制技术研究[j].炼钢，2019，35(1)：66)在试验倒角结晶器时发现，中低碳钢、低合金钢生产中未发生明显的角部裂纹，但在应用ss400和x52钢种中容易引发大量的角部纵裂纹，并伴随翘皮缺陷的产生。
6、又如中国专利cn 103286285 a、cn 102896284 a、cn 102642000 a等提出了不同类型的板坯结晶器倒角及窄边铜管结构。虽然倒角结晶器在实践过程中应用效果显著，降低了部分工况下角部裂纹的发生率，但控制效果并不稳定。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的是提供一种大方坯结晶器铜管及其制备方法，既能充分补偿坯壳结晶器内收缩并均匀化坯壳传热和生长，又能减轻角部区域磨损的大方坯连铸结晶器铜管，达到改善大方坯表面质量并提高结晶器使用寿命目的。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一方面，一种大方坯结晶器铜管的制备方法，包括以下步骤：
4、s1、建立三维实体模型；
5、s2、对所述三维实体进行网格划分；
6、s3、设定铸坯、铜管的初始温度；
7、s4、建立铸坯/结晶器的三维瞬间热/力耦合计算模型；
8、s5、在所述三维瞬间热/力耦合计算模型的计算过程中，所述铸坯采用生死单元；
9、s6、确定收敛准则、步长、最大迭代次数和加载边界条件；
10、s7、检查计算是否错误；
11、s8、根据计算结果，确定所述铸坯的窄面向所述结晶器的宽面、窄面中心方向的凝固收缩量、保护渣与气隙的分布，并据此设定所述凝固收缩量为所述铜管的窄面、宽面沿所述结晶器高度方向的凝固补偿分布曲线；
12、s9、根据步骤s8中所述结晶器内坯壳沿铸坯的高度方向收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的宽面、窄面中心及角部锥度；
13、s10、根据步骤s8中所述结晶器内坯壳的横截面收缩与变形量计算结果，设计所述铜管的内腔横截面轮廓线随高度的变化。
14、较佳的，所述步骤s1具体包括：
15、根据所要生产所述大方坯的尺寸、相应断面下传统铜管的窄面、宽面，建立其沿宽度方向的1/2铸坯与结晶器的三维实体模型；
16、所述铸坯的下端位于所述结晶器的弯月面位置。
17、较佳的，所述步骤s2具体操作如下：
18、s21、对所述铸坯采用非均匀网格划分方式，靠近外表面的0～20mm范围内的网格进行加密处理，网格尺寸由外边面至中心呈逐渐增大；对所述铜管采用均匀网格划分方式，网格尺寸为所述铸坯的表面网格的1.5～2倍；
19、s22、将所述铸坯设定为变形体，根据所述铸坯的钢种成分确定其热导率、密度、焓、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和屈服应力，将其赋予至铸坯；将所述铜管设定为可传热刚体，根据所述铜管的合金构成和铸辊的材料性质确定其热物性参数，包括热导率和焓，将其分别赋予至铜管；
20、s23、确定所述铸坯为运动体，并根据拉速确定其运动速度。
21、较佳的，所述步骤s3中，所述铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；
22、所述铜管的初始温度根据实际拉速设定为230～280℃。
23、较佳的，所述步骤s4具体操作如下：
24、s41、根据实际连铸过程，确定所要计算的所述铸坯与所述铜管的三维传热控制方程；
25、s42、根据所述铸坯的性质和所受力的性质选择力学控制方程为三维anand率相关本构方程；
26、s43、若所述结晶器的弯月面区域保护渣厚度相同，根据实际钢渣耗量、结晶器弯月面周长、拉速、保护渣密度，计算流入铸坯/结晶器界面的保护渣厚度，并设定其为初始厚度；
27、s44、设定所述铸坯、所述结晶器及铸辊传热边界条件：根据实际传热条件，对所述铜管的外表面施加对流传热边界条件，根据进出口水温差和水量确定；所述结晶器和所述铸坯的对称面为绝热面热流为0；
28、s45、设定所述铸坯、所述结晶器的力学边界条件。
29、较佳的，所述步骤s44中，所述铸坯的表面与所述结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：
30、s441、提取所述铸坯及其对应位置处所述铜管的表面各单元节点温度，以及对应的铸坯/结晶器界面间隙宽度；
31、s442、判定所述铸坯的表面与保护渣凝固温度间的关系，若当前所述铸坯的表面节点温度高于保护渣凝固温度，则铸坯/结晶器界面内传热介质为液态保护渣与固态保护渣，转步骤s443；反之，铸坯/结晶器界面内传热介质为气隙与固态保护渣，转步骤s444；
32、s443、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜管的热面温度，基于热量在液渣及固渣层内导热及辐射传热并联特性，利用流经液渣层与固渣层的热流相原理，计算获得所述铸坯的表面与对应所述铜管的热面单元的热流，并分别对各实体表面单元逐个施加对应热流值；
33、s444、提取所述铸坯的表面各单元节点和与该单元相对应位置处的所述铜本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
3.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体操作如下：
4.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；
5.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体操作如下：
6.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S44中，所述铸坯的表面与所述结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下：
7.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S45具体操作如下：
8.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S5具体操作如下：
9.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S9中，沿所述结晶器的高
10.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述铸坯的角部R角沿高度方向保持不变，取值范围在23～30mm之间。
11.一种大方坯结晶器铜管，其特征在于：采用如权利要求1-10之一所述的大方坯结晶器铜管的制备方法制成。
...【技术特征摘要】
1.一种大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：
3.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤s2具体操作如下：
4.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述铸坯的初始温度为中间包钢水浇注温度；
5.根据权利要求1所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤s4具体操作如下：
6.根据权利要求5所述的大方坯结晶器铜管的制备方法，其特征在于，所述步骤s44中，所述铸坯的表面与所述结晶器的热面的传热边界条件采用热流形式施加，具体如下...
【专利技术属性】
技术研发人员：李成斌，刘俊江，孟庆玉，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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