考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法及其装置，模拟步骤为：（１）建立结晶器的仿真模型－仿真模型中考虑有铸坯凝固壳不同位置的厚度；（２）仿真模型运行－在仿真模型中模拟钢液运行，钢液的量在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。本发明专利技术考虑结晶器内坯壳和流动质量平衡后，结晶器内流动状态的物理描述更为真实，结晶器内流场和水口结构参数的优化更为准确，能够准确地得到结晶器内流动状态的变化规律，从而能够较真实地反映连铸的实际情况，使结晶器内流场和水口的优化结果与实际情况更为符合，这对于连铸工艺参数、水口参数优化和提高铸坯质量都有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，并根据该方法设计了一套结晶器模拟装置。主要用于冶金领域连铸结晶器内钢液流场流动状态和 结晶器水口优化的物理模拟研究。适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸和其它类型的所有 连铸，特别是薄板坯连铸等领域。
技术介绍
连铸结晶器是控制流体流动和凝固传热的关键部件，也是控制铸坯质量的重要环 节。连铸结晶器内发生一系列复杂的物理和化学现象，可归纳为含有流动、传热和传质的传 输现象和相变、应力等引起的变形现象，包括钢液的流动、传热、凝固、溶质再分配、夹杂物 的分布以及热应力引起的相变等。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固壳 包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对巻渣、巻气、液穴的形成以及结晶器中 温度分布、凝固传热和凝固壳厚度分布的均匀性都有重要影响。结晶器内钢液的流动特性 不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮，而且还与铸坯裂纹、偏析等表面及内部质量有 着非常密切的关系。因此，对结晶器内钢水流场流动状态进行研究就显得尤为重要。 随着连铸技术的发展，对结晶器内流体流动过程和优化设计研究受到重视。目前， 主要是通过物理模拟实验和数值模拟进行研究。物理模拟是通过建立物理模型，对所研究 体系进行实时观察和测量，模型建立在相似原理基础之上，利用物理模型与原型之间几何、 运动、动力等方面的相似性，研究结晶器流场的实际特征。在结晶器内钢水热量传递给结晶 器铜板，并由铜板内水缝循环冷却水带走。在结晶器高度方向上，随着至弯月面距离的增 大，钢液在结晶器内冷却时间增大，传出的热量越多，凝固壳厚度沿结晶器高度方向逐渐增 加。在结晶器出口处，凝固壳一般均在10mm以上，正常处于10-20mm左右。其中影响凝固 壳厚度的主要为拉速、横断面形状、结晶器冷却参数(包括冷却水缝设计、水流速、水流量、 水压力)等因素。结晶器内钢水凝固时，释放一定的热量，从而形成一定厚度的坯壳，保证 铸坯出结晶器后坯壳能抵抗钢水静压力而不漏钢。 目前国内外对结晶器内凝固坯壳的模拟研究方法以数值模拟为主，对结晶器流场 的物理模拟研究主要集中在不同工况下流场的分布情况，如结晶器尺寸、拉坯速度、吹氩 量、浸入深度和浸入式水口结构参数(包括内径尺寸、出口角度及个数、出口面积与内孔面 积比)等对结晶器内流场分布的影响。这些研究虽然在一定程度上对实际生产有指导意 义，但都是建立在忽略凝固壳和结晶器内流动质量平衡的基础上，与实际生产结晶器流动 状态存在一定的差异。 当钢水注入到结晶器后，由于结晶器的冷却作用，铸坯在结晶器壁附近逐渐形成 凝固坯壳。随着钢液在结晶器内冷却时间的增加，在拉坯方向上，凝固壳厚度逐渐增加。即 在冷却作用下，结晶器内一部分液相钢液逐渐转化成为固相凝固壳。根据结晶器内流动质 量平衡的思想，注入结晶器内钢液总量分为两部分，一部分为靠近结晶器壁的钢液冷却形成凝固坯壳，另一部分为在结晶器内未凝固的钢液。在结晶器冷却过程中，结晶器内的凝 固过程对于结晶器流动状态的影响可分为两方面一方面，钢液凝固形成凝固坯壳，结晶器 内流动空间在拉坯方向上逐渐产生收縮，即流动区域逐渐减少；另一方面，由于钢液凝固作 用，结晶器内流动钢液总量减少。传统的物理模拟研究方法没有考虑凝固坯壳的影响，而且 未考虑钢液量减少带来的影响，即结晶器出口处的钢液总量小于由水口进入结晶器的钢液 总量。这样物理模拟得到的结晶器流动状态与实际生产就有一定差异，不能真实地反映连 铸过程中结晶器流场的变化规律，水口结构优化研究结果也不够准确。 对于不同形状结晶器，结晶器内凝固转化为凝固壳的钢液占注入结晶器内钢液总 量的比例不同，对结晶器内流动状态的影响程度不同。例如，对于板坯，1700mm X 160mm断面 的板坯和结晶器，板坯连铸一般正常状态下，出结晶器的凝固壳厚度一般为15mm左右。在 物理模拟研究过程中，不考虑凝固壳厚度时，某板坯结晶器宽面上口和下口的尺寸分别为 1750mm、1735mm，窄面上口和下口的尺寸分别为167mm、 166mm，结晶器本身具有一定的倒锥 度。考虑凝固壳和流动质量平衡后，结晶器出口处宽面和窄面出口分别为1705mm和136mm， 比较考虑坯壳前后的数据，由于坯壳的原因，在结晶器出口处厚度方向上收縮了将近1/6， 结晶器内流动钢液的总量变化较大，即结晶器内流动空间和流动质量都发生了较大的变 化，结晶器流动状态必定发生一定的变化。从这方面来说，当不考虑坯壳厚度和流动质量平 衡时，研究结晶器内的流动状态和优化水口结构得到的物理模拟结果与实际情况有较大差 异，不能准确反映结晶器内的流动状态。 若对于薄板坯，凝固壳厚度和流动质量平衡的考虑与否，物理模拟结果的差异更 大。对于60mm厚度薄板坯结晶器，若出结晶器凝固壳厚度为15mm左右。由于薄板坯本身结晶器倒锥度较大，加上坯壳厚度，出结晶器时铸坯整个凝固了一半左右。而结晶器内钢液 基本上有一半已经凝固，钢液总量减小了近l/4，即考虑凝固壳厚度和流动质量平衡后，薄板坯内流动状态与不考虑这些因素时完全不同。如果没有考虑坯壳厚度和流动质量平衡的 研究，应该说结果基本不能反映连铸的真实情况。对于薄板坯水口的优化，在没有考虑凝固 壳情况下，水口的具体结构参数优化与实际情况相差太大，在结晶器内流动区域和流体总 量上都有明显差异。对于150mmX150mm断面的方坯和小150mm的圆坯，考虑凝固壳厚度和 流动质量平衡后，对物理模拟实验的结果也有很大影响。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种考虑凝固壳厚度和流动 质量平衡的连铸结晶器模拟方法。在连铸结晶器物理模拟研究过程中，通过本模拟方法使 结晶器内流动状态的物理描述更为真实，与实际连铸生产更加接近。 本专利技术同时根据上述方法设计了 一套结晶器模拟装置。 本专利技术的目的是这样实现的 考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，模拟步骤为 (1)建立结晶器的仿真模型 ①首先确定结晶器内沿内壁方向上不同位置的铸坯凝固壳厚度； ②再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；4 ③最后基于具有新内壁的结晶器建立结晶器的仿真模型； (2)仿真模型运行 在仿真模型中模拟钢液运行，钢液的量在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实 际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。 其中，结晶器内铸坯凝固壳不同位置的厚度可以由式(1)得到， 其中D-坯壳厚度；K-凝固比例常数，Z-铸坯某断面距离结晶器弯月面的距离；v-拉坯速度。 —种基于上述连铸结晶器模拟方法而设计的结晶器模拟装置，它包括一个模拟结晶器形状的外壳，在外壳内设有内壳，内壳与外壳之间为夹层结构，在任一横截面上夹层厚度与内壳厚度之和与钢液实际通过结晶器该横截面时形成铸坯凝固壳的厚度一致。 进一步地，在内壳周围上从上至下设有若干与夹层连通的排水孔，在外壳下端设有排水管，排水管上设有流量调节开关；排水孔的设置使得在内壳任一高度位置以上通过排水孔排出的流体体积与在该位置以上钢液冷却凝固形成铸坯凝固壳的体积一致。 在外壳底部设有与内壳相通的水箱，水箱具有与内壳底部形状对应的接口 ，水箱底部设有出水口 ，出水口的流量与排本文档来自技高网...

【技术保护点】
考虑凝固壳厚度和流动质量平衡的连铸结晶器模拟方法，其特征在于：模拟步骤为：（１）建立结晶器的仿真模型①首先确定结晶器内沿内壁方向上不同位置的铸坯凝固壳厚度；②再将铸坯凝固壳不同位置的厚度对应地加载在结晶器内壁上形成结晶器新的内壁；③最后基于具有新内壁的结晶器建立结晶器的仿真模型；（２）仿真模型运行在仿真模型中模拟钢液运行，钢液的量在流动过程中逐渐减少，且减少的量与实际钢液凝固形成铸坯凝固壳的量对应。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈登福，张大江，靳星，张立峰，韩志伟，王水根，张献光，宋立伟，张夫恩，王翠娜，冯科，谢鑫，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]