專利名稱：基于質(zhì)量平衡和熱平衡連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金連鑄過(guò)程數(shù)值計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種基于質(zhì)量平衡和 熱平衡的連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度的確定方法。
背景技術(shù)：
連鑄作為承上啟下的生產(chǎn)工序在鋼鐵產(chǎn)品制造過(guò)程中具有重要地位，而被稱為 “連鑄機(jī)心臟”的結(jié)晶器的重要功能之一即為高效傳熱器。通過(guò)浸入式水口注入鋼水的絕大 部分凝固顯熱和潛熱消散于結(jié)晶器內(nèi)，結(jié)晶器的傳熱直接決定著鑄坯質(zhì)量、設(shè)備狀況和連 鑄順行。因此，結(jié)晶器銅板、凝固坯殼及兩者接觸界面間保護(hù)渣潤(rùn)滑膜和氣隙的熱行為研究 及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的冷卻水水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、一次冷卻制度優(yōu)化和保護(hù)渣性能改進(jìn)等對(duì)于控 制初凝坯殼均勻穩(wěn)定生長(zhǎng)、延長(zhǎng)結(jié)晶器壽命和減少生產(chǎn)事故等均具有重要作用，也是深入 研究結(jié)晶器理論和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。由于澆鑄過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)高溫和相對(duì)封閉的特點(diǎn)，使得完全依靠檢測(cè)手段直接了 解結(jié)晶器內(nèi)傳熱行為幾乎不可能，而進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)則需花費(fèi)高昂的成本。為此，通過(guò)數(shù)值 模擬方法，利用所建立的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的商業(yè)軟件和自編程序進(jìn)行結(jié)晶器內(nèi)傳熱過(guò)程計(jì) 算因其具有節(jié)約成本、安全可行及拓展了研究方案和技術(shù)路線等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，但在 模擬計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)傳熱行為時(shí)，必須準(zhǔn)確確定出初始條件和邊界條件，才能獲得可靠的計(jì) 算結(jié)果。初始條件作為計(jì)算非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程特有的定解條件依據(jù)實(shí)際澆鑄操作工況給定， 而決定最終計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵的邊界條件通常難以準(zhǔn)確獲得。傳熱邊界條件分為三 類(1)規(guī)定邊界溫度；(2)規(guī)定邊界熱流密度；(3)規(guī)定邊界傳熱系數(shù)及接觸流體溫度。針 對(duì)連鑄結(jié)晶器內(nèi)傳熱實(shí)際情況，第(1)類邊界條件的確定受檢測(cè)元件(熱電偶等)數(shù)量和排 布位置等限制，一般不能準(zhǔn)確提供所有位置溫度值，不具普遍應(yīng)用性，第(3)類邊界條件的 確定需對(duì)結(jié)晶器銅板和鑄坯的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合計(jì)算以確定保護(hù)渣渣膜厚度、銅板變形 量和鑄坯收縮量，程序較為繁瑣。目前，結(jié)晶器傳熱數(shù)值計(jì)算主要采用第(2)類邊界條件， 其具體確定過(guò)程可描述為基于熱平衡原理計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)平均熱流密度；利用平均熱流密 度及給定的熱流密度經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算傳熱邊界條件方程待定系數(shù)。其中，預(yù)先給出熱流密度 經(jīng)驗(yàn)方程是準(zhǔn)確確定熱流密度傳熱邊界條件的前提和關(guān)鍵，前人已在測(cè)定靜止水冷結(jié)晶器 內(nèi)熱流密度與鋼水停留時(shí)間關(guān)系和界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等的基礎(chǔ)上提出了相關(guān)熱流密度的經(jīng)驗(yàn) 方程，并確定出方程待定系數(shù)，但提出的經(jīng)驗(yàn)方程僅對(duì)其所對(duì)應(yīng)的連鑄工藝適用，直接沿用 并不能精確給出適用于普遍連鑄工藝的熱流密度邊界條件，尤其當(dāng)操作條件隨工況發(fā)生變 化時(shí)，仍需重新確定傳熱邊界條件，缺乏靈活性和適時(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于質(zhì)量平衡和熱平衡的連鑄結(jié)晶器銅板 熱流密度的確定方法，在背景技術(shù)中傳熱邊界條件獲取方法的第(2)類規(guī)定邊界熱流密度 可知，熱流密度即為連鑄結(jié)晶器傳熱邊界條件，所以通過(guò)獲取熱流密度來(lái)確定連鑄結(jié)晶器
7傳熱邊界條件，以達(dá)到精確、實(shí)時(shí)的獲取連鑄結(jié)晶器傳熱邊界條件的目的。
該方法包括如下步驟，如

圖1所示， 步驟1、獲取原始數(shù)據(jù)； 原始數(shù)據(jù)確定方法如下 (1)黏度及黏度指數(shù)
保護(hù)渣黏度及黏度指數(shù)由方程(1)標(biāo)定，因彎月面區(qū)渣道極窄(10_2- IO-1 mm)，保護(hù)渣 實(shí)際溫度r取為凝固坯殼表面溫度，坯殼表面溫度可由連鑄機(jī)內(nèi)置的在線仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì) 算；
權(quán)利要求
一種基于質(zhì)量平衡和熱平衡連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度確定方法，其特征于該方法包括如下步驟步驟1、獲取原始數(shù)據(jù)；原始數(shù)據(jù)確定方法如下(1) 黏度及黏度指數(shù)保護(hù)渣黏度及黏度指數(shù)由方程(1)標(biāo)定，因彎月面區(qū)渣道極窄(10 2 10 1 mm)，保護(hù)渣實(shí)際溫度T取為凝固坯殼表面溫度，坯殼表面溫度可由連鑄機(jī)內(nèi)置的在線仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算； (1)式中，μf為黏度，μ 0為標(biāo)定溫度下保護(hù)渣黏度，單位為Pa·s；T0為標(biāo)定溫度，式中T0=1573 K；T為保護(hù)渣實(shí)際溫度，單位為K；Tf為渣熔點(diǎn)溫度；n為黏度指數(shù)；(2) 接觸熱阻澆鑄和浸漬試驗(yàn)表明，固渣膜至結(jié)晶器壁接觸熱阻為(0.4·10 3 – 1.0·10 3)m2·K·W 1，且沿拉坯方向隨固渣層厚度線性增大，則由方程(2)確定； (2)式中ds為固渣層厚度； rs_m為接觸熱阻； (3) 渣道輪廓渣道輪廓曲線由渣膜厚度回歸分析為一元高次方程(3)和方程(4)，且方程次數(shù)越高擬和效果越好，越逼近渣道實(shí)際形狀； (3) (4)式中，ai，bi (i = 0，1，2，…，n)為回歸方程系數(shù)；(4) 渣道長(zhǎng)度渣道長(zhǎng)度由毛細(xì)管常數(shù)方程(5)計(jì)算； (5)式中，ρf為渣密度；g為重力加速度，式中g(shù)=9.8 m·s 2；ρs為鋼水密度，單位為kg·m 3；he為渣道長(zhǎng)度其中渣道出口x軸坐標(biāo)，單位為m；σs f為初凝坯殼與保護(hù)渣間界面張力，單位為N·m 1，由Girifalco Good方程(6)計(jì)算；(6)式中，σs，σf分別為初凝坯殼和保護(hù)渣表面張力，單位為N·m 1；Φ為接觸界面特性值；步驟2、應(yīng)用質(zhì)量平衡方程模型，獲取保護(hù)渣消耗率；彎月面區(qū)保護(hù)渣渣道簡(jiǎn)化的形狀取決于固體渣膜和彎月面表面輪廓，設(shè)定坐標(biāo)系x軸平行于拉坯方向，y軸垂直于結(jié)晶器壁，(0，Li)和(he，Le)及(0，Si)和(he，Se)分別為渣道入口和出口位置固體渣膜和初凝坯殼坐標(biāo)，固體渣膜和彎月面輪廓方程分別為L(zhǎng)(x)和S(x)，渣道入口和出口壓力分別為pi和pe；基于渣耗質(zhì)量平衡原理和渣道內(nèi)液態(tài)渣動(dòng)量守恒原則，聯(lián)立求解連續(xù)性方程(7)和Navier Stokes方程(8)，解得保護(hù)渣消耗率為方程(9)，也即為方程(14)，求解邊界條件為(1) 0 ≤ x ≤ he，y = L(x)，vr = vm – vc；(2) 0 ≤ x ≤ he，y = S(x)，vr = 0；(3) x = 0，Li ≤ y ≤ Si，pf = pi；(4) x = he，Le ≤ y ≤ Se，pf = pe，邊界條件(1)表明結(jié)晶器側(cè)液態(tài)渣與固態(tài)渣間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，邊界條件(2)表明鑄坯側(cè)液態(tài)渣與彎月面坯殼間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；(7) (8) (9)式中，Qr為保護(hù)渣消耗率，單位為m2·s 1；pf為渣道內(nèi)壓力，單位為Pa；μf為黏度，單位為Pa·s；ρf為渣密度，單位為kg·m 3；g為重力加速度，式中g(shù)=9.8 m·s 2；vm為結(jié)晶器振動(dòng)速度，單位為m·s 1；vc為拉速，單位為m·s 1;vr為坯殼與渣間相對(duì)速度，vr = vf vc，單位為m·s 1；vf為保護(hù)渣流速，單位為m·s 1；ε(x)、ξ(x)均為渣道形狀函數(shù)，表示為(10) (11) 將固渣層考慮為整體，其拉下速度可由方程(12)表示，靠近固渣層的液態(tài)渣的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較小，靠近坯殼的液態(tài)渣速度較大，當(dāng)液渣層為層狀Couette流動(dòng)，則液渣層平均拉下速度可由方程(13)表示，則保護(hù)渣消耗率還可以表示為方程(14)； (12) (13) (14) (15)(16)式中，vs為固渣層拉下速度，單位為m·s 1；k為固渣層拉下速度系數(shù)，式中k=0.1；vl為液渣層平均拉下速度，單位為m·s 1；ρs為鋼水密度，單位為kg·m 3；n為黏度指數(shù)；dl為液渣層厚度，單位為m；ds為固渣層厚度，單位為m；dm_eff為當(dāng)量振痕深度，單位為m；dm為振痕深度，單位為m；wm為振痕寬度，單位為m；lm為振痕間距，單位為m；f為結(jié)晶器振動(dòng)頻率，單位為s 1；步驟3、建立熱平衡方程模型，利用質(zhì)量平衡方程模型和熱平衡方程模型獲取液渣層厚度dl和固渣層厚度ds；通過(guò)坯殼表面?zhèn)髦晾鋮s水熱量與固渣層傳至冷卻水熱量相等建立熱流平衡方程； (17)(18) (19) (20)式中q為熱流密度，單位為W·m 2；hs_w為坯殼表面至冷卻水綜合傳熱系數(shù)，單位為W·m 2·K 1；hf_w為固渣膜至冷卻水綜合傳熱系數(shù)，單位為W·m 2·K 1；Ts為凝固坯殼表面溫度，單位為K；Tw為冷卻水溫度，單位為K；Tf為渣熔點(diǎn)，單位為K；rs_m為固渣膜至結(jié)晶器壁接觸熱阻，單位為m2·K·W 1；λl為液渣膜導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W·m 1·K 1；λs為固渣膜導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W·m 1·K 1；λmold為銅板導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W·m 1·K 1；dmold為銅板厚度，單位為m；hrad為輻射換熱系數(shù)，單位為W·m 2·K 1；hw為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W·m 2·K 1；r為渣折射率；σ為Stefan Boltzmann常數(shù)，式中σ=5.67·10 8 W·m 2 ·K 4；ɑ為渣吸收因子，單位為m 1；εf為渣發(fā)射率；εs為坯殼表面發(fā)射率；步驟4、將獲取的液渣層厚度dl和固渣層厚度ds帶入熱平衡方程模型，獲取熱流密度q；具體方法如下聯(lián)立質(zhì)量平衡方程(14)和熱量平衡方程(17)，求解固渣層厚度dl和液渣層厚度ds，將求解結(jié)果重新代入方程(17)即可計(jì)算出結(jié)晶器某高度處熱流密度q，通常連鑄結(jié)晶器銅板內(nèi)規(guī)則嵌入多排檢測(cè)溫度信號(hào)的熱電偶，采用上述方法確定出各熱電偶位置熱流密度q，再由數(shù)值回歸分析方法確定出結(jié)晶器縱向和橫向的熱流分布，即得到計(jì)算結(jié)晶器內(nèi)傳熱行為的熱流密度邊界條件；步驟5、利用獲取的熱流密度和由ANSYS有限元分析軟件建立的結(jié)晶器實(shí)體模型，計(jì)算熱電偶處溫度Tc，并比較計(jì)算值Tc與熱電偶實(shí)測(cè)溫度值Td，若滿足迭代終止條件，則將熱流密度結(jié)果作為回歸分析原始數(shù)據(jù)輸入回歸分析模型，否則將凝固坯殼表面溫度改變步長(zhǎng)ΔTs，重復(fù)上述過(guò)程，直至滿足迭代終止條件，滿足迭代終止條件時(shí)的熱流密度即為所求的熱流密度，熱流密度即為連鑄結(jié)晶器傳熱邊界條件。942153dest_path_image001.jpg,177962dest_path_image002.jpg,250961dest_path_image003.jpg,284163dest_path_image004.jpg,442612dest_path_image005.jpg,950954dest_path_image006.jpg,144038dest_path_image007.jpg,345212dest_path_image008.jpg,990957dest_path_image009.jpg,302989dest_path_image010.jpg,415826dest_path_image011.jpg,787902dest_path_image012.jpg,858626dest_path_image013.jpg,36667dest_path_image014.jpg,938764dest_path_image015.jpg,481740dest_path_image016.jpg,836498dest_path_image017.jpg,755913dest_path_image018.jpg,503727dest_path_image019.jpg,217605dest_path_image020.jpg
2.按權(quán)利要求1所述的基于質(zhì)量平衡和熱平衡連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度確定方法，其 特征于所述的利用ANSYS有限元分析軟件建立實(shí)體模型計(jì)算熱電偶處溫度Tc的過(guò)程如 下(1)建立實(shí)體模型根據(jù)結(jié)晶器設(shè)計(jì)尺寸，利用有限元分析軟件ANSYS建立結(jié)晶器實(shí)體模型，其具體操作 基于軟件本身使用手冊(cè)進(jìn)行；計(jì)算單元為三維10節(jié)點(diǎn)四面體熱單元S0LID87，為確保精度， 鎳層、冷卻水槽和水穴位置均實(shí)施網(wǎng)格加密處理；(2)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，獲取熱電偶處溫度Tc
全文摘要
一種基于質(zhì)量平衡和熱平衡連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度確定方法，屬于鋼鐵冶金連鑄過(guò)程數(shù)值計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域，包括如下步驟步驟1、獲取原始數(shù)據(jù)；步驟2、獲取保護(hù)渣消耗率；步驟3、利用質(zhì)量平衡方程模型和熱平衡方程模型獲取液渣層厚度dl和固渣層厚度ds；步驟4、獲取熱流密度q；步驟5、建立的結(jié)晶器實(shí)體模型，計(jì)算熱電偶處溫度Tc，并比較計(jì)算值Tc與熱電偶實(shí)測(cè)溫度值Td。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)耦合保護(hù)渣消耗的質(zhì)量平衡與鋼水熱量傳遞的能量平衡，提出的連鑄結(jié)晶器銅板熱流密度的確定方法，不必嚴(yán)格依賴具體的傳熱邊界方程形式，而是通過(guò)確定具體位置的溫度值和熱流值，利用回歸的方法得到具體的邊界條件方程。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101984348SQ20101051152
公開日2011年3月9日 申請(qǐng)日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者孟祥寧, 朱苗勇 申請(qǐng)人:東北大學(xué)