[发明专利]一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法

说明书

技术领域

本发明属于炼钢近终形连铸技术领域，特别涉及一种异型坯翼梢铜板锥度的确定方法。

背景技术

采用异型坯代替方坯生产型钢，可显著减小开坯机的轧制工作量，节省轧制、加热能耗以及人工成本。异型坯连铸在国内外较为迅速，断面覆盖范围295～1118mm×150～500mm×50～140mm较广。

由于异型坯浇铸断面复杂，结晶器形状和二冷区铸坯支撑系统形式特殊，异型坯易产生腹板、翼梢表面纵裂、腹板中心裂纹等缺陷。

翼梢表面纵裂是异型坯连铸生产中的主要缺陷之一。控制翼梢位置的均匀传热是控制该缺陷的关键环节，而翼梢位置处的铜板锥度设计时影响其传热与坯壳生长的主要因素之一。目前，尚未有异型坯翼梢锥度设计的方法报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异型坯结晶器翼梢锥度的确定方法，解决了异型坯结晶器翼梢铜板锥度的设计依据欠缺的问题。实现了快速有效获取不同钢种、拉速下异型坯翼梢位置处的凝固收缩规律。

一种异型坯结晶器翼梢铜板锥度的确定方法，具体步骤及参数如下：

1、获取异型坯断面尺寸与结晶器铜板结构参数：异型坯连铸机断面尺寸范围为295mm×205mm×85mm～430mm×300mm×85mm。

所属异型坯结晶器类型为板式组合结晶器，由内弧铜板、外弧铜板以及两侧铜板构成，铜板厚度45～60mm。其中，内弧与外弧铜板上加工有冷却水孔两侧铜板加工有冷却水槽，冷却水槽宽度3～7mm，深度15～30mm。

2、采用有限元商业软件MSC.Marc，ANSYS等建立连铸异型坯结晶器内铸坯变形行为研究的2D热-力耦合分析模型，用于分析铸坯在结晶器内的凝固收缩行为；其计算对象包括铸坯和结晶器铜板，二者间的界面接触状态和界面热阻根据铸坯与结晶器热面铜板的实际位置关系进行判定与计算，根据实际结晶器一冷工艺，温度场和应力场的计算相互耦合，交替进行，直到所模拟铸坯出结晶器出口。

界面接触状态，通过铸坯表面节点与结晶器表面间距离判断，本模型中，铸坯为可变形体，铜板为刚性体，为防止铸坯表面节点穿越铜板壁面，对其施加如下约束条件：

其中，为铸坯表面节点A的位移向量，为铜板在A点处表面的单位法向量，为向量点乘符，D为铸坯和铜板之间的接触容限。

界面热阻包括铜板表面对流换热、气隙内热传导、渣膜内热传导、坯壳与渣膜间的界面传热、以及热辐射。坯壳与铸坯表面间界面总换热系数h_f按照下式确定

上式中，h_rad为坯壳和铜壁间的辐射传热系数，按照下式确定

其中，σ_SB为Stefan－Boltzsman常数，ε为辐射系；T_b为坯壳表面温度，T_m-in铜板热面温度。

R₁为铜板表面处与保护渣间的接触热阻

其中h_mf为铜板表面处的对流换热系数

R₂为气隙内的热阻

其中K_air为气隙内空气的导热系数，d_air为气隙宽度，其值根据应力场计算结果，由变形后的坯壳形状和当前结晶器壁面位置共同决定。

R₃为渣膜内的热阻

其中K_flux为保护渣导热系数，d_flux为渣膜厚度。

R₄铸坯表面与保护渣间的接触热阻

其中，h_bf为坯壳表面处的换热系数，其值取决于铸坯表面温度

所述结晶器一冷工艺在模型中通过结晶器铜板外表面与冷却水进行对流换热，其热流可表示为

Q＝h_w·(T_M-out-T_w)

上式中，Q为铜板与结晶器冷却水接触面热流密度，T_w为结晶器冷却水温度，T_M-out为铜板外表面温度，h_w为铜板和冷却水界面的对流换热系数，按照下面的无量纲方程来确定