[发明专利]一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器及其设计方法

权利要求书

1.一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器，其特征在于：所述结晶器的窄面铜板，其内表面工作面（1）沿横向为直线结构、沿高度方向为迎合薄板坯窄面沿宽度中心方向凝固收缩特性的连续变化曲面结构，铜板背面侧及两个侧面（5）均为直线结构；

所述窄面铜板为上口宽下口窄结构，根据所连铸生产的铸坯厚度，窄面铜板的上口（3）与下口（4）的宽度差为0.2mm~1.0mm，由上口（3）沿其高度方向线性减小至下口（4）；窄面铜板厚度越大，其上口（3）与下口（4）宽度差越大；窄面铜板上口（3）与下口（4）的厚度相同，窄面铜板高度方向上的中部区域厚度为所述上口或下口厚度+对应工作面沿高度方向的连续变化曲线值；窄面铜板的高度范围为900mm~1300mm；

所述窄面铜板的冷却水槽（2）为圆形结构，且沿结晶器高度方向呈竖直状分布，水槽个数由窄面铜板宽度及水槽的横截面尺寸共同决定，靠近结晶器角部区域的水槽横截面尺寸为窄面铜板宽度方向中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍；各水槽横截面中心连线整体呈凹向工作面的高斯曲线或圆弧形结构，并且各水槽以窄面铜板横向宽度中心线对称分布；窄面铜板宽度中心线处水槽中心或最靠近窄面铜板宽度中心线对称分布的2个水槽横截面中心连线与最靠近侧面的2个水槽横截面中心连线的距离变化范围为2.0mm~15.0mm，窄面铜板宽度中心线处水槽中心或者最靠近铜板宽度中心线对称分布的2个水槽中心连线到工作面（1）的距离为20.0mm~30.0mm；最靠近窄面铜板侧面的水槽，其最靠近对应侧面一侧的水槽边距离对应侧面5.0mm~10.0mm，其它水槽分布位置由其横截面中心连线沿窄面铜板宽度方向等间距分布；

所述结晶器的窄面铜板适用于连铸断面厚度为50mm～135mm的所有薄板坯，其使用过程仅需确保其结晶器弯月面及下口（4）的安装位置与传统平板型窄面结晶器铜板的弯月面及下口的位置相同即可。

2.一种角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计方法，用于实现如权利要求1所述的角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器的设计，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1、选择合适有限元商业软件，并根据现场实际微合金钢直角薄板坯断面尺寸及相应断面下的传统窄面平板、宽面漏斗结晶器铜板结构，建立1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型，其中薄板坯三维实体模型的高度为结晶器长度的1.2~1.5倍，铸坯下端位于结晶器弯月面处；

步骤2、对建立的1/4薄板坯及其结晶器系统三维实体模型进行网格划分，并为相应的单元设定模拟钢种及结晶器传热与力学属性；

步骤3、设定结晶器铜板及结晶器内铸坯三维传热与力学边界条件，采用传热与受力实时耦合方法，建立薄板坯及其结晶器系统非稳态三维热/力耦合分析模型，模拟微合金钢薄板坯连铸过程中结晶器内铸坯动态凝固传热与变形收缩行为；

步骤4、根据铸坯动态凝固传热与变形收缩行为的模拟结果，确定铸坯窄面向结晶器宽面中心方向的凝固收缩量，并设定其为窄面曲面结晶器窄面铜板工作面沿结晶器高度方向的分布曲线；

步骤5、参照对应薄板坯产线原窄面结晶器铜板水槽当量直径，设定其为窄面曲面结晶器窄面铜板中部区域圆形横截面水槽尺寸，角部区域冷却水槽横截面尺寸设计为中部区域水槽横截面尺寸的1.0~1.2倍；

步骤6、确定窄面曲面结晶器冷却水槽中心连线分布曲线；

步骤7、采用步骤1~步骤3的方法，计算并考察窄面曲面结晶器窄面铜板冷却的均匀性和铸坯边角部的温度分布，其中所述的窄面曲面结晶器窄面铜板的工作面为步骤4所设计的沿高度方向为分布曲线的形式，所述的窄面曲面结晶器窄面铜板的水槽分布为步骤5和步骤6所设计的水槽分布形式，确定窄面曲面结晶器窄面铜板横截面温度场分布最均匀、铸坯角部冷却速度超过微合金碳氮化物弥散化析出冷却速度的水槽分布结构为窄面曲面结晶器窄面铜板水槽分布结构，完成角部高效传热薄板坯窄面曲面结晶器设计。