[发明专利]连铸异形坯坯头温度模拟方法

说明书

本发明公开了一种连铸异形坯坯头温度模拟方法，包括：将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气等作为一个系统，建立其间的传热模型，考虑了浇注初期冷态结晶器和内冷铁对坯头温度的影响。将连铸过程分为：钢水开始注入结晶器至弯月面位置的出苗阶段，启动铸机进行连续浇注的起步阶段、铸坯长度达到设定值到坯头移出铸机等三个阶段进行模拟。针对多材质传热问题，用有限容积方法建立离散传热方程。本发明提出了校准连铸初期二冷传热系数的方法，即实际测量铸坯横截面上3个点的温度，再与理论计算值对比，通过修正迭代最终获得二冷传热系数。本发明经过现场测温和理论计算，给出了坯头温度分布，为制定连铸工艺提供依据。

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体地说，涉及连铸异形坯坯头温度模拟方法。

背景技术

异形坯连铸是一项近终型的钢材生产技术，异形坯是指接近H型钢最终产品形状和尺寸的连铸坯。由异形坯生产的轧材在建筑、桥梁等领域有着广泛的应用。中冶南方连铸公司为某钢厂设计了国内最大断面(1200×500×90mm)的异形坯连铸机，该厂用此断面的铸坯轧制云轨，用于城市轨道建设，具有很好的经济和社会效益前景。2019年5月，该钢厂试生产了这种异形坯，在此之前，没有任何经验可以借鉴。试生产过程中，发现在制定工艺时尚缺乏一些科学计算依据，连铸工艺制定的不合理。由于铸坯坯头温度过低，铸坯不能矫直，无法通过拉矫机，造成停机事故，发生了卧坯现象。发生这类事故后，由于异形坯连铸机结构复杂，特别是铸坯产生收缩后可能卡在结晶器中，如果不能及时将铸坯移出，结晶器将会报废，事故清理也非常困难，可能造成上百万元的经济损失。

在连铸坯生产中，为了使得钢水快速凝固、保证初生坯壳安全地拉出结晶器，浇注之前在结晶器中放置了内冷铁。如何保证这些内冷铁能够与钢水很好地结合在一起，需要研究出苗浇注时间、冷料用量和布置等工艺参数的影响。出苗时间指从钢水开始注入结晶器、液面逐渐上升到弯月面位置，到启动铸机开始拉坯的这段时间。铸机起步以后，如何保证不拉漏钢，需要制定合理的升速曲线，同时还要控制好开浇水量、控制坯头的二次冷却，保证铸坯恰当冷却，能够进行矫直、顺畅地通过拉矫机，确定这些连铸工艺参数都需要进行坯头温度场的计算。

另一个方面，特别是对于异形坯，其翼缘部分冷却快，温度低，造成铸坯在矫直过程中变形抗力大。在设计铸机，必须知道铸坯的温度场以确定材料的力学性能参数，才能进行矫直力计算。

目前针对铸坯的温度场计算，都没有考虑内冷铁对铸坯温度的影响。而且在出苗阶段，结晶器还是冷态的，结晶器铜板需要吸收一定的热量才能到达热态，这必然对坯头温度产生影响。其次，铸机起步后，刚开始进行连续浇铸，设备还处于冷态、尚未达到稳态传热，铸坯的二次冷却也不同于稳定浇注下的冷却，需要掌握连铸初期的热交换情况。因此，截至目前，还未有较好的连铸坯坯头温度模拟方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了铸坯从结晶器诞生到运动到拉矫机这一过程中的传热计算和验证方法。建立一套三维传热计算方法，充分考虑在结晶器内钢水、内冷铁和结晶器铜板的传热问题。具体方案如下：

一种连铸异形坯坯头温度模拟方法，将水冷铜结晶器、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气作为一个系统，建立相互之间的温度计算模型，包括以下步骤：

S1，建立异形坯坯头温度计算模型，包括材料：结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水、空气；

S2，对异形坯坯头温度模型划分正交网格单元，将结晶器铜板、内冷铁、铸坯、引锭头、结晶器冷却水和空气分别划分成连续且互不重叠的正交网格单元，并为各材料的网格单元编号，同一材料的网格单元编号相同，并且，在拉坯方向上采用等距网格，结晶器和铸坯的正交网格层层对应，与冷却水、空气的网格单元相邻的网格单元为边界单元；

S3，设定包括密度ρ、比热c、导热系数λ物性参数，设定传热边界条件；