[发明专利]考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连铸结晶器流场物理模拟方法，该方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，研究连续浇注过程中结晶器内金属流动状态和液面波动行为，适用于各种类型连铸结晶器的物理模拟研究。

 

背景技术

连铸过程中，钢液从浸入式水口浇注到结晶器，其行为十分复杂。在结晶器冷却和振动的作用下，钢液的行为包含了流动、传热、凝固等现象。其中钢液的流动行为是基础，合理的结晶器内钢液流动行为是取得高质量铸坯的重要保障，不合理的流动行为可能引起凝固壳不均匀、钢液面卷渣、夹杂物不易上浮、气泡附着凝固壳等问题，从而影响连铸顺行和铸坯质量。因此，研究并优化设计结晶器内钢液流动过程非常重要。

结晶器内钢液流动行为的研究方法有实际生产实验、数学模拟和物理模拟。但实际生产实验不便于观测和代价昂贵；而数学模拟采用了很多假设，并且其准确性主要取决于数学模型和边界条件。物理模拟基于相似原理，主要用水的流动模拟钢液的流动，由于它具有方便、直观、比较可靠等优点，受到广大研究者的青睐。

目前国内外结晶器钢液流动行为的物理模拟，主要是借助先进的测试方法精细的研究不同参数下结晶器内的相关现象，而对物理模型本身的发展还没有多少关注。研究者主要关注结晶器内液面波动、表面流速、卷渣、非对称流动等现象，以及工艺参数（拉速、水口浸入深度、吹氩量）和结构参数（浸入式水口、塞棒、滑动水口）对结晶器内这些现象的影响。通过这些研究明确结晶器流场的基本规律，为优化结晶器流场，取得优良的连铸坯质量奠定一定的基础。然而在这些物理模拟中，并没有考虑实际生产中结晶器振动这个重要因素对流场的影响。

结晶器振动是连铸技术的重大突破，通过液压或者机械振动装置，使结晶器铜板在垂直方向往复运动，一般振幅3-5mm，频率100-200Hz/min。振动可以改善连铸过程中结晶器内壁的润滑条件，一定程度减少结晶器与铸坯间的摩擦力，防止冷凝中的连铸坯坯壳与结晶器内壁铜板的粘结。

由于结晶器振动行为复杂，实际生产过程的相关现象不便观测，结晶器振动的研究主要通过数值模拟，也有学者用低熔点金属研究了振动对温度的影响。数值模拟中，结晶器的振动行为还不能通过合理的接触传递方式加载到钢液，而且由于结晶器的高频振动，数值模拟需要高性能的计算机进行非稳态求解。其次，目前的物理模拟主要用简化的物理模型研究振动对铜板上温度波动的影响，还没有文献研究振动对流场的影响，也没有发现考虑振动行为的结晶器物理模拟方面的专利。

结晶器的振动行为会通过保护渣和凝固壳传递到钢液中，对结晶器内钢液流场产生周期性的影响，特别是对结晶器液面波动产生较大影响。结晶器铜板的周期性运动，会直接对凝固壳产生周期性挤压，造成结晶器液面一定的上升；同时，在结晶器液面凝结的渣圈会随着铜板往复运动，对钢液面造成直接的波动。一般认为结晶器内钢液面波动过大可能引起钢液卷渣和保护渣膜不连续等问题，因此要求结晶器内液面波动应在±5mm以内。目前，物理模拟都是在忽略结晶器振动的情况下，以液面波动<±5mm为主要判定条件进行流场的优化设计。由于结晶器液面本身的波动与结晶器振动的幅度（3-5mm）相当，结晶器流场自身的波动和结晶器振动引起的波动可能会叠加，导致物理模拟优化的流场在实际生产中应用的效果不佳。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

考虑振动行为的连铸结晶器流场物理模拟方法，本方法通过物理模拟装置来模拟连铸过程，所述物理模拟装置包括中间包、浸入式水口、结晶器和循环泵，浸入式水口插入结晶器中；结晶器在高度方向由上至下逐渐收缩，结晶器的下端通过软连接与结晶器延长段连接，软连接可在结晶器振动时随之伸缩变形；在结晶器延长段底部设有循环水出口，循环水出口、循环泵、中间包和浸入式水口依次连接，从而在中间包、浸入式水口、结晶器、循环水出口和循环泵之间形成循环水路；结晶器通过夹持装置夹持并处于悬空状态，结晶器延长段水平放置于稳定的支架上，所述夹持装置放置在振动台上，可由振动台通过夹持装置带动结晶器振动。