[发明专利]一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法

摘要

本发明提供一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟装置及方法，属于钢铁连铸技术领域；使用装备有直角结晶器的模拟装置来模拟实际连铸过程中的结晶器内角部附近初始凝固坯壳的形成过程，同时利用埋藏在结晶器内的高速率测温热电偶获取拉坯过程中的温度数据；结晶器的两个铜板面构成一个直角，在铜板面和直角位置都埋藏有热电偶；通过对温度数据的处理、分析以及结合实验获取的初始凝固坯壳，来研究结晶器角部附近内钢液的初始凝固行为，准确了解铸坯角部表面缺陷的产生机理，从而采取相应的措施来消除或减少角部铸坯表面缺陷，这对指导实际生产具有重要意义。

主权项

一种连铸结晶器角部附近钢液初始凝固模拟的方法，其采用的装置，包括结晶器振动电机(1)、拉坯电机(2)、第一升降电机(3)、第二升降电机(4)、拉坯器(5)、结晶器(6)、冷却水道、惰性保护气罩(12)、定位电极(15)、熔炼炉(16)、基座(17)、温度采集系统(18)、熔炉控制系统(19)、电机控制系统(20)、第一升降托架(21)、第二升降托架(22)；其特征在于：所述基座(17)上装有第一升降电机(3)、第二升降电机(4)，第一升降电机(3)控制着第一升降托架(21) 上下移动，第二升降电机(4) 控制着第二升降托架(22) 上下移动；所述熔炼炉(16)设置在所述基座(17)上并处于第一升降电机(3)、第二升降电机(4)之间；所述结晶器振动电机(1)和拉坯电机(2)均设置在所述第一升降托架(21)上；所述温度采集系统(18)与埋藏在结晶器(6)中的热电偶连接；所述结晶器(6)被所述拉坯器(5)包裹着，只露出第一铜板面(23)、第二铜板面(24)与钢液接触；所述结晶器(6)通过所述结晶器振动电机(1)的驱动作上下振动；所述第二升降托架(22)与定位电极(15)相连；所述拉坯电机(2)控制所述拉坯器(5)向下拉动；与所述第一铜板面(23)相对的外壁为结晶器第一外壁(27)，与所述第一铜板面(23)直接相连的结晶器侧壁为结晶器第一侧壁(25)，在第一铜板面(23)、结晶器第一侧壁(25)和结晶器第一外壁(27) 所形成的空间内布置有第一组热电偶(29)、第二组热电偶(30)以及1号冷却水道(10)；所述结晶器中与第二铜板面(24)相对的外壁为结晶器第二外壁(28)，与所述第二铜板面(24)直接相连的结晶器侧壁为结晶器第二侧壁(26)；在第二铜板面(24)、结晶器第二侧壁(26)和结晶器第二外壁(28)所形成的空间内布置有2号冷却水道(11)、第三组热电偶(31)、第四组热电偶(32)；第一铜板面(23)与第二铜板面(24)所构成的夹角为90°；在结晶器(6)内，位于1号冷却水道(10)与2号冷却水道(11)之间还设有3号冷却水道(9)；第一组热电偶(29)共有m个热电偶，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶计为1上，将第一组热电偶(29)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为1下；热电偶1上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6‑0.9:1；热电偶1下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4‑8；所述m大于等于4；第二组热电偶(30)共有n个热电偶，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶计为2上，将第二组热电偶(30)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为2下；热电偶2上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6‑0.9:1；热电偶2下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4‑8；所述n大于等于4；第三组热电偶(31)共有p个热电偶，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶计为3上，将第三组热电偶(31)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为3下；热电偶3上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6‑0.9:1；热电偶3下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4‑8；所述p大于等于4；第四组热电偶(32)共有q个热电偶，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)顶部的距离最短的热电偶计为4上，将第四组热电偶(32)中到结晶器(6)底部的距离最短的热电偶计为4下；热电偶4上到结晶器(6)顶部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为0.6‑0.9:1；热电偶4下到结晶器(6)底部的垂直距离与结晶器(6)的高之比为1:4‑8；所述q大于等于4；利用所述模拟装置模拟连铸结晶器角部附近钢液初始凝固的方法，包括以下步骤：步骤一准备好实验钢种以及对应的实验保护渣；将实验钢种加入熔炼炉(16)中升温至熔化，并且保持钢液温度在实验钢种液相温度以上20‑50 oC；升温过程使用惰性保护气罩(12)防止钢液被氧化；接着加入保护渣，保护渣熔化后所形成的液态保护渣层(13)的厚度为5‑10 mm；步骤二开启第二升降电机(4)，控制定位电极(15)的运动，当定位电极(15)接触高温导电液面时，低电压回路接通，定位电极(15)停止运动；计算机记录此时定位电极(15)的位置，计算机根据定位电极(15)的位置信息给第一升降电机(3)发送运行指令，使拉坯器(5)和结晶器(6)一起向下运动，并且进入熔池(14)中，此时热电偶1上和定位电极(15)的底端处于同一高度上；结晶器(6)在进入熔池(14)的同时，通过结晶器振动电机(1)控制其振幅和振频；结晶器(6)在进入熔池(14)的同时，开启冷却水阀门(8)；步骤三结晶器(6)在熔池(14)中停留3‑8s后，启动拉坯电机(2)驱动拉坯器(5)向下拉动，结晶器(6)上的凝固钢坯随着拉坯器(5)向下运行，不断有新的钢液接触结晶器的第一铜板面(23)与第二铜板面(24)，以模拟工厂拉坯过程，拉出设定长度的初始凝固坯壳；同时温度采集系统(18)以频率f采集拉坯过程中结晶器(6)内温度的变化，并且将温度数据存储于电脑中；步骤四拉坯过程结束后，第一升降托架(21)往上运动，使初始凝固坯壳脱离熔池，并且在空气中冷却，最后将坯壳被切割下来；步骤五根据拉坯过程中，第一组热电偶(29)、第二组热电偶(30)的测量值，计算出拉坯过程中第一铜板面(23)的热流密度；根据拉坯过程中，第三组热电偶(31)、第三组热电偶(32)的测量值，计算出拉坯过程中结晶器角部(33)的热流密度；步骤六测量靠近第一组热电偶(29)的坯壳面部位置和靠近第三组热电偶(32)的角部位置的厚度并采用凝固平方根定律对坯壳面部位置和角部位置的厚度与时间的关系进行拟合，得到坯壳凝固厚度与时间的关系，并且得到坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数；步骤七测量靠近第一组热电偶(29)的坯壳面部位置表面的振痕间距以及振痕深度；测量靠近第三组热电偶(32)的坯壳角部位置表面的振痕间距以及振痕深度；步骤八改变连铸参数，重复进行实验，研究连铸工艺参数对结晶器角部附近钢液初始凝固行为的影响；当步骤八调整后的参数使得结晶器的温度波动小于3 oC、热流密度波动小于0.2 MW/m2；结晶器同一水平高度不同位置处的温度差值小于5 oC，热流密度差值小于0.3 MW/m2；坯壳面部位置和角部位置的平均凝固系数的差值小于0.2 mm/s1/2；各个振痕间距的差值小于1 mm、振痕深度小于0.4 mm，所对应的连铸参数即为优化参数。