一种板坯结晶器锥度设计方法

摘要

本发明一种板坯结晶器锥度设计方法，属于炼钢-连铸领域，本发明所设计的板坯结晶器锥度可充分补偿坯壳在结晶器内的收缩，有效抑制坯壳在结晶器内的变形，防止了初凝坯壳在结晶器上部因变形量过大而造成连铸坯表面和皮下裂纹的频发；使用本发明所设计的板坯结晶器锥度可有效消除坯壳宽、窄面角部附近区域的“热点”，实现坯壳在结晶器内均匀生长；使用本发明所设计的板坯结晶器锥度可最大化减轻结晶器铜板磨损，延长结晶器的使用寿命；使用本发明所设计的板坯结晶器锥度能够加速坯壳角部与窄面的传热，增加坯壳出结晶器时的强度，减轻坯壳窄面鼓肚。

主权项

一种板坯结晶器锥度设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据连铸机所连铸主流钢种中C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr与Al主要成分的含量，确定所连铸钢种的密度、导热系数、比热以及线性热膨胀系数，为坯壳‑结晶器系统热/力耦合有限元数值计算模型建立提供坯壳凝固的高温物性参数；步骤2：根据结晶器铜板结构与连铸坯断面尺寸以及所连铸钢种的高温物性参数，建立以1/4坯壳‑结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型，计算确定坯壳在整个结晶器沿其高度和周向上的收缩与变形分布、保护渣厚度分布；步骤2.1：根据结晶器铜板结构、连铸坯断面尺寸以及所连铸钢种的高温物性参数，建立以1/4坯壳‑结晶器横截面系统为计算对象的二维瞬态热/力耦合有限元实体模型，并对实体模型划分网格；步骤2.2：确定结晶器铜板初始温度场和坯壳‑结晶器界面初始热流；取任一接近铜板真实温度值的温度为铜板热面温度，并假设坯壳初始表面温度为钢液浇注温度，弯月面处坯壳‑结晶器界面内保护渣膜分布均匀，根据连铸坯断面尺寸和保护渣消耗量，计算出界面内保护渣膜的厚度，并以上述坯壳表面温度、渣膜厚度和铜板热面温度为参数，计算出坯壳‑结晶器界面初始热流；将该坯壳‑结晶器界面初始热流和所取的铜板热面温度分别作为1/4坯壳‑结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型的铜板热面热流边界条件和铜板初始温度，并仅计算铜板温度场，获得新的铜板热面温度；将坯壳表面温度、保护渣厚度和上述计算出的新铜板热面温度值为参数，计算新的坯壳‑结晶器界面热流，并将该新坯壳‑结晶器界面热流和算出的铜板温度场分别作为1/4坯壳‑结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型新的铜板热面热流边界条件和初始温度，再次仅计算铜板温度场，以获得更逼近真实铜板温度的热面温度和坯壳‑结晶器界面热流；重复该计算过程，直至铜板热面温度两次迭代差值小于0.5℃；将最后所求得的铜板温度场和坯壳‑结晶器界面热流作为最终1/4坯壳‑结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型铜板的初始温度场和坯壳表面与铜板热面热流边界条件；步骤2.3：计算坯壳‑结晶器系统传热；即基于坯壳初始温度场和铜板初始温度场，以已确定的坯壳‑结晶器界面热流为坯壳表面和铜板热面热流边界条件，计算坯壳与结晶器铜板的温度场，为确定下一结晶器高度的坯壳‑结晶器界面热流计算提供坯壳表面与铜板热面温度参数和计算1/4坯壳‑结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型所需的坯壳与铜板初始温度场；步骤2.4：计算坯壳凝固收缩与变形行为；即基于已求得的坯壳与铜板的温度场分布，计算坯壳沿结晶器宽面中心与窄面中心方向的收缩与变形量；同时计算坯壳表面与铜板热面间的位移差，以确定坯壳‑结晶器界面间隙宽度，为确定下一结晶器高度坯壳‑结晶器界面热流提供坯壳‑结晶器界面间隙宽度参数；步骤2.5：根据坯壳表面温度、铜板热面温度以及坯壳‑结晶器间隙宽度，确定下一结晶器高度下沿结晶器周向变化的坯壳‑结晶器界面热流；步骤2.5.1：根据坯壳表面温度与保护渣凝固温度关系确定坯壳‑结晶器界面热阻构成，若坯壳表面温度高于保护渣凝固温度，则坯壳‑结晶器界面热阻由液渣层、固渣层与结晶器‑固渣界面热阻串联组成，执行步骤2.5.2；若坯壳表面温度小于或等于保护渣凝固温度，则坯壳‑结晶器界面热阻由气隙层、固渣层与结晶器‑固渣界面热阻串联组成，执行步骤2.5.3；步骤2.5.2：规定保护渣总厚度等于坯壳‑结晶器界面间隙宽度，根据通过液渣层、固渣层和结晶器‑固渣界面的热流相等原理，计算液渣层热阻、固渣层热阻、结晶器‑固渣界面热阻以及保护渣膜总厚度沿结晶器周向的分布，执行步骤2.5.4；步骤2.5.3：根据通过气隙层、固渣层和结晶器‑固渣界面的热流相等原理，计算气隙层热阻、固渣层热阻、结晶器‑固渣界面热阻以及保护渣膜沿结晶器周向的分布；步骤2.5.4：根据坯壳表面与铜板热面温度差与坯壳‑结晶器界面总热阻间的关系，确定沿结晶器周向的热流密度分布；步骤2.6：将步骤2.3计算所得的坯壳与结晶器温度场和步骤2.5.4所确定的坯壳‑结晶器界面热流设定为下一结晶器高度下1/4坯壳‑结晶器横截面系统二维瞬态热/力耦合有限元数值计算模型的坯壳与铜板初始温度场和坯壳表面与铜板热面热流边界条件，并重复执行步骤2.3至步骤2.6，直至连铸坯出结晶器，从而求得在整个结晶器沿其高度和周向上的坯壳收缩与变形分布、保护渣厚度分布；步骤3：根据保护渣膜在结晶器宽面与窄面的厚度分布，确定宽面上交界线位置与窄面上交界线位置，并设定宽面上交界线一侧为宽面角部楔形状锥度区，另一侧为宽面中部无锥度区；窄面上交界线一侧为窄面角部楔形状锥度区，另一侧为窄面中部曲线锥度区；所述的交界线位置确定如下：在结晶器出口处的坯壳‑结晶器界面内，确定沿结晶器宽面或窄面中部向角部方向保护渣厚度增长量斜率第一次大于0.002的位置，通过该位置并垂直于结晶器上或下口的直线为交界线；步骤4：根据步骤2.3～2.6所求得的坯壳窄面中部向结晶器宽面中心方向的收缩量，拟 合其沿结晶器高度方向分布的表达式，进而确定其为结晶器窄面中部曲线锥度区的锥度；步骤5：根据步骤2.3～2.6所求得坯壳窄面角部向结晶器宽面中心方向的收缩与变形分布，确定角部与中部区域向结晶器宽面中心方向的收缩与变形量差，进而获得二者差值的最大值，并在窄面中部曲线锥度区锥度补偿量的基础上，设计结晶器窄面角部的锥度补偿量从弯月面至结晶器出口由0线性增加至上述最大值；同时将角部的锥度补偿量沿角部至交界线方向线性减至0，使结晶器窄面角部区域成为楔形状结构；步骤6：根据步骤2.3～2.6所求得的坯壳宽面角部向结晶器窄面中心方向的收缩与变形分布，确定角部收缩与变形的最大值，设计结晶器宽面角部的锥度补偿量从弯月面至结晶器出口由0线性增加至上述最大值，同时将角部的锥度补偿量沿角部至交界线方向线性减至0，使结晶器宽面角部区域成为楔形状结构。