专利名称：基于质量平衡和热平衡连铸结晶器铜板热流密度确定方法
技术领域：
本发明属于钢铁冶金连铸过程数值计算应用领域，特别涉及一种基于质量平衡和 热平衡的连铸结晶器铜板热流密度的确定方法。
背景技术：
连铸作为承上启下的生产工序在钢铁产品制造过程中具有重要地位，而被称为 “连铸机心脏”的结晶器的重要功能之一即为高效传热器。通过浸入式水口注入钢水的绝大 部分凝固显热和潜热消散于结晶器内，结晶器的传热直接决定着铸坯质量、设备状况和连 铸顺行。因此，结晶器铜板、凝固坯壳及两者接触界面间保护渣润滑膜和气隙的热行为研究 及在此基础上进行的冷却水水槽结构设计、一次冷却制度优化和保护渣性能改进等对于控 制初凝坯壳均勻稳定生长、延长结晶器寿命和减少生产事故等均具有重要作用，也是深入 研究结晶器理论和关键技术的基础。由于浇铸过程中结晶器内高温和相对封闭的特点，使得完全依靠检测手段直接了 解结晶器内传热行为几乎不可能，而进行工业性试验则需花费高昂的成本。为此，通过数值 模拟方法，利用所建立的数学模型及相应的商业软件和自编程序进行结晶器内传热过程计 算因其具有节约成本、安全可行及拓展了研究方案和技术路线等优点而被广泛采用，但在 模拟计算结晶器内传热行为时，必须准确确定出初始条件和边界条件，才能获得可靠的计 算结果。初始条件作为计算非稳态传热过程特有的定解条件依据实际浇铸操作工况给定， 而决定最终计算结果准确度的关键的边界条件通常难以准确获得。传热边界条件分为三 类(1)规定边界温度；(2)规定边界热流密度；(3)规定边界传热系数及接触流体温度。针 对连铸结晶器内传热实际情况，第(1)类边界条件的确定受检测元件(热电偶等)数量和排 布位置等限制，一般不能准确提供所有位置温度值，不具普遍应用性，第(3)类边界条件的 确定需对结晶器铜板和铸坯的温度场和应力场耦合计算以确定保护渣渣膜厚度、铜板变形 量和铸坯收缩量，程序较为繁琐。目前，结晶器传热数值计算主要采用第(2)类边界条件， 其具体确定过程可描述为基于热平衡原理计算结晶器内平均热流密度；利用平均热流密 度及给定的热流密度经验方程计算传热边界条件方程待定系数。其中，预先给出热流密度 经验方程是准确确定热流密度传热边界条件的前提和关键，前人已在测定静止水冷结晶器 内热流密度与钢水停留时间关系和界面传热系数等的基础上提出了相关热流密度的经验 方程，并确定出方程待定系数，但提出的经验方程仅对其所对应的连铸工艺适用，直接沿用 并不能精确给出适用于普遍连铸工艺的热流密度边界条件，尤其当操作条件随工况发生变 化时，仍需重新确定传热边界条件，缺乏灵活性和适时性。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于质量平衡和热平衡的连铸结晶器铜板 热流密度的确定方法，在背景技术中传热边界条件获取方法的第(2)类规定边界热流密度 可知，热流密度即为连铸结晶器传热边界条件，所以通过获取热流密度来确定连铸结晶器
7传热边界条件，以达到精确、实时的获取连铸结晶器传热边界条件的目的。
该方法包括如下步骤，如

图1所示， 步骤1、获取原始数据； 原始数据确定方法如下 (1)黏度及黏度指数
保护渣黏度及黏度指数由方程(1)标定，因弯月面区渣道极窄(10_2- IO-1 mm)，保护渣 实际温度r取为凝固坯壳表面温度，坯壳表面温度可由连铸机内置的在线仿真系统实时计 算；
权利要求
一种基于质量平衡和热平衡连铸结晶器铜板热流密度确定方法，其特征于该方法包括如下步骤步骤1、获取原始数据；原始数据确定方法如下(1) 黏度及黏度指数保护渣黏度及黏度指数由方程(1)标定，因弯月面区渣道极窄(10 2 10 1 mm)，保护渣实际温度T取为凝固坯壳表面温度，坯壳表面温度可由连铸机内置的在线仿真系统实时计算； (1)式中，μf为黏度，μ 0为标定温度下保护渣黏度，单位为Pa·s；T0为标定温度，式中T0=1573 K；T为保护渣实际温度，单位为K；Tf为渣熔点温度；n为黏度指数；(2) 接触热阻浇铸和浸渍试验表明，固渣膜至结晶器壁接触热阻为(0.4·10 3 – 1.0·10 3)m2·K·W 1，且沿拉坯方向随固渣层厚度线性增大，则由方程(2)确定； (2)式中ds为固渣层厚度； rs_m为接触热阻； (3) 渣道轮廓渣道轮廓曲线由渣膜厚度回归分析为一元高次方程(3)和方程(4)，且方程次数越高拟和效果越好，越逼近渣道实际形状； (3) (4)式中，ai，bi (i = 0，1，2，…，n)为回归方程系数；(4) 渣道长度渣道长度由毛细管常数方程(5)计算； (5)式中，ρf为渣密度；g为重力加速度，式中g=9.8 m·s 2；ρs为钢水密度，单位为kg·m 3；he为渣道长度其中渣道出口x轴坐标，单位为m；σs f为初凝坯壳与保护渣间界面张力，单位为N·m 1，由Girifalco Good方程(6)计算；(6)式中，σs，σf分别为初凝坯壳和保护渣表面张力，单位为N·m 1；Φ为接触界面特性值；步骤2、应用质量平衡方程模型，获取保护渣消耗率；弯月面区保护渣渣道简化的形状取决于固体渣膜和弯月面表面轮廓，设定坐标系x轴平行于拉坯方向，y轴垂直于结晶器壁，(0，Li)和(he，Le)及(0，Si)和(he，Se)分别为渣道入口和出口位置固体渣膜和初凝坯壳坐标，固体渣膜和弯月面轮廓方程分别为L(x)和S(x)，渣道入口和出口压力分别为pi和pe；基于渣耗质量平衡原理和渣道内液态渣动量守恒原则，联立求解连续性方程(7)和Navier Stokes方程(8)，解得保护渣消耗率为方程(9)，也即为方程(14)，求解边界条件为(1) 0 ≤ x ≤ he，y = L(x)，vr = vm – vc；(2) 0 ≤ x ≤ he，y = S(x)，vr = 0；(3) x = 0，Li ≤ y ≤ Si，pf = pi；(4) x = he，Le ≤ y ≤ Se，pf = pe，边界条件(1)表明结晶器侧液态渣与固态渣间无相对滑动，边界条件(2)表明铸坯侧液态渣与弯月面坯壳间无相对滑动；(7) (8) (9)式中，Qr为保护渣消耗率，单位为m2·s 1；pf为渣道内压力，单位为Pa；μf为黏度，单位为Pa·s；ρf为渣密度，单位为kg·m 3；g为重力加速度，式中g=9.8 m·s 2；vm为结晶器振动速度，单位为m·s 1；vc为拉速，单位为m·s 1;vr为坯壳与渣间相对速度，vr = vf vc，单位为m·s 1；vf为保护渣流速，单位为m·s 1；ε(x)、ξ(x)均为渣道形状函数，表示为(10) (11) 将固渣层考虑为整体，其拉下速度可由方程(12)表示，靠近固渣层的液态渣的运动速度相对较小，靠近坯壳的液态渣速度较大，当液渣层为层状Couette流动，则液渣层平均拉下速度可由方程(13)表示，则保护渣消耗率还可以表示为方程(14)； (12) (13) (14) (15)(16)式中，vs为固渣层拉下速度，单位为m·s 1；k为固渣层拉下速度系数，式中k=0.1；vl为液渣层平均拉下速度，单位为m·s 1；ρs为钢水密度，单位为kg·m 3；n为黏度指数；dl为液渣层厚度，单位为m；ds为固渣层厚度，单位为m；dm_eff为当量振痕深度，单位为m；dm为振痕深度，单位为m；wm为振痕宽度，单位为m；lm为振痕间距，单位为m；f为结晶器振动频率，单位为s 1；步骤3、建立热平衡方程模型，利用质量平衡方程模型和热平衡方程模型获取液渣层厚度dl和固渣层厚度ds；通过坯壳表面传至冷却水热量与固渣层传至冷却水热量相等建立热流平衡方程； (17)(18) (19) (20)式中q为热流密度，单位为W·m 2；hs_w为坯壳表面至冷却水综合传热系数，单位为W·m 2·K 1；hf_w为固渣膜至冷却水综合传热系数，单位为W·m 2·K 1；Ts为凝固坯壳表面温度，单位为K；Tw为冷却水温度，单位为K；Tf为渣熔点，单位为K；rs_m为固渣膜至结晶器壁接触热阻，单位为m2·K·W 1；λl为液渣膜导热系数，单位为W·m 1·K 1；λs为固渣膜导热系数，单位为W·m 1·K 1；λmold为铜板导热系数，单位为W·m 1·K 1；dmold为铜板厚度，单位为m；hrad为辐射换热系数，单位为W·m 2·K 1；hw为对流换热系数，单位为W·m 2·K 1；r为渣折射率；σ为Stefan Boltzmann常数，式中σ=5.67·10 8 W·m 2 ·K 4；ɑ为渣吸收因子，单位为m 1；εf为渣发射率；εs为坯壳表面发射率；步骤4、将获取的液渣层厚度dl和固渣层厚度ds带入热平衡方程模型，获取热流密度q；具体方法如下联立质量平衡方程(14)和热量平衡方程(17)，求解固渣层厚度dl和液渣层厚度ds，将求解结果重新代入方程(17)即可计算出结晶器某高度处热流密度q，通常连铸结晶器铜板内规则嵌入多排检测温度信号的热电偶，采用上述方法确定出各热电偶位置热流密度q，再由数值回归分析方法确定出结晶器纵向和横向的热流分布，即得到计算结晶器内传热行为的热流密度边界条件；步骤5、利用获取的热流密度和由ANSYS有限元分析软件建立的结晶器实体模型，计算热电偶处温度Tc，并比较计算值Tc与热电偶实测温度值Td，若满足迭代终止条件，则将热流密度结果作为回归分析原始数据输入回归分析模型，否则将凝固坯壳表面温度改变步长ΔTs，重复上述过程，直至满足迭代终止条件，满足迭代终止条件时的热流密度即为所求的热流密度，热流密度即为连铸结晶器传热边界条件。942153dest_path_image001.jpg,177962dest_path_image002.jpg,250961dest_path_image003.jpg,284163dest_path_image004.jpg,442612dest_path_image005.jpg,950954dest_path_image006.jpg,144038dest_path_image007.jpg,345212dest_path_image008.jpg,990957dest_path_image009.jpg,302989dest_path_image010.jpg,415826dest_path_image011.jpg,787902dest_path_image012.jpg,858626dest_path_image013.jpg,36667dest_path_image014.jpg,938764dest_path_image015.jpg,481740dest_path_image016.jpg,836498dest_path_image017.jpg,755913dest_path_image018.jpg,503727dest_path_image019.jpg,217605dest_path_image020.jpg
2.按权利要求1所述的基于质量平衡和热平衡连铸结晶器铜板热流密度确定方法，其 特征于所述的利用ANSYS有限元分析软件建立实体模型计算热电偶处温度Tc的过程如 下(1)建立实体模型根据结晶器设计尺寸，利用有限元分析软件ANSYS建立结晶器实体模型，其具体操作 基于软件本身使用手册进行；计算单元为三维10节点四面体热单元S0LID87，为确保精度， 镍层、冷却水槽和水穴位置均实施网格加密处理；(2)应用数学模型，获取热电偶处温度Tc
全文摘要
一种基于质量平衡和热平衡连铸结晶器铜板热流密度确定方法，属于钢铁冶金连铸过程数值计算应用领域，包括如下步骤步骤1、获取原始数据；步骤2、获取保护渣消耗率；步骤3、利用质量平衡方程模型和热平衡方程模型获取液渣层厚度dl和固渣层厚度ds；步骤4、获取热流密度q；步骤5、建立的结晶器实体模型，计算热电偶处温度Tc，并比较计算值Tc与热电偶实测温度值Td。本发明的优点耦合保护渣消耗的质量平衡与钢水热量传递的能量平衡，提出的连铸结晶器铜板热流密度的确定方法，不必严格依赖具体的传热边界方程形式，而是通过确定具体位置的温度值和热流值，利用回归的方法得到具体的边界条件方程。
文档编号G01N25/20GK101984348SQ20101051152
公开日2011年3月9日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者孟祥宁, 朱苗勇 申请人:东北大学