专利名称：一种确定大型钢锭界面换热系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定换热系数的方法，特别是关于一种确定大型钢锭界面换热系 数的方法。
背景技术：
目前，随着电力、石化、冶金、船舶等工业领域重大装备的大型化，对大型钢锭也提 出了越来越高的要求。例如，百万千瓦级核电机组常规岛低压整体转子的制造需要600吨 级钢锭。在大型钢锭的试制过程中，数值模拟技术发挥着越来越重要的作用。钢锭与锭模 间的界面换热行为决定了钢锭的凝固方式和凝固时间，并在很大程度上影响了钢锭的缩孔 缩松、偏析以及组织和性能。而钢锭与锭 模间界面换热系数是制约模拟结果准确性的最重 要的参数之一。在钢水浇注入钢锭模的初期，由于钢水的流动和静压力作用，钢液与锭模内壁是 紧密接触的，此时钢液与锭模间界面换热系数较大。而随着凝固过程的推进，由于锭模对凝 固钢液的激冷作用，钢液沿锭模内表面形成凝固壳层，并在随后的冷却过程中不断变厚和 产生体积收缩；与此同时，锭模的受热膨胀也会产生型壁移动。因此，通常在钢锭与锭模之 间形成气隙。气隙的形成时间随空间变化，气隙大小也随时间和空间发生变化。气隙形成 以后，界面的热传递则由单纯的热传导变为热传导、对流和辐射三项之和。以上这些复杂因 素，导致钢锭与锭模间界面换热系数难以确定。而在实际计算中，通常是采用一个猜测值或 经验公式等简化措施对钢锭与锭模间的界面换热系数进行确定，但这些猜测值或经验公式 的计算结果误差非常大。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单，可快速准确的确定大型钢锭 界面换热系数的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种确定大型钢锭界面换热系数的 方法，其包括以下步骤1)将钢锭与锭模之间的接触界面简化为若干测试分段，在每一分 段中确定若干个测试点，并在每一测试点上设置一传感器，将每一传感器通过各自的导线 共同连接到一数据采集系统，数据采集系统的输出端连接一界面换热系数反算系统；2)在 钢水凝固成钢锭的过程中，各个传感器采集钢水凝固过程中的温度或热流信息，并将采集 到的信息数据传送到数据采集系统中；3)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统读 取各测试点的数据，获得各测试点实测的随时间变化的温度或热流信息，并导入到钢锭与 锭模间界面换热系数反算系统中；4)界面换热系数反算系统根据步骤3)导入的数据，估计 某个时间段的界面换热系数；根据估计的界面换热系数进行凝固过程中温度场的模拟，以 获得测试点的计算温度；比较计算温度与实测温度是否吻合，如果计算温度与实测温度不 吻合，则通过反算求解，校正界面换热系数，然后再返回凝固过程温度场的模拟，直到获得 与实测温度相吻合的计算结果，即计算温度与实测温度吻合，这时获得该时间段的界面换热系数，记录界面换热系数；判断凝固时间t是否大于完全凝固时间t_，如果t > t_，则 结束计算；否则，进入下一时间段的计算。所述步骤4)中界面换热系数反算系统的反算求解方法为①设置某时间段的初 始条件；对应第一个时间段，则为输入温度场的初始条件，即t = 0时刻的温度分布，通常 设为钢水浇注温度，以及界面换热系数的初始值，即估计值；定义FQv…，h》为 式中，hp…，、为各分段的界面换热系数，Y^i和分别表示分段i在时间段 j、位置k的温度实测值与计算值，I为分段总数，J为时间段总数，K为某一分段i对应的测 试点总数；②利用界面换热系数‘求解该时间段的温度场，即钢锭三维温度场模拟，上标1 表示迭代次数，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一个时间段的初始，从估计值<开始迭 代；③在界面换热系数^的基础上增加一个变化幅度(，一般取为10_3，利用这个新的界面 换热系数<(1 + 0，求解该时间段的温度场；④根据步骤②和③求解的温度场，计算得到界 面换热系数^的增量S/^1 式中，<,，,表示敏感系数，其定义为 并得到下一迭代步的界面换热系数为 ⑤如果种“1满足 Sh'+1 则说明Y符合实际情况，对应求解得到的温度场也是准确的，然后，返回步骤②进 入下一个时间段的计算；其中，￡为一小数，一般取为10_4;如果不满足公式(5)，则对 界面换热系数<进行重新赋值，即Y=A,/+1，返回步骤②进行迭代计算，直到满足公式(5)；⑥ 如果t > t_，则结束计算；否则，返回步骤②进入下一时间段的计算。所述步骤1)中，将钢锭与锭模之间接触界面外侧的锭模简化为五个测试分段，分 别为①将钢锭锭尾与锭模底盘的内凹水平接触面作为分段I ；②将钢锭锭尾与锭模底盘 的侧向接触面以及钢锭锭身与锭模模身的水平接触面作为分段II ；③将钢锭锭身和锭模 模身的竖向接触面作为分段III ；④将钢锭冒口与锭模冒口套的竖向接触面作为分段IV; ⑤将钢锭冒口与钢锭上浇注的发热剂底面的水平接触面作为分段V。每一测试分段内的测试点数量为1 5个，距离钢锭与锭模之间接触界面最近的 测试点与界面的距离为20 50mm。
所述传感器为热电偶。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明所测试的是钢锭与锭 模之间接触界面外侧的锭模，测试相对简单；并且通过对锭模上有限个特征点的温度变化 的测量，结合实际钢锭和锭模的温度场模拟，可反算得到界面换热系数，操作方便，测试准确。2、本发明将钢锭与锭模之间接触界面外侧的锭模简化为五段，每段内不同位置的界面 换热系数相差较小，可简化认为相等；而段与段之间的界面换热系数相差较大，进而可进行 分段测量。3、本发明在各分段中设置若干测试点，每一测试点的位置上布置一个传感器， 各传感器共同连接到数据采集系统；将数据采集系统输出的数据导入界面换热系数反算系 统，通过界面换热系数反算系统，无需测定界面气隙的形成，即可确定界面换热系数，且确 定的界面换热系数是符合实际情况并随着时间变化的，进而解决了气隙的形成难以测定， 且由于气隙的影响，界面换热系数随着时间变化，而无法准确测定界面换热系数的问题。本 发明构思巧妙，所提出的界面换热系数反算求解方法可以处理任意多段界面的情况，可广 泛适用于砂型铸造、压铸等其他铸造过程及任何界面存在气隙的热传递系统中。


图1是本发明钢锭与锭模界面换热系数分段简化结构示意2是本发明装置连接示意3是本发明界面换热系数反算系统中的求解流程示意4是本发明界面换热系数反算系统中反算求解换热系数的具体流程示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明是要确定钢锭1与锭模2之间接触界面的换热系数。如图1所示，本发明 的钢锭1包括锭尾11、锭身12和冒口 13。本发明的锭模2包括底盘21、模身22、冒口套23 和发热剂24，发热剂24浇注在冒口 13顶面。由于钢锭1与锭模2之间接触界面的里侧是 钢水或凝固壳层，测试难度大，测试成本高；而钢锭1与锭模2之间接触界面的外侧是锭模 2，测试相对简单，因此，本发明通过测试接触界面外侧锭模2的温度变化，来确定钢锭1与 锭模2之间接触界面的换热系数。本发明基于以下思想本发明将钢锭1与锭模2之间接触界面外侧的锭模2分成若干测试分段，每一分 段设置有若干测试点，通过测试各测试点的温度变化并结合体系(钢锭1和锭模2)温度场 模拟，即可反算得到钢锭1与锭模2之间接触界面的换热系数。本发明包括以下步骤1)将钢锭1与锭模2之间接触界面外侧的锭模2简化为以下五个测试分段，即存 在五段界面换热系数，而每段界面换热系数不同，且均随着时间变化；①将锭尾11与底盘21的内凹水平接触面(如图中3点到13点所示)作为分段I ；②将锭尾11与底盘21的侧向接触面以及锭身12与模身22的水平接触面(如图 中b点到c点所示)作为分段II ；③将锭身12和模身22的竖向接触面(如图中c点到d点所示，竖向接触面与垂直方向的夹角为钢锭锥度)作为分段III ；④将冒口 13与冒口套23的竖向接触面(如图中d点到e点所示)作为分段IV ⑤将冒口 13与发热剂24底面的水平接触面(如图中e点到f点所示)作为分段 V。 上述分段简化的依据为通过实际经验和数值模拟表明，划分的每一段内不同位 置的界面换热系数相差较小，可简化认为相等，而段与段之间的界面换热系数相差较大。2)如图2所示，在钢水浇注之前，在分段I IV的锭模2中，每段确定若干个测 试点，并在每一测试点的位置上布置一个传感器3;在钢水浇注之后，在钢水上面覆盖一层 发热剂24，在分段V的发热剂24中确定若干个测试点，并在每一测试点上布置一个传感器 3。将所有传感器3通过各自的导线连接到数据采集系统4，数据采集系统4的输出端连接 界面换热系数反算系统5。此步在确定测试点时，需要确定测试点位置的敏感性和测试点数量的敏感性。确定测试点位置的敏感性测试点距离钢锭1与锭模2之间的接触界面越近，界面 换热系数反算系统5的求解速度越快，即越有利于界面换热系数的确定。测试点与界面的 距离与被测体系有关，对于IOOt以上的大型钢锭，考虑到测量精度以及温度场模拟和反算 求解的需要，距离钢锭与锭模之间接触界面最近的测试点与界面的距离为20 50mm。确定测试点数量的敏感性对于界面换热系数分段处理的情况，对应于各段，布置 一个特征测试点即可满足该段界面换热系数反算求解的要求。而在该界面的法线方向或近 似法线方向(即热流方向)布置两个特征测试点，这样获得的实验数据有利于快速地反算 求解得到该段的界面换热系数。本发明确定最合适的特征点数量为1 5个。3)在钢水凝固成钢锭的过程中，每一个传感器3采集钢水凝固过程中的温度或热 流信息，并将采集到的信息数据传送到数据采集系统4中。4)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统4读取各测试点的数据，获得各 测试点的温度或热流信息。5)将各测试点的数据导入到钢锭1与锭模2间界面换热系数反算系统5中，利用 界面换热系数反算系统5求解得到钢锭1与锭模2间的界面换热系数。如图3所示，钢锭1与锭模2间界面换热系数反算系统5中的求解流程为根据数据采集系统4输入的各测试点实测的随时间变化的温度数据估计某个时 间段的界面换热系数；根据估计的界面换热系数进行凝固过程中温度场的模拟，以获得测 试点的计算温度；比较计算温度与实测温度是否吻合，如果计算温度与实测温度不吻合，则 通过反算求解，校正界面换热系数，然后再返回凝固过程温度场的模拟，直到获得与实测温 度相吻合的计算结果，即计算温度与实测温度吻合，这时候也获得了该时间段的界面换热 系数，记录界面换热系数；判断此时的凝固时间t是否大于完全凝固时间tmax，如果t > tmax， 则结束计算；否则，进入下一时间段的计算。如图4所示，界面换热系数反算系统5中界面换热系数的具体算法如下。①开始。②设置某时间段的初始条件。对应第一个时间段，则为输入温度场的初始条件 (即t = 0时刻的温度分布，通常设为钢水浇注温度)，以及界面换热系数的初始值，即估计值。
定义F(h1, ...，hT)为
式中，h1…，h1为各分段的界面换热系数，Yk,p和Tk,p分别表示分段i在时间 段j、位置k的温度实测值与计算值，I为分段总数，J为时间段总数，K为某一分段i对应 的测试点总数。时间段j的长度可以根据经验选取，对于隐式求解，时间段j的长度可以相 对取大；对于显式求解，时间段j的长度则相对取小。时间段j的长度可为定值，也可以动 态改变。③利用界面换热系数《求解该时间段的温度场，即钢锭三维温度场模拟，上标1 表示迭代次数，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一个时间段的初始，从估计值<开始迭 代。④在界面换热系数^的基础上增加一个变化幅度(，一般取为10_3，利用这个新的 界面换热系数<(1 + 0，求解该时间段的温度场。⑤根据步骤③和④求解的温度场，计算得到界面换热系数<的增量 式中，<7，表示敏感系数，其定义为 并得到下一迭代步的界面换热系数为 ⑥如果辟'+1满足 则说明V符合实际情况，对应求解得到的温度场也是准确的，然后，返回步骤③进 入下一个时间段的计算。其中，￡为一小数，一般取为10_4;如果秈〃1不满足公式(5)，则对界面换热系数W进行重新赋值，即垮=|+1，返回步
骤③进行迭代计算，直到满足公式(5)。⑦如果t > t_，(其中tmax为完全凝固时间)，则结束计算；否则，返回步骤③进入 下一时间段的计算。上述各实施例中，各个测试点上设置的传感器3可以为热电偶，也可以是其它类 型的传感器。上述各实施例中，凝固过程温度场模拟可以基于有限差分方法、有限元方法或有 限容积方法求解考虑液固相变的瞬态导热方程。由于实际钢锭是三维形状，因此采用三维 温度场模拟。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中 各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
权利要求
一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其包括以下步骤1)将钢锭与锭模之间的接触界面简化为若干测试分段，在每一分段中确定若干个测试点，并在每一测试点上设置一传感器，将每一传感器通过各自的导线共同连接到一数据采集系统，数据采集系统的输出端连接一界面换热系数反算系统；2)在钢水凝固成钢锭的过程中，各个传感器采集钢水凝固过程中的温度或热流信息，并将采集到的信息数据传送到数据采集系统中；3)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统读取各测试点的数据，获得各测试点实测的随时间变化的温度或热流信息，并导入到钢锭与锭模间界面换热系数反算系统中；4)界面换热系数反算系统根据步骤3)导入的数据，估计某个时间段的界面换热系数；根据估计的界面换热系数进行凝固过程中温度场的模拟，以获得测试点的计算温度；比较计算温度与实测温度是否吻合，如果计算温度与实测温度不吻合，则通过反算求解，校正界面换热系数，然后再返回凝固过程温度场的模拟，直到获得与实测温度相吻合的计算结果，即计算温度与实测温度吻合，这时获得该时间段的界面换热系数，记录界面换热系数；判断凝固时间t是否大于完全凝固时间tmax，如果t＞tmax，则结束计算；否则，进入下一时间段的计算。
2.如权利要求1所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征在于所述步 骤4)中界面换热系数反算系统的反算求解方法为①设置某时间段的初始条件；对应第一个时间段，则为输入温度场的初始条件，即t =0时刻的温度分布，通常设为钢水浇注温度，以及界面换热系数的初始值，即估计值；定义FQv…，h》为/=1 “1 ( 1 )式中，h”…，hx为各分段的界面换热系数，和分别表示分段i在时间段j、 位置k的温度实测值与计算值，I为分段总数，J为时间段总数，K为某一分段i对应的测试 点总数；②利用界面换热系数&求解该时间段的温度场，即钢锭三维温度场模拟，上标1表示 迭代次数，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一个时间段的初始，从估计值乂开始迭代；③在界面换热系数^的基础上增加一个变化幅度(，一般取为10_3，利用这个新的界面 换热系数<(1 + 0，求解该时间段的温度场；④根据步骤②和③求解的温度场，计算得到界面换热系数^的增量^^XXX ~ Tk’j，i )</>kJ,ic; /+1 i=l j=\ k=\5hi =--i=\ j=\ k=l (2)式中，表示敏感系数，其定义为"-H(3)并得到下一迭代步的界面换热系数为 (4)⑤如果满足 (5)则说明^符合实际情况，对应求解得到的温度场也是准确的，然后，返回步骤②进入下 一个时间段的计算；其中，ε为一小数，一般取为10_4;如果不满足公式(5)，则对界面换热系数^进行重新赋值，即~ = h1；1，返回步骤② 进行迭代计算，直到满足公式(5)；⑥如果t> tmax，则结束计算；否则，返回步骤②进入下一时间段的计算。
3.如权利要求1所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征在于所述步 骤1)中，将钢锭与锭模之间接触界面外侧的锭模简化为五个测试分段，分别为①将钢锭锭尾与锭模底盘的内凹水平接触面作为分段I；②将钢锭锭尾与锭模底盘的侧向接触面以及钢锭锭身与锭模模身的水平接触面作为 分段II ；③将钢锭锭身和锭模模身的竖向接触面作为分段III；④将钢锭冒口与锭模冒口套的竖向接触面作为分段IV；⑤将钢锭冒口与钢锭上浇注的发热剂底面的水平接触面作为分段V。
4.如权利要求2所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征在于所述步 骤1)中，将钢锭与锭模之间接触界面外侧的锭模简化为五个测试分段，分别为①将钢锭锭尾与锭模底盘的内凹水平接触面作为分段I；②将钢锭锭尾与锭模底盘的侧向接触面以及钢锭锭身与锭模模身的水平接触面作为 分段II ；③将钢锭锭身和锭模模身的竖向接触面作为分段III；④将钢锭冒口与锭模冒口套的竖向接触面作为分段IV；⑤将钢锭冒口与钢锭上浇注的发热剂底面的水平接触面作为分段V。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征 在于每一测试分段内的测试点数量为1 5个，距离钢锭与锭模之间接触界面最近的测试 点与界面的距离为20 50mm。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征 在于所述传感器为热电偶。
7.如权利要求5所述的一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其特征在于所述传 感器为热电偶。
全文摘要
本发明涉及一种确定大型钢锭界面换热系数的方法，其包括以下步骤1)将钢锭与锭模间的接触界面简化为若干测试分段，在每一分段中确定若干个测试点，并在每一测试点上设置有一个传感器，将每一传感器通过各自的导线共同连接到一数据采集系统，数据采集系统的输出端连接一界面换热系数反算系统；2)在钢水凝固成钢锭的过程中，传感器采集钢水凝固过程中的温度或热流信息，并将采集到的信号传送到数据采集系统中；3)在钢水完全凝固成钢锭后，通过数据采集系统读取各测试点的数据，获得各测试点实测的随时间变化的温度或热流信息，并导入到钢锭与锭模间界面换热系数反算系统中；4)通过界面换热系数反算系统反算求解出钢锭与锭模间的界面换热系数。
文档编号G01N25/20GK101871903SQ20101019512
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者李文胜, 柳百成, 沈厚发 申请人:清华大学