二次冷却通用仿真软件在方坯连铸中的应用

发表时间：[2007-09-27]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：9034

优化连铸工艺和铸机结构参数，已成为当今许多冶金工作者的努力方向，日前主要应用数值技术对连铸过程进行仿真。

　方坯连铸机结构形式多样，日前已有的相关仿真程序基本上均是针对特定铸机而进行编制，通用性不强，难以满足不同用户的需求。同时，这些程序在仿真计算后对数据的处理方面功能不够完善，需要通过第三方软件来进行处理，增加丁用户的使用难度。

　针对上述问题，使用结构化程序设计语言Visual Basic开发了方坯连铸计算机数值仿真软件。首次提出并实现了根据目标表面温度反算水量的方法，同时简要讨论了45钢的仿真结果。

1 数学模型简介

1.1 传热微分方程

　在结晶器液面处取一铸坯薄片，研究这一薄片沿铸坯运动方向的凝固传热过程，见图1所示。由于连铸的边界条件比较复杂，要精确求解其传热的一般微分方程十分困难。为此，对其数学模型化作出一些假设。

图1　铸坯模型示意图

　 (1)由于铸坯的长度比其横断面尺寸大很多，其长度方向上的温度梯度很小，故可忽略铸坯拉坯方向上的传热。连铸的传热问题简化为二维问题。

　 (2)忽略凝固冷却收缩引起的铸坯尺寸变化。

　 (3)拉坯方向上铸坯某一空间点的温度小随时间变化，即认为连铸凝固传热为稳态传热过程。

　 (4)考虑了钢液的强制对流对铸坯传热的影响。强制对流的影响处理成钢液的有效导热系数。　　　

　凝固潜热平均地计入两相区的比热中。即在两相区采用等效比热C_e代替钢的比热C。此时有

，由此，根据拉速

的关系，可获得方坯连铸凝固传热的基本微分方程为：

　 (1)

　对式(1))的方程求解，采用有限差分法进行计算。

1.2 边界条件的确定及创新点

1.2.1 结晶器冷却水传热计算

　结晶器冷却水传热计算公式：

　 (2)

　式中：q为边界法线方向的热流率，J/(cm²·s)；B为常数(根据具体铸机和具体钢种实验求得)；t为薄片运行至某一位置所需的时间，s；k为水量调节系数。由于不同类型的钢种，结晶器采用了不同的水量，为了适应这种仿真的真实性，设定了k系数，此系数可以通过结晶器进出水温差来确定。

1.2.2 喷淋水与铸坯表面间传热的计算

　喷淋水与铸坯表面间的热交换是非常复杂的，在本项目中作者针对不同的喷淋段、不同的喷嘴给出不同的喷淋传热系数，以下是回归出的圆锥形喷嘴喷淋水和铸坯表面间的传热系数与铸坯表面温度及水流密度之间的变化关系式。

　当铸坯表面温度T_w>900℃时：

　 (3)

　当500℃<T_w≤900℃时：

　 (4)

　式中：W为水流密度，L/(m²·s)；Tw为铸坯的表面温度，℃。

　为了保证软件的通用性，在使用传热系数时，还可以根据用户实际情况在每个区另行输入其它公式或固定值进行仿真计算。

1.2.3 辐射区和空冷段传热的计算

　辐射区和空冷段的传热用辐射传热公式计算。

　 (5)

　式中：ε为铸坯表面的黑度；δ为Stefan.Boltzmann常数，δ=5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；To为环境温度，℃。

1.2.4 夹辊传热和水聚集蒸发传热的计算

　对夹辊的传热采用了作者的研究结果进行计算^[5]水聚集蒸发区传热与喷嘴的雾化性能、喷嘴喷淋水的多少、铸坯表面及每两对相邻夹辊间各种传热方式与传热区域的长度有关。对外弧区的传热，由于重力的影响，在水冲击区未蒸发完的水，在水聚集蒸发区沿铸坯表面下流的过程中大部分掉落于地面。因此，外弧水聚集蒸发区的传热比内弧小，本课题在数学模型中考虑了这一差别的影响。

2 软件设计思路

　软件的界面采用可视化的程序设计语言Visual Basic进行设计，具有较好的人机交互功能，其核心部分程序流程图如图2所示。

图2　核心部分程序流程图

　通过软件运行，可实时观察到铸坯的凝固过程以及获得主要的凝固过程参数，结合相关的冶金准则，可以设计出不同工艺参数条件下优化的二冷制度。程序还可通过回归自动获取二冷各区喷水量与拉速的函数变化关系。

　用户可根据仿真计算结果，直接获得程序自动绘制出的铸坯表面温度、角部温度、中心温度和坏壳厚度在拉坯方向上的变化规律，还可以绘制出距离结晶器钢液面不同位置处铸坯的断面温度分布图，为用户的决策做出判断依据。用户也可直接调出需要的数据文件，直接查看和研究相关的计算结果细节。

　软件的模块结构清晰，操作按如下步骤进行。

　第一步，选择钢种，确定或确认钢种的热物性参数。可添加或删除钢种，如图3。

图3　选择连铸钢种用户界面

　第二步，设置连铸机的结构和工艺参数，如图4。

图4　连铸机参数设定用户界面

　第三步，网格划分，边界条件的设置和输出文件路径的选择，如图5。

图5　差分网格参数用户界面

　第四步，设定二冷区的相关参数，设置数据文件的输出路径。要求输入二冷区的铸机结构、用于仿真计算初设的各段水量等。此处考虑了不同方坯连铸机结构参数的区别，尤其是二冷各冷却分段交界处的结构各异，可满足各种类型方坯铸机的要求，增强了软件的通用性和计算精度。

　第五步，运行仿真程序，此界面可实时模拟铸坯断面沿拉坯方向上的凝固进程。并在窗体上实时地向用户提供相关的数据输出，如图6。

图6　仿真过程界面

3 模型的验证应用

　 (1)本文开发的二冷仿真软件的仿真结果，已成功地应用于韶关钢铁集团公司、川威钢铁集团公司的方坯连铸机的二冷制度的确定和优化^[1-7]，并提高了铸坯的质量，解决了铸坯原有的中间裂纹等问题；

　 (2)本软件已成功地应用于涟源钢铁集团公司方坯连铸机的高效化改造的铸机二冷结构优化设计、二冷制度确定和优化，其150X150mm铸坯断面的拉速可稳定在3.0~4.0m/min，且质量良好；

　 (3)本软件已在中冶集团重庆钢铁设计研究总院的铸机设计中应用。

4 软件在45钢中的应用讨论

4.1在150×150mm²断面45钢仿真计算结果

　应用所建立的数学模型，对新余钢厂方坯连铸机用仿真优化得到的一冷制度进行计算，获得丁45钢方坯连铸凝固过程中150×150mm²断面的主要凝固与冷却参数，见表l。

表1 　对45钢仿真得到的主要参数(150×150㎜²)

拉速 /m·min^-1)	矫直点前端、后端（12.008m、13.475m）表面中心温度/℃	凝固点至结晶器钢液面的距离 / m	凝固点处表面中心温度 /℃	前切处(23.00m) 表面中心温度 /℃	结晶器出口处凝固坯壳厚度 /㎜
2.8	1 100　 1 095	22.43	1045	1 042	10.39
2.6	1 091　 1 084	20.52	1043	1 027	11.42
2.4	1 077　 1 070	18.43	1039	1 005	12.47
2.2	1 067　 1 058	16.67	1037	984	13.32
2.0	1 059　 1 048	15.04	1035	961	14.07
1.8	1 040　 1 028	13.27	1030	930	14.77
1.6	1 016　 1 002	11.42	1022	891	16.79
1.4	1002　 984	9.88	1026	860	18.35
1.2	956　 934	7.95	1007	805	19.94

　从表中可以看出，在正常的连铸拉速范围内，结晶器出口处凝固坯壳厚度随着拉速的降低而逐渐增加。这样，在出结晶器时坯壳的厚度一般均大于10.0mm，满足冶金准则的要求。不同拉速下在矫直区域铸坯的表面温度均大于900℃，在正常拉速下(2.3-1.6m/min)一般处于1005-1070℃。这样可以避开钢的脆性区间，铸坯小易产生裂纹。

4.2 45钢连铸方坯温度场的变化规律

4.2.1 45钢连铸方坯表面温度的变化

　用45钢的二冷水量进行仿真计算，得到了所研究的方坯铸机45钢铸坯在不同拉速下表面中心温度在拉坯方向上的变化规律，现以内弧铸坯表面中心温度为例绘制图形说明，见图7。可以看出，在结晶器内，由于受强烈冷却，铸坯的表面温度下降较快。相比之下，与低碳钢等比较，由于45钢所要求的冷却强度要小一些，二冷区铸坯的表面温度相比较高；在正常拉速范围内，喷淋区的鼓低铸坯表温一般均在880℃以上，铸坯的断面温差小，不容易产生内裂。

图7　铸坯内弧表面中心温度在拉坯方向上的变化规律

4.2.2 45钢连铸铸坯断面温度的变化

　应用仿真计算获得的结果，可用本软件绘制45钢150×150mm²断面铸坯的某些特定位置结品器出日处、二冷区喷淋区结束处、半径为8.0m的弧形铸机的矫直区域开始处、铸坯的剪切位置处四个典型断面温度场的分布，以图8为例说明。

图8　铸坯的断面温度分布(v=1.8m/min)

　铸坯的断面图是取铸坯断面的一半绘制的。断面图中，左面为对称中心线，右面为铸坯的侧面表面，上部为铸坯的外弧表面，下部为铸坯的内弧表面。从图8中可以看出，在结晶器出口处，由于急冷和凝固壳较薄的缘故，铸坯断面上凝固壳中温度的梯度很大。从产生裂纹的角度来看，温度梯度越大，产生裂纹的可能性就越大，因此二冷前期凝固中铸坯的表面和皮下更有可能产生裂纹。

4.2.3 仿真结果总结及验证

　从仿真结果看，二冷水量和拉速对铸坯进程影响较大，而过热度的影响很小，但热物性参数如（热导率λ、凝固潜热ΔH及钢的热容）对凝固过程参数影响也很大，所以要得到较精确的结果，钢的热物性参数精确性也至关重要。

　本研究结果在成都钢厂通过了重庆钢铁设计院的验证，在拉速波动较小时，测量了二冷区不同位置的铸坯表面中心温度和角部温度，将测量的结果与静态计算获得的二冷水模型的结果进行比较，误差在4%的范围内波动，说明了仿真值与实测值是吻合的。

5 结论

　 (1)本仿真软件可针对具体的工艺参数和铸机结构，对方坯连铸凝固传热过程进行仿真，具有很好的准确性和实用性，同时还具有较强的通用性。已成功应用于国内多家钢铁企业。

　 (2)软件具有用户界面友好、使用简单、操作方便、运算速度快，集数据运算、结果处理于一体，用户无须具备较强的计算机和数学模型相关知识，经过阅读帮助文件，即可上机操作使用。

　 (3)软件可以对已有水表的合理性进行验证，并根据采纳的水表数据进行水量公式回归，软件的图形显示功能强大，能直观地反映出各种凝固参数在连铸过程中的变化规律。

　 (4)从仿真的结果看，二冷水量和拉速，及热物性参数对铸坯凝固进程影响较大，而过热度的影响较小。