[发明专利]连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及连铸技术领域，尤其是连铸结晶器内高温钢液的凝固传热过程。

背景技术

作为连铸的心脏，结晶器内的连铸过程是一个关联着传热，凝固，流动和溶质再分配等现象的复杂过程。各现象之间相互关联，交互影响作用，使结晶器内的传热行为变得异常复杂。但结晶器内钢液的传热过程对铸坯质量有着很重要的影响。传热速率不均匀易于引发铸坯裂纹；此外，若传热不充分，则容易导致较薄的坯壳鼓肚，变形，甚至被拉漏。铸坯的凝固行为取决于钢液向外进行热传递的能力。通过由结晶器内传导出的热量，可以获知铸坯在结晶器中生长得到的凝固坯壳厚度，铸坯表面温度分布，结晶器冷却水量以及冷却水温差等重要的冶金参数，这对整个连铸过程工艺参数的优化，铸坯质量的改善等又都具有十分重要的意义。

在连铸坯凝固传热的研究中，人们首先利用静止水冷结晶器内测定得到的热流与钢液停滞时间的关系，得到铸坯与结晶器界面间的局部热流密度经验公式，简化了传热研究过程。使用过程中，一般采用传统的板/方坯计算公式来计算参数（板坯：q=2.688-0.227                                               ；方坯：q=2.688-0.335），但固定的参数对不同的机型存在明显差异，很难对结晶器内钢液凝固传热过程做精确解析。因此，人们通过考虑液相对流，振痕，固液渣状态，气隙等因素得到对应的综合传热系数来计算结晶器内钢液的凝固传热过程。整个凝固传热过程中，由于对液相对流程度，振痕范围，固液渣分布状态以及气隙等具体过程参数的认识存在差异，且计算过程相当复杂。实际生产中，很难快速获得结晶器内热边界条件，求解结晶器内钢液的凝固传热过程。

因此，我们以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用结晶器冷却铜板和冷却水的传热热阻，以此得到结晶器内钢液凝固传热过程中，单位面积上的传热系数，计算整个结晶器内钢液的凝固传热过程。这种方法简便易行，可靠性极高，能够用于模拟钢液的凝固传热过程，为大规模生产中连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种连铸结晶器内钢液凝固传热过程计算方法，该方法简便易行，能够用于模拟钢液的凝固传热过程，为实际连铸生产工艺的确定和调整提供理论依据。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明是以高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热作为基础，将其简化成保护渣和气隙的综合传热作用，并考虑辐射传热影响，得到间隙内的传热热阻，而后利用计算得到的结晶器冷却铜板中冷却水的传热热阻，得到结晶器内钢液凝固传热过程中单位面积上的传热系数，以此计算整个凝固传热过程。

本发明具体是采用包括以下步骤的计算方法：

1. 计算高温凝固铸坯表面与结晶器冷却铜板之间的缝隙传热：

高温铸坯表面与结晶器冷却铜板的间隙热阻由多个单元组成，将其简化成气隙传导热阻，渣膜热阻和辐射热阻作用得到的综合热阻。

                 （1）

式中，h_T是间隙内的传热系数，R_air和R_slag分别表示的是间隙间的气隙热阻和渣膜热阻。λ_air是气隙的综合导热系数，λ_slag是渣膜的综合导热系数，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，ε是辐射表面黑度。T和T₀分别是铸坯表面和结晶器热面之间的温度，d_slag是渣膜厚度。

2. 计算结晶器冷却铜板之间的传热：

结晶器冷却铜板间的传热为传导传热，

                                       （2）

式中，h₂是冷却铜板的传热系数，R₂是冷却铜板的热阻，λ_Cu为铜板的导热系数，d_Cu为结晶器铜板有效厚度。

3. 计算结晶器冷却铜板与冷却水之间的传热：

结晶器冷却水槽内的冷却水与冷却铜板之间存在强制对流换热，可以通过对流换热系数hw来表征其间的传热，

                       （3）