[发明专利]连铸异型坯在线热状态的跟踪方法

说明书

本发明属于冶金技术领域，提供了一种连铸异型坯在线热状态跟踪方法，步骤包括：将连铸坯沿着拉坯方向切成若干二维切片，在铸坯切片二维截面上划分三角形有限元网格单元，以数据块形式记录网格单元的数据。忽略各相邻切片之间的导热，将非线性传热方程转化为常系数微分方程，采用转换温度按照二维传热计算每个网格单元的热流率及热焓，再利用温度和热焓的对应关系，得到异型坯温度分布。用一种移动数据块的方法来仿真生产过程中铸坯的实际运动，用模型分析方式代替现场测量，本发明解决了异型坯在线测量困难无法进行状态跟踪的问题，实现了连铸异型坯在线热状态跟踪与监控。

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别是涉及一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法。

背景技术

异型坯连铸是一项近终型的钢材生产技术，由异型坯生产的轧材在建筑、桥梁和海洋石油开采平台等领域有着广泛的应用。

异型坯因其几何形状复杂、比表面积大、各部位温差较大、坯壳凝固不均匀，容易产生裂纹等质量缺陷。连铸异型坯在线生产时的温度分布及变化直接影响坯体本身的微观组织和力学性能，是异型坯生产质量最重要的影响因素，所以在线热状态跟踪是控制异型坯温度分布及变化的前提，也是提高异型坯质量的重要技术。国内从上世纪末开始引进，其后自主设计了数十条异型坯连铸生产线，但是，连铸生产工况恶劣，在二冷室内，温度高并且有大量的水蒸气存在，对铸坯表面温度实施长期测量十分困难，无法根据实测温度进行生产控制。为了解决这个问题，一般采用数值计算方法，根据生产工艺参数实时计算铸坯的温度场代替实测值，进而掌握和控制铸坯冷却过程，这种方法被称为铸坯热状态跟踪技术。

针对板坯、方坯和圆坯连铸，已经开发出了铸坯温度场实时计算程序，用于跟踪铸坯热状态，并在此基础上开发了动态配水和动态轻压下模型，进行计算机过程控制，取得了良好效果。现有的连铸过程在线热跟踪技术，主要是针对板坯、方坯和圆坯这种截面形状比较简单规则的铸坯，一般采用有限差分法高效地计算铸坯的温度场，有效实现铸坯热状态跟踪。

异型坯因其几何形状复杂，在线实时计算存在困难，所以之前还没有把异型坯实时计算的在线热跟踪技术投入实际生产的先例，只有离线计算以辅助进行二冷工艺设计。异型坯的复杂几何形状，无法采用正交、结构化的网格，用有限差分法进行计算存在困难。经典的有限元方法可以采用灵活的剖分网格，适于计算异型坯的温度场，但主要用于离线计算、进行二冷工艺设计。经典的有限元方法通过建立关于未知离散节点温度的方程组，再求解线性方程，最终得到温度场，计算效率不高，不能满足实时计算要求。有限容积方法可以采用非等距、结构化的四边形网格划分，对于异型坯断面上尺寸较小的过度圆角，有限容积方法处理起来还不是很方便，要么采用更密的网格，要么忽略；若采用非结构化的网格，一般计算效率也不高。

发明内容

为了解决异型坯在线热跟踪问题，本发明提供了一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法，包括以下步骤：

S01：划分切片，将连铸异型坯沿着拉坯方向划分二维切片；

S02：划分网格单元，用有限元方法把步骤S01划分的每个切片沿二维截面划分成网格单元；

S03：记录存储数据，以数据块形式记录存储步骤S02所划分的每个网格单元的过程数据及数据块的索引；

S04：转换温度计算，根据步骤S03记录存储的数据块索引读取温度与转换温度，并利用铸坯在冷却过程中温度逐步降低的特点，插值计算各个网格单元的转换温度；

S05：热流率分析，用转换温度为变量，以下面的热流率模型，根据间断伽略金有限元方法分析每个单元的热流率。由于间断伽略金有限元离散方程式系数仅与网格的几何尺寸和材料的热物性常数有关，对任意一个指定单元，离散方程式系数是常数，可以预先计算，并按照步骤S03记录，在其后的传热计算中直接引用。引入预先计算的离散方程式系数α_e后，可化简得到以下热流率模型，用于分析切片二维截面网格单元的传热：