[发明专利]一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法

说明书

本发明公开一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，该模拟装置包括炼钢炉、电机驱动系统、连铸漏斗形结晶器模拟系统、冷却水系统、温度采集系统。本发明通过模拟薄板坯连铸生产中钢液在漏斗形结晶器内的凝固过程与连铸过程，获得具有实际薄板坯特征的初始凝固坯壳及结晶器内温度变化曲线，实现对钢液在漏斗形结晶器内钢液初始凝固行为和铸坯表面质量、及连铸工艺参数对钢液初始凝固行为影响的模拟研究。该发明适用于模拟现有钢种的生产，还可用于裂纹敏感型钢种薄板坯连铸生产的开发研究。本发明与薄板坯实际连铸工业生产过程相比，具有操作简单、方便，实验成本低等优势。

技术领域

本发明公开了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法，属于钢铁冶金技术领域。

背景技术

上个世纪九十年代，经过两次石油危机和三次金融危机，全球经济低迷，钢铁工业作为能耗大、利润低的产业，必然要面临结构调整、技术优化、工艺改进，以提升竞争力和保证经济效益。因而，以薄板坯连铸连轧为代表的短流程工艺因其低能耗、低成本、高效率而收到投资者和生产企业的特别关注。自1989年第一条由德国西马克公司开发的薄板坯连铸连轧产线-CSP工艺生产线在美国纽克克劳福兹维尔钢厂建成投产以来，截至到2017年，全球已建成的薄板坯连铸连轧产线已达67条，年生产能力超过1.24亿吨。其中CSP工艺产线达34条，其技术也相对成熟，生产稳定。

众所周知，结晶器是连铸机的“心脏”。薄板坯连铸连轧取得的巨大成功和CSP工艺的成功突破，其关键在于漏斗形结晶器的设计。漏斗形结晶器的特点在于上口漏斗形状，面积大；边部和下部是一段平行板，板间距窄即为铸坯厚度；实际工业生产中连铸漏斗形结晶器示意图如图2所示(L.C.Hibbeler.Thermo-Mechanical Behavior during SteelContinuous Casting in Funnel Molds[D].University of Illinois at Urbana-Champaign,2009)。这种设计的优势在于，上口面积大，有利于高拉速下减缓钢液流场的剪切速度，保证流场的稳定和连铸过程的顺行；下部平行板间距窄，可有效地降低铸坯出结晶器的厚度，从而很好地实现了薄板坯连铸的生产过程。

在薄板坯连铸连轧发展三十年的时间，还有许多技术问题和基础研究需要开展。例如铸坯缺陷相比于传统连铸更为严重，高拉速下结晶器内流场、温度场、热流分布，钢种应用的拓展。但由于实际工业生产所用漏斗形结晶器是一体的，且结晶器内往往是“黑箱”，并不能观察到结晶器内钢液和保护渣的高温动态行为，无法研究钢液在结晶器内的凝固行为；当保护渣随铸坯一起出结晶器时立刻就会被二冷水给冲刷掉，而无法收集到保护渣渣膜，从而也无法研究保护渣在结晶器内的动态行为。目前最常用的方法就是进行数值计算和仿真模拟。但数值计算和仿真模拟因边界条件设定的不确定或不准确，往往与实际过程偏差较大，一般只能作为定性分析的参考。而在工业连铸机上开展研究和工业试验的成本巨大，且试验过程容易出现安全事故。这严重阻碍了薄板坯连铸的基础研究、优化研究以及开发研究的进行。最好的办法是在实验室层面建立结晶器模拟系统，依据现场工艺参数开展物理实验，再结合数值模拟进行分析，在一定程度上就可以很好的还原实际生产的效果。但到目前为止，还没有很好的设计来模拟薄板坯连铸用漏斗形结晶器，并在实验室层面实现漏斗形结晶器的连铸模拟研究。

发明内容

为了很好地模拟薄板坯连铸过程中漏斗形结晶器内高温动态行为及连铸过程，本发明提供了一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置及其使用方法。

本发明提供的一种连铸漏斗形结晶器钢液凝固与铸坯模拟装置，包括以下主要配件：感应加热炉体(炼钢炉)，电机驱动系统(拉坯器驱动电机M1、结晶器振动电机M2)、连铸漏斗形结晶器模拟系统(包括漏斗形结晶器、拉坯器)，冷却水系统(结晶器铜模冷却水、炼钢炉线圈冷却水)，温度采集系统(采温热电偶)，以及自动化的动力操作系统等；其装置整体示意图如图1a所示。