[发明专利]一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法

摘要

一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法，属于钢铁冶金连铸技术领域。基于连铸生产中实时测量的结晶器铜板热电偶温度，建立结晶器传热/铸坯凝固反问题数值模型，利用实测温度反算结晶器与铸坯温度场，获得与实测温度相符的结晶器传热和铸坯凝固进程。在此基础上，结合保护渣物性参数判断结晶器与铸坯间缝隙内渣膜和气隙的存在状态，并利用反算出的铜板热面温度、铸坯表面温度以及铸坯与结晶器间的热流，计算出保护渣液渣膜、固渣膜与气隙的厚度分布。其优点是：针对实测温度的反算模型能够如实反映结晶器内的传热和凝固状况，可获得保护渣和气隙厚度非均匀分布的真实特征，为工艺优化和铸坯质量控制提供可靠依据。

主权项

一种连铸结晶器保护渣液态、固态渣膜与气隙厚度非均匀分布的计算方法，其特征在于：综合考虑保护渣渣膜和气隙在连铸结晶器内的形成、演化与传热特征，提供一种将数值模拟与在线检测相结合，准确计算结晶器内液态、固态保护渣渣膜和气隙厚度非均匀分布的方法，具体包括以下步骤：第1步：结晶器传热/铸坯凝固数值模型建立基于结晶器铜板和连铸坯断面工艺条件，建立二维非稳态结晶器传热/铸坯凝固数值计算模型，利用有限差分法将模型进行离散化处理；将断面尺寸、拉速、浇温、液位工艺参数，以及钢种、结晶器铜板和保护渣热物性参数输入传热凝固数值模型；第2步：结晶器和铸坯温度场反问题计算在二维结晶器/铸坯切片沿浇铸方向从弯月面向下移动至结晶器出口的过程中，通过反算迭代降低铜板测点处计算温度与实测温度的差值，当铜板测点处计算温度高于实测温度时，表明热流高于实际值，需要降低热流；反之，在计算温度低于实测温度时，需要增加热流，通过反复迭代，直至计算结果满足误差的收敛条件，进而获得结晶器与铸坯间的反算热流q、结晶器铜板热面温度T_m与连铸坯表面温度T_s；第3步：判断结晶器与铸坯间缝隙内液态、固态渣膜和气隙的存在状态并计算其厚度(1)当连铸坯表面温度(T_s)>保护渣凝固温度(T_fsol)时，缝隙内仅存在液态渣膜和固态渣膜，液态渣膜厚度d_l通过以下公式计算：$d_l=\frac{-f_2+\sqrt{{f_2}^2-4f_1{f}_3}}{2f_1}---\left(1\right)$f₁、f₂、f₃的计算方法如下：$f_1=\frac{0.75{\mathrm{\&alpha;}}_{l}q}{T_s-T_{\mathrm{fsol}}}---\left(2\right)$$f_2=\frac{q(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_f}-1)}{T_s-T_{\mathrm{fsol}}}-0.75{\mathrm{\&alpha;}}_l{k}_l-\mathrm{\&sigma;}{m_l}^2(T_{\mathrm{fsol}}^2+T_s^2)(T_{\mathrm{fsol}}+T_s)---\left(3\right)$$f_3=-(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_f}-1)k_l---\left(4\right)$上式中，q为结晶器与铸坯间的反算热流，W/m²；T_fsol为保护渣凝固温度，K；T_s为铸坯表面温度，K；ε_s和ε_f分别为铸坯和保护渣的发射率；α_l为液渣的消光系数，/m；k_l为液渣的传热系数W/(m·K)；σ为斯特凡波尔兹曼常数；W/(m²·K⁴)；m_l为液渣折光率；固态渣膜厚度d_s通过以下公式计算：$d_s=\frac{-g_2+\sqrt{g_2^2-4g_1{g}_3}}{2g_1}---\left(5\right)$g₁、g₂、g₃的计算方法如下：$g_1=\frac{0.75{\mathrm{\&alpha;}}_{s}q}{T_{\mathrm{fsol}}-T_m-q{R}_{\mathrm{int}}}---\left(6\right)$$g_2=\frac{q(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_f}-1)}{T_{\mathrm{fsol}}-T_m-q{R}_{\mathrm{int}}}-0.75{\mathrm{\&alpha;}}_s{k}_s-{\mathrm{\&sigma;m}}_s^2[T_{\mathrm{fsol}}^2+{(T_m+q{R}_{\mathrm{int}})}^2][T_{\mathrm{fsol}}+(T_m+q{R}_{\mathrm{int}})]---\left(7\right)$$g_3=-(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_f}-1)k_s---\left(8\right)$上式中，T_m为结晶器热面温度，K；R_int为固态保护渣与结晶器热面的接触热阻，m²·K/W；ε_m为结晶器铜板的发射率；α_s为固渣的消光系数，/m；k_s为固渣的传热系数，W/(m·K)；m_s为固渣折光率；(2)当连铸坯表面温度(T_s)＝保护渣凝固温度(T_fsol)时，液态保护渣完全凝固，缝隙内仅存在固态渣膜，固态渣膜厚度d_s通过以下公式计算：$d_s=\frac{-h_2+\sqrt{h_2^2-4h_1{h}_3}}{2h_1}---\left(9\right)$h₁、h₂、h₃的计算方法如下：$h_1=\frac{0.75{\mathrm{\&alpha;}}_{s}q}{T_s-T_m-{\mathrm{qR}}_{\mathrm{int}}}---\left(10\right)$$h_2=\frac{q(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_s}-1)}{T_s-T_m-q{R}_{\mathrm{int}}}-0.75{\mathrm{\&alpha;}}_s{k}_s-{\mathrm{\&sigma;m}}_s^2[T_s^2+{(T_m+q{R}_{\mathrm{int}})}^2][T_s+(T_m+q{R}_{\mathrm{int}})]---\left(11\right)$$h_3=-(\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_m}+\frac{1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_s}-1)k_s---\left(12\right)$(3)当连铸坯表面温度(T_s)<保护渣凝固温度(T_fsol)时，由于没有了液渣的补充，在结晶器与保护渣之间产生气隙，缝隙内只存在固态渣膜和气隙，忽略固态渣膜的收缩，即认为已经形成的固态渣膜厚度不变，气隙的厚度d_a通过以下公式计算：$d_a=\frac{0.5\mathrm{\&sigma;}{k}_a({\mathrm{\&epsiv;}}_m+{\mathrm{\&epsiv;}}_f)(T_s-T_m-q{R}_s)[{T_m}^2+{(T_s-q{R}_s)}^2](T_m+T_s-q{R}_s)}{0.5\mathrm{q\&sigma;}({\mathrm{\&epsiv;}}_m+{\mathrm{\&epsiv;}}_f)[{T_m}^2+{(T_s-q{R}_s)}^2](T_m+T_s-q{R}_s)-(T_s-T_m-q{R}_s)}---\left(13\right)$上式中，k_a为气隙的传热系数，W/(m·K)；R_s为固渣热阻，m²·K/W。