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二次冷卻通用仿真軟件在方坯連鑄中的應用
發表時間:[2007-09-27]  作者:  編輯錄入:admin  點擊數:7245
優化連鑄工藝和鑄機結構參數,已成為當今許多冶金工作者的努力方向,日前主要應用數值技術對連鑄過程進行仿真。
  方坯連鑄機結構形式多樣,日前已有的相關仿真程序基本上均是針對特定鑄機而進行編制,通用性不強,難以滿足不同用戶的需求。同時,這些程序在仿真計算后對數據的處理方面功能不夠完善,需要通過第三方軟件來進行處理,增加丁用戶的使用難度。
  針對上述問題,使用結構化程序設計語言Visual Basic開發了方坯連鑄計算機數值仿真軟件。首次提出并實現了根據目標表面溫度反算水量的方法,同時簡要討論了45鋼的仿真結果。
1 數學模型簡介
1.1 傳熱微分方程
  在結晶器液面處取一鑄坯薄片,研究這一薄片沿鑄坯運動方向的凝固傳熱過程,見圖1所示。由于連鑄的邊界條件比較復雜,要精確求解其傳熱的一般微分方程十分困難。為此,對其數學模型化作出一些假設。
圖1  鑄坯模型示意圖
 
  (1)由于鑄坯的長度比其橫斷面尺寸大很多,其長度方向上的溫度梯度很小,故可忽略鑄坯拉坯方向上的傳熱。連鑄的傳熱問題簡化為二維問題。
  (2)忽略凝固冷卻收縮引起的鑄坯尺寸變化。
  (3)拉坯方向上鑄坯某一空間點的溫度小隨時間變化,即認為連鑄凝固傳熱為穩態傳熱過程。
  (4)考慮了鋼液的強制對流對鑄坯傳熱的影響。強制對流的影響處理成鋼液的有效導熱系數。   
  凝固潛熱平均地計入兩相區的比熱中。即在兩相區采用等效比熱Ce代替鋼的比熱C。此時有 ,由此,根據拉速 的關系,可獲得方坯連鑄凝固傳熱的基本微分方程為:
  (1)
  對式(1))的方程求解,采用有限差分法進行計算。
1.2 邊界條件的確定及創新點
1.2.1 結晶器冷卻水傳熱計算
  結晶器冷卻水傳熱計算公式:
  (2)
  式中:q為邊界法線方向的熱流率,J/(cm2·s);B為常數(根據具體鑄機和具體鋼種實驗求得);t為薄片運行至某一位置所需的時間,s;k為水量調節系數。由于不同類型的鋼種,結晶器采用了不同的水量,為了適應這種仿真的真實性,設定了k系數,此系數可以通過結晶器進出水溫差來確定。
1.2.2 噴淋水與鑄坯表面間傳熱的計算
  噴淋水與鑄坯表面間的熱交換是非常復雜的,在本項目中作者針對不同的噴淋段、不同的噴嘴給出不同的噴淋傳熱系數,以下是回歸出的圓錐形噴嘴噴淋水和鑄坯表面間的傳熱系數與鑄坯表面溫度及水流密度之間的變化關系式。
  當鑄坯表面溫度Tw>900℃時:
  (3)
  當500℃<Tw≤900℃時:
  (4)
  式中:W為水流密度,L/(m2·s);Tw為鑄坯的表面溫度,℃。
  為了保證軟件的通用性,在使用傳熱系數時,還可以根據用戶實際情況在每個區另行輸入其它公式或固定值進行仿真計算。
1.2.3 輻射區和空冷段傳熱的計算
  輻射區和空冷段的傳熱用輻射傳熱公式計算。
  (5)
  式中:ε為鑄坯表面的黑度;δ為Stefan.Boltzmann常數,δ=5.67×10-8W/(m2·K4);To為環境溫度,℃。
1.2.4 夾輥傳熱和水聚集蒸發傳熱的計算
  對夾輥的傳熱采用了作者的研究結果進行計算[5]水聚集蒸發區傳熱與噴嘴的霧化性能、噴嘴噴淋水的多少、鑄坯表面及每兩對相鄰夾輥間各種傳熱方式與傳熱區域的長度有關。對外弧區的傳熱,由于重力的影響,在水沖擊區未蒸發完的水,在水聚集蒸發區沿鑄坯表面下流的過程中大部分掉落于地面。因此,外弧水聚集蒸發區的傳熱比內弧小,本課題在數學模型中考慮了這一差別的影響。
2 軟件設計思路
  軟件的界面采用可視化的程序設計語言Visual Basic進行設計,具有較好的人機交互功能,其核心部分程序流程圖如圖2所示。
圖2  核心部分程序流程圖
 
  通過軟件運行,可實時觀察到鑄坯的凝固過程以及獲得主要的凝固過程參數,結合相關的冶金準則,可以設計出不同工藝參數條件下優化的二冷制度。程序還可通過回歸自動獲取二冷各區噴水量與拉速的函數變化關系。
  用戶可根據仿真計算結果,直接獲得程序自動繪制出的鑄坯表面溫度、角部溫度、中心溫度和壞殼厚度在拉坯方向上的變化規律,還可以繪制出距離結晶器鋼液面不同位置處鑄坯的斷面溫度分布圖,為用戶的決策做出判斷依據。用戶也可直接調出需要的數據文件,直接查看和研究相關的計算結果細節。
  軟件的模塊結構清晰,操作按如下步驟進行。
  第一步,選擇鋼種,確定或確認鋼種的熱物性參數。可添加或刪除鋼種,如圖3。
圖3  選擇連鑄鋼種用戶界面
 
  第二步,設置連鑄機的結構和工藝參數,如圖4。
圖4  連鑄機參數設定用戶界面
 
  第三步,網格劃分,邊界條件的設置和輸出文件路徑的選擇,如圖5。
圖5  差分網格參數用戶界面
 
  第四步,設定二冷區的相關參數,設置數據文件的輸出路徑。要求輸入二冷區的鑄機結構、用于仿真計算初設的各段水量等。此處考慮了不同方坯連鑄機結構參數的區別,尤其是二冷各冷卻分段交界處的結構各異,可滿足各種類型方坯鑄機的要求,增強了軟件的通用性和計算精度。
  第五步,運行仿真程序,此界面可實時模擬鑄坯斷面沿拉坯方向上的凝固進程。并在窗體上實時地向用戶提供相關的數據輸出,如圖6。
圖6  仿真過程界面
3 模型的驗證應用
  (1)本文開發的二冷仿真軟件的仿真結果,已成功地應用于韶關鋼鐵集團公司、川威鋼鐵集團公司的方坯連鑄機的二冷制度的確定和優化[1-7],并提高了鑄坯的質量,解決了鑄坯原有的中間裂紋等問題;
  (2)本軟件已成功地應用于漣源鋼鐵集團公司方坯連鑄機的高效化改造的鑄機二冷結構優化設計、二冷制度確定和優化,其150X150mm鑄坯斷面的拉速可穩定在3.0~4.0m/min,且質量良好;
  (3)本軟件已在中冶集團重慶鋼鐵設計研究總院的鑄機設計中應用。
4 軟件在45鋼中的應用討論
4.1在150×150mm2斷面45鋼仿真計算結果
  應用所建立的數學模型,對新余鋼廠方坯連鑄機用仿真優化得到的一冷制度進行計算,獲得丁45鋼方坯連鑄凝固過程中150×150mm2斷面的主要凝固與冷卻參數,見表l。
表1  對45鋼仿真得到的主要參數(150×150㎜2)
拉速
/m·min-1)
矯直點前端、后端(12.008m、13.475m)表面中心溫度/℃
凝固點至結晶器
鋼液面的距離
/ m
凝固點處表面
中心溫度
/℃
前切處(23.00m)
表面中心溫度
/℃
結晶器出口處凝固坯殼厚度
/㎜
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
 
  從表中可以看出,在正常的連鑄拉速范圍內,結晶器出口處凝固坯殼厚度隨著拉速的降低而逐漸增加。這樣,在出結晶器時坯殼的厚度一般均大于10.0mm,滿足冶金準則的要求。不同拉速下在矯直區域鑄坯的表面溫度均大于900℃,在正常拉速下(2.3-1.6m/min)一般處于1005-1070℃。這樣可以避開鋼的脆性區間,鑄坯小易產生裂紋。
4.2 45鋼連鑄方坯溫度場的變化規律
4.2.1 45鋼連鑄方坯表面溫度的變化
  用45鋼的二冷水量進行仿真計算,得到了所研究的方坯鑄機45鋼鑄坯在不同拉速下表面中心溫度在拉坯方向上的變化規律,現以內弧鑄坯表面中心溫度為例繪制圖形說明,見圖7。可以看出,在結晶器內,由于受強烈冷卻,鑄坯的表面溫度下降較快。相比之下,與低碳鋼等比較,由于45鋼所要求的冷卻強度要小一些,二冷區鑄坯的表面溫度相比較高;在正常拉速范圍內,噴淋區的鼓低鑄坯表溫一般均在880℃以上,鑄坯的斷面溫差小,不容易產生內裂。
圖7  鑄坯內弧表面中心溫度在拉坯方向上的變化規律
4.2.2 45鋼連鑄鑄坯斷面溫度的變化
  應用仿真計算獲得的結果,可用本軟件繪制45鋼150×150mm2斷面鑄坯的某些特定位置結品器出日處、二冷區噴淋區結束處、半徑為8.0m的弧形鑄機的矯直區域開始處、鑄坯的剪切位置處四個典型斷面溫度場的分布,以圖8為例說明。
圖8  鑄坯的斷面溫度分布(v=1.8m/min)
 
  鑄坯的斷面圖是取鑄坯斷面的一半繪制的。斷面圖中,左面為對稱中心線,右面為鑄坯的側面表面,上部為鑄坯的外弧表面,下部為鑄坯的內弧表面。從圖8中可以看出,在結晶器出口處,由于急冷和凝固殼較薄的緣故,鑄坯斷面上凝固殼中溫度的梯度很大。從產生裂紋的角度來看,溫度梯度越大,產生裂紋的可能性就越大,因此二冷前期凝固中鑄坯的表面和皮下更有可能產生裂紋。
4.2.3 仿真結果總結及驗證
  從仿真結果看,二冷水量和拉速對鑄坯進程影響較大,而過熱度的影響很小,但熱物性參數如(熱導率λ、凝固潛熱ΔH及鋼的熱容 )對凝固過程參數影響也很大,所以要得到較精確的結果,鋼的熱物性參數精確性也至關重要。
  本研究結果在成都鋼廠通過了重慶鋼鐵設計院的驗證,在拉速波動較小時,測量了二冷區不同位置的鑄坯表面中心溫度和角部溫度,將測量的結果與靜態計算獲得的二冷水模型的結果進行比較,誤差在4%的范圍內波動,說明了仿真值與實測值是吻合的。
5 結論
  (1)本仿真軟件可針對具體的工藝參數和鑄機結構,對方坯連鑄凝固傳熱過程進行仿真,具有很好的準確性和實用性,同時還具有較強的通用性。已成功應用于國內多家鋼鐵企業。
  (2)軟件具有用戶界面友好、使用簡單、操作方便、運算速度快,集數據運算、結果處理于一體,用戶無須具備較強的計算機和數學模型相關知識,經過閱讀幫助文件,即可上機操作使用。
  (3)軟件可以對已有水表的合理性進行驗證,并根據采納的水表數據進行水量公式回歸,軟件的圖形顯示功能強大,能直觀地反映出各種凝固參數在連鑄過程中的變化規律。
  (4)從仿真的結果看,二冷水量和拉速,及熱物性參數對鑄坯凝固進程影響較大,而過熱度的影響較小。
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