莱钢板坯连铸机凝固传热模型

尊敬的特邀编辑：您好！兹送上《莱钢科技》来稿一篇，请予审查。为确保刊物质量，请将审查意见逐项填入《稿件审查意见书》，需要修改的具体内容与存在的问题，请按段落、页码写在“稿件修改意见”栏内。审稿时应从以下几方面考虑：(1)文章所表述的技术内容的准确性、合理性、实用性、真实性。(2)文章的结构是否符合逻辑、是否合理；文字表达是否准确。对有问题的部分要逐条写清(为什么不合理?有何误解或错误?)并指出如何改正，应进一步核实哪些数据及问题，需补充、修改哪一部分的内容才能使文章更合理、更具有说服力。对文章要有明确的总体评价，能刊用还是不能刊用?为什么?修改后要不要再审等。另外，若改动原稿，请对改动处作标记。请于2012年11月30日前审毕返回编辑部。地址：莱钢技术中心《莱钢科技》编辑部E-mail：[e-mail]电话：6820510谢谢您对我们工作的支持！此致敬礼《莱钢科技》编辑部2012年11月02日稿件审查意见书稿件名称莱钢板坯连铸机凝固传热模型的建立论文编号12181内容审查题目1、切题2、太长或太短3、不明确4、文不符题摘要1、简明扼要2、不够精炼3、未概括文章内容4、需重写实验设计1、有创新2、合理3、不尽合理4、有错误技术与方法1、有创新2、有改进3、常规方法4、有缺陷实验结果1、有新成果2、有新见解3、资料性工作4、问题较多数据处理1、处理得当2、计算有误3、方法不当4、需统计学处理图表方面1、图____表____重复2、图____表____可删去或合并3、图____表____需重制4、图____表____与文不符讨论部分1、论点明确2、与结果重复3、离题过远4、重点不突出参考文献1、不符合本刊要求2、引用过多3、有未公开的资料4、缮写错误评价总的评价1、好2、较好3、一般4、不用政治方面1、有错误2、有失秘3、其它学术方面1、有所见解2、有改进3、重复其他人工作4、内容一般5、质量差结构与语言1、简明紧凑2、重复冗长3、逻辑上不合理4、语病太多符合栏目1、专论与综述2、专家论坛3、实践与创新4、研究与开发5、经验交流6、信息化工程7、能源环保8、简介本刊不用理由1、不属本刊范围2、重复刊登3、质量差4、存在技术泄密其它1、建议转给________单位____________同志再审2、建议推荐给________刊物3、重写属于上列的某一情况者，请以显著标志标出（该项增加下划线）需要修改的具体内容与存在问题1、1、技术条件，1.1基本参数，1.2呢？2、所有的引用公式需要对各项符号的所代表的含义进行说明；3、文中多处的下标未正确标识，需异议确认后修改；4、以上修改后可以发表。审查人：2012年11月6日莱钢连铸板坯凝固传热模型的建立吴会亮1，李生根1，陈永生2，肖强2（1.莱钢技术中心；2.莱钢型钢炼钢厂，莱芜271104）摘要：连铸坯凝固传热数学模型研究的基本思路是基于凝固传热理论，根据能量守恒定律，建立二维非稳态传热模型，建立模型的内容包括：基本假设、凝固传热方程、边界条件以及初始条件的确定、连铸坯凝固传热数学模型的求解（边界条件、物性参数的确定等），然后进行程序编制。本研究中，根据莱钢型钢炼钢厂4#连铸机现场实际条件，建立了中碳钢的宽板坯凝固传热模型。关键词：边界条件；固相分率；导热系数；传热模型0前言连铸二冷水工艺是连铸的三大核心工艺之一，对连铸生产和铸坯质量有着重要影响。二冷控制模型主要是通过计算铸流方向上的凝固坯壳厚度与表面温度，并根据与生产工艺温度的比较差异来调节水量，其核心是连铸坯凝固传热数学模型。铸坯沿拉坯方向被分成若干小切片，依据铸坯从结晶器移动开始贯穿整个铸流，对于每一个切片的实际铸坯生长期进行跟踪并且对坯壳厚度按周期计算，一维时间的温度曲线描述了铸坯表面直到中心各点处的温度情况。[1]同时，可根据钢水特性、铸坯表面散热、中间包温度、铸坯的移动情况定期修正温度曲线。1技术条件本研究的钢种为Q345D，其主要成分如表1所示。表1莱钢Q345D钢的熔炼成分，%钢种CSiMnPSNbTiQ345D0.170.261.350.0120.0040.0210.0224#板坯连铸机浇注铸坯断面尺寸为2200mm×300mm，结晶器有效冷却高度为800mm。工艺参数如表2所示。连铸二冷各区冷却段长度及二冷冷却配水如表3所示。表2生产工艺参数钢种浇注温度/℃拉速/m/min结晶器水量/L/min宽面loose侧宽面fixed侧窄面右侧窄面左侧Q345D15300.8658085781678674表3连铸机二冷各区长度及冷却制度冷却回路起始点/m结束位/m水量/L/min1N0.801.50100.91IO0.801.04230.02IO1.041.60211.03IO1.602.71280.54IO2.714.26222.35IOC4.266.1885.75IOM4.266.1879.76IC6.1810.0249.36OC6.1810.0264.16IM6.1810.0245.96OM6.1810.0259.67IC10.0213.8631.07OC10.0213.8647.07IM10.0213.8628.87OM10.0213.8643.78IC13.8620.5648.08OC13.8620.5681.08IM13.8620.5644.68OM13.8620.5675.32连铸坯凝固传热模型及计算条件2.1模型的基本假设由于连铸坯凝固传热过程是采用有内热源的三维非稳态微分方程进行描述，为便于数值计算求解，通常要针对具体的连铸过程进行合理的假设，模型的基本假设条件为：（1）忽略结晶器振动对传热的影响；（2）不考虑铸坯凝固冷却时的尺寸改变；（3）忽略拉坯方向上的传热（约为总热量的3%～6%），并且铸坯宽度与厚度上的热量是以铸坯中心线为轴对称方式释放的，将三维非稳态传热问题简化为二维非稳态传热问题；（4）相同二冷区冷却段内的冷却强度一样，不考虑夹辊对热量传递的影响；（5）凝固过程中，材料各向同性；密度、比热容及导热系数与浇铸钢种、温度等因素相关；（6）采用等效导热系数方式处理液-固相区的对流传热过程，用等效比热法处理凝固潜热。2.2凝固传热数学模型方程根据能量守恒定律，对连铸坯凝固传热进行分析，并结合上述假定，得到二维非稳态传热模型方程如式（1）所示：vqyTyxTxtTC)()(（1）其中：λ—铸坯导热系数；ρ—铸坯密度；C—比热容；T—铸坯温度；qv—钢液凝固潜热。2.3模型计算的初始条件以结晶器弯月面钢液温度作为时间t=0时的初始条件，取T0=Tc（浇注温度）。2.4二冷区边界条件连铸过程中，铸坯在二冷区不仅受到冷却水的冷却作用，还有一部分热量通过辐射对流方式散出，对应的二冷区热流密度qs计算公式如式（2）所示：)(wTThqbss（2）其中：hs—传热系数；Tb—铸坯表面温度；Tw—冷却水温度。与冷却水相关的二冷区传热系数h与喷嘴水流量、流速、喷水形式、拉速等多种因素有关，一般按经验公式计算后再根据实际工况调整而定。3物性参数的确定3.1固相分率由文献提供的固相分率fs计算公式如下：))(())((mlsmlmslsmssTTTTTTTTTTTTf（3）其中：Ts—固相线温度；Tm—纯铁的熔点；Tl—液相线温度。式（3）中，Tm表示纯铁的熔点，为1535℃。由此可得到Q345D钢在不同温度下的固相分率如表4所示。表4不同温度下Q345D钢的固相分率温度,℃1513.91510150014901480147014601447.0固相分率0.0000.1890.4980.6770.7950.8780.9401.0003.2固-液两相区导热系数在固-液两相区，由于树枝晶的生长削弱了钢水的对流运动，所以两相区的有效导热系数λsl应处于固相和液相之间，用调和公式（4）进行计算。)1(slssslff（4）其中：λs—固相区导热系数；λl—液相区导热系数；fs—固相分率。对于不同冷却区液相温度处的导热系数λl的值分别为静态钢液条件下液相线温度导热系数乘以相应的修正参数m，即λl=mλ。4传热模型的求解编制程序前，利用有限差分方法将传热数学模型的微分方程转化为差分方程的具体步骤如下：（1）首先进行区域离散化：即用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成多个区域，以网格线的交点作为需要确定温度值得空间位置，称作节点。相邻两行的距离称为步长，记为△x、△y。节点的位置以该点在两个方向的标号m、n来表示。一般来说，网格越小，节点就越多，差分方程的误差就越小，结果就越接近真实温度。[2]（2）将变量区域网格化后，就可以用差商去近似微商，就可得到节点的微分方程。由于差分法具有计算简便、计算时间短、计算精确性可根据实际要求确定等特点，本研究中也采用此方法。（3）对于方程的求解是采取逐层迭代的方法。根据方程结构特点及节点所在的位置的不同，要求第n+1层上任意节点的温度值完全可以由第n层上的相邻节点处的温度值决定。采用这样的方法，从外向内推进，层层计算各节点温度值，并依次代入，求解下一层节点温度值。5程序编制为保证模型计算结果的准确性，本文计算过程中，空间步长△x、△y取为1mm，时间步长△t取为0.004s。利用VB6.0对传热模型进行编程计算，编程计算中采用模块化的处理方式。模型计算输入参数界面如图1所示。模型计算输出界面如图2所示。图1板坯连铸机传热模型参数设置界面图2板坯连铸机传热模型计算结果输出界面6小结板坯连铸机凝固传热模型的建立，弥补了无法对铸坯内部凝固过程进行有效测量计算及控制的不足，为二冷配水制度的制定和轻压下工艺参数的选择提供了依据。参考文献：[1]杨俊锋，付玄升.DYNACS冷却模型在安钢的生产实践[J].冶金标准化与质量，2006（6）：47-49.[2]石振仓，汪洪峰.连铸DYNACS动态二冷水模型[J].南方金属，2006（4）：52-54.作者简介：吴会亮，男，1984年生，2007年毕业于安徽工业大学冶金工程专业。现为莱钢技术中心助理工程师，从事宽厚板新产品研发工作。