一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法

一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法
【專利摘要】本發明涉及一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，屬于鋼鐵連鑄技術領域；本發明首先進行小型連鑄實驗，利用熱電偶采集連鑄實驗過程中的溫度并保存在計算機中，用實測的溫度反算出沿拉坯方向分布的結晶器熱面的熱流密度；切取實驗后初始凝固鑄坯并測量出坯殼沿拉坯方向的厚度，利用鑄坯厚度反算出坯殼表面的沿拉坯方向分布的溫度和熱流密度；在此基礎上，結合保護渣的物性參數，計算出結晶器壁與鑄坯表面間液態渣膜的厚度分布；本發明利用連鑄結晶器內凝固模擬裝置結合數學模型準確計算出特定連鑄條件下的結晶器壁與鑄坯表面間液態渣膜的厚度分布，為準確把握結晶器內保護渣的潤滑、傳熱和液態摩擦力的計算提供可靠數據。
【專利說明】
一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，屬于鋼鐵連鑄技術領域。
【背景技術】
[0002] 結晶器的潤滑與傳熱是控制鑄坯質量、提高生產效率最為關鍵的兩大因素。通過 結晶器的振動，鋼液上層的液態保護渣被栗入結晶器壁與鑄坯表面之間的空隙，形成固態 渣膜與液態渣膜，渣膜起到控制傳熱的作用;液態渣膜還有潤滑的作用，減少拉坯阻力，防 止坯殼結晶器壁的黏結。若液態渣膜太薄，會導致保護渣潤滑性能變差，增加結晶器壁與鑄 坯表面間的摩擦力，容易導致鑄坯產生表面裂紋甚至漏鋼現象的發生;若液態渣膜過厚，會 增加結晶器壁與鑄坯表面間的熱阻，阻礙鋼水熱量傳遞，使得生產效率降低，同時使得出結 晶器的鑄坯過薄，容易導致漏鋼;若液態渣膜分布不均勻，造成凝固鑄坯與結晶器間的傳熱 介質不一致，由于其熱特性的差異使得鑄坯表面溫度分布不均勻，在凝固鑄坯上產生較大 的熱應力，一旦超過高溫坯殼的許用應力，會引起鑄坯裂紋的產生。因此，液渣膜的厚度和 分布的均勻性對傳熱和潤滑有極其重要的影響，進而影響到鑄坯的表面質量和連鑄生產效 率。
[0003] 結晶器內潤滑狀況通常用摩擦力來表示，結晶器壁與鑄坯表面間的摩擦力是連續 鑄鋼中應被密切監測和控制的重要過程參數，尤其是彎月面附近液態渣與鑄坯間的液態摩 擦力，對初始凝固鑄坯表面質量影響更大。目前摩擦力的測試方法主要有：（1)測力傳感器 直接測試法；（2)實驗模型測試法；（3)數學模型計算法。其中數學模型法當中用的最多的是 牛頓流體模型：6 =以（^-￥。)/(11，其中，6為單位面積液體摩擦力，？&;以為液態渣粘度， Pa · s;vm為結晶器振動速度，m/s;V。拉還速度，m/s;di液渣膜厚度，m;該計算模型簡單便捷， 但是要求精準的液渣膜厚度，而液渣膜厚度則非常難以準確確定，目前的研究僅能證明液 渣膜厚度數量級在ΠΓ 5~l(T4m范圍。因此，一種準確預測連鑄結晶器內液渣膜厚度的方法 對于連鑄實際生產的鑄坯質量控制和提高連鑄生產效率具有重大的指導意義。由于高溫惡 劣環境很難直接測量到液渣膜厚度;結晶器與坯殼之間其潤滑作用的主要是液態保護渣渣 膜，一般認為液態渣膜厚度約為0 · 1mm; Jenkins(Jenkins M S.Heat transfer in the continuous casting mold.Ph.D thesis Clayton,Monash University，1999·)認為液渣 膜平均厚度為1/(3VCQ· 5)，其中為Vc連鑄拉速。日本NKK工學研究所Tsutsumi等，Kawakami等 (Tsutsumi K,Murakami H,Nishioka S I,et al:Tetsu-t〇-Hagane 84,no.9(1998):617-624.Kawakami K,Kitagawa T,Mizukami H,et al:Tetsu-to-Hagane 67,no .8(1981): 1190-1199.)采用mold simulator測量了不同連鑄澆注工藝保護渣的消耗量;但是沒有測 量到沿著拉坯方向的液渣膜厚度。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術的不足，本發明提供一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，使 用結晶器內初始凝固模擬裝置，以實測的溫度和實測的鑄坯厚度為基礎，反算出結晶器熱 面的熱流密度、鑄坯表面的溫度和鑄坯表面的熱流密度;在此基礎上，結合保護渣物性參 數，其中保護渣的結晶溫度通過SHTT實驗測得，計算出液態渣厚度，為準確把握結晶器內保 護渣的潤滑、傳熱和液態摩擦力的計算提供可靠數據。
[0005] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，包括下述步驟：
[0006] 步驟一
[0007] 基于實驗室小型連鑄實驗模擬工廠鋼鐵連鑄過程;采集結晶器內的熱電偶測量的 溫度數據，并傳給數據處理設備；
[0008] 步驟二
[0009] 數據處理設備將采集好的溫度數據代入結晶器傳熱數學模型，實時計算通過結晶 器熱面各點的熱流密度qint;
[0010] 步驟三
[0011] 切取實驗后初始凝固坯殼并測量出坯殼沿拉坯方向的厚度，利用坯殼厚度、鋼水 澆鑄溫度和鋼的傳熱學物理性能參數(密度、熱容，導熱系數和熱焓)反算出坯殼表面沿拉 坯方向分布的溫度Till和沿拉坯方向分布的熱流密度q-11;
[0012] 步驟四
[0013]測量保護渣的結晶溫度％。1;
[0014] 步驟五
[0015]計算出沿拉坯方向分布的結晶器壁與鑄坯之間的液渣膜厚度d1;
[0016]本發明中所述溫度采集器優選為熱電偶。
[0017]本發明中數據處理設備優選為計算機，當然其他能處理數據的設備均可用于本發 明。
[0018] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟一中，所述連鑄實驗，采用 連鑄結晶器內凝固模擬裝置，設定好連鑄參數，所述參數包括振動頻率、振動幅度、澆注溫 度，啟動試驗裝置，按照設定的所述參數進行連鑄實驗;所述振動頻率為l-5Hz，優選為工業 應用時連續結晶器的實際振動頻率;振動幅度為l_6mm、澆注溫度為鋼的液相線溫度以上 10-50。。。
[0019] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟二中，所述結晶器內，沿著 高度方向（拉坯方向），在垂直結晶器熱面的結晶器壁內縱剖面內，安裝兩組熱電偶，第一組 熱電偶設置在同一條豎直線上;在第一組熱電偶與其所對應的結晶器熱面間設有第二組熱 電偶，第二組熱電偶可以不在同一條豎直線上。
[0020] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，兩組熱電偶，第一組熱電偶設 置在同一條豎直線上;在第一組熱電偶與其所對應的結晶器熱面間設有第二組熱電偶，第 二組熱電偶可以不在同一條豎直線上。
[0021] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟二中，所述qint為沿拉坯方 向，兩排熱電偶所平行結晶器熱面上各點的熱流密度集合。
[0022] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟二中，所述傳熱數學模型 為二維傳熱數學模型。在工業化應用時優選為2DIHCP for mold heat flux軟件（登記號 2016SR067373)處理采集到的數據。
[0023] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟三中，通過利用凝固反問 題Levenberg-Marquardt method算法來求解還殼表面沿拉還方向分布的溫度Tsheii和沿拉 還方向分布的熱流密度qsheii。所述凝固反問題Levenberg-Marquardt method算法參見Kei Okamoto的《OPTIMAL NUMERICAL METHODS FOR INVERSE HEAT CONDUCTION AND INVERSE DESIGN SOLIDIFICATION PROBLEMS》第21-33頁。
[0024] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟四中，通過SHTT實驗，測得 液態保護渣的結晶溫度TSQl。其中液態保護渣的降溫速度由步驟三中實時計算得到的鑄坯 表面的溫度即坯殼表面溫度T shell決定的，結晶器內的保護渣冷卻速率近似等于鑄坯表面的 冷卻速率。
[0025] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟五中，所述cU為沿拉坯方 向，結晶器壁與鑄坯間不同位置液態保護渣渣膜厚度的數據集合。
[0026] 本發明一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，步驟五中，計算沿拉坯方向分 布的結晶器壁與鑄坯之間的液渣膜厚度cU時，是結合保護渣的物性參數，所述物性參數包 括液態渣導熱系數、輻射系數、保護渣結晶溫度和結晶器熱流密度q int、坯殼表面溫度Tshell， 來計算的。其優化計算以及所用公式如下：
[0031] 上述式子中，辦為液渣膜總熱阻m2 · K/W;Ri。為液渣膜導熱熱阻，m2 · K/W;hir為液 渣膜輻射傳熱系數，W/m2 · K;ksi為液態渣導熱系數，W/m · K;ai為液態渣的吸收系數nfShh 為鑄坯的發射率；為結晶態保護渣的發射率;m為反射因子;σΒ為Stefan-Boltzmann常 數，W/(m 2 ·Κ4);
[0032] 其中1^、&1、￡^、￡町、111、(^為已知的參數(通過查閱手冊即可得出）；聯立以上幾個 式子可以得到結晶器壁與鑄坯之間的液渣膜厚度du
[0033] 其他計算沿拉坯方向分布的結晶器壁與鑄坯之間的液渣膜厚度cU的方法也可用 于本發明。
[0034]本發明的優點：
[0035]采用連鑄結晶器初始凝固模擬裝置(ZL201110301430.3)，能夠很方便的設置與實 際工業生產接近的連鑄工藝參數，同時以工業保護渣和鋼鐵為原料，因此實驗過程能夠很 好還原實際連鑄過程中結晶器內鋼液的初始凝固行為；以實測的結晶器內溫度和實測鑄坯 厚度為基礎，能更準確的反算出結晶器熱面的熱流密度、鑄坯表面溫度和鑄坯表面熱流密 度;結合保護渣物性參數，其中保護渣的結晶溫度通過SHTT實驗測得，計算出液態渣厚度， 為準確把握結晶器內保護渣的潤滑、傳熱和液態摩擦力的計算提供可靠數據。
【附圖說明】
[0036] 圖1為熱電偶安裝位置、保護渣膜分布和坯殼生長剖面示意圖；
[0037] 圖2為一個振動周期內結晶器的速度及位移；
[0038] 圖3為計算的沿拉坯方向分布的結晶器熱面的熱流密度；
[0039]圖4為測量的鑄坯厚度；
[0040]圖5為計算的沿拉坯方向分布的鑄坯表面的溫度；
[0041 ]圖6為計算的沿拉坯方向分布的鑄坯表面的熱流密度；
[0042] 圖7為結晶器壁與鑄坯表面間液渣厚度的分布；
[0043] 圖1為熱電偶安裝位置、保護渣膜分布和坯殼生長剖面示意圖；熱電偶排列在彎月 面附近的結晶器臂內，矩形AB⑶為二維傳熱數學模型的計算區域，六8、8(：、00^0分別為邊界 位置;在彎月面附近，鋼液接觸水冷結晶器臂凝固形成初始凝固坯殼，隨著拉坯往下厚度不 斷長大；同時在結晶器振動下，液態保護渣滲入結晶器壁與坯殼表面間的縫隙，在結晶器壁 的冷卻作用下形成靠近結晶器壁的固態渣膜和靠近鑄坯表面的液態渣膜，渣膜起到控制傳 熱的作用，使坯殼傳熱均勻，并且液渣膜起到潤滑的作用，減少拉坯時的摩擦阻力；最后液 態渣膜厚度逐漸變薄至為零;Z方向為拉坯的方向，X渣膜厚度方向。
[0044] 從圖2可以看出結晶器一個振動周期T = 0.5s內結晶器上下運動過程中每一時刻 對應的速度和位移。
[0045] 從圖3可以看出計算得到的沿拉坯方向分布的結晶器熱面AB每一點對應的熱流密 度qint，其中Z = 0mm處對應鑄還的尖端。
[0046] 從圖4可以看出測量所得的鑄坯厚度;其實施方案為實驗結束后，沿拉坯方向截取 鑄坯的縱截面，接著測得鑄坯沿拉坯方向的厚度。
[0047] 從圖5和圖6可以看出利用凝固反問題Levenberg-Marquardt method算法所求解 出的還殼表面沿拉還方向分布的溫度Tshell沿拉還方向分布的熱流密度qshell。
[0048]從圖7可以看出沿拉坯方向的結晶器壁與鑄坯表面間液渣厚度cU與位置Z的關系。
【具體實施方式】
[0049] 下面通過具體的實施例，結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
[0050] 本實施例中，為了計算結晶器振動過程中的保護渣渣耗，具體包括以下步驟：
[0051 ]步驟1、準備好實驗用鋼和實驗用保護渣；
[0052]本發明實施例中，所用鋼種為超低碳鋼，成分如下表1所示；所用保護渣堿度為 0.96，成分如表2所不；
[0053] 表1超低碳鋼成份(wt%).
[0055] 表2保護渣成份(wt% ).
[0057]步驟2、采用連鑄結晶器內凝固模擬裝置進行實驗，設定好連鑄參數，所述參數包 括振動頻率、振動幅度、澆注溫度和冷卻條件，啟動試驗裝置，按照設定的所述參數進行連 鑄實驗；
[0058]本實施例中，連鑄結晶器內凝固模擬裝置采用專利號為ZL201110301430.3的連鑄 結晶器內鋼液凝固模擬裝置，該裝置在專利中公開了結構，屬于公知常識;設定的具體的連 鑄參數為：拉速l〇mm/S，振動頻率2Hz(即振動周期T = 0.5s)，振動幅度3mm，澆注溫度1555 °C，冷卻水流量3.0L/min，水溫24°C;按照所設定的參數，一個振動周期內結晶器的振動速 度Vm及振動位移EV如圖2所示；
[0059] 步驟3、實驗過程中利用埋藏在結晶器銅板內的熱電偶以一定速率采集連鑄過程 中的溫度并存儲于計算機中，基于實測的溫度，反算得到結晶器熱面的熱流密度；
[0060] (1)結晶器銅板中心面安裝兩排深淺不同的熱電偶，距離結晶器壁的距離分別為 3mm和8mm，熱電偶共有八行，從上到下，行之間的距離分別為3mm、3mm、3mm、3mm、3mm、6mm、 10mm，如圖1所示；
[0061] (2)快速熱電偶的測溫頻率設為60Hz，通過數據采集卡及相配套的軟件采集并存 儲熱電偶測得的溫度；
[0062] (3)基于實測的溫度，將溫度數據代入結晶器二維傳熱數學模型2DIHCP for mold heat flux軟件，得到結晶器熱面(AB)的熱流密度qint如圖3所示，鑄坯尖端所在位置Z = 〇mm，尖端以上Z值為負，尖端以下Z值為正；
[0063] 步驟4、切取實驗后初始凝固鑄坯并測量出坯殼沿拉坯方向的厚度，利用鑄坯厚度 反算出坯殼表面沿拉坯方向分布的溫度和熱流密度；
[0064] (1)連鑄過程完成后，將凝固鑄坯從結晶器上取下來，采用輪廓儀測定鑄坯沿拉坯 向上的厚度分布，如圖4所示；
[0065] (2)基于測量的鑄坯厚度，采用一維凝固傳熱反問題模型（1DITPS)反算出坯殼表 面沿拉坯方向分布的溫度和熱流密度，鑄坯表面溫度Tshell如圖5所示，鑄坯表面熱流密度 qsheii如圖6所示；
[0066] 步驟5、結合保護渣的物性參數，所述物性參數包括液態渣導熱系數、輻射系數、保 護渣結晶溫度，在步驟2和步驟3的基礎上，計算出沿拉坯方向分布的結晶器壁與鑄坯之間 的液渣膜厚度di;
[0067] (1)保護渣冷卻速率近似的等于鑄坯表面溫度的下降速率：
[0068] (1800K-1600K)/2. Os = 100K/s
[0069] (2)在100K/s的冷卻速率下，使用單熱電偶技術（SHTT)測量保護渣結晶溫度Ts〇i， 為 1050°C;
[0070] (3)視結晶器、渣膜和鑄坯間的傳熱為X方向上的一維傳熱，基于能量守恒，結合保 護渣物性參數、結晶器熱流密度、鑄坯表面溫度，液態渣膜厚度的計算可聯立以下方程：

[0075] 上述式子中，辦為液渣膜總熱阻m2 · K/W;Ri。為液渣膜導熱熱阻，m2 · K/W;hir為液 渣膜輻射傳熱系數，W/m2 · K;ksi為液態渣導熱系數，W/m · K;ai為液態渣的吸收系數nfShh 為鑄坯的發射率；為結晶態保護渣的發射率;m為反射因子;σΒ為Stefan-Boltzmann常 數，W/(m 2 ·Κ4);
[0076] 上述四個方程中，共有四個未知量和cU，聯立以上四個方程可以得到液 渣膜厚度的分布，如圖7所示。
【主權項】
1. 一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟一 基于實驗室小型連鑄實驗模擬工廠鋼鐵連鑄過程;采集結晶器內的熱電偶測量的溫度 數據，并傳給數據處理設備； 步驟二 數據處理設備將采集好的溫度數據代入結晶器傳熱數學模型，實時計算通過結晶器熱 面各點的熱流密度qint; 步驟Ξ 切取實驗后初始凝固巧殼并測量出巧殼沿拉巧方向的厚度，利用巧殼厚度、鋼水誘鑄 溫度和鋼的傳熱學物理性能參數反算出巧殼表面沿拉巧方向分布的溫度Tshell和沿拉巧方 向分布的熱流密度qshell; 步驟四 測量保護渣的結晶溫度Tsoi; 步驟五 計算出沿拉巧方向分布的結晶器壁與鑄巧之間的液渣膜厚度山。2. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 一中，所述連鑄實驗，采用連鑄結晶器內凝固模擬裝置，設定好連鑄參數，所述參數包括振 動頻率、振動幅度、誘注溫度，啟動試驗裝置，按照設定的所述參數進行連鑄實驗;所述振動 頻率為1-甜Z、振動幅度為l-6mm、誘注溫度為鋼的液相線溫度W上1〇-50 C。3. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 二中，所述結晶器內，沿拉巧方向安裝兩排熱電偶;所述兩排熱電偶均平行于結晶器的熱 面。4. 根據權利要求3-種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:沿著高度方 向，在垂直結晶器熱面的結晶器壁內縱剖面內，安裝兩組熱電偶，第一組熱電偶設置在同一 條豎直線上;在第一組熱電偶與其所對應的結晶器熱面間設有第二組熱電偶，第二組熱電 偶可W不在同一條豎直線上。5. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 二中，所述qint為沿拉巧方向，兩排熱電偶所平行結晶器熱面上各點的熱流密度集合。6. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 二中，所述傳熱數學模型為二維傳熱數學模型。7. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 Ξ中，利用凝固反問題Levenberg-Ma巧uardt me化od算法來求解巧殼表面沿拉巧方向分布 的溫度Tshell和沿拉巧方向分布的熱流密度qshell。8. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 四中，通過SHTT實驗，測得保護渣的結晶溫度TsDi。9. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于:步驟 五中，所述di為沿拉巧方向，結晶器壁與鑄巧間不同位置液態保護渣渣膜厚度的數據集合。10. 根據權利要求1所述的一種連鑄結晶器內液渣膜厚度的測試方法，其特征在于：步 驟五中，沿拉巧方向分布的結晶器壁與鑄巧之間的液渣膜厚度計算公式如下：上述式子中，Ri為液渣膜總熱阻m2 · K/W;Ri。為液渣膜導熱熱阻，m2 · K/W;hir為液渣膜福 射傳熱系數，W/V · K;ksi為液態渣導熱系數，W/m · K;ai為液態渣的吸收系數nfi;esh為鑄巧 的發射率；ε。巧為結晶態保護渣的發射率；m為反射因子；日B為Stefan-Boltzmann常數，W/ (m2 ·護）； 其中431、日1、634、6。巧、111、啡為已知的參數;聯立^上幾個式子可^得到結晶器壁與鑄巧 之間的液渣膜厚度山。
【文檔編號】G01B21/08GK106092020SQ201610390708
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610390708.1, CN 106092020 A, CN 106092020A, CN 201610390708, CN-A-106092020, CN106092020 A, CN106092020A, CN201610390708, CN201610390708.1
【發明人】王萬林, 張海輝, 呂培生, 龍旭凱, 肖丹, 羅志燦
【申請人】中南大學