连铸结晶器传热软件的开发与应用-庞维成.doc

连铸结晶器传热分析软件的开发与应用 庞维成 刘 欢 （东北大学） （上海梅山钢铁股份公司炼钢厂）摘要：结合自行开发的连铸结晶器传热分析软件，介绍了该软件的功能及在结晶器传热分析、坯壳厚度计算和综合传热系数分析等方面的应用情况。关键词：连铸 结晶器 传热 计算机 软件DEVELOPMENT AND APPLICATION OF HEAT TRANSFER ANALUSIS SOFTWARE IN CONTINUOUS CASTING MOLD Pangweicheng Liuhuan (Northeastern University) (Shanghai Meishan Iron&Steel Co.,LTD.)1 引言连铸坯凝固是一个传热过程，结晶器是一个换热器，大量的研究工作表明，导致铸坯产生缺陷的主要因素是由于结晶器造渣受阻、形成气隙等原因引起的从液流到结晶器之间的不均匀传热。结晶器内钢水凝固传热不仅影响着结晶器的热工特性，而且是制定合理连铸制度的关键。其性能好坏直接关系到铸坯质量及铸机生产率，所以，结晶器的传热问题一直是研究的热点。连铸结晶器是连铸机的心脏，连铸坯的表面质量主要取决于结晶器内初生坯壳凝固均匀性、弯月面传热，铸坯表面裂纹、漏钢常常是由于结晶器初生坯壳凝固不均匀造成的，而凝固不均匀是由于连铸坯与结晶器之间的传热不均匀引起的。因此，连铸结晶器运行热状态的好坏直接影响到铸坯初生坯壳的质量，通过对结晶器热状态及工艺分析可以评估裂纹形成，控制结晶器热状态可以为高效连铸及无缺陷铸坯的生产创造必要条件。结晶器传热分析数据采集和计算工作量大，针对结晶器凝固传热问题进行的试验研究及软件开发，并结合宝钢集团梅山炼钢厂的相关研究项目通过对结晶器热状态跟踪，结合现场温度数据和现场工艺参数的综合分析，以建立铸坯表面质量与连铸工艺参数的分析模型，提出合理的工艺制度，为指导连铸生产和稳定铸坯质量提供理论依据。2 结晶器传热计算与分析软件的结构分析本设计采用现有分析软件和开发专用软件相结合，对结晶器传热、坯壳厚度、结晶器实时温度数据进行计算及分析，根据所掌握的数据和计算结果经可视化处理，可获得直观的图形结果。针对结晶器传热计算、坯壳厚度计算与分析和实时温度数据分析的实际情况，结合现有的分析软件，开发结晶器凝固传热软件，实现对结晶器其他参数，如结晶器热阻、综合换热系数、平均热流等和坯壳厚度的计算与分析功能，并且内置计算所需的各种常用参数，可生成可保留的分析曲线，以方便用户进行数据输入、计算与后期分析等。结晶器凝固传热计算与分析软件大致可分为两大模块结晶器传热计算与分析模块和实时温度分析模块。结晶器传热计算与分析模块包括：热阻计算与分析、综合换热系数计算与分析、坯壳厚度计算与分析和平均热流的计算与分析。它们的具体关系如图3-1所示。根据软件应实现的功能和用户需求决定使用Windows2000操作系统为开发平台，C+Builder5.0为开发工具。它是一种面向对象的、可视化的快速应用程序开发环境。C+Builder以C语言为基础，并加入许多对象的概念以及充分利用了图形化用户接口(GUI)的优点。所以 C+BUILDER被认为是一个图形工具。另外，C+BUILDER也可使用数据库标准操作语句SQL进行通讯 。结晶器凝固传热计算与分析坯壳厚度计算与分析结晶器传热计算与分析推导公式传统公式平均热流综合换热系数热阻冷却水与铜板表面间膜层热阻结晶器铜板热阻结晶器与铸坯间空隙热阻保护渣膜层的热阻凝固坯壳热阻熔钢与凝固坯壳间膜层热阻冷却水与结晶器铜板间换热量图2-1 结晶器传热计算与分析框图 C+BUILDER为应用开发提供全面、综合性的支持,主要特点是：事件驱动的应用程序；面向对象的编程；跨平台开发。3结晶器传热计算模块的实现该部分主要由两大模块组成，它们分别是结晶器传热计算模块和坯壳厚度计算模块。3.1结晶器传热计算及分析模块此模块主要由三部分组成：热阻计算、综合换热系数计算和平均热流计算。主窗口如图3-2所示。3.1.1综合换热系数计算结晶器中钢水的散热可分为垂直方向（拉坯方向）散热和水平方向散热。拉坯方向散热较小，经理论计算，它仅占结晶器总散热量的36%，结晶器中钢水沿水平方向传热有以下过程：1)钢水向坯壳的对流传热；2)凝固坯壳中传导传热；3)凝固坯壳与结晶器壁传热；4)结晶器壁传导传热；5)冷却水与结晶器壁的强制对流传热。由于在横向上钢水温度梯度最大，故可将此过程看作一维传热，其热流密度为： (3.1)综合传热系数为： (3.2)一般结晶器综合传热系数是通过实测结晶器进出冷却水温度、水流量和拉坯速度等工艺参数后计算得到的。计算步骤如下：单位时间内冷却水带走的热量： (3.3)结晶器综合传热系数： (3.4) 图3-2 结晶器传热计算与分析软件主窗体传热系数将通过测温数据及现场实测结晶器进出冷却水温度、水流量和拉坯速度等工艺参数综合分析得到。综合传热系数计算界面见图3-3。图3-3 综合传热系数计算界面3.1.2结晶器热阻分析本模块分别计算1）冷却水与结晶器铜板表面间的膜层热阻R1；2）结晶器铜板的热阻R2；3）由结晶器与铸坯间的空隙所产生的热阻R3；4）保护渣膜层的热阻R4；5）凝固坯壳的热阻R5；6）熔钢与凝固坯壳间的膜层热阻R6。结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：RT=R1+R2+R3+R4+R5+R6 （3.5）钢水沿结晶器壁传给冷却水的热量可表示为：Q=h(Ta-Tw)F （3.6）式中：Ta 钢水温度；Tw 冷却水温度；F 结晶器有效传热面积。总热阻及结晶器换热量界面见图3-4。图3-4 总热阻及结晶器换热量界面3.1.3平均热流计算与分析实际上通过测定总导热系数来计算结晶器导出热量是很困难的，为便于应用，结晶器导热能力常用平均热流方法表示：=Q/F=(Wct)/F (3.7)式中：W 冷却水流量；C 冷却水比热容；t 进出水温差；F 结晶器有效传热面积。平均热流计算界面见图3-5。图3-5 平均热流计算界面3.2坯壳厚度计算模块坯壳生长服从的凝固平方根定律,根据该定律可知影响坯壳厚度的因素有三个：凝固系数、结晶器长度和拉速。其中凝固系数受多种因素的影响，如结晶器冷却水、钢水温度、结晶器形状参数、保护渣等，目前凝固系数主要靠经验选取或通过实验确定，在实际应用中有一定难度。为了能分析钢液与结晶器冷却水之间的传热关系，并得到坯壳厚度与结晶器冷却强度及拉速之间的变化规律，本计算采用斯蒂芬凝固定律进行分析。根据传统的凝固平方根定律，坯壳厚度的表达式为： （3.8）式中 凝固系数K是一个受多种因素影响的参数，只能通过实验或经验选取。通过斯蒂芬凝固方程分析推导，得坯壳厚度与冷却强度及拉坯速度之间的关系式为： (3.9) 式(3.9)给出了坯壳厚度与冷却水的流量和拉坯速度的关系，并包含了钢流对坯壳的冲击速度及钢水过热度的影响。在拉坯速度一定的情况下，已知冷却水的流量，便可确定坯壳在结晶器的任一水平层的厚度。根据公式（3.9），定义窗体如图3-6所示。图3-6 计算坯壳厚度界面4结晶器传热计算与分析模块应用4.1结晶器传热计算与分析结合梅山炼钢厂的研究项目，取凝固坯壳表面的平均温度T1（K），T1=0.3t1+0.7t2，其中，t1:固相线温度，对于Q235A钢 t1=1763K；t2:液相线温度，t2=1792K；所以 T1=0.31763+0.71792 =1766.1K。结晶器冷却水的平均温度T2（K），进口水温度17.5+273K,出口水温度23+273K，所以 T2=293.25K。计算结晶器的总热阻RT为3.4X10-48.4X10-4 （m2hK/KJ）。其中，冷却水与结晶器铜板表面间的膜层热阻R1与冷却水流速的关系见图4-1；由结晶器与铸坯间的空隙所产生的热阻R3与气隙间的关系见图4-2；坯壳厚度热阻与热阻关系图 4-3。图 4-1 冷却水流速与热阻关系图4-2 气隙与热阻关系图 4-3 坯壳厚度与热阻关系从计算和分析可知，结晶器的各种热阻中，R1、R2、R4、R6是很小的，而R3和R5却很大。由此可得出结论，冷却水流速（在水缝面积一定时，流速决定了水量）的变化对于R1的影响很小，过分的加大冷却水量并不是提高结晶器导热性能的有效途径，注意结晶器冷却水温度差的控制与管理是极其重要的。在连铸生产中由于坯壳在凝固过程中的收缩，会在结晶器内腔和坯壳之间形成气隙，这是影响结晶器导热的最主要因素。因此把结晶器设计成倒锥度，在结晶器中采用合适保护渣，采用合理的结晶器夹紧力控制装置及合理的结晶器倒锥度等，以增加坯壳与结晶器内壁之间的有效接触面积，是相当重要的。铸造速度对结晶器的导热性能的影响很大。通过计算可知，影响结晶器导热性能的因素很多，在结晶器铜板材质、结构尺寸、加紧方式确定的情况下，为保持凝固坯壳与结晶器铜板的良好接触，关键在于结晶器的倒锥度设计合理，选择合适的保护渣品种，操作中尽可能采取高速和恒速铸造（满足结晶器出口处的凝固坯壳有一定的厚度条件下）。在结晶器冷却水的控制方面，保持一定的冷却水量是必要的。但关键在于控制冷却水的平均温度，有实际意义的是控制冷却水的进水温度。4.2坯壳厚度分析分析梅钢结晶器的结构和操作工艺参数，各因素对坯壳厚度的影响，采用斯蒂芬凝固公式进行了分析计算。计算选用的钢种为：Q235A。计算分析了过热度、结晶器进出口水温差、冷却水量、拉速、结晶器液面高度、铸坯截面等因素对坯壳厚度的影响。冷却水量取11001500L/min；钢的高温物性参数为：=7.0103kg/m3；c=0.77kJ/kg.K；=4.5510-3kg/m.s；=24W/m.K；L=310kJ/kg；计算中取钢液对坯壳的冲击速度为0.4m/s。其中，坯壳厚度与拉速的关系见图4-4；坯壳厚度与过热度的关系见图4-5。图4-4 坯壳厚度拉速曲线图4-5 坯壳厚度过热度曲线由分析可知，坯壳厚度受多种因素影响，如过热度、拉速、结晶器液位高度、冷却水进出口水温差、冷却水量及工艺操作条件、设备状况、保护渣性能等。要获得理想的坯壳厚度，要从过热度、拉速、结晶器高度、冷却水进出口水温差、冷却水量等多方面考虑。在可控的因素内，其中，拉速、过热度、结晶器冷却水进出口温差对坯壳厚度的影响最大，为获得均匀的坯壳厚度，应重点控制好这三个因素。从目前的生产状况看，应首先控制好过热度，从而稳定拉速；从现场采集到的一冷水进口温度及进出口温差来看，一冷水进口温度偏低（约18左右）, 进出口温差还可提高。铸坯截面对坯壳厚度的影响也是十分明显的，随着铸坯截面的改变应相应控制好拉速。4.3结晶器综合传热系数的分析针对梅山炼钢厂的结晶器情况，在现场通过计算机或手工采集数据，分析计算综合换热系数，对其结晶器传热进行分析。例如计算机采集数据，炉次：1003931，中包温度：1544，计算结果见表4-1和表4-2。表4-1 一流计算结果（拉速：0.96m/min）综合传热系数(W/m2.)结晶器有效传热面积mm2钢水传出热量(W)热流密度(J/cm2.s)外弧宽边740.47926500.01043708.62112.7右侧窄边717.13178500.0194563.19109.0左侧窄边806.01178500.0218555.12122.4内弧宽边703.40926500.0991634.31107.0表4-2 二流计算结果（拉速：0.91m/min）综合传热系数(W/m2.)结晶器有效传热面积mm2钢水传出热量(W)热流密度(J/cm2.s)外弧宽边706.99841500.0905417.31107.6右侧窄边774.24178500.0209944.98117.6左侧窄边783.82178500.0212527.92119.1内弧宽边697.28841500.0893037.81106.1通过分析计算可知，结晶器四块铜板的传热状况不一样，从计算机采集的数据看，外弧宽边铜板综合传热系数大于内弧宽边的综合传热系数，左侧窄边铜板的综合传热系数大于右侧窄边的综合传热系数；结晶器四块铜板的传热状况不一样，这导致从钢水中带走的热量不同，将影响坯壳的均匀形成；外弧宽边铜板传热大于内弧宽边的传热符合一般的规律。5 结论结晶器传热计算与分析软件的开发，实现了热阻计算与分析、综合换热系数计算与分析、坯壳厚度计算与分