二冷配水控制模型

二冷区数值模拟研究 32 二冷区数值模拟研究二冷区数值模拟研究 北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院 2005 3 1 二冷区数值模拟研究 33 1 前言前言 在连铸过程中 二次冷却的好坏与否对铸坯质量起着很重要的作用 控制的好 可以有效的防止各种表面缺陷和内部缺陷的发生 该项目研究内容之一就是以此为 出发点 通过建立连铸坯凝固传热模型 再与现场生产实际结合 从而找出合适的 配水参数 优化二冷区的冷却制度 评价现有冷却水表的使用效果 二冷配水不合理 容易产生以下质量问题 二冷区各段如果冷却不均匀 使得 铸坯表面温度呈现周期性回升 而引起坯壳膨胀 产生中间裂纹和皮下裂纹 由于二冷不当 矫直时铸坯表面温度低于900度 正好位于脆性区 在矫直力作用下 形成表面裂纹 如果冷却太弱 表面温度过高 在钢水静压力作用下 凝固壳会发 生蠕变而产生鼓肚 二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响 通常来讲 随着冷却 强度减弱 在拉速恒定情况下 凝固末端增加 钢水静压力增大 容易使偏析加重 同时易产生中心裂纹 2 连铸坯凝固传热模型及相关边界条件连铸坯凝固传热模型及相关边界条件 铸坯凝固模型示意图如下 忽略拉坯方向及宽度方向的传热 热物性 比热容 密度等 不随温度变化而 变化 并假设导热系数 K 不随温度 时间变化 得到描述热传导现象的普遍一维偏 微分方程 3 1 S x T K x T c 3 2 f H cS 图 3 1 铸坯凝固模型示意图 二冷区数值模拟研究 34 式中 p 钢的密度 kg m 3 c 钢的比热 J kg K 1 T 铸坯温度 时间 s K 导热系数 W m K 1 S 凝固潜热 kW m2 K s 二维偏微分方程如下 3 3 S y T K yx T K x T c 3 4 f H cS 初始条件 T Tc x 0 y 0 z 0 0 T 0 0 0 TS 边界条件 1 中心线上 0 y T k x T k 0 x0y 3 5 2 结晶器 wide outletinletwww wide F TT cQ q 3 6 narrow outletinletwww narrow F TT cQ q 二冷区数值模拟研究 35 widethicknessy q x T k narrowwidex q x T k 3 二冷区 TT hq wswidewide TT hq wsnarrownarrow 3 7 4 空冷区 TT TT q ws 4 w 4 s 3 8 式中 Tc 浇注温度 TS 铸坯初期表面温度 S 凝固潜热 kW m2 K s W 冷却水密度 Kg m3 QW 冷却水流量 m3 s cW 冷却水比热 J kg Fwide Fnarrow 结晶器宽 窄面面积 m2 hwide hnarrow 二冷区宽 窄面换热系数 J m2 q qwide qnarrow 铸坯表面 宽面 窄面热流 J m2 对上述方程进行离散化 得相应离散方程 如下 apTp aETE aWTW aSTS aNTN aP0 aE aW aS aN TP b 3 9 ee E k x y a ww W kx y a nn N k x x a ss S kx x a t yxc a P P 0 二冷区数值模拟研究 36 aP ap0 b 0 x y 控制容积 x y 方向的距离 m x y 节点间的距离 m ke kw kS kn 各节点的导热系数 W m K 1 aE aW aN aS 方程系数 3 连铸坯凝固传热模型有关参数的确定连铸坯凝固传热模型有关参数的确定 3 1 液相线和固相线温度的确定液相线和固相线温度的确定 钢的液 固相线温度取决于化学成分 可根据钢中的 C Si Mn P S Cu Ni 等元素的化学成分采用下列经验公式计算 液相线温度 TL 1536 90C 6 2Si 1 7Mn 28P 40S 2 6Cu 2 9Ni 1 8Cr 5 1Al 3 10 固相线温度 C 0 2 TS 1534 184CE 3 12 0 1 C 0 2 TS 1493 其中 CE 80 5C 33 5 P S 17 8Si 3 75Mn 3 4 Cu Al 1 5Cr 3Ni 80 5 3 2 钢的热容与导热系数钢的热容与导热系数 当 T TL Cp 879J kg Kl 5K 7400 kg m3 TS T TL KlS 2 5K 二冷区数值模拟研究 37 T TS K A BT W m2K Cp C DT J kg 3 3 凝固潜热凝固潜热 凝固潜热是指从液相线温度冷却到固相线温度所释放的热量 本模型采用等效比 热法处理凝固潜热 即将凝固潜热平均分配到固 液两相区内 3 13 sl f e TT L CC 3 4 二冷区换热系数的确定二冷区换热系数的确定 二冷换热系数采用日本神户制钢所推荐的计算公式 Hr AWn A n 在二冷各段取不同的数值 首先采用日本神户制钢所推荐的二冷换热系数计算公式 在不同的冷却段加上 不同的修正系数 计算铸坯的表面温度 并采用铸坯表面温度实测值对换热系数进 行修正 所计算的表面温度与在线实测铸坯的表面温度相差在 5 以下 此时的换 热系数即为二冷各段的换热系数 一段 宽面 3 14 355 0 567hrW 窄面 3 15 355 0 567hrW 二段 宽面 3 16 912 0 70 18 44116hrW 窄面 3 17 912 0 70 10 44116hrW 三段 宽面 3 18 912 0 08 10 44116hrW 窄面 3 19 912 0 70 10 44116hrW 四段 宽面 3 20 912 0 70 15 44116hrW 二冷区数值模拟研究 38 窄面 3 21 912 0 06 10 44116hrW 式中 W 为宽面或窄面的冷却水量 4 模型的主要功能及其应用模型的主要功能及其应用 用鼠标点左键击应用程序后出现如图 3 2 所示的界面 首先用鼠标左键点击菜单数据输入 出图 3 3 界面 然后用鼠标左键点击确认 按钮 即可完成数据输入 图 3 2 二冷配水软件界面图 图 3 3 二冷配水软件输入数据界面 二冷区数值模拟研究 39 如果仅想根据当地的工艺参数 确定连铸坯表面温度及凝固壳厚度变化情况 请用鼠标左键单击图 3 2 中的传热计算中的板坯传热计算即可 选择数据显示中的 不同子菜单 出现不同的界面 缺省时 显示铸坯温度文本框 如图 3 4 所示 图 3 4 计算结果对话框显示 图 3 5 计算结果铸坯中心 表面 表面平均 角部温度显示 二冷区数值模拟研究 40 若用鼠标左键单击数据显示中子菜单铸坯表面温度 则出现图 3 5 界面 如果 要显示凝固坯壳厚度随距弯液面距离的变化 单击菜单数据显示中的子菜单凝固坯 壳曲线显示 出现如图 3 6 所示的界面 如果要显示某一截面凝固坯壳厚度 固液 两相区 液相区的变化 单击菜单数据显示中的子菜单凝固坯壳图形显示 出现如 图 3 7 所示的界面 图 3 6 凝固坯壳厚度随弯液面距离的变化 二冷区数值模拟研究 41 图 3 7 凝固坯壳厚度 两相区 液相区的图形显示 计算完成后 可用鼠标左键单击计算结果中的子菜单温度计算存盘 出现图 3 8 对话框 输入文件名 TEMP 单击保存按钮 便可将弯液面距离及相应的铸坯中 心温度 表面温度 凝固壳厚度计算结果进行存盘 图 3 8 计算结果存盘的对话框 如果已知所浇的钢种 拉速等 想确定二冷各段的冷却水量 首先用鼠标左键 单击数据输入按钮 按图 3 3 要求将原始数据填全 特别要根据实际情况 钢种的 高温力学性能曲线 填写二冷区各段的目标温度数值 然后单击确认按钮 再用鼠 标左键单击冷却水量设定中的子菜单板坯各区冷却水量 如图 3 9 所示 然后再用 鼠标左键单击 Start 按钮 便可开始计算 二冷区数值模拟研究 42 图 9 各区冷却水量计算界面 如果已知所浇的钢种 拉速等 想确定二冷各段的冷却水量 首先用鼠标左键 单击数据输入按钮 按图 3 要求将原始数据填全 特别要根据实际情况 钢种的高 温力学性能曲线 填写二冷区各段的目标温度数值 然后单击确认按钮 再用鼠标 左键单击冷却水量设定中的子菜单板坯各区冷却水量 如图 3 9 所示 然后再用鼠 标左键单击 Start 按钮 便可开始计算 数据显示同传热计算中相同 只是可用鼠标 左键单击数据显示中的子菜单各区冷却水量显示 可出现图 3 10 所示的计算结果显 示 也可用鼠标左键单击结果存盘中子菜单各区冷却水量结果存盘 可将内 外弧 各扇形段的冷却水量存入所起的文件名中 整个过程与温度结果存盘相类似 在生产上有以下方面的应用 预报液相穴深度 计算具体的凝固层厚度 计算具体位置的连铸坯表面温度 模拟已有连铸机 改变工艺参数如拉速 水量等 研究其对坯壳和液相 穴的影响 以及它们与连铸温度分布的关系 从而改善操作工艺和设计 改 善连铸坯质量 提高连铸机生产率 使工艺参数优化 为设计新连铸机提供参考数据 作为对操作进行自动控制的基础 二冷区数值模拟研究 43 图 3 10 各区冷却水量计算结果显示界面 5 目标温度和冷却水的确定 依据如下的冶金准则来确定目标温度 1 冷却温度小于 200 m 2 铸坯表面 回温小于 100 m 3 进入矫直前避开脆性温度温区间 沿结晶器弯月面向下 各 点的温度见表 1 表 3 1 铸坯表面目标温度 序号距弯月面距离 mm温度 17951150 212001100 315001070 417001020 521001000 631001040 744251020 852001000 97120980 109100960 1110810940 6 求解方法 划分网格 可采用非等间距 采用显示差分方法对方程进行离散 采用 二冷区数值模拟研究 44 VsiualB 编制计算程序和软件界面 逐层对连铸坯温度 固相率等参数进行求解 7 计算结果计算结果 对拉速为 1 0m min 和 1 1m min 两种情况进行了计算 具体的各段冷却水量及 凝固终点位置如表 3 2 所示 二冷区各段长度如表 3 3 所示 表 3 2 各段冷却水量和凝固终点 冷却水量 m3 h 拉速二冷 宽面 凝固终点 m 1 段7 7 2 段4 2 3 段3 3 1 0 m min 4 段2 7 32 1 段9 72 2 段5 45 3 段3 64 1 2m min 4 段2 28 8 78 表 3 3 二冷段长度 二冷段长度 mm 1 段520 2 段1450 3 段1880 4 段2676 利用 VB 编制的二冷凝固模拟程序计算出的铸坯中心温度 宽面表面中心温度 窄面表面中心温度和坯壳厚度分别示于图 3 11 3 18 中 所有的计算都把钢水进入结 晶器的温度设定为 1520 结晶器冷却水量分别为 宽面 49 5m3 h 窄面 39 8 m3 h 图 3 11 3 14 表示拉速 1 2m min 时铸坯的冷却情况 二冷计算长度为 10 8m 液芯完全凝固时 铸坯中心温度为 1493 当到达计算终点时 铸坯中心温度为 1336 铸坯宽面表面中心温度从出结晶器时的 1499 逐渐降到 1042 整个冷却 二冷区数值模拟研究 45 过程中 温度在 2 3 段中间区域发生波动 波动幅度小于 100 其它各段也有小 波动 属于正常的回温现象 窄面表面中心温度出结晶器时为 1497 到达计算终 点时为 964 之间 与宽面表面中心温度相比 温度下降幅度要大一些 回温幅度 也略小一些 都属于正常的回温现象 当铸坯行至距离弯月面 8 24m 时 凝固坯壳 厚度就达到了 90mm 计算温度与实测温度的比较见表 4 足辊段由于未测温度 故 在此没有将其 比较 计算值与实测值的差别最大为 17 计算结果应能较好地反 映二冷区铸坯表面温度和凝固状况 表 3 4 计算温度与实测温度的比较 计算值实测值 二冷区 宽面窄面宽面窄面 一段951873945856 二段982904968899 三段10009311000925 图 3 11 铸坯中心温度 Vc 1 2m min 1300 1350 1400 1450 1500 1550 024681012 距弯月面距离 m 温度 二冷区数值模拟研究 46 图 3 12 铸坯宽面表面中心温度 Vc 1 2m min 800 1000 1200 1400 1600 024681012 距弯月面距离 m 温度 图 3 13 铸坯窄面表面中心温度 Vc 1 2m min 600 800 1000 1200 1400 1600 024681012 距弯月面距离 m 温度 图 3 14 凝固坯壳厚度 Vc 1 2m min 0 20 40 60 80 100 024681012 距弯月面距离 m 坯壳厚度 mm 图 3 15 3 18 表示拉速 1 0m min 时铸坯的冷却情况 二冷计算长度为 10 8m 二冷区数值模拟研究 47 与拉速为 1 2m min 的计算条件相比 减少了二冷区的冷却强度 液芯长度计算值为 7 32m 液芯完全凝固时 铸坯中心温度为 1493 当到达计算终点时 铸坯中心 温度为 1231 铸坯宽面表面中心温度出结晶器时为 1499 液芯完全凝固时温度 为 980 到达 10 8m 时为 998 当铸坯行至 2 7m 和 3 37m 时 即处于 2 段区间 温度波动最大 约为 79 其它各段也有小波动 属于正常的回温现象 与宽面表 面中心温度相比 窄面表面中心温度下降幅度要大一些 回温幅度也小一些 属于 正常的回温现象 窄面表面中心温度出结晶器时为 1497 液芯完全凝固时温度为 895 到达 10 8m 时为 867 当铸坯行至距离弯月面 6 87m 时 凝固坯壳厚度就 达到了 90mm 根据计算结果 铸坯进入矫直区间时 液芯已完全凝固 表面温度 均大于 950 完全能避免表面横裂 中心裂纹和中间裂纹的产生 计算温度与实 测温度的比较见表 5 计算值与实测值的差别最大为 8 二者的重合效果比 Vc 1 2m min 好 计算结果较好地反映二冷区铸坯表面温度和凝固状况 表 3 5 计算温度与实测温度的比较 计算值实测值 二冷区 宽面窄面宽面