攀钢板坯连铸二冷配水模型的开发与应用.doc

攀钢板坯连铸二冷配水模型的开发与应用
陈永伍兵赵克文杨素波
摘要：通过建立连铸板坯二维非稳态传热数学模型,分析了拉速、冷却强度和钢水过热度对铸坯表面温度的影响,改进和完善了现行的二冷配水制度。为进一步扩大攀钢板坯连铸新品种和提高铸坯质量奠定了基础。关键词：板坯连铸二冷配水数学模型
DevelopmentandApplicationofModelofSecondaryCoolingWaterDistributioninSlabContinuousCastingatPanZhihuaIron&SteelCompany
ChenYongWuBingZhaoKewenYangSubo(PanZhihuaIron&SteelResearchInstitute)
Abstract：Theeffectsofcastingspeed,coolingconditionsandsuperheatonstrandsurfacetemperaturehavebeenanalyzedandthewaterdistributioninsecondarycoolingzoneshasbeenimprovedbyusingtwo-dimensionaltransientmathematicalmodelofheattransfer,whichhaveprovidedreferencesforincreasingnewsteelgradesandimprovingslabqualityatPanZhihuaIron&SteelCompany.Keywrods：slabcontinuouscastingsecondarycoolingwaterdistributionmathematicalmodel▲
1前言
攀钢1350板坯连铸机自投产以来,将所有生产钢种分为3组,套用意大利提供的3组连铸二冷水表(即3种配水制度),用于浇注低碳铝镇静钢、普碳钢及优碳钢、低合金钢。各水表对应的最高拉速分别为:1.7、1.55和1.40m/min。因此,建立和完善离线二冷传热计算模型,制定适合以1.8m/min拉速生产的二冷配水制度,是完成1.8m/min高拉速攻关目标的需要。
2数学模型的建立
2.1凝固传热方程的导出
连铸坯的凝固过程是通过水冷结晶器和二次喷淋冷却区把钢液热量带走,从而使之转变为固体的过程［1］。为了通过数模研究这一过程,以铸坯厚度方向为X轴,宽度方向为Y轴,拉坯方向为Z轴。考虑铸坯冷却的对称性,取1/4断面为研究对象,在建立数学模型前作如下假定:(1)由于拉坯方向散热量很小,大约占3%～6%,故忽略Z方向传热;(2)拉速恒定时,传热条件不随拉速变化;(3)铸坯内两相区和液相区的对流传热用等效导热系数表示,将对流传热过程等效成传导传热过程;(4)凝固过程中比热c的变化用转换热焓法处理;(5)连铸机二冷区同一冷却段冷却均匀。经上述简化后,板坯凝固的二维传热微分方程为:
(1)
根据假设(3)和(4),模型计算中引进如下方程:
(2)
(3)
将式(2)和式(3)代入式(1),得到如下的凝固传热方程:
(4)
2.2初始条件和边界条件
初始条件:
T(x,y)｜τ=0=T0(浇注温度)(5)
边界条件:铸坯中心
(6)
铸坯表面(a)结晶器
(7a)
(7b)
(b)二冷喷淋区
(8a)
(8b)
(c)空冷区
(9a)
(9b)
以上的导热方程加上初始条件和边界条件,构成了连铸坯的二维非稳态传热数学模型的基本方程组。采用有限差分法对上述方程进行离散化处理后,即可编写凝固传热数学模型。
3数学模型的校验和验证
3.1攀钢二冷条件下各冷却区“换热系数与水量(h-W)关系”的确定
根据不同拉速条件测温位置处的铸坯表面温度,及现场计算机系统采集的二冷相关参数,通过传热计算数学模型推算出各区的平均换热系数。应用最小二乘法原理,回归出攀钢连铸机二冷段各冷却区的平均换热系数与其水量的计算公式,各关系式表示如下:Ⅰ区宽面:
h=0.4218W0.5510(r=0.98)(10)
Ⅱ区:
h=0.3243W0.2740(r=0.929)(11)
Ⅲ区内弧:
h=0.3858W0.3214(r=0.963)(12)
Ⅳ区内弧:
h=0.4124W0.3885(r=0.962)(13)
Ⅴ区内弧:
h=0.5482W0.6931(r=0.986)(14)
3.2模型验证
不同拉速条件下,根据现场实际水量模型计算的铸坯表面温度、凝固坯壳厚度和凝固终点位置与实际标定结果见表1(射钉法标定凝固终点)。从表1可以看出,模型计算值与实测值基本吻合,说明所建立的数学模型真实地描述了攀钢板坯连铸凝固传热过程。
表1不同拉速下凝固坯壳厚度和铸坯表面温度实测值与计算的对比
拉速m。min-1凝固