圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法

本发明涉及冶金，尤其涉及一种圆坯连铸快换过程混合区域的判断方法。

背景技术：

1、连铸技术作为一种高效、连续的铸坯生产工艺，已成为现代钢铁生产中不可或缺的重要环节。在钢铁生产过程中，不同钢种的更替铸造是常见的操作。当需要在连铸过程中更换钢种时，通常会使用快速更换连接件作为新钢种的引锭装置。这种快速更换操作不可避免地会产生一段具有混合成分的铸坯区域，这一混合区域通常被称为交接坯。

2、交接坯由于包含前后两种钢种的混合成分，常常不符合最终产品的成分要求，因此需要降级使用，或者直接作为废钢处理。这一现象不仅影响了生产效率，还增加了原材料的浪费和生产成本。因此，准确预测交接坯的长度，对于实现连铸生产的快速连续和优化资源利用具有重要意义。

3、目前，针对连铸快换工艺的研究大多集中在中间包这一环节。中间包作为钢水暂时储存和混合的容器，其内的流场和混合行为对交接坯长度有着直接影响。然而，钢水的混合不仅仅局限于中间包内，还会在下游的结晶器内发生。因此，仅仅研究中间包内的混合情况是不够全面的，还需要对结晶器内的混合行为进行深入研究，否则无法判断混合区域的长度，在生产时使交接坯的长度过长，浪费了原料，并产生了大量的废料，因此对中间包和结晶器内的混合区域范围的判断非常重要。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其解决了现有技术中，快换工艺过程时间过长，不能准确判断混合区域长度，导致过多成本浪费的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

3、本发明提供一种圆坯连铸快换工艺过程混合区域的确定方法，包括：

4、s1、基于加工工厂信息，建立关于轴对称圆坯连铸几何模型，并基于几何模型，构建计算域；

5、其中，计算域的内容包括连接件、结晶器、二冷区和空冷区；

6、s2、将预加工的两个钢种的材料属性赋予单独的计算域中，并对两个计算域进行网格划分；

7、其中，两个钢种分别为新钢种和旧钢种，首先建立旧钢种的轴对称圆坯连铸几何模型；

8、s3、根据预先建立的旧钢种的轴对称圆坯连铸几何模型，模拟旧钢种凝固传热组分传输过程，并得到稳定的温度场分布数据和元素分布数据，以分析得到新钢种的圆坯连铸组分传输分析模型；

9、s4、停止旧钢种的浇注和拉坯，加入连接件，连接件与坯壳粘连形成新钢种引锭装置；通过新钢种引锭装置浇注新钢种，并根据新钢种生产时不同拉坯速度，计算得到混合区域溶质元素浓度变化，最后根据溶质元素浓度分布确定混合区域范围。

10、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，在s1中，轴对称圆坯连铸几何模型为二维模型，二维模型包括：水口浸入深度数据、结晶器数据、二冷一区数据、二冷二区数据、二冷三区数据、二冷四区数据和空冷区数据，且各项的位置关系沿拉坯方向依次对应设置。

11、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，在s3中，旧钢种凝固传热组分传输过程包括，通过预先设定的计算域的流场边界条件、传热条件和组分传输边界条件，结合轴对称圆坯连铸体系计算域的流场控制方程、传热控制方程和组分传输方程，得到旧钢种的圆坯连铸组分传输分析模型。

12、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中s3中的温度场分布数据，由根据公式(1)(2)(3)(4)得到，

13、

14、

15、

16、keff＝fl·kl+fs·ks (4)

17、其中，ρ为固体密度，为速度矢量，h为铸坯焓变，cps为表示固体比热容，href为参考温度下焓变，tref为参考温度，fl为液相分数，fs为固相分数，keff为考虑湍流影响有效导热系数；tl、ts分别为液相线温度和固相线温度，kl、ks分别为液相导热系数和固相导热系数；

18、s4中的新钢种引锭装置的流场分布，由根据公式(5)(6)(7)(8)得到

19、

20、

21、

22、

23、其中，ρ为固体密度，为速度矢量，分别为固相速度和液相速度，fs，fl分别为铸坯固相分数和液相分数；p为操作压力，μeff为有效粘度，βt、βc,i分别为热膨胀系数和溶质膨胀系数，t为计算温度；ci为元素i的名义浓度，ref为物理量参考值，am为渗透系数，u是混合速度,su为源相，其中公式(7)右侧第一项表示凝固过程中温度梯度和浓度梯度对热浮力和溶质浮力的影响；第二项表示焓孔隙率的影响；

24、s4中的元素浓度变化，可从元素分布数据中体现，可根据公式(9)(10)(11)(12)(13)(14)得到圆坯连铸过程中溶质元素组分传输数据：

25、

26、

27、ci＝fscs,i+flcl,i (11)

28、

29、

30、

31、其中，ds,i、dl,i分别为溶质元素在固相和液相中扩散系数，cl,i、cs,i分别为元素在液相、固相中的浓度，sct为施密特数，为混合速度，ci为物质浓度，若凝固系统保持热力学平衡，则凝固过程中的溶质再分配可以用公式(12)、(13)描述；cl,i、cs,i分别为元素在液相和固相中的浓度，上标为固液界面处的数值，l为液芯最大长度；d为铸坯厚度，vmax为最大拉速，k为凝固系数，大圆坯的凝固系数取28～30，小圆坯取的凝固系数30～32。

32、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，在s4中可判断坯壳厚度是否符合实际生产安全厚度范围，并结合此坯壳厚度所对应的拉坯速度，作为新钢种圆坯连铸时最佳拉坯速度。

33、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，在s2中，网格划分的内容包括：圆坯连铸过程中浸入式水口、结晶器、二冷一区、二冷二区、二冷三区、二冷四区和空冷区，其中，对s4中连接件的形状进行加密网格划分。

34、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，在s2中的钢种的材料属性包括：钢种的密度、比热容、粘度、导热系数、焓变、固液相线温度以及热膨胀系数、溶质元素平衡分配系数、液相线斜率、共晶温度、扩散系数以及溶质元素膨胀系数。

35、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，流场边界位置包括，浸入式水口、模型壁面和模型出口，其中，采用k-epsilon湍流方程，输入参数如公式(15)(16)(17)(18)。根据质量守恒，设置出口为outflow，浇注温度为液相线加过热度。

36、

37、

38、

39、tin＝tl+δt (18)

40、其中，ucast为铸坯拉坯速度；uin为铸坯浇铸速度；din为浇注入口半径；ds为铸坯半径；tin为浇铸温度；kin为入口处湍动能设置参数；tl为液相线温度；

41、传热边界位置包括，结晶器顶部、结晶器边界、浸入式水口壁面、二冷区域边界、空冷区域边界和铸坯模型底部；其中，空冷区域采用辐射系数0.8进行传热，铸坯模型底部采用outflow边界进行计算，不在单独设置换热；

42、组分传输边界条件包括入口组分设置和边界组分设置，其中采用lever-rule规则计算组分传输行为。

43、在一些实施例中，前述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其中，s4中，新钢种圆坯连铸凝固过程中存在湍流行为，采用rng k-epsilon湍流模型进行分析。

44、通过上述技术方案，本发明提出的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，基于cfd软件，根据实际生产中的工艺参数，建立关于轴对称圆坯连铸快换工艺过程组分传输分析模型，模拟不同拉坯速度下不同钢种混合区域的变化，最后计算得到的不同拉坯速度下混合区域的范围，并结合坯壳厚度确定符合该模型尺寸快换工艺过程最佳的新钢种拉坯速度，不同的拉坯速度会改变钢水在中间包和结晶器内的流动和混合特性，从而影响交接坯的长度，实现连铸生产的快速连续和降低成本消耗。此外，在本发明实施例提出的方法中，将快换连接件的计算纳入模型分析计算的过程，相较于现有技术中，将快换连接件简化成封闭式；

45、为了更好地理解和预测交接坯的长度，本文建立了圆坯连铸快换工艺的二维数学模型。通过这一模型，对不同钢种在快换过程中的混合行为进行了模拟和分析，特别是对钢种q355ne和42crmo在快换过程中的交接坯长度进行了详细研究。模型的建立和仿真结果为准确预测混合区域长度提供了理论基础和数据支持；

46、通过精确控制中间包和结晶器内的钢水混合行为，可以实现更高效、更经济的钢材生产，通过对中间包和结晶器内混合行为的综合分析，提出了优化连铸快换工艺的有效方法，旨在减少混合区域长度，提高生产效率和产品质量。

技术特征：

1.一种圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，在s1中，所述轴对称圆坯连铸几何模型为二维模型，所述二维模型包括：水口浸入深度数据、结晶器数据、二冷一区数据、二冷二区数据、二冷三区数据、二冷四区数据和空冷区数据，且各项的位置关系沿拉坯方向依次对应设置。

3.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，在s3中，所述旧钢种凝固传热组分传输过程包括，通过预先设定的计算域的流场边界条件、传热条件和组分传输边界条件，结合轴对称圆坯连铸体系计算域的流场控制方程、传热控制方程和组分传输方程，得到旧钢种的圆坯连铸组分传输分析模型。

4.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，s3中的温度场分布数据，由根据公式(1)(2)(3)(4)得到，

5.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，在s4中可判断所述坯壳厚度是否符合实际生产安全厚度范围，并结合此坯壳厚度所对应的拉坯速度，作为新钢种圆坯连铸时最佳拉坯速度。

6.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，在s2中，所述网格划分的内容包括：圆坯连铸过程中浸入式水口、结晶器、二冷一区、二冷二区、二冷三区、二冷四区和空冷区，其中，对s4中连接件的形状进行加密网格划分。

7.根据权利要求1所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，在s2中的所述钢种的材料属性包括：钢种的密度、比热容、粘度、导热系数、焓变、固液相线温度以及热膨胀系数、溶质元素平衡分配系数、液相线斜率、共晶温度、扩散系数以及溶质元素膨胀系数。

8.根据权利要求3所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，

9.根据权利要求3所述的圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及一种圆坯连铸快换工艺混合区域的判定方法，涉及冶金技术领域，方法包括：S1、基于加工工厂信息，建立关于轴对称圆坯连铸几何模型，并基于几何模型，构建计算域；S2、将预加工的两个钢种的材料属性赋予单独的计算域中，并对两个计算域进行网格划分；S3、根据预先建立的旧钢种的轴对称圆坯连铸几何模型，模拟旧钢种凝固传热组分传输过程，并得到稳定的温度场分布数据和元素分布数据；S4、停止旧钢种的浇注和拉坯，加入连接件，连接件与坯壳粘连形成新钢种引锭装置；通过新钢种引锭装置浇注新钢种，并根据新钢种生产时不同拉坯速度，计算得到混合区域溶质元素浓度变化，最后根据溶质元素浓度分布确定混合区域范围。

技术研发人员：姜周华,张文超,刘福斌,冷永磊,尹修刚,任立坤,邢伟,张英男
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5