連鑄結(jié)晶器壁溫度及瞬時熱流量計(jì)算

連鑄結(jié)晶器壁溫度及瞬時熱流量計(jì)算

連鑄結(jié)晶器預(yù)制輥的換熱量用于測定結(jié)晶器板的溫度，以便確認(rèn)彎曲。當(dāng)結(jié)晶器板突然上升時，表明結(jié)晶器的硬化殼變薄。由于這種上升的幅度和相同系列水溫的差異，可以通過人工智能預(yù)測漏鋼。該技術(shù)已被世界許多鋼所采用。例如，美國內(nèi)陸鋼鐵公司、日本新日鐵鋼公司、韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司和中國保山鋼鐵公司都有這項(xiàng)技術(shù)。利用晶體裝置壁的溫度，也可以研究晶體裝置壁的熱流。在文獻(xiàn)中，假設(shè)寬面板的結(jié)晶器壁的熱流量可分為三個方面：上部、中部和底部。使用結(jié)晶器寬面上三、九個電機(jī)的溫度，并使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算頂部、中部和底部的熱流。布里斯科貝爾等人在stelcoflerianmove為兩流弧形板的連鑄機(jī)上埋了14個螺母，詳細(xì)測量了晶體裝置板的溫度變化，并使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算了晶體裝置壁的瞬熱。中國的大多數(shù)基于單元板的閉合熱量。在這項(xiàng)工作中，我們建立了一個基于國內(nèi)傳感器板的數(shù)學(xué)模型，測量了我國傳感器板的熱面溫度，并計(jì)算了晶體裝置板的溫度、瞬熱和渣圈的厚度。1結(jié)晶器銅的溫度模型由于結(jié)晶器拉漏預(yù)報的熱電偶是采用一點(diǎn)測溫,如圖1所示.因此,無法直接將結(jié)晶器銅板溫度轉(zhuǎn)化為熱流量,需利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,以得到經(jīng)過驗(yàn)證的合理瞬時熱流量.1.1結(jié)晶器鋁板溫度由于結(jié)晶器銅板、連鑄坯及冷卻水之間的傳熱非常復(fù)雜,因此,在建立數(shù)學(xué)模型時,需要做如下假設(shè):(1)結(jié)晶器銅板、冷卻水及連鑄坯之間的傳熱為穩(wěn)態(tài),即驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型所用的結(jié)晶器銅板溫度為某段時間內(nèi)的平均值;(2)根據(jù)現(xiàn)場觀察,完全可忽略結(jié)晶器水縫冷卻水的核態(tài)沸騰;(3)假定水縫內(nèi)冷卻水為塞流,并忽略冷卻水與冷卻水箱背板之間的傳熱;(4)由于結(jié)晶器寬面銅板的寬度較大,在計(jì)算傳熱時完全可以轉(zhuǎn)化為二維傳熱,結(jié)晶器窄面銅板僅有縱向一排熱電偶,且在高度相同時,窄面銅板橫向溫差較小,計(jì)算銅板溫度也可簡化為2維來處理;(5)冷卻水水縫的總長度為結(jié)晶器銅板長度的92.7%,因此,可認(rèn)為結(jié)晶器銅板自下而上都有水縫.1.2基本熱方程和邊界條件(1)結(jié)晶器冷卻水密度水縫內(nèi)冷卻水的傳熱方程為式中,入為結(jié)晶器銅板的導(dǎo)熱系數(shù),J/(s·℃.m);tm與tw分別為結(jié)晶器銅板溫度與冷卻水溫度,℃;ρw為結(jié)晶器冷卻水密度,kg/m3;uw為冷卻水流速,m/s;Cw為冷卻水比熱容,J/(kg·℃);lw為冷卻水水縫深度,m;hw為冷卻水與結(jié)晶器銅板間的換熱系數(shù),J/(m2·℃).(2)帶輻射溫度k結(jié)晶器銅板的頂面結(jié)晶器銅板的底面結(jié)晶器銅板熱面式中,qs-cu為保護(hù)渣與銅板間的輻射熱流量,W/m2;qa-Cu為空氣與銅板間的輻射熱流量,W/m2;y0為彎液面距結(jié)晶器頂面的距離,m;STB為Stefan-Bolzmann常數(shù);VF為彎液面上方結(jié)晶器銅板熱面與保護(hù)渣面的角系數(shù);εCu為銅板的黑度;εs為保護(hù)渣的黑度;tCu為銅板的表面溫度,℃;ts與ta分別為保護(hù)渣的表面溫度與空氣濕度,℃.結(jié)晶器冷卻水背板結(jié)晶器銅板冷面1.3冷卻水的傳熱及傳熱系數(shù)g計(jì)算所選用的參數(shù)主要來自文獻(xiàn):冷卻水縫水利學(xué)直徑dm=0.0084m,冷卻水比熱容Cw=4182J/(kg.℃),冷卻水的密度ρw=998kg/m3,冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)λw=0.597W/(m·℃),冷卻水粘度μw=993×10-6N·s/m2,寬面銅板冷卻水流速u=4.0—7.27m/s,窄面銅板冷卻水流速v=5.09—6.25m/s,冷卻水縫的長度L=0.838—0.854m.水縫中冷卻水與結(jié)晶器銅板之間的換熱系數(shù)為1.4渣圈與結(jié)晶器壁間的熱阻計(jì)算時做如下假設(shè):(1)忽略結(jié)晶器振動對結(jié)晶器壁熱流量的影響;(2)結(jié)晶器彎液面保護(hù)渣內(nèi)的溫度分布為穩(wěn)態(tài);(3)傳熱方式僅有傳導(dǎo)傳熱;(4)忽略保護(hù)渣沿拉速方向的傳熱(該方向的傳熱量僅有40kW/m2);(5)渣圈與結(jié)晶器壁間的熱阻為一常數(shù),Rf=0—5×10-4W-1.m2·℃,對計(jì)算結(jié)果影響很小,也可以被忽略;(6)保護(hù)渣的凝固溫度為保護(hù)渣的軟化溫度(1050℃);(7)渣圈的導(dǎo)熱系數(shù)為一常數(shù).根據(jù)Fourie定律,可寫出渣圈的傳熱方程由方程(12)可得出渣圈的厚度δrim的計(jì)算式式中,kf為結(jié)晶器保護(hù)渣的導(dǎo)熱系數(shù),為2.0W/(m·℃);qf(z)為渣圈到結(jié)晶器壁的熱流,由數(shù)學(xué)模型計(jì)算;tf,sol為保護(hù)渣的凝固溫度,為1050℃;tm(z)為結(jié)晶器壁的熱面溫度,可由數(shù)學(xué)模型計(jì)算;渣圈與結(jié)晶器壁間的熱阻Rf=2×10-4W-1.m2·℃;z為距彎液面的距離,m.利用編制的計(jì)算機(jī)程序,在計(jì)算完結(jié)晶器壁的熱面熱流量后,就可以計(jì)算出彎液面附近的渣圈厚度.2熱流分布計(jì)算根據(jù)1.2中的基本方程及相應(yīng)的邊界條件,采用數(shù)值計(jì)算的方法,計(jì)算出各情況下,結(jié)晶器壁的熱流分布(瞬時熱流量).計(jì)算時選用了國內(nèi)某一鋼廠連鑄機(jī)的數(shù)據(jù).2.1鋼板溫度分布圖2為利用現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù),采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算.所得到某廠結(jié)晶器沿縱向結(jié)晶器壁的熱流量的分布.可以看出,結(jié)品器壁熱流量分布基本上服從平方根定律,南、北兩寬面的熱流明顯高于東、西兩窄面的熱流.北面熱流平均較東、西面高420kW/m2;而南面彎液面熱流與東、西面較接近,隨距結(jié)晶器頂面距離的增加,其熱流與東西面相差逐漸變大,當(dāng)距結(jié)晶器頂面為600mm時,南面熱流與東、西面之差達(dá)到最大值(350kW/m2),其差值隨距結(jié)晶器頂面距離的增加變化不大.南、北兩面的熱流相差較大,特別是在距結(jié)晶器頂面272mm(第一排熱電偶)以上,在彎液面處南北兩面的熱流相差為最大(380kW/m2),北、南銅板兩面平均相差為130kW/m2.東、西兩面的熱流基本沒有變化,東、西兩面熱流平均相差僅有25kW/m2,而在結(jié)晶器出口處相差為最大,最大值也僅為75kW/m2.圖3a—d分別為結(jié)晶器東、西、北、南四面銅板的等溫線.可以看出,結(jié)晶器各面銅板溫度分布與相應(yīng)的熱流分布相一致,東窄面銅板的溫度分布與西窄面的分布相差不大,只是由于西面的冷卻水量及冷卻水進(jìn)出口溫差較東面高,盡管東面銅板的熱流略高于西面,但整個西面銅板溫度卻高于相同位置的東面銅板溫度;北、南兩寬面銅板溫度分布相差較大,北面銅板熱面(工作面)附近上半部的溫度高于相同位置的南面銅板近20℃,北面銅板熱面附近下半部的溫度也高于南面銅板相同位置10℃以上.圖4為結(jié)晶器南、北寬面銅板的冷、熱溫度分布.可以看出,南、北兩寬面熱面的溫度相差較大,南、北兩寬面的平均溫差為12.5℃,最大溫差達(dá)32℃,但南北兩個冷面溫度卻相差不大,冷面溫度也較低,最高處冷面溫度為北面在距結(jié)晶器上口180mm處,僅為158℃.值得注意的是在距結(jié)晶器頂面404mm處,南北銅板的熱面溫度有很大的回升,最高回升溫度達(dá)43℃(北面銅板).造成這種現(xiàn)象的原因是由于在距結(jié)晶器頂面404mm處鍍Ni層厚度由0.5mm增加到3mm,使結(jié)晶器壁的熱阻明顯增加,從而增加了結(jié)晶器銅板熱面溫度.從理論上講,由于結(jié)晶器銅板溫度的突然升高,易使鍍Ni層突然變厚處的應(yīng)力集中,發(fā)生鍍Ni層的剝落,此處是實(shí)際生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié),建議能否采用以某種曲線(拋物線)形式過渡鍍Ni層,不易采用突然將鍍Ni層由0.5mm增至3mm.2.2拉速對彎宏觀厚度的影響選定含碳量為0.08%鋼液,斷面為(1200-一1250)mm×230mm的結(jié)晶器,研究拉速對結(jié)晶器壁熱流量的影響,如圖5a,b所示.可以看出,結(jié)晶器壁寬面熱流明顯高于窄面熱流,并隨著拉速的增加,結(jié)晶器壁各面的熱流量增大,拉坯速度由0.9m/min增加到1.44m/min,結(jié)晶器寬面熱流平均增加了370kW/m2,在彎液面處熱流增加最大,為522kW/m2,窄面熱流平均增加了340kW/m2,在彎液面處熱流增加最大,為530kW/m2.由于實(shí)測到拉速為1.1m/min的熱電偶溫度第一排溫度與拉速為1.44m/min(時間持續(xù)很短)相差不大(相差僅5℃左右),使得在兩種情形下,結(jié)晶器上部熱流相差不大.圖6a,b為拉速對寬面(外弧)、窄面(西面)彎液面處渣圈厚度的影響.由此可見,隨著拉速的提高,彎液面處的渣圈厚度有所降低,拉速由0.9m/min增加到1.4m/min,寬面(外弧)的渣圈厚度平均由0.78mm降至0.48mm,降低了0.3mm;窄面(西面)彎液面附近的渣圈厚度平均由1.78降至0.86mm,降低了0.92mm,且隨距彎液面距離的增加拉速為0.9m/min的窄面渣圈較厚為2.7mm.拉速由0.9m/min增加到1.4m/min,負(fù)滑脫時間有所減小,從0.13s減小到0.074s(負(fù)滑脫率從77.3%降低到73.1%),彎液面處結(jié)晶器壁的熱流量及結(jié)晶器壁銅板溫度隨拉速的升高也有所增加,降低了彎液面處的保護(hù)渣的粘度.這些原因都會使鑄坯振痕深度有所降低.2.3碳含量對結(jié)晶器彎特厚度的影響選定拉坯速度為1.0—1.04m/min,澆注溫度為1530℃,來研究鋼液含碳量對結(jié)晶器窄面(西面)銅板熱流量影響,如圖7a所示.由圖可見,在結(jié)晶器彎液面附近,含碳量為0.25%鋼液的結(jié)晶器壁窄面熱流最小,這是由于澆注時鋼水的過熱度較其它含碳量的低.在距彎液面260mm以下,含碳量為0.1%時結(jié)晶器窄面的熱流量為最低,這主要是由于該鋼種發(fā)生包晶相變,從而在鑄坯與結(jié)晶器壁之間出現(xiàn)氣隙,使結(jié)晶器窄面熱流量降低,含碳量為0.1%時結(jié)晶器窄面熱流量與含碳量為0.25%時結(jié)晶器窄面熱流量相差不大,平均相差僅為50kW/m2左右.超低碳鋼的結(jié)晶器窄面的熱流量明顯高于其它鋼中的結(jié)晶器窄面的熱流量,對含碳量為0.006%鋼,結(jié)晶器窄面的熱流量平均分別較含碳量0.1%,0.25%時結(jié)晶器窄面熱流量高450kW/m2,390kW/m2,造成這種現(xiàn)象的原因就是超低碳鋼的結(jié)晶器冷卻水流量是其它鋼種冷卻水流量的1.3—1.4倍.圖7b為鋼液碳含量對結(jié)晶器窄面(西面)彎液面處渣圈厚度的影響.由圖可見,碳含量為0.1%和0.006%時,結(jié)晶器彎液面處的渣圈厚度基本相同,僅差0.02mm,而當(dāng)碳含量為0.25%時,彎液面處的渣圈厚度有明顯的增加,增加了0.25mm,這主要是由于碳含量為0.25%的鋼液澆注溫度(1522℃)相對低些(0.1%的澆注溫度為1542℃,0.006%的澆注溫度為1550℃),造成彎液面附近鋼液溫度及熱流量也較低,導(dǎo)致相應(yīng)的渣圈厚度較薄.碳含量對鑄坯振痕的影響是非常復(fù)雜的,特別是碳含2.4結(jié)晶器壁熱流量的影響圖8為不同冷卻水量情況下結(jié)晶器銅板寬面(外弧面)的熱流量分布.由此可見,隨著結(jié)晶器冷卻水量的減少,結(jié)晶器壁熱流量有所降低,結(jié)晶器冷卻水量由3513L/min減少到2507L/min,結(jié)晶器壁熱流量平均降低210kW/m2,隨距結(jié)晶器頂面距離的增加,結(jié)晶器壁熱流值降低幅度有所減小,且在結(jié)晶器出口處結(jié)晶器壁熱流量降低最低,為125kW/m2,而在彎液面處結(jié)晶器壁熱流量變化最大,水流量降低了1006L/min,結(jié)晶器壁彎液面處熱流量減少了380kW/m2.結(jié)晶器冷卻水量對結(jié)晶器壁熱流量的影響有正反兩方面作用,一方面是結(jié)晶器冷卻水量的變化,使得冷卻水與結(jié)晶器銅板之間的傳熱系數(shù)發(fā)生變化,結(jié)晶器冷卻水量的降低,冷卻水與結(jié)晶器銅板間的傳熱系數(shù)有所降低,使得結(jié)晶器壁的熱流量減小;另一方面是結(jié)晶器冷卻水量的變化,使得結(jié)晶器銅板熱面溫度發(fā)生變化,結(jié)晶器冷卻水量的減少,結(jié)晶器銅板熱面溫度升高,使得結(jié)晶器壁的熱流量有所增加.對國內(nèi)某廠連鑄生產(chǎn)的實(shí)際情況下,統(tǒng)計(jì)了大量的生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)(銅板溫度,拉速,冷卻水流量及溫差),發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器冷卻水流量的增加,其結(jié)晶器壁熱流量也增加.2.5熱流波動方式圖9a,b為沿寬面(外弧)銅板寬度方向(橫向)溫度的分布與及溫度相對應(yīng)沿寬面銅板寬度方向上熱流量分布.由圖可見,沿銅板橫向結(jié)晶器壁熱流量分布基本與沿銅板橫向溫度分布相一致,其熱流波動方式與銅板測溫的波動方式相同,只是第二排與第三排熱流相差很小,因?yàn)榈诙佩僋i層厚度為0.5mm,而第三排鍍Ni層厚度為3mm,造成銅板熱面到第三排測溫點(diǎn)的熱阻增加,使得與第三排測溫點(diǎn)相同高度的熱面溫度較高,這就造成第二排結(jié)晶器壁熱流量與相同位置的第三排熱流量較為接近.3拉速對結(jié)晶器壁的影響(1)根據(jù)鋼廠實(shí)測數(shù)據(jù),計(jì)算出結(jié)晶器寬面銅板熱流量高于窄面銅板的熱流量350—450kW/m2,且兩寬面銅板的熱流量呈明顯的不對稱.(2)距結(jié)晶器頂面404mm處鍍Ni層厚度的突然增加,造成各銅板的熱面溫度有很大的回升,易使鍍Ni層突變處的應(yīng)力集中,發(fā)生鍍Ni層的剝落,建議能否采用以某種曲線(拋物