本發(fā)明涉及冶金，尤其涉及一種圓坯連鑄快換過程混合區(qū)域的判斷方法。

背景技術(shù)：

1、連鑄技術(shù)作為一種高效、連續(xù)的鑄坯生產(chǎn)工藝，已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，不同鋼種的更替鑄造是常見的操作。當(dāng)需要在連鑄過程中更換鋼種時(shí)，通常會(huì)使用快速更換連接件作為新鋼種的引錠裝置。這種快速更換操作不可避免地會(huì)產(chǎn)生一段具有混合成分的鑄坯區(qū)域，這一混合區(qū)域通常被稱為交接坯。

2、交接坯由于包含前后兩種鋼種的混合成分，常常不符合最終產(chǎn)品的成分要求，因此需要降級(jí)使用，或者直接作為廢鋼處理。這一現(xiàn)象不僅影響了生產(chǎn)效率，還增加了原材料的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本。因此，準(zhǔn)確預(yù)測交接坯的長度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)的快速連續(xù)和優(yōu)化資源利用具有重要意義。

3、目前，針對(duì)連鑄快換工藝的研究大多集中在中間包這一環(huán)節(jié)。中間包作為鋼水暫時(shí)儲(chǔ)存和混合的容器，其內(nèi)的流場和混合行為對(duì)交接坯長度有著直接影響。然而，鋼水的混合不僅僅局限于中間包內(nèi)，還會(huì)在下游的結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生。因此，僅僅研究中間包內(nèi)的混合情況是不夠全面的，還需要對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的混合行為進(jìn)行深入研究，否則無法判斷混合區(qū)域的長度，在生產(chǎn)時(shí)使交接坯的長度過長，浪費(fèi)了原料，并產(chǎn)生了大量的廢料，因此對(duì)中間包和結(jié)晶器內(nèi)的混合區(qū)域范圍的判斷非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)、不足，本發(fā)明提供一種圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其解決了現(xiàn)有技術(shù)中，快換工藝過程時(shí)間過長，不能準(zhǔn)確判斷混合區(qū)域長度，導(dǎo)致過多成本浪費(fèi)的技術(shù)問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

3、本發(fā)明提供一種圓坯連鑄快換工藝過程混合區(qū)域的確定方法，包括：

4、s1、基于加工工廠信息，建立關(guān)于軸對(duì)稱圓坯連鑄幾何模型，并基于幾何模型，構(gòu)建計(jì)算域；

5、其中，計(jì)算域的內(nèi)容包括連接件、結(jié)晶器、二冷區(qū)和空冷區(qū)；

6、s2、將預(yù)加工的兩個(gè)鋼種的材料屬性賦予單獨(dú)的計(jì)算域中，并對(duì)兩個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

7、其中，兩個(gè)鋼種分別為新鋼種和舊鋼種，首先建立舊鋼種的軸對(duì)稱圓坯連鑄幾何模型；

8、s3、根據(jù)預(yù)先建立的舊鋼種的軸對(duì)稱圓坯連鑄幾何模型，模擬舊鋼種凝固傳熱組分傳輸過程，并得到穩(wěn)定的溫度場分布數(shù)據(jù)和元素分布數(shù)據(jù)，以分析得到新鋼種的圓坯連鑄組分傳輸分析模型；

9、s4、停止舊鋼種的澆注和拉坯，加入連接件，連接件與坯殼粘連形成新鋼種引錠裝置；通過新鋼種引錠裝置澆注新鋼種，并根據(jù)新鋼種生產(chǎn)時(shí)不同拉坯速度，計(jì)算得到混合區(qū)域溶質(zhì)元素濃度變化，最后根據(jù)溶質(zhì)元素濃度分布確定混合區(qū)域范圍。

10、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，在s1中，軸對(duì)稱圓坯連鑄幾何模型為二維模型，二維模型包括：水口浸入深度數(shù)據(jù)、結(jié)晶器數(shù)據(jù)、二冷一區(qū)數(shù)據(jù)、二冷二區(qū)數(shù)據(jù)、二冷三區(qū)數(shù)據(jù)、二冷四區(qū)數(shù)據(jù)和空冷區(qū)數(shù)據(jù)，且各項(xiàng)的位置關(guān)系沿拉坯方向依次對(duì)應(yīng)設(shè)置。

11、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，在s3中，舊鋼種凝固傳熱組分傳輸過程包括，通過預(yù)先設(shè)定的計(jì)算域的流場邊界條件、傳熱條件和組分傳輸邊界條件，結(jié)合軸對(duì)稱圓坯連鑄體系計(jì)算域的流場控制方程、傳熱控制方程和組分傳輸方程，得到舊鋼種的圓坯連鑄組分傳輸分析模型。

12、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中s3中的溫度場分布數(shù)據(jù)，由根據(jù)公式(1)(2)(3)(4)得到，

13、

14、

15、

16、keff＝fl·kl+fs·ks?(4)

17、其中，ρ為固體密度，為速度矢量，h為鑄坯焓變，cps為表示固體比熱容，href為參考溫度下焓變，tref為參考溫度，fl為液相分?jǐn)?shù)，fs為固相分?jǐn)?shù)，keff為考慮湍流影響有效導(dǎo)熱系數(shù)；tl、ts分別為液相線溫度和固相線溫度，kl、ks分別為液相導(dǎo)熱系數(shù)和固相導(dǎo)熱系數(shù)；

18、s4中的新鋼種引錠裝置的流場分布，由根據(jù)公式(5)(6)(7)(8)得到

19、

20、

21、

22、

23、其中，ρ為固體密度，為速度矢量，分別為固相速度和液相速度，fs，fl分別為鑄坯固相分?jǐn)?shù)和液相分?jǐn)?shù)；p為操作壓力，μeff為有效粘度，βt、βc,i分別為熱膨脹系數(shù)和溶質(zhì)膨脹系數(shù)，t為計(jì)算溫度；ci為元素i的名義濃度，ref為物理量參考值，am為滲透系數(shù)，u是混合速度,su為源相，其中公式(7)右側(cè)第一項(xiàng)表示凝固過程中溫度梯度和濃度梯度對(duì)熱浮力和溶質(zhì)浮力的影響；第二項(xiàng)表示焓孔隙率的影響；

24、s4中的元素濃度變化，可從元素分布數(shù)據(jù)中體現(xiàn)，可根據(jù)公式(9)(10)(11)(12)(13)(14)得到圓坯連鑄過程中溶質(zhì)元素組分傳輸數(shù)據(jù)：

25、

26、

27、ci＝fscs,i+flcl,i?(11)

28、

29、

30、

31、其中，ds,i、dl,i分別為溶質(zhì)元素在固相和液相中擴(kuò)散系數(shù)，cl,i、cs,i分別為元素在液相、固相中的濃度，sct為施密特?cái)?shù)，為混合速度，ci為物質(zhì)濃度，若凝固系統(tǒng)保持熱力學(xué)平衡，則凝固過程中的溶質(zhì)再分配可以用公式(12)、(13)描述；cl,i、cs,i分別為元素在液相和固相中的濃度，上標(biāo)為固液界面處的數(shù)值，l為液芯最大長度；d為鑄坯厚度，vmax為最大拉速，k為凝固系數(shù)，大圓坯的凝固系數(shù)取28～30，小圓坯取的凝固系數(shù)30～32。

32、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，在s4中可判斷坯殼厚度是否符合實(shí)際生產(chǎn)安全厚度范圍，并結(jié)合此坯殼厚度所對(duì)應(yīng)的拉坯速度，作為新鋼種圓坯連鑄時(shí)最佳拉坯速度。

33、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，在s2中，網(wǎng)格劃分的內(nèi)容包括：圓坯連鑄過程中浸入式水口、結(jié)晶器、二冷一區(qū)、二冷二區(qū)、二冷三區(qū)、二冷四區(qū)和空冷區(qū)，其中，對(duì)s4中連接件的形狀進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分。

34、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，在s2中的鋼種的材料屬性包括：鋼種的密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、焓變、固液相線溫度以及熱膨脹系數(shù)、溶質(zhì)元素平衡分配系數(shù)、液相線斜率、共晶溫度、擴(kuò)散系數(shù)以及溶質(zhì)元素膨脹系數(shù)。

35、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，流場邊界位置包括，浸入式水口、模型壁面和模型出口，其中，采用k-epsilon湍流方程，輸入?yún)?shù)如公式(15)(16)(17)(18)。根據(jù)質(zhì)量守恒，設(shè)置出口為outflow，澆注溫度為液相線加過熱度。

36、

37、

38、

39、tin＝tl+δt?(18)

40、其中，ucast為鑄坯拉坯速度；uin為鑄坯澆鑄速度；din為澆注入口半徑；ds為鑄坯半徑；tin為澆鑄溫度；kin為入口處湍動(dòng)能設(shè)置參數(shù)；tl為液相線溫度；

41、傳熱邊界位置包括，結(jié)晶器頂部、結(jié)晶器邊界、浸入式水口壁面、二冷區(qū)域邊界、空冷區(qū)域邊界和鑄坯模型底部；其中，空冷區(qū)域采用輻射系數(shù)0.8進(jìn)行傳熱，鑄坯模型底部采用outflow邊界進(jìn)行計(jì)算，不在單獨(dú)設(shè)置換熱；

42、組分傳輸邊界條件包括入口組分設(shè)置和邊界組分設(shè)置，其中采用lever-rule規(guī)則計(jì)算組分傳輸行為。

43、在一些實(shí)施例中，前述的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，其中，s4中，新鋼種圓坯連鑄凝固過程中存在湍流行為，采用rng?k-epsilon湍流模型進(jìn)行分析。

44、通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出的圓坯連鑄快換工藝混合區(qū)域的判定方法，基于cfd軟件，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)，建立關(guān)于軸對(duì)稱圓坯連鑄快換工藝過程組分傳輸分析模型，模擬不同拉坯速度下不同鋼種混合區(qū)域的變化，最后計(jì)算得到的不同拉坯速度下混合區(qū)域的范圍，并結(jié)合坯殼厚度確定符合該模型尺寸快換工藝過程最佳的新鋼種拉坯速度，不同的拉坯速度會(huì)改變鋼水在中間包和結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)和混合特性，從而影響交接坯的長度，實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)的快速連續(xù)和降低成本消耗。此外，在本發(fā)明實(shí)施例提出的方法中，將快換連接件的計(jì)算納入模型分析計(jì)算的過程，相較于現(xiàn)有技術(shù)中，將快換連接件簡化成封閉式；

45、為了更好地理解和預(yù)測交接坯的長度，本文建立了圓坯連鑄快換工藝的二維數(shù)學(xué)模型。通過這一模型，對(duì)不同鋼種在快換過程中的混合行為進(jìn)行了模擬和分析，特別是對(duì)鋼種q355ne和42crmo在快換過程中的交接坯長度進(jìn)行了詳細(xì)研究。模型的建立和仿真結(jié)果為準(zhǔn)確預(yù)測混合區(qū)域長度提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持；

46、通過精確控制中間包和結(jié)晶器內(nèi)的鋼水混合行為，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的鋼材生產(chǎn)，通過對(duì)中間包和結(jié)晶器內(nèi)混合行為的綜合分析，提出了優(yōu)化連鑄快換工藝的有效方法，旨在減少混合區(qū)域長度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。