專利名稱：板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煉鋼連鑄生產(chǎn)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)和方法，用于連鑄坯二冷凝固過程的仿真模擬。
背景技術(shù)：
連續(xù)鑄鋼就是通過輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱方式使過熱、潛熱和顯熱三部分的能量釋放，把液態(tài)鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w鋼的加工過程。連鑄的正常生產(chǎn)操作中，鑄坯凝固進(jìn)程直接影響著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，二冷區(qū)的冷卻凝固是鑄坯凝固的中心環(huán)節(jié)，在鑄機(jī)設(shè)備和操作工藝一定的情況下，二次冷卻對(duì)鑄坯質(zhì)量起決定作用。連鑄坯內(nèi)部裂紋、表面裂紋、鼓肚、菱變(脫方)、中心偏析等缺陷的形成與二次冷卻有緊密的聯(lián)系。為確保連鑄機(jī)的高產(chǎn)量和良好的鑄坯質(zhì)量，必須根據(jù)鋼種、澆注斷面、澆注溫度、 拉坯速度和鑄機(jī)幾何尺寸等參數(shù)來制定連鑄機(jī)二冷區(qū)合適的冷卻制度。而二冷制度的制定首先必須掌握鑄坯的溫度變化，即凝固傳熱過程。實(shí)際生產(chǎn)中，由于真實(shí)連鑄條件下的凝固過程難于直接觀察或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，多種因素的影響較為復(fù)雜，而且相互制約，因此很難通過實(shí)驗(yàn)研究的方法來對(duì)連鑄過程進(jìn)行研究。針對(duì)連鑄的一系列問題，開發(fā)適合連鑄特點(diǎn)的凝固冷卻仿真系統(tǒng)，有效的預(yù)測(cè)和研究連鑄坯的凝固過程，對(duì)于冷卻區(qū)的合理配水、防止事故發(fā)生、提高鑄坯質(zhì)量等都有很重要的意義。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)的板坯連鑄二次冷卻仿真系統(tǒng)，并未對(duì)鑄坯凝固傳熱過程的復(fù)雜性深入涉及，工藝參數(shù)確定多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不能真實(shí)反應(yīng)鑄坯的凝固傳熱過程。同時(shí)，通用性和擴(kuò)展性差，工藝條件變化時(shí)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種通用可擴(kuò)展的板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)和方法，用于連鑄坯二冷凝固過程的仿真模擬，能更真實(shí)反應(yīng)鑄坯的凝固傳熱過程，并不再完全依賴經(jīng)驗(yàn)值，能夠根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行控制和優(yōu)化現(xiàn)有參數(shù)，從而更能精確反映鑄坯表面溫度變化的信息。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)，其特征在于包括工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元，用于仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前對(duì)模型中所需的工藝條件、鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及冷卻參數(shù)的輸入；計(jì)算條件設(shè)置單元，基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，工藝條件建立凝固傳熱方程以構(gòu)建仿真模型；仿真計(jì)算單元，用于結(jié)合初始條件和邊界條件根據(jù)所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行工藝模型結(jié)果計(jì)算；結(jié)果顯示單元，用于對(duì)仿真計(jì)算單元所計(jì)算出的鑄坯溫度場(chǎng)及凝固特征結(jié)果進(jìn)行顯不；
4
擴(kuò)展單元，用于仿真過程中調(diào)用和/或存放直接用于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)或參數(shù)，并能對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和修改操作。所述的工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元用于啟動(dòng)仿真系統(tǒng)前對(duì)模型中所需的三種參數(shù)的輸入，三種參數(shù)分別為包含鋼種、澆注溫度、拉速、鑄坯斷面尺寸的工藝條件參數(shù)，包含鑄機(jī)二冷分區(qū)、輥列布置、噴嘴布置的鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及包含二次冷卻水量、環(huán)境溫度的冷卻參數(shù)。所述的計(jì)算條件設(shè)置單元，將拉速、澆注溫度作為初始條件代入仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行邊界條件設(shè)置，以建立凝固傳熱方程；所設(shè)置的邊界條件中的換熱系數(shù)按照兩棍間的不同傳熱方式進(jìn)行設(shè)置，基于二冷回路中的每一種邊界換熱條件并采用非平均換熱系數(shù)模型， 綜合考慮兩輥之間不同冷卻區(qū)域鑄坯表面熱量傳遞的四種方式鑄坯表面自然對(duì)流及輻射散熱、冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱、鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱；按不同冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)或者按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)；不同傳熱方式選擇不同的計(jì)算公式，直接選取或自行輸入公式均可；在設(shè)備和工藝參數(shù)確定時(shí)，冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流傳熱的熱量根據(jù)噴嘴的熱態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。各冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)各區(qū)的綜合換熱系數(shù)h為
Ij Λ _l h Δ _L h Δ _L hΔh ~roUnat八nat 丁 'lYadj^rad 丁 11 spray八spray
Λ
八totalhroll, hnat、hMd、hspray分別為鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱、鑄坯表面自然對(duì)流散熱、鑄坯表面輻射散熱及冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)；按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)，兩輥間采取不同的冷卻換熱系數(shù)hrall、hnat、hMd、hspray代入所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行計(jì)算。所述的仿真計(jì)算單元，用于將初始條件及邊界條件代入基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件而建立的凝固傳熱方程，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間、空間步長(zhǎng)劃分，并對(duì)凝固傳熱方程進(jìn)行求解。所述的擴(kuò)展單元即為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)具有可供調(diào)用和/或存放的多種鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、多種鋼種的熱物性參數(shù)、多種噴嘴型號(hào)及與噴嘴型號(hào)相關(guān)的冷態(tài)及熱態(tài)性能參數(shù)；且數(shù)據(jù)庫(kù)存放的參數(shù)數(shù)據(jù)均能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)情況自行增加和修改。一種板坯連鑄二次冷卻離線仿真方法，其特征在于包含以下步驟步驟一、在仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元對(duì)模型中所需的工藝條件、鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及冷卻參數(shù)進(jìn)行輸入；步驟二、通過計(jì)算條件設(shè)置單元并基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件建立凝固傳熱方程以構(gòu)建仿真模型；步驟三、利用仿真計(jì)算單元，結(jié)合初始條件和邊界條件根據(jù)所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行工藝模型結(jié)果計(jì)算；步驟四、通過結(jié)果顯示單元對(duì)仿真計(jì)算單元所計(jì)算出的鑄坯溫度場(chǎng)及凝固特征結(jié)果進(jìn)行顯示；在上述步驟中，通過擴(kuò)展單元調(diào)用和/或存放能夠直接用于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)或參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和修改操作。步驟一中，通過工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元在啟動(dòng)仿真系統(tǒng)前對(duì)模型中所需輸入的三種參數(shù)分別為包含鋼種、澆注溫度、拉速、鑄坯斷面尺寸的工藝條件參數(shù)，包含鑄機(jī)二冷分區(qū)、輥列布置、噴嘴布置的鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及包含二次冷卻水量、環(huán)境溫度的冷卻參數(shù)；
步驟二中，通過計(jì)算條件設(shè)置單元，將拉速、澆注溫度作為初始條件代入仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行邊界條件設(shè)置，以建立凝固傳熱方程；按照兩棍間的不同傳熱方式設(shè)置邊界條件中的換熱系數(shù)，基于二冷回路中的每一種邊界換熱條件并采用非平均換熱系數(shù)模型，綜合考慮兩輥之間不同冷卻區(qū)域鑄坯表面熱量傳遞的四種方式鑄坯表面自然對(duì)流及輻射散熱、冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱、鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱；按不同冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)或者按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)；不同傳熱方式選擇不同的計(jì)算公式，直接選取或自行輸入公式均可；在設(shè)備和工藝參數(shù)確定時(shí)，冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流傳熱的熱量根據(jù)噴嘴的熱態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；步驟三中，通過仿真計(jì)算單元，將初始條件及邊界條件代入基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件而建立的凝固傳熱方程，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間、空間步長(zhǎng)劃分，并對(duì)凝固傳熱方程進(jìn)行求解；各步驟中，通過擴(kuò)展單元調(diào)用和/或存放數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的多種鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、多種鋼種的熱物性參數(shù)、多種噴嘴型號(hào)及與噴嘴型號(hào)相關(guān)的冷態(tài)及熱態(tài)性能參數(shù)；并根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)情況自行增加和修改數(shù)據(jù)庫(kù)存放的參數(shù)。進(jìn)一步地，步驟二中，各冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)各區(qū)的綜合換熱系數(shù)h為
權(quán)利要求
1.一種板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)，其特征在于包括工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元，用于仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前對(duì)模型中所需的工藝條件、鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及冷卻參數(shù)的輸入；計(jì)算條件設(shè)置單元，基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，工藝條件建立凝固傳熱方程以構(gòu)建仿真模型；仿真計(jì)算單元，用于結(jié)合初始條件和邊界條件根據(jù)所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行工藝模型結(jié)果計(jì)算；結(jié)果顯示單元，用于對(duì)仿真計(jì)算單元所計(jì)算出的鑄坯溫度場(chǎng)及凝固特征結(jié)果進(jìn)行顯示；擴(kuò)展單元，用于仿真過程中調(diào)用和/或存放直接用于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)或參數(shù)，并能對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和修改操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元用于啟動(dòng)仿真系統(tǒng)前對(duì)模型中所需的三種參數(shù)的輸入，三種參數(shù)分別為包含鋼種、澆注溫度、拉速、鑄坯斷面尺寸的工藝條件參數(shù)，包含鑄機(jī)二冷分區(qū)、輥列布置、噴嘴布置的鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及包含二次冷卻水量、環(huán)境溫度的冷卻參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的計(jì)算條件設(shè)置單元，將拉速、澆注溫度作為初始條件代入仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行邊界條件設(shè)置，以建立凝固傳熱方程；所設(shè)置的邊界條件中的換熱系數(shù)按照兩棍間的不同傳熱方式進(jìn)行設(shè)置，基于二冷回路中的每一種邊界換熱條件并采用非平均換熱系數(shù)模型，綜合考慮兩輥之間不同冷卻區(qū)域鑄坯表面熱量傳遞的四種方式鑄坯表面自然對(duì)流及輻射散熱、冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱、鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱；按不同冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)或者按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)；不同傳熱方式選擇不同的計(jì)算公式，直接選取或自行輸入公式均可；在設(shè)備和工藝參數(shù)確定時(shí)，冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流傳熱的熱量根據(jù)噴嘴的熱態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于各冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)各區(qū)的綜合換熱系數(shù)h為h — Koii j^roii + hnatAnat + hradArad + hspray AsprayΛ八totalhroll> hnat、hrad、hspray分別為鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱、鑄坯表面自然對(duì)流散熱、鑄坯表面輻射散熱及冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)；按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)，兩輥間采取不同的冷卻換熱系數(shù)hrall、hnat、hMd、hspray代入所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的仿真計(jì)算單元，用于將初始條件及邊界條件代入基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件而建立的凝固傳熱方程，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間、空間步長(zhǎng)劃分，并對(duì)凝固傳熱方程進(jìn)行求解。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿真系統(tǒng)，其特征在于所述的擴(kuò)展單元即為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)， 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)具有可供調(diào)用和/或存放的多種鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、多種鋼種的熱物性參數(shù)、多種噴嘴型號(hào)及與噴嘴型號(hào)相關(guān)的冷態(tài)及熱態(tài)性能參數(shù)；且數(shù)據(jù)庫(kù)存放的參數(shù)數(shù)據(jù)均能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)情況自行增加和修改。
7.—種板坯連鑄二次冷卻離線仿真方法，其特征在于包含以下步驟步驟一、在仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元對(duì)模型中所需的工藝條件、鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及冷卻參數(shù)進(jìn)行輸入；步驟二、通過計(jì)算條件設(shè)置單元并基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件建立凝固傳熱方程以構(gòu)建仿真模型；步驟三、利用仿真計(jì)算單元，結(jié)合初始條件和邊界條件根據(jù)所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行工藝模型結(jié)果計(jì)算；步驟四、通過結(jié)果顯示單元對(duì)仿真計(jì)算單元所計(jì)算出的鑄坯溫度場(chǎng)及凝固特征結(jié)果進(jìn)行顯不；在上述步驟中，通過擴(kuò)展單元調(diào)用和/或存放能夠直接用于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)或參數(shù)， 并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和修改操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于步驟一中，通過工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元在啟動(dòng)仿真系統(tǒng)前對(duì)模型中所需輸入的三種參數(shù)分別為包含鋼種、澆注溫度、拉速、鑄坯斷面尺寸的工藝條件參數(shù)，包含鑄機(jī)二冷分區(qū)、 輥列布置、噴嘴布置的鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及包含二次冷卻水量、環(huán)境溫度的冷卻參數(shù)；步驟二中，通過計(jì)算條件設(shè)置單元，將拉速、澆注溫度作為初始條件代入仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行邊界條件設(shè)置，以建立凝固傳熱方程；按照兩棍間的不同傳熱方式設(shè)置邊界條件中的換熱系數(shù)，基于二冷回路中的每一種邊界換熱條件并采用非平均換熱系數(shù)模型，綜合考慮兩輥之間不同冷卻區(qū)域鑄坯表面熱量傳遞的四種方式鑄坯表面自然對(duì)流及輻射散熱、冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流換熱、鑄坯與支撐輥接觸導(dǎo)熱；按不同冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)或者按照棍子進(jìn)行分段設(shè)計(jì)；不同傳熱方式選擇不同的計(jì)算公式，直接選取或自行輸入公式均可；在設(shè)備和工藝參數(shù)確定時(shí)，冷卻水與鑄坯表面強(qiáng)制對(duì)流傳熱的熱量根據(jù)噴嘴的熱態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；步驟三中，通過仿真計(jì)算單元，將初始條件及邊界條件代入基于鑄機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝條件而建立的凝固傳熱方程，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間、空間步長(zhǎng)劃分，并對(duì)凝固傳熱方程進(jìn)行求解；各步驟中，通過擴(kuò)展單元調(diào)用和/或存放數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)的鑄機(jī)參數(shù)、多種鋼種的熱物性參數(shù)、多種噴嘴型號(hào)及與噴嘴型號(hào)相關(guān)的冷態(tài)及熱態(tài)性能參數(shù)；并根據(jù)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)情況自行增加和修改數(shù)據(jù)庫(kù)存放的參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于步驟二中，各冷卻區(qū)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)時(shí)各區(qū)的綜合換熱系數(shù)h為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種板坯連鑄二次冷卻離線仿真系統(tǒng)和方法，工藝設(shè)備參數(shù)設(shè)定單元在仿真系統(tǒng)啟動(dòng)前對(duì)模型中所需的參數(shù)的輸入；計(jì)算條件設(shè)置單元用于建立凝固傳熱方程；仿真計(jì)算單元根據(jù)所建立的凝固傳熱方程進(jìn)行模型結(jié)果計(jì)算；結(jié)果顯示單元用于對(duì)仿真計(jì)算單元所計(jì)算出的鑄坯溫度場(chǎng)及凝固特征進(jìn)行顯示；擴(kuò)展單元用于存放直接用于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)或參數(shù)并能對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和修改，供用戶直接選取。綜合考慮二冷區(qū)鑄坯表面熱量傳遞的幾種方式，能精確反映鑄坯表面溫度變化的信息；全面考慮鋼種的熱物性參數(shù)以及不同噴嘴的冷態(tài)及熱態(tài)性能參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具有良好的通用性和擴(kuò)展性，參數(shù)選取不再完全依靠經(jīng)驗(yàn)值。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102508943SQ20111030208
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者葉理德, 幸偉, 徐永斌, 徐海倫, 鄧維, 邵遠(yuǎn)敬, 馬春武 申請(qǐng)人:中冶南方工程技術(shù)有限公司