专利名称：一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统和方法
技术领域：
本发明属于异型坯的连续铸造技术领域，特别涉及一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统和方法。
背景技术：
异型坯是指除了方坯、板坯、圆坯、矩形坯以外具有复杂断面的连铸坯，主要形式为H形坯，它是轧制高效节能型建筑用H型钢的最理想坯料。由于异型坯的形状和最终产品H型钢的形状相似，因此，采用异型坯轧制H型钢具有能耗低、エ序少、成材率高和成本低等显著优点。近年来，大型经济型断面型材的发展带动了异型坯连铸技术的快速发展，国内异型坯连铸生产线正在稳步增长，研究和提升异型坯连铸技术在我国乃至世界范围内都具有广阔的发展前景和深远的实用意义。与常规铸坯(板坯、方坯以及圆坯)连铸相比，异型坯连铸具有许多显著特点:ー是异型坯连铸用结晶器内腔形状较为复杂，结晶器中存在12个面和12个拐角(方坯和板坯结晶器只有4个面和4个拐角)，各面和拐角的冷却效果不同，容易造成结晶器内坯壳凝固的不均匀。ニ是异型坯表面积大，散热条件好，铸坯温度下降较快，在ニ冷区内就能完全凝固，冶金长度短；在矫直区，铸坯局部表面温度很容易处于各种钢的低温脆性区，致使矫直过程中铸坯已有表面裂纹较易扩展。三是异型坯横断面形状复杂，断面上各点的散热条件差别很大，并使得横断面上各点的温差较常规铸坯大，因此更易于产生裂纹等质量缺陷。由于异型坯具有横断面复杂、比表面积大、各部位温差大、坯壳凝固不均等特点，致使异型坯产生质量缺陷概率明显高于常规铸坯，异型坯最常见的质量缺陷如
图1所示，主要有五种，分别为:A、腹板表面纵裂纹；B、翼缘表面纵裂纹；C、腹板内裂纹；D、翼缘顶端的内裂纹；E、异型坯R角处表面纵裂纹。异型坯裂纹的形成是ー个比较复杂的过程，产生原因也很多，归纳起来主要是钢水质量、冷却条件和设备结构等三个方面；从凝固的角度来讲，裂纹的形成主要是由于凝固过程中各部位所受应カ不均匀以及各种夹杂物元素的析出；但是，裂纹产生的根源归根结底还是冷却不均匀引起的各种复杂应力。对于异型坯纵向裂纹而言，主要是由于横断面上温度分布的不均匀性引起的。从图1中异型坯常见质量缺陷可知，纵裂纹是异型坯最常见的质量缺陷，这也就说明，目前的异型坯横断面温度均匀性控制还有不足之处，提高异型坯横断面的冷却均匀性对于改善铸坯质量有至关重要的作用。现有技术下，连铸坯温度调整和冷却水量的控制主要依赖于连铸ニ冷冶金准则，ニ冷冶金准则主要包含:(I)冶金长度限制准则，铸坯应该在矫直点完全凝固而又不能过早凝固，以避免矫直时凝固前沿产生裂纹和避免拉速过低；(2)结晶器出口处表面温度限制准则；限制表面温度小于1150°C; (3)拉坯方向表面温度回升和冷却速度限制准则；限制表面温度回升小于100°C /m，冷却速度小于200°C /m ； (4) ニ冷区表面温度限制原则；为防止表面温度过高、过低和波动较大，ニ冷区铸坯表面温度限制在800 1200°C之间；(5)矫直点表面温度限制准则；为获得良好的铸坯质量，在矫直区必须使铸坯表面温度避开脆性区，低温脆性区范围在700°C和900°C之间。根据冶金ニ冷准则，可指定相应的ニ冷区目标温度曲线，并将异型坯ニ冷区从纵向上划分为若干段，每一段的水量进行独立控制，并通过水量的调整使异型坯表面温度在纵向上满足ニ冷冶金准则。但是，ニ冷冶金准则几乎都是对纵向上铸坯的温度范围和温度变化速度进行限制，对于横向上的温度均匀性方面几乎没有限制。根据这种准则所确定的目标温度曲线对于几何形状简单的铸坯(如板坯、方坯和圆坯等)相对比较适用，因为几何形状简单的铸坯，除角部是直角、属ニ维冷却且冷却速度较快外，其它部位热量导出的速度基本相当，因此，只要注意将角部进行弱冷，其它部位冷却水量相当，铸坯横断面的温差就不会很大，所产生的纵向裂纹也较少。但异型坯横断面有12面和12个拐角，其中12个面中有平面、竖直面、斜面和曲面；12个拐角中有直角、钝角和优角。面的形状和角的度数不同，热量导出速度就有差别，铸坯表面的温度就不同，并且随着冷却不断的进行，这种横向温差也是不断变化。因此，即使异型坯的表面温度完全符合ニ冷冶金准则，异型坯的横向温度依然会出现很大的温差，且这种温度还会不断的波动，从而导致异型坯容易产生大量纵向裂纹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统和方法，解决了现有技术中异型坯的裂纹缺陷较多的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统，包括划分冷却区模块、布置喷嘴模块、计算温度模块、判断模块和调整模块；其中，所述划分冷却区模块用于将异型坯横断面划分为多个冷却区；所述布置喷嘴模块用于在所述多个冷却区的上方布置喷嘴；所述计算温度模块用于计算所述异型坯的ニ维横向切片温度，并根据所述ニ维横向切片温度，计算冷却区表面平均温度和异型坯横断面表面平均温度；所述判定模块将所述冷却区表面平均温度与所述异型坯横断面表面平均温度进行比较，得到温度比较值，然后再将预设的温度差值阈值与所述温度比较值比较，并将比较结果传送至所述调整模块；所述调整模块根据所述比较结果，调整所述喷嘴的水量。一种提高异型坯横断面温度均匀性的方法，包括如下步骤:将异型坯横断面划分为多个冷却区；在所述多个冷却区的上方布置喷嘴；计算所述异型坯的ニ维横向切片温度，并根据所述ニ维横向切片温度，计算冷却区表面平均温度和异型坯横断面表面平均温度；将所述冷却区表面平均温度与所述异型坯横断面表面平均温度进行比较，得到温度比较值，然后再将预设的温度差值阈值与所述温度比较值比较，井根据所述比较结果调整所述冷却区对应的喷嘴水量，直到所述温度比较值小于所述温度差值阈值。进ー步地，所述划分冷却区的步骤具体为:将两个与异型坯的宽面中心线轴对称的喷嘴所喷淋覆盖的区域划分为ー个冷却区。 进ー步地，所述冷却区均由独立冷却水回路控制。进ー步地,所述计算ニ维横向切片温度的步骤包括:
将所述异型坯沿拉坯方向离散化成多个ニ维横向切片，分别计算得出每个所述ニ维横向切片的凝固传热微分公式以及所述凝固传热微分公式的初始条件公式和边界条件公式，根据所述凝固传热微分公式以及所述凝固传热微分公式的初始条件公式和边界条件公式，以所述异型坯的宽度方向为X轴，所述铸坯的厚度方向为Y轴，所述铸坯的运动方向为Z轴，建立每个所述ニ维横向切片的坐标系，进而得到所述ニ维横向切片温度；其中，所述凝固传热微分公式如式(I)所示:
权利要求
1.一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统，其特征在于，包括划分冷却区模块、布置喷嘴模块、计算温度模块、判断模块和调整模块； 其中，所述划分冷却区模块用于将异型坯横断面划分为多个冷却区； 所述布置喷嘴模块用于在所述多个冷却区的上方布置喷嘴； 所述计算温度模块用于计算所述异型坯的ニ维横向切片温度，并根据所述ニ维横向切片温度，计算冷却区表面平均温度和异型坯横断面表面平均温度； 所述判定模块将所述冷却区表面平均温度与所述异型坯横断面表面平均温度进行比较，得到温度比较值，然后再将预设的温度差值阈值与所述温度比较值比较，并将比较结果传送至所述调整模块； 所述调整模块根据所述比较结果，调整所述喷嘴的水量。
2.一种提高异型坯横断面温度均匀性的方法，其特征在于，包括如下步骤: 将异型坯横断面划分为多个冷却区； 在所述多个冷却区的上方布置喷嘴； 计算所述异型坯的ニ维横向切片温度，并根据所述ニ维横向切片温度，计算冷却区表面平均温度和异型坯横断面表面平均温度； 将所述冷却区表面平均温度与所述异型坯横断面表面平均温度进行比较，得到温度比较值，然后再将预设的温度差值阈值与所述温度比较值比较，井根据所述比较结果调整所述冷却区对应的喷嘴水量，直到所述温度比较值小于所述温度差值阈值。
3.根据权利要求2所 述的方法，其特征在于，所述划分冷却区的步骤具体为:将两个与异型坯的宽面中心线轴对称的喷嘴所喷淋覆盖的区域划分为ー个冷却区。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷却区均由独立冷却水回路控制。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算ニ维横向切片温度的步骤包括: 将所述异型坯沿拉坯方向离散化成多个ニ维横向切片，分别计算得出每个所述ニ维横向切片的凝固传热微分公式以及所述凝固传热微分公式的初始条件公式和边界条件公式，根据所述凝固传热微分公式以及所述凝固传热微分公式的初始条件公式和边界条件公式，以所述异型还的宽度方向为X轴,所述铸还的厚度方向为Y轴,所述铸还的运动方向为Z轴，建立每个所述ニ维横向切片的坐标系，进而得到所述ニ维横向切片温度； 其中，所述凝固传热微分公式如式(I)所示:rT(X^yj) r (t97'(x; v.Q ^ a.^.rTjx.yJ)o fDx ' axayv cy( 1、 式中，P为钢液密度；c为比热；K为导热系数；T为温度；t为时间；x, y为铸还宽度和厚度方向的坐标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在干，所述凝固传热微分公式的初始条件为所述异型坯连铸用结晶器内钢水温度等于浇注温度，具体如式(2)所示: T(x,y,0) = Tc (2) 其中，Tc为浇注温度，T &，7，0)为坐标为(1，1,0)的ニ维横向切片的温度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在干，所述凝固传热微分公式的边界条件公式如式(3)和式(4)所示:
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述横断面表面平均温度由下式(8)计算得出:
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷却区表面平均温度由下式(9)计算得出:
全文摘要
本发明公开了一种提高异型坯横断面温度均匀性的系统和方法，属于异型坯的连续铸造技术领域。该系统包括划分冷却区模块，用于将异型坯横断面划分为多个冷却区；布置喷嘴模块，用于在多个冷却区的上方布置喷嘴；计算温度模块，计算异型坯的二维横向切片温度，根据二维横向切面温度，计算冷却区表面平均温度和异型坯横断面表面平均温度；判定模块，将异型坯横断面表面平均温度与冷却区表面平均温度进行比较，得到温度比较值，并将预设的温度差值阈值与温度比较值比较；调整模块根据比较结果，调整所述喷嘴的水量。本发明大大提高了异型坯横断面温度的均匀性，避免了横断面不同部位之间因温差过大而产生裂纹。
文档编号B22D11/22GK103111595SQ201310059469
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者徐海伦, 青雪梅, 马春武, 幸伟, 徐永斌, 邵远敬, 叶理德 申请人:中冶南方工程技术有限公司