连铸二冷控制

挠曲、不直……
……
（1）二次冷却与铸坯质量
表面缺陷 内部缺陷 形状缺陷
缺陷分类 产生原因 解决措施 相关工作
冷却不均匀
冷却强度不合理
优化喷嘴布置和选型
优化二冷水量
研究二冷边界换热机理 动态二冷配水
（2）连铸二次冷边界换热机理
二冷区散热机理示意图
（3）动态二冷配水与控制
比例控制法
Q aV b
15 20 25
到弯月面距离(m)
（8）连铸工艺参数化－拉速
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
v=0.6 v=0.8 v=1.0
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0 v=0.6 v=0.8 v=1.0
（5）本研究主要内容
1. 建立三维稳态凝固传热数学模型，并开发相应的静 态模拟仿真系统。考虑复杂的二冷边界冷却条件和 换热机理以及糊状区凝固特征； 2. 模拟不同铸机多工艺条件下的温度场，分析工艺因 素对连铸坯温度场的影响。 3. 建立用于动态二冷控制的二维非稳态数学模型，开 发动态二冷模拟仿真系统； 4. 模拟不同目标条件下的动态二冷控制过程。
连铸凝固传热与二冷控制数值模拟
报告内容
1. 绪论 2. 连铸二冷三维稳态温度场数学模型 及计算方法 3. 连铸三维温度场数值模拟 4. 连铸二冷动态控制模拟仿真 5. 结论
（1）二次冷却与铸坯质量
鼓肚 中间裂纹
表面纵裂纹
星形裂纹
常见的铸坯缺陷
（1）二次冷却与铸坯质量
缺陷类型 缺陷名称 产生原因
（8）温度场计算模块
开始 读取输入文件 三维网格剖分
设置边界条件及参数的初始值
用 TDMA方法求解 xy方向上的节点温度
更新 xy方向上的固相分数及节点温度
否
计算收敛？
是
输出计算结果
Z方向计算结束 ?
否
是
计算结束
（9）导热模型验证
初始条件 T x, y, t t 0 1000 边界条件
铸 坯 表 面 点 温 度 梯 度
350 300 250 200
铸坯厚度方向温度梯度 铸坯宽度方向温度梯度 铸坯拉坯方向温度梯度
温度梯度(℃/cm)
150 100 50 0 -50
-100 -150 -200 0 5 10 20 到弯月面距离(m) 15 25 30
（4）大方坯连铸机辊列分布
大方坯辊列分布图
1060 1040 1020 1000 980 0 2 4 6 8 10
到弯月面距离(m)
设定点温度与VAI计算结果对比
（7）大方坯温度场多工艺条件计算
4种钢4个测温点多种拉速下实测与计算温度对比
（8）连铸工艺参数化－钢种
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
Q aV 2 bV c Qi aiV bi
参数控制法（拉速串级配水控制法） 非稳态控制方法 目标表面温度动态控制法
（4）目前研究现状
1. 大部分现有模型采用基于经验公式的凝固液、固 相线温度表达式，糊状区温度和固相分数之间的 关系处理过于简单； 2. 大部分现有的模型采用平均换热系数处理二冷区 不同扇型段的冷却强度，忽略了辊子与铸坯间的 热传导，忽略了不同喷嘴型号带来的水斑形状的 差异； 3. 大部分现有模型往往取铸坯的四分之一作为研究 对象，忽略了铸机结构对热量传输的影响以及铸 坯内外弧面的差异带来的换热机理的区别；
0.0
Z
二冷区 结晶器
0 5 10
空冷区
15 到弯月面距离（m） 20 25
0 1.
1. 0
0.7
关键点温度变化曲线
1.0
7 0.
（6）大方坯温度场计算结果
1120
铸机自带温 度场模拟系统 计算5个流相 同位置点温度 取平均值与本 软件计算结果 进行对比
1100 1080
VAI VCast
温度(℃)
二冷区 结晶器
5 10
空冷区
15 20 25
到弯月面距离(m)
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
铸坯尺寸280×380 铸坯尺寸280×325
温度(℃)
铸坯尺寸对铸坯温度场的影响
二冷区 结晶器
5 10
空冷区
（5）大方坯温度场模拟结果
铸坯表面水流密度分布
铸坯表面温场
（5）大方坯温度场模拟结果
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
2 1 3 1
铸坯纵截面固相分数
1.0
0.0
温度（℃）
Y
X
2 3
1.0
0.7
7 .3 .7 0. 0 0.30
偏析裂纹/中间裂纹
三角区裂纹 内部缺陷 对角线裂纹 中心线裂纹 中心偏析/疏松 角部纵向裂纹 表面缺陷 横向表面裂纹
冷却不均，偏析严重
宽面鼓肚 窄面鼓肚 液芯末端鼓肚 冷却制度不合理 冷却不均匀 冷却不均
横向角部裂纹
铸坯鼓肚 形状缺陷 厚度偏差
冷却过强、棱边过冷、脆性区矫直
冷却制度不合理 冷却不均、辊子位置不合理
铸坯尺寸280×380 铸坯尺寸280×325
二冷区 结晶器
5 10
空冷区
15 到弯月面距离(m) 20 25
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
铸坯尺寸280×380 铸坯尺寸280×325
温度(℃)
温度(℃)
1. 绪论 2. 连铸二冷三维稳态温度场数学模型 及计算方法 3. 连铸三维温度场数值模拟 4. 连铸二冷动态控制模拟仿真 5. 结论
（1）厚板坯连铸机结构
厚板坯连铸机喷嘴与辊列布置图
（2）厚板坯连铸工艺参数
计算所用工艺参数
铸坯断面尺寸
拉速 钢种 过热度
19000mm×220mm×34200mm
Q235B 45 U71Mn
温度(℃)
温度(℃)
二冷区 结晶器
5 10 15
空冷区
20 25
到弯月面距离(m)
Q235B 45 U71Mn
温度(℃)
钢种对铸坯温度场的影响
二冷区 结晶器
5 10 15 20 25
空冷区
到弯月面距离(m)
（8）连铸工艺参数化－铸坯尺寸
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
i



（５）边界条件
结晶器内采用第二类边界条件
q 2675200 B z v
二冷区采用第三类边界条件
hnat 0.8418(Tsurface Tambient )
2 2
0.33
自然对流 辐射 水雾冷却
hrad (Tsurface Tambient )(Tsurface Tambient )
hspray 1570.0w

0.55
1.0 0.0075T
spray
a
hrool khspray
辊子接触
（6）程序整体功能结构
（7）前处理模块（边界条件处理）
二冷喷嘴布置
（7）前处理模块
读取辊列布置信息
读取喷嘴信息
读取二冷各段水量
辊子
冷却水雾 空冷辐射
计算辊列与铸坯的 接触区域 计算每个喷嘴位 置 计算每个喷嘴水流 量
内弧热流密度分布 热流密度分布
内弧温度分布 温度分布
（3）厚板坯温度场模拟结果
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 到弯月面距离(m)
中心温度 表面温度 目标温度 换热系数
（4）目前研究现状
4. 大部分现有模型对热物性参数的选择过于简单， 不能反映钢液成分、铸坯温度等因素对材料热物 性参数的影响； 5. 大多数动态控制模型是针对特定铸机的一维动态 控制，通用性不高，不能可靠地反映浇注条件频 繁发生变化的实际连铸过程； 6. 国内许多钢厂的连铸二冷模型都是与连铸机一并 从国外引进的，其传热计算、控制策略等核心算 法存在缺陷，不能满足工艺的需要求。
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
Q235B 45 U71Mn
二冷区 结晶器
5 10
空冷区
15 到弯月面距离（m） 20 25
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0
报告内容
1. 绪论 2. 连铸二冷三维稳态温度场数学模型 及计算方法 3. 连铸三维温度场数值模拟 4. 连铸二冷动态控制模拟仿真 5. 结论
（1）三维空间坐标系的建立
y x
1. 取整个铸坯为计算区域：
z
2. 可取 ¼ 铸坯为计算区域：
（2）模型基本假设
由于拉坯速度远大于拉坯方向的导热速度， 故忽略铸坯拉坯方向的导热； 忽略由于凝固冷却收缩引起的铸坯尺寸变化； 假设钢液的对流传热可用等效增强导热系数 处理； 对固定坐标系而言，假设在拉坯速度稳定的 情况下铸坯处于任一空间位置的温度不随时 间变化，即连铸凝固传热为稳态传热过程。
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
单个喷嘴水流密度分布曲线
0 -250 -200 -150 -100
水压(MPa) -50 0 50 100 到喷嘴中心距离（mm）
150
200
250
X Y
Z
试验测定结果 数值模拟结果
喷嘴水流量随水压变化曲线
FLux 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
s) 换热系数(J/m2·
温度(℃)
（3）厚板坯温度场模拟结果
换热系数 (J/m2K)
1500 辊子 1000
500
水斑
8.0
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
到弯月面距离 (m)
（3）厚板坯温度场模拟结果
Abaqus VCast
40000 35000 30000
Abaqus VCast
温度(℃)
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 10 20 30 40 50 60 时间(s) 70
温度(℃)
25000 20000 15000 10000
A
5000
B
80
90 100
wk.baidu.com
读取喷嘴性能数据
计算并输出整个铸坯表面 的水流密度分布
修正喷嘴的流量计 算水斑形状
（7）前处理模块－喷嘴流量特性
10 9 8 7
2.8 2.6 2.4 NO.1 NO.2 NO.3
NO.1 NO.2 NO.3
相对水流密度（％） 水流量(L/min)
2.2
6 2.0 5 1.8 4 1.6 3 1.4 2 1.2 1 1.0 0.1
1.0m/min Q235B 20℃
Q235B钢主要化学成分
钢种 Q235B C 0.16 Si 0.20 Mn 0.5 S 0.04 P 0.04 Cr 0.2 Ni 0.2 Cu 0.2
（3）厚板坯温度场模拟结果
水流密度分布 铸坯表面温度分布 糊状区形貌
（3）厚板坯温度场模拟结果
内弧水流密度分布 水流密度分布
（3）能量守恒方程
ρ－密度(kg/m3) Cp－定压比热(J/kg· K) keff－热传导系数(W/m· K) Sl －内热源(W/m3)
（4）凝固模型
糊状区温度
Tmush Tpure m C
i
i
i i 1 1
溶质浓度守恒
C0 Cs 1 Cl
反扩散方程
12 Ds i i i i i i Vcast Cs Vcast Cl 2 Cl Cs z z 2
y 40 q=0 q=3000
B
T (0)=1000
C A
q=5000
0
q=0
50
x
热物性参数
物性参数 (kg/m3) (J/kg· ℃) (W/m· ℃) 数值 1.0 1.0 1.0
计算相关参数
计算参数 网格数量 时间步长 数值 100×80 1.0 计算步数 1000
（9）导热模型验证－续
20000 18000 16000 14000
0
0
10
20
30
40
50 60 时间(s)
70
80
90 100
100000 90000 80000 70000
Abaqus VCast
温度(℃)
60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 10 20 30 40 50 60 时间(s) 70 80 90 100
C
报告内容