一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法

1.本发明涉及一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，属于钢铁连铸技术领域。


背景技术：

2.随着经济的高速发展和市场竞争的日益激烈，对钢铁产品性能的要求越来越高，因此对连铸生产过程提出了更高的要求。结晶器作为连铸机中最关键的部件，被称为连铸机的“心脏”。高温钢液通过浸入式水口流入到结晶器，在结晶器冷却水的作用下，形成一定形状的初生凝固坯壳。
3.在连铸过程中，结晶器内钢液初凝坯壳形成位置一般在弯月面附近，但具体位置会受到浇铸速度、浇铸温度、钢液流动状态等多种因素影响，无法确定一个固定的位置。初凝坯壳形成位置高于或低于弯月面都可能对连铸过程产生影响；如果初凝坯壳的位置过高，钢坯的凝固速度过快，会影响保护渣的熔化以及促进钩状坯壳结构(hook)的过度生长，从而引起凝固缺陷和裂纹等问题；相反，如果初凝坯壳形成位置过低，即在弯月面以下，钢液在流经弯月面时温度较高、钢液流速较快，初凝坯壳生长不稳定，容易发生变形和开裂，影响铸坯质量和表面光洁度，还容易出现涡流和旋涡等现象，导致初生坯壳夹渣的形成。因此，确定连铸结晶器钢坯初凝位置对于保证连铸过程的稳定性和铸坯质量至关重要。目前，尚未有专利提出在线监测结晶器钢坯初凝位置的方法。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，包括以下步骤：
7.步骤1：沿结晶器高度方向上，在结晶器钢坯初凝位置附近的结晶器壁内安装光纤传感器。连铸时，光纤传感器以一定的采集频率fs实时测量结晶器壁内的温度；所述fs≥10fm，fm为结晶器振动频率。
8.步骤2：将步骤1光纤传感器采集到的温度数据输入到热流密度反算模块中，计算得到结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度数据。
9.步骤3：采用线性插值的方法将结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度合成为位置-时间-热流密度云图，在云图中找到不同时刻热流密度最大值所对应的位置即为结晶器钢坯初凝位置。
10.进一步的，所述的步骤1中，沿结晶器壁高度方向，在弯月面位置以上50mm至弯月面位置以下50mm结晶器周向上布置多根光纤传感器，光纤传感器距结晶器热面水平距离为4～8mm，光纤格栅间距为2～5mm。
11.进一步的，所述的步骤2中，将步骤1光纤传感器采集到的温度数据输入到热流密
度反算模块的具体步骤为：由于结晶器热面热流密度未知，首先给结晶器热面局部热流密度赋初始值，依据初始热流密度求解温度场；之后，将结晶器壁内测点位置计算得到的温度与光纤实测温度进行比较，当计算温度与实测温度差值的均方根rms小于3k时，则认为初始热流密度与实际热流密度相符，则将初始赋值的热流密度作为结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度数据，用于步骤3构建后续位置-时间-热流密度云图；否则重新假定初始热流密度，直至均方根rms小于3k。
12.本发明的有益效果为：连铸结晶器钢坯初凝位置对于保证连铸过程的稳定性和铸坯质量非常重要。本发明通过在结晶器钢坯初凝位置附近的结晶器壁内安装光纤传感器获取结晶器壁面温度信号，采用反算方法计算结晶器热面热流密度，通过热流密度极大值所对应的位置对结晶器初凝钢坯位置进行在线监测。本方法易于实施和维护，控制精度高，绿色环保，为结晶器窄面钢坯初凝位置在线监测提供可行途径。
附图说明
13.图1为本发明在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置流程图；
14.图2为结晶器壁面光纤传感器排布示意图；
15.图3为热流密度反算流程图；
16.图4为有限体积模型网格划分与边界条件施加示意图；图4(a)为模型网格划分示意图；图4(b)为模型边界条件示意图；
17.图5为有限体积模型结晶器热面部分热流密度监测结果；
18.图6为监测热流密度合成的位置-时间-热流密度云图；
19.图7为有限体积法模拟所得到的钢坯初凝位置；
20.图8为钢坯初凝位置热流密度预测值与有限体积模型模拟值对比。
具体实施方式
21.以下结合附图，以结晶器窄面钢坯初凝位置监测结果为例，对本发明实施例进行进一步详细说明
22.实施例1
23.步骤1：弯月面附近光纤传感器的安装
24.沿结晶器高度方向，在弯月面以下50mm至弯月面以上50mm结晶器壁内安装光纤传感器，优先选择弯月面以下25mm至弯月面以上25mm结晶器壁内进行排布，排布方式如图2所示：光纤传感器距结晶器热面水平距离为l＝5mm，沿结晶器高度方向上相邻两个格栅间距为h＝2mm，光纤传感器以一定的频率(fs＝30hz)采集温度信号。
25.步骤2：计算热流密度
26.将结晶器温度传感器采集到的温度数据输入到热流反算模块中(热流密度反算流程如图3所示)，计算得到结晶器热面不同高度的热流密度。在计算域s内的热量传输过程服从傅里叶传热微分方程，在结晶器热面假定一个初始热流密度，然后求解计算域温度场，当测点处的计算温度与光纤实测温度的均方差rms小于3k，则认为假定的热流密度为铜板热面的实际热流密度。
27.步骤3:钢坯初凝位置的确定
28.采用线性插值的方法将结晶器热面不同位置热流密度合成为位置-时间-热流密度云图。在云图中找到不同时刻热流密度最大值所对应的位置，即为初凝钢坯形成位置。
29.步骤4：以数值模拟方法为例对钢坯初凝位置监测结果进行验证
30.建立有限体积模型，模拟结晶器弯月面附近钢坯传热和初始凝固行为。
31.步骤4.1:根据实际连铸工艺设备尺寸，利用网格划分软件建立等比例结晶器二维几何模型并划分结构性网格，模型网格划分如图4(a)所示。
32.步骤4.2：采用k-ε湍流模型和多相流模型(vof)为计算模型，边界条件的设置如图4(b)所示。钢种为低碳钢，钢的导热系数k
steel
、保护渣的导热系数k
slag
与粘度η
slag
是与温度有关的函数，如公式(1)-(3)所示：
33.k
steel
＝13.86+0.0113
×
(t-273.15)
ꢀꢀ
(1)
[0034][0035][0036]
t是温度(k)，k
steel
是钢的导热系数(w/(m
·
k))，k
slag
是保护渣的导热系数(w/(m
·
k))，η
slag
是保护渣的粘度(kg/(m
·
s))。
[0037]
步骤4.3：设置求解方法计算求解，模型计算稳定后，对弯月面附近结晶器壁面热流密度进行监测，监测时间为2s，监测范围为弯月面以上10mm至弯月面以下10mm，每隔2mm设置一个监测点。
[0038]
步骤4.4：根据步骤4.3热流密度的监测结果，得到弯月面附近结晶器壁面不同位置热流密度，部分热流密度监测结果如图5所示。采用线性插值的方法将结晶器热面不同位置热流密度合成为位置-时间-热流密度云图，如图6所示。在云图中找到不同时刻热流密度最大值所对应的位置即为钢坯初凝位置。
[0039]
步骤4.5：将步骤4.4通过热流密度预测所得到的钢坯初凝位置与有限体积法模拟所的得到的结果进行对比，验证预测结果的准确性。图7为有限体积法模拟所的得到的20s时钢坯初凝位置，钢坯初凝位置在弯月面以下2mm处。将不同时刻模拟得到的钢坯初凝位置与监测结果进行对比，如图8所示；通过均方根误差对监测结果和模拟结果进行误差分析，误差小于1.3mm，说明可以通过热流密度极大值所对应的位置对结晶器钢坯初凝位置进行在线监测。
[0040]
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：沿结晶器高度方向上，在结晶器钢坯初凝位置附近的结晶器壁内安装光纤传感器；连铸时，光纤传感器以一定的采集频率f
s
实时测量结晶器壁内的温度；所述f
s
≥10f
m
，f
m
为结晶器振动频率；步骤2：将步骤1光纤传感器采集到的温度数据输入到热流密度反算模块中，计算得到结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度数据；步骤3：采用线性插值的方法将结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度合成为位置-时间-热流密度云图，在云图中找到不同时刻热流密度最大值所对应的位置即为结晶器钢坯初凝位置。2.根据权利要求1所述的一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，其特征在于，所述的步骤1中，沿结晶器壁高度方向，在弯月面位置以上50mm至弯月面位置以下50mm结晶器周向上布置多根光纤传感器，光纤传感器距结晶器热面水平距离为4～8mm，光纤格栅间距为2～5mm。3.根据权利要求1所述的一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，其特征在于，所述的步骤2中，将步骤1光纤传感器采集到的温度数据输入到热流密度反算模块的具体步骤为：首先给结晶器热面局部热流密度赋初始值，依据初始热流密度求解温度场；之后，将结晶器壁内测点位置计算得到的温度与光纤实测温度进行比较，当计算温度与实测温度差值的均方根rms小于3k时，则认为初始热流密度与实际热流密度相符，则将初始赋值的热流密度作为结晶器壁内不同高度上通过结晶器热面的热流密度数据，用于步骤3构建后续位置-时间-热流密度云图；否则重新假定初始热流密度，直至均方根rms小于3k。

技术总结
本发明提供一种在线监测连铸结晶器内钢坯初凝位置的方法，属于钢铁连铸技术领域。首先，在结晶器弯月面附近结晶器壁内安装光纤传感器，获取温度信号，通过反算方法计算得到不同高度通过结晶器热面的热流密度；之后，采用线性插值的方法将结晶器热面不同位置热流密度合成为位置-时间-热流密度云图，不同时刻热流密度最大值所对应的位置，即是钢坯初凝位置。本发明监测方法安全可靠、简单易施，可实现对结晶器钢坯初凝位置的在线监测。对结晶器钢坯初凝位置的在线监测。对结晶器钢坯初凝位置的在线监测。


技术研发人员：姚曼 杨正学 魏子健 王旭东
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/1