方坯连铸二次冷却仿真通用软件的开发及应用

　　随着计算机技术的发展,从20世纪80年代以来,计算机仿真技术已逐渐应用于连铸二次冷却技术的研究中。到目前为止,在连铸凝固过程的二次冷却仿真研究方面已经作了许多工作,并已应用于连铸的生产实际,取得了较好的成绩[1,2]。

　　但是由于连铸机的机型和连铸结晶器结构参数、二冷结构布置等的千差万别,不同的铸机或者不同厂家的连铸机彼此差别很大,并且连铸过程的边界条件十分复杂,开发通用化或商业化的连铸二冷仿真软件具有相当的难度。对于连铸二冷过程的仿真和优化研究,目前通常采用的方法是针对具体厂家、具体连铸机的结构条件、所生产的品种规格和具体的连铸工艺参数等,编制相应的软件,进行模拟计算来进行研究的。对这些研究所编制的软件,某些软件根本不具备通用性;而有些软件可能在某些方面具有部分通用性[3]。这样,就限制了连铸二冷仿真技术的推广应用。

　　本研究根据方坯连铸机的特点(机型、结晶器结构参数、二冷布置),基于沿拉坯方向上移动的有限薄片层思想,建立方坯连铸凝固传热数学模型,应用面向对象的编程语言Visual Basic6.0开发了界面友好、易于使用的通用化方坯连铸二次冷却仿真软件。本文介绍方坯连铸二次冷却计算机仿真通用软件的建模思想及其主要特点,同时介绍了该软件的实际应用情况。

　　1　方坯凝固传热数学模型

　　1.1　方坯连铸凝固传热的数学描述

　　取结晶器内钢液弯月面的内弧边中心点为时空坐标系xyzτ的原点,拉坯方向为z,假想时间轴oτ与oz轴相重合。取某一大于冶金长度L的长度(取为剪切机距离结晶器上口的长度L0)为z的上界,相应的就有时间上界τ0。在该时空坐标系上定义了铸坯温度场函数t(x,y,z,τ),且有:0≤x≤D1,0≤y≤(D2/2),0≤z≤L0,0≤τ≤τ0,考虑到为方坯连铸,故方坯的边长D1=D2。由图1可见,由于铸坯两侧面的冷却具有对称性,故所涉及到的讨论空间为铸坯的1/2。

　　对于连铸坯的固相、液相和固-液两相区,铸坯的传热满足统一形式的非稳态传热偏微分方程:

　　1.2　基本假设

　　(1)由于铸坯的长度与其横断面尺寸相比要大得多,故可忽略铸坯运行方向上的传热。连铸的传热问题简化为二维问题。

　　(2)忽略凝固冷却收缩引起的铸坯尺寸变化。

　　(3)拉坯方向上铸坯某一空间点的温度不随时间变化。

　　(4)考虑了钢液的强制对流对铸坯传热的影响。将其处理成钢液的有效导热系数。

　　(5)凝固潜热平均地计入两相区的比热中。即在两相区采用等效比热Ce代替钢的比热C。此时有Ce=C-ρ·ΔH· fs/ t,其中fs为两相区凝固分数。