生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置方法及系統與流程

本發明涉及連鑄技術領域，更具體地，涉及一種生產異型坯的連鑄機噴嘴布置方法及系統。

背景技術：

異型坯與方坯和板坯鑄坯不同，它的斷面形狀復雜，斷面上各點的散熱條件差別很大，使得異型坯斷面上各點的溫差很大，表面溫度分布尤其不均勻。如果二冷段噴嘴布置稍有不合理，會加劇這種鑄坯表面溫度的不均勻性，從而加速異型坯表面鑄坯裂紋的傾向以及產生較大的鼓肚量，造成鑄坯質量缺陷和設備損耗，因此噴嘴布置是鑄機設計的一個重要環節，直接影響異形坯鑄坯質量。

目前異形坯無現有的噴嘴空間布置處理方法，只是在冷卻區內按照水量平均分布計算水流密度，也就是說冷卻回路水量L，其對應噴射鑄坯表面積為S，則水流密度為q＝L/S。

上述處理方法不考慮噴嘴分布對水流密度的影響，只是在冷卻區內做水流密度平均處理，存在以下缺點：

第一，異形坯幾何相對比較復雜，需要處理空間曲面和空間噴嘴的關系，因此上述處理方法不適合異形坯；

第二，異形坯溫度場計算中，表面水流密度作為邊界條件進行輸入，溫度計算為二維模型，如圖1所示，僅采用1/4面積作為計算區域，在異形坯橫截面上劃分網格，在拉坯方向時間推進，并不能反映整個異型坯表面的溫度情況；

第三，異形坯溫度長計算系統沒有考慮噴嘴在空間不同位置分布的差異性，各區水流密度平均處理；

第四，異形坯溫度長計算系統冷卻區與冷卻回路之間沒有建立聯系，水流密度計算比較麻煩，需要手動處理。

技術實現要素：

鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種模擬不同噴嘴布置對鑄坯溫度的影響的生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置方法及裝置。

根據本發明的一個方面，提供一種生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置方法，包括：初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度；以每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向為坐標軸，建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系；在連鑄機坐標系中，利用網格技術采用空間曲面模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；根據每一個網格的四個角點在連鑄機坐標系中的向量確定所述每一個網格的法向量；確定每一個空間著水點的輻射向量在連鑄機坐標系中相對于所在網格法向量的歐拉角；根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度χ，其中，Q為噴嘴的噴水量，f為空間著水點的水量分布密度值，θ為空間著水點的輻射向量與噴嘴噴射方向的夾角；根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度w，其中，θ₁為歐拉角，r為輻射向量；根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度和所述網格的鑄坯傳熱系數，得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

根據本發明的另一個方面，提供一種生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置系統，包括：輸入單元，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度；噴淋裝置，設置在連鑄機的二冷區，對鑄坯噴淋冷卻，包括總管、從總管分出的多個支管以及設置在支管上的多個噴嘴，所述總管上設置有進水口，所述進水口設置有閥門，通過閥門控制該噴淋裝置的開斷；鑄坯模擬單元，在連鑄機坐標系中，利用網格技術采用空間曲面模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格，根據每一個網格的四個角點在連鑄機坐標系中的向量確定所述每一個網格的法向量；噴嘴空間構建單元，以每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；角密度確定單元，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度；面密度確定單元，在連鑄機坐標系中，確定每一個空間著水點的輻射向量相對于所在網格法向量的歐拉角，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度；鑄坯溫度模擬單元，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度確定所述網格的傳熱系數，從而得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；噴嘴調整單元，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

上述生產異型坯的連鑄機噴嘴布置方法將整個異形坯外表面模擬為一個空間曲面，考慮噴嘴在空間中的分布對鑄坯表面水流密度的影響，能夠模擬不同噴嘴設置參數對鑄坯溫度的影響，從而能夠避免幅切情況對板坯角部溫度的影響，使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻。

附圖說明

通過參考以下具體實施方式及權利要求書的內容并且結合附圖，本發明的其它目的及結果將更加明白且易于理解。在附圖中：

圖1是現有技術中采用網格技術模擬異型坯的示意圖

圖2是本發明生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置方法的流程圖；

圖3是本發明噴嘴局部笛卡爾坐標的示意圖；

圖4是本發明確定水流面密度的坐標圖的示意圖；

圖5是本發明噴嘴的水量分布密度函數的示意圖

圖6是本發明生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置系統的構成框圖；

圖7是本發明噴淋裝置分段設置的示意圖；

圖8是圖7中各段噴淋裝置的噴嘴改造前設置的示意圖；

圖9是圖7中各段噴淋裝置的噴嘴改造后設置的示意圖；

圖10a和10b分別示出了改造前1段二冷區內冷卻回路和左冷卻回路的鑄坯水流面密度模擬圖；

圖10c和10d分別示出了改造后1段二冷區內冷卻回路和左冷卻回路的鑄坯水流面密度模擬圖；

圖10e示出了改造前后1段二冷區水流面密度的對比圖；

圖10f示出了改造前后1段二冷區鑄坯表面溫度的對比圖。

在附圖中，相同的附圖標記指示相似或相應的特征或功能。

具體實施方式

在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個或多個實施例的全面理解，闡述了許多具體細節。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細節的情況下實現這些實施例。在其它例子中，為了便于描述一個或多個實施例，公知的結構和設備以方框圖的形式示出。

下面將參照附圖來對根據本發明的各個實施例進行詳細描述。

圖2是本發明生產異型坯的連鑄機噴嘴布置方法的流程圖，如圖2所示，所述噴嘴布置方法包括：

首先，在步驟S100中，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度中的一個或多個；

在步驟S110中，以每一個噴嘴安裝位置為原點，噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向為坐標軸，建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，如圖3所示，x₀為一個噴嘴的安裝位置(也是原點0)，α為噴嘴的長軸噴射角度，面p為檢測平面，n₀為噴嘴噴射方向，a₀噴嘴長軸方向，b₀噴嘴短軸方向(未示出，垂直于紙面向外的方向)，在n₀和a₀定了之后，b₀＝n₀×a₀；

在步驟S120中，在連鑄機坐標系中，利用網格技術采用空間曲面模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；

在步驟S130中，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量，如圖3所示，x為空間著水點，輻射向量r和單位向量為：

r＝x-x₀

空間著水點局部Cartesian坐標(笛卡爾坐標)(ξ,η,ζ)由三個單位向量決定

ξ＝r·a₀

η＝r·b₀

ζ＝r·n₀

其中，ζ是高度，ξ和η是檢測平面坐標，輻射向量與噴射方向的夾角為：

檢測平面半徑R和輻射向量在檢測平面的輻射角φ為：

R＝r-n₀n₀·r＝r-ζn₀

從而，空間著水點x局部Cartesian坐標(ξ,η,ζ)的關系

ζ＝r cosθ；

在步驟S140中，根據每一個網格的四個角點在連鑄機坐標系中的向量確定所述每一個網格的法向量，例如，對任意異型坯空間曲面四邊形網格，其有4個角點，角點在連鑄機坐標系中的向量為：x₁、x₂、x₃、x₄，該網格的法向量n為：

e₁＝x₁+x₄

e₂＝x₁+x₂

e₃＝x₃+x₂

e₄＝x₃+x₄，

t₁＝e₃-e₁

t₂＝e₄-e₂，

n＝t₁×t₂；

其中，e₁、e₂、e₃和e₄分別為四邊形網格四個邊的中心點在連鑄機坐標系中的向量，t₁和t₂為切向量；

在步驟S150中，確定每一個空間著水點的輻射向量在連鑄機坐標系中相對于所在網格法向量的歐拉角，如圖4所示，n為網格法向，θ₁為輻射向量r在n向的歐拉角，

在步驟S160中，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度χ，如圖3所示，角密度χ定義為：

dQ＝χdΩ

其中，Q為噴嘴的噴水量，f為空間著水點的水量分布密度值，θ為空間著水點的輻射向量與噴嘴噴射方向的夾角，dΩ為網格的立體角，dS為假定接受面為通過x點的，以n為法向的表面元，dS＝ndS，

在步驟S170中，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度，如圖3和圖4所示，空間著水點所在的網格的角密度χ和面密度w的關系為，dQ＝χdΩ＝wdS，因此網格的水流面密度w為：

在步驟S180中，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度和所述網格的鑄坯傳熱系數，得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；

在步驟S190中，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

在上述步驟S160中，還包括：根據不同噴嘴在鑄坯上的檢測平面形狀(水斑形狀)確定噴嘴的水量分布密度曲線，其中，

對于檢測平面呈橢圓形的噴嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

ρ為歸一化向量，若ρ＞1，則不計算水量分布密度；

對于檢測平面呈矩形的噴嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

若：ξ＞aη＞b，則不計算水量分布密度，

其中，f(ρ)為水量分布密度函數，ρ是檢測平面上設定的等效半徑，a為檢測平面的長軸長度，b為檢測平面的短軸長度，ξ為空間著水點在局部笛卡爾坐標系中長軸方向的坐標，η為空間著水點在局部笛卡爾坐標系中短軸方向的坐標，α為噴嘴長軸的噴射角度，β為噴嘴短軸的噴射角度，φ為空間著水點在局部坐標系中的輻射向量在檢測平面的輻射角，c₀...c_M為根據噴嘴出廠設定的多個水量分布密度值進行曲線擬合得到多項式系數，如圖5所示，橫坐標為等效半徑，縱坐標為水量分布密度值，坐標圖中的“+”為噴嘴出廠設定的多個水量分布密度值，坐標中的曲線為通過水量分布密度函數與出廠設定的多個水量分布密度值根據水斑形狀進行曲線擬合(例如最小二乘擬合)得到所述噴嘴的水量分布密度曲線，從而確定水量分布密度函數多項式系數。

另外，優選地，上述噴嘴布置方法還包括：根據鑄坯水流面密度設計二冷段的長度，也就是說，上述設置參數還包括二冷段長度，所述二冷段長度不小于從結晶器下口到鑄坯凝固點的長度，根據鑄坯水流面密度調整鑄坯中心溫度曲線，從而獲得鑄坯凝固點。

上述鑄坯表面溫度變化曲線和鑄坯中心溫度曲線包括三維曲線和二維曲線中的一種或多種，其中所述三維曲線以網格坐標為面坐標，以溫度為縱坐標；所述二維曲線包括沿拉坯方向各網格的溫度變化曲線、沿鑄坯寬度方向各網格的溫度變化曲線以及以距離結晶器彎月面的距離為縱坐標，以鑄坯寬度方向為橫坐標，以不同顏色代表鑄坯不同橫縱坐標處鑄坯的溫度的二維鑄坯溫度模擬圖。

另外，優選地，上述噴嘴布置方法還包括：

生成鑄坯水流面密度曲線或鑄坯水流面密度模擬圖，其中，所述水流面密度曲線為沿拉坯方向各網格的水流面密度變化曲線以及沿鑄坯寬度方向各網格的水流面密度變化曲線，所述鑄坯水流面密度模擬圖橫坐標為距離結晶器彎月面的長度，縱坐標為鑄坯寬度，通過圖形顯示各噴嘴在鑄坯上形成水斑，通過不同顏色及顏色深淺表示水流面密度。

上述生產異型坯的連鑄機噴嘴布置方法建立了冷卻區-冷卻回路-噴嘴布置之間的聯系，考慮噴嘴在空間中的分布對鑄坯表面水流密度的影響，能夠模擬不同噴嘴布置對鑄坯溫度的影響，從而評估噴嘴系統的好壞。

圖6是本發明生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置系統的構成框圖，如圖6所示，所述生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置系統100包括：

輸入單元110，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度中的一個或多個；

噴淋裝置120，設置在連鑄機的二冷區，對鑄坯噴淋冷卻，包括總管(未示出)、從總管分出的多個支管(未示出)以及設置在支管上的多個噴嘴121(圖8示出)，所述總管上設置有進水口(未示出)，所述進水口設置有閥門(未示出)，通過閥門控制該噴淋裝置的開斷；

鑄坯模擬單元140，在連鑄機坐標系中，利用網格技術采用空間曲面模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格，根據每一個網格的四個角點在連鑄機坐標系中的向量確定所述每一個網格的法向量；

噴嘴空間構建單元130，以輸入單元110中每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；

角密度確定單元150，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度；

面密度確定單元160，在連鑄機坐標系中，確定每一個空間著水點的輻射向量相對于所在網格法向量的歐拉角，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度；

鑄坯溫度模擬單元170，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度確定所述網格的傳熱系數，從而得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；

噴嘴調整單元180，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數；

水流面密度模擬單元190，根據面密度確定單元確定的各網格的水流面密度生成鑄坯水流面密度曲線或鑄坯水流面密度模擬圖。

優選地，如圖7所示，所述噴淋裝置分段設置，每一段噴淋裝置均設置至少一個閥門，也就是說，在結晶器出口到拉矯機長度內多個噴嘴沿拉坯方向分段設置，每一段的噴淋裝置的多個噴嘴至少由一個閥門控制，不同閥門控制的不同噴嘴形成多個冷卻回路，不同段或者同一段噴淋裝置可以采用不同類型的噴嘴(全水噴嘴、噴霧噴嘴、橢圓噴嘴、矩形噴嘴等)，進一步優選地，所述每一段的噴淋裝置的多個噴嘴由多個閥門控制，形成多個冷卻回路，例如，所述每一段的多個噴嘴按照連鑄機的內弧曲線、外弧曲線、鑄坯的左側面和右側面分成內冷卻回路n、外冷卻回路w、左冷卻回路z和右冷卻回路y(圖8示出)，所述內冷卻回路n、外冷卻回路w、左冷卻回路z和右冷卻回路y由1～4個閥門控制。

優選地，還包括：水量分布密度曲線擬合單元，根據不同噴嘴在鑄坯上的檢測平面形狀(水斑形狀)設置不同的等效半徑，通過與所述等效半徑相關的水量分布密度函數和出廠設定的多個水量分布密度值根據水斑形狀進行曲線擬合(例如最小二乘擬合)得到每一個噴嘴的水量分布密度曲線。

上述生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置系統基于異型坯傳熱模型和噴嘴布置設計工具，通過調整冷卻區段的劃分和噴嘴的空間分布，實現鑄坯表面溫度均勻，從而評估二冷噴淋系統的設計，進而改進鑄坯質量。

如圖8和9所示，異型坯包括翼緣、腹板，連接翼緣和腹板的R角處，翼緣和R角處的表面為曲面，并帶有一定的傾斜角度，噴嘴噴射角度在側邊垂直于鑄坯表面，由于在內外弧一般有一定的傾斜角度，而且不同的噴嘴其高度也不一樣，因此需要進行單獨處理翼緣和R角處幾何信息，計算區域為鑄坯表面，也就是說鑄坯的翼緣和R角處的網格采用角點向量得到網格的法向量，腹板處網格為矩形，垂直線即為腹板處網格的法線。

圖7-圖10是本發明生產異型坯的連鑄機的噴嘴布置方法及系統的一個具體實施例的示意圖，如圖7所示，采用全弧型連鑄機生產異型坯，所述全弧型連鑄機包括3個扇形段和一個拉矯機段，二冷段分成5段設置在扇形段上，噴嘴布置在連鑄機的支撐輥周圍，優選地，從噴嘴輥間布置，翼緣處的支撐輥偏轉角度越小，則噴嘴噴射在R角處的水流密度越大，鑄坯越不容易發生鼓肚，進一步，優選地，在布置輥間噴嘴時，還根據噴嘴水流量分布調整噴嘴的安裝位置，使的噴嘴的噴射中心線對準R角處，使水流密度最大的地方發生在R角處。

圖7中各段的噴嘴初始布置如圖8所示，采用圖8所示的二冷段噴嘴布置生產異型坯，產生了鑄坯表面溫度不均勻，溫度梯度大，在R角處產生鼓肚的現象，因此，根據鑄坯表面溫度曲線和鑄坯水流面密度模擬圖對各段的噴嘴進行了調整，調整后各段的噴嘴布置如圖9所示，1段二冷區的內冷卻回路n和外冷卻回路w的噴嘴數由2個變為3個，左冷卻回路z和右冷卻回路y的噴嘴數由1個變為2個，且改進了噴嘴間的間距和高度，2段、4段和5段二冷區對噴嘴的間距和高度進行了調整，3段二冷區內冷卻回路和外冷卻回路的噴嘴數由1個變為2個，且改進了噴嘴間的間距和高度。

以1段二冷區鑄坯表面溫度曲線和鑄坯水流面密度模擬圖為例對上述噴嘴的設置參數修改過程進行說明，圖10a和10b分別示出了改造前1段二冷區內冷卻回路和左冷卻回路的鑄坯水流面密度模擬圖，圖10c和10d分別示出了改造后1段二冷區內冷卻回路和左冷卻回路的鑄坯水流面密度模擬圖，圖10a-10d的x軸為異形坯寬度方向長度，單位為m，y軸為異形坯厚度方向長度，單位m，z軸為拉坯方向距彎月面距離，單位為m，圖10e示出了改造前后1段二冷區水流面密度的對比圖，橫坐標為異形坯表面網格序號，縱坐標為水流密度，單位m^3/(m^2s),圖10f示出了改造前后1段二冷區鑄坯表面溫度的對比圖，橫坐標為異形坯表面網格序號，縱坐標為溫度，單位℃，從10a、10b、10e和10f可以看出，噴嘴的設置參數改造前，鑄坯腹板處的水流面密度變化劇烈，容易產生裂紋，1段二冷區的鑄坯表面溫度梯度較大，溫度不均勻，因此，在增加內、外冷卻回路的噴嘴的同時，不能降低R處的水流密度，如圖8和9所述，將1段2冷區的內、外冷卻回路的噴嘴由2個改為3個，且三個噴嘴的噴射中心線均位于R角處的弧面上，為了保證鑄坯內外表面和左右表面的鑄坯表面溫度變化均勻，在左、右冷卻回路分別增加1個噴嘴，如圖10c、10d、10e和10f所示，改造后R角處的水流面密度較改進前增大，降低了鼓肚發生的概率，改造后鑄坯腹板處的水流面密度變化平穩，防止了裂紋的產生，改進后1段二冷區的鑄坯表面溫度梯度更小，溫度更均勻，更有利于鑄坯質量提高。

盡管前面公開的內容示出了本發明的示例性實施例，但是應當注意，在不背離權利要求限定的范圍的前提下，可以進行多種改變和修改。根據這里描述的發明實施例的方法權利要求的功能、步驟和/或動作不需以任何特定順序執行。此外，盡管本發明的元素可以以個體形式描述或要求，但是也可以設想具有多個元素，除非明確限制為單個元素。