CN109374147B - 测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于特钢冶炼领域，其公开了一种测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法,简单、有效地测量电渣重熔过程中铸锭的温度分布，为电渣重熔工艺优化提供针对性的指导意见。本发明在电渣重熔过程中，加入示踪剂如FeS确定冶炼过程中金属熔池的形状，并获得该状态下铸锭熔化边缘温度；同时，利用在结晶器和底水箱所安装的热电偶及热流量计获得该时刻下铸锭表面温度和热流量；最后，结合传热定律和分离变量法，求出该时间下铸锭的温度分布。本发明适用于所有采用电渣重熔冶炼工艺。

Description

测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法

技术领域

本发明属于特钢冶炼领域，具体涉及一种测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法。

背景技术

电渣重熔(ESR)是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源来重熔自耗电极的二次精炼法，是将金属精炼提纯和凝固结晶成形聚于一体的冶炼工艺。一般而言，该设备主要由自耗电极、熔渣、结晶器、底水箱和变压器组成。由于在通电过程中，渣池所产生的焦耳热将自耗电极熔化，金属液滴受到重力作用穿过渣池，并和渣池发生物理化学反应，使得金属液滴所含的硫和夹杂物得到有效地去除。随后，金属液滴在结晶器和底水箱作用下凝固形成铸锭。因该工艺所生产的铸锭杂质元素和夹杂物少，凝固组织致密、均匀，铸锭表面光洁等优点，在对金属材料性能要求高，尤其是特钢领域得到广泛的应用。

但是，电渣重熔工艺是在一个几近密封的环境下进行的，且相应的理论研究尚不完善，导致在电渣重熔过程中，内部冶金工艺参数尤其是铸锭温度分布难以获得。所以，在实际冶炼中，需通过反复试验来确定合理的工艺参数，成本较高，耗时较长且通用性不强。

随着计算机能力飞速发展，通过用自编软件或者商业软件如Ansys或Procast来预测电渣重熔过程中铸锭温度分布逐渐受到重视，但由于对电渣重熔过程中的机理研究尚不全面，模拟所建的相应模型都进行一定的假设，使得所预测结果的精度降低。而且，数值模拟对人员素质，计算所需的软、硬件要求较高，导致难以在生产一线进行普及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，简单、有效地测量电渣重熔过程中铸锭的温度分布，为电渣重熔工艺优化提供针对性的指导意见。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，包括以下步骤：

a.在电渣重熔过程中，在T时刻投入一定量的示踪剂，并获取T时刻下结晶器和底水箱壁面的温度及热流量；

b.在电渣重熔结束时，将电渣锭脱锭，并沿中轴线将凝固的铸锭纵向剖开，通过硫印实验显示T时刻下金属熔池形状即熔化前沿，同时，脱锭后在钢锭侧面取渣皮样品，记录位置高度和测量对应渣皮厚度，根据傅里叶传热定律，求出T时刻的结晶器冷却面和底水箱冷却面的铸锭表面温度；

c.根据硫印所示面熔化前沿的最低点为界，将铸锭分为上、下两部分，分别求取铸锭的上部分在T时刻的温度分布和铸锭的下部分在T时刻的温度分布。

作为进一步优化，步骤a还包括：

电渣重熔开始前，测量所冶炼铸锭的导热系数、渣的导热系数、结晶器导热系数、底水箱导热系数、铸锭熔点、结晶器厚度和底水箱厚度。

作为进一步优化，步骤a中，所述示踪剂采用FeS。

作为进一步优化，步骤a中，通过结晶器和底水箱安装一定数量的热电偶与热流量计来获取结晶器和底水箱壁面的温度及热流量。

作为进一步优化，所述热电偶和热流量计在结晶器和底水箱上均匀分布。

作为进一步优化，步骤b中，根据傅里叶传热定律，求出T时刻的结晶器冷却面的铸锭表面温度为：

其中，T_is为T时刻的结晶器冷却面的铸锭表面温度；T_m为T时刻下结晶器壁面温度；q_m为T时刻下结晶器壁面热流量；S_m为结晶器厚度；λ_m为结晶器导热系数；S_s为取样渣皮的厚度；λ_s为渣的导热系数；

根据傅里叶传热定律，求出T时刻的底水箱冷却面的铸锭表面温度为：

其中，T_ib为T时刻的底水箱冷却面的铸锭表面温度；T_b为T时刻下底水箱壁面温度，q_b为T时刻下底水箱壁面热流量；S_b为底水箱厚度；λ_b为底水箱导热系数。

作为进一步优化，步骤c中，所述铸锭的上部分在T时刻的温度分布根据一维导热定律求出；所述铸锭的下部分在T时刻的温度分布的求取方法为：利用分离变量法求出该区域温度分布表达式，然后对温度分布表达式进行求解，获得铸锭的下部分在T时刻的温度分布。

作为进一步优化，步骤c中，根据一维导热定律求取铸锭的上部分在T时刻的温度分布时，测量熔化前沿到铸锭表面距离s，然后根据一维导热定律，获得该部分铸锭温度与横坐标x关系为：

T_r为熔化前沿温度，最后依据该公式，获得铸锭的上部分的温度与横坐标x关系函数T_AB(x)。

作为进一步优化，步骤c中，所述铸锭的下部分在T时刻的温度分布是横坐标和纵坐标的函数，即θ(x，y)，该温度分布及边界条件可描述为：

然后根据分离变量法，将上式进行转换，则获取该区域温度分布表达式为：

最后，利用商业数学软件或者编程对温度分布表达式进行求解计算，求出该部分铸锭在T时刻的温度分布。

本发明的有益效果是：

①对测量设备及设备改造要求低，操作简单易于实施，基于实验现象和传热定律的铸锭温度分布具有一定客观性，为改善凝固组织质量具有重要的指导意义；

②将凝固过程转化为二维传热，降低求解难度及计算量，从而对计算所需的软、硬件要求较底，易于在生产一线进行推广普及。

附图说明

图1为在结晶器和底水箱布置热电偶与热流量计的示意图；

图2为对硫印所示铸锭纵剖面划分为上下两部分的示意图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，简单、有效地测量电渣重熔过程中铸锭的温度分布，为电渣重熔工艺优化提供针对性的指导意见。

本发明在电渣重熔过程中，加入示踪剂如FeS确定冶炼过程中金属熔池的形状，并获得该状态下铸锭熔化边缘温度；同时，利用在结晶器和底水箱所安装的热电偶及热流量计获得该时刻下铸锭表面温度和热流量；最后，结合传热定律和分离变量法，求出该时间下铸锭的温度分布。

本发明的方案适用于所有采用电渣重熔冶炼工艺，该方法包括投放示踪剂、测温，硫印实验，传热计算等步骤。在具体实现上，步骤如下：

(1)在电渣重熔开始前，需测量所冶炼铸锭的导热系数λ_i、渣的导热系数λ_s、结晶器导热系数λ_m、底水箱导热系数λ_b、铸锭熔点T_r、结晶器厚度S_m和底水箱厚度S_b。同时，如图1所示，在结晶器和底水箱安装若干热电偶与热流量计并均匀分布，从而获得结晶器和底水箱壁面的温度及热流量。

(2)电渣重熔开始冶炼时，为获得在T时刻下铸锭的温度分布，在T时刻投入一定量的示踪剂如FeS，与此同时，通过安装在结晶器和底水箱的热电偶与热流量计，记录T时刻下结晶器壁面温度T_m、底水箱壁面温度T_b以及对应的结晶器壁面热流量q_m和底水箱壁面热流量q_b。

(3)等电渣重熔结束时，将电渣锭脱锭，并沿中轴线将凝固铸锭纵向剖开，通过硫印实验显示T时刻下金属熔池形状即熔化前沿，该熔化前沿温度即为铸锭熔点T_r。同时，脱锭后在钢锭侧面取渣皮样品，记录位置高度和测量对应渣皮厚度S_s。

(4)根据傅里叶传热定律，T时刻的结晶器冷却面的铸锭表面温度为：

底水箱冷却面的铸锭表面温度为：

(5)如图2所示，根据硫印所示的铸锭纵剖面熔化前沿的最低点O点，作平行于X轴的横向水平线AB。对于在AB线纵向(Y轴)上部T时刻铸锭温度分布，由于传热主要靠结晶器冷却，因此，该传热可类似为横向传热，测量融化前沿到铸锭表面距离s，根据一维导热定律，该部分铸锭温度与横坐标x关系为：

并依据该公式，获得AB线上的温度与横坐标x关系函数T_AB(x)。

(6)如图2所示，对于在AB线纵向(Y轴)下部T时刻铸锭温度分布，可类比二维传热，该区域的温度分布是横坐标和纵坐标的函数，即θ(x，y)。该温度分布及边界条件可描述为：

根据分离变量法，将上式进行转换，则该区域温度分布表达为：

最后，依据上式，利用商业数学软件如MATLAB或者编程进行求解计算，求出该下部铸锭在T时刻的温度分布。

实施例：

以电渣重熔法冶炼H13为例，其铸锭直径为1.2m。采用10000A电流，50Hz的交流电进行冶炼，在电渣重熔6000s时，投入100g FeS，并记录该温度下壁面温度和底部温度，经过相关公式求出结晶器冷却面的铸锭表面温度和底水箱冷却面的铸锭表面温度，其中表1结晶器冷却面的铸锭表面温度，表2为底水箱冷却面的铸锭表面温度，表3～表5为不同轴向坐标下，沿横向方向的铸锭温度分布。

表1结晶器冷却面的铸锭表面温度

X/m	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
												温度/K	521.39	527.33	578.08	619.95	670.419	789.619	924.71	1067.21	1273.25	1493.66	1728.52

表2底水箱冷却面的铸锭表面温度

Y/m	-0.6	-0.4	-0.2	0	0.2	0.4	0.6
								温度/K	519.52	556.02	583.18	591.55	583.21	556.15	519.71

根据表1和表2中的以上边界条件，经过相关公式求出铸锭的温度分布。

表3 x＝0.4下铸锭纵向温度分布

X/m	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6
										温度/K	556.15	566.60	626.39	675.61	734.69	874.38	1033.52	1205.54	1473.40

表4 x＝0.2下铸锭纵向温度分布

X/m	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4
									温度/K	583.21	592.66	658.67	713.04	778.25	932.14	1109.19	1303.54

表5 x＝0下铸锭纵向温度分布

X/m	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4
									温度/K	591.55	601.565	669.907	726.134	793.335	952.072	1134.95	1333.92

基于上述实施例的验证，本发明方案对测量设备及设备改造要求低，操作简单易于实施，基于实验现象和传热定律的铸锭温度分布具有一定客观性，为电渣重熔工艺优化提供针对性的指导意见。

Claims (9)

1.测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在电渣重熔过程中，在T时刻投入一定量的示踪剂，并获取T时刻下结晶器和底水箱壁面的温度及热流量；

b.在电渣重熔结束时，将电渣锭脱锭，并沿中轴线将凝固的铸锭纵向剖开，通过硫印实验显示T时刻下金属熔池形状即熔化前沿，同时，脱锭后在钢锭侧面取渣皮样品，记录位置高度和测量对应渣皮厚度，根据傅里叶传热定律，求出T时刻的结晶器冷却面和底水箱冷却面的铸锭表面温度；

c.根据硫印所示面熔化前沿的最低点为界，将铸锭分为上、下两部分，分别求取铸锭的上部分在T时刻的温度分布和铸锭的下部分在T时刻的温度分布。

2.如权利要求1所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤a还包括：

电渣重熔开始前，测量所冶炼铸锭的导热系数、渣的导热系数、结晶器导热系数、底水箱导热系数、铸锭熔点、结晶器厚度和底水箱厚度。

3.如权利要求1所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤a中，所述示踪剂采用FeS。

4.如权利要求1所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤a中，通过结晶器和底水箱安装一定数量的热电偶与热流量计来获取结晶器和底水箱壁面的温度及热流量。

5.如权利要求4所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

所述热电偶和热流量计在结晶器和底水箱上均匀分布。

6.如权利要求1所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤b中，根据傅里叶传热定律，求出T时刻的结晶器冷却面的铸锭表面温度为：

其中，T_is为T时刻的结晶器冷却面的铸锭表面温度；T_m为T时刻下结晶器壁面温度；q_m为T时刻下结晶器壁面热流量；S_m为结晶器厚度；λ_m为结晶器导热系数；S_s为取样渣皮的厚度；λ_s为渣皮的导热系数；

根据傅里叶传热定律，求出T时刻的底水箱冷却面的铸锭表面温度为：

其中，T_ib为T时刻的底水箱冷却面的铸锭表面温度；T_b为T时刻下底水箱壁面温度，q_b为T时刻下底水箱壁面热流量；S_b为底水箱厚度；λ_b为底水箱导热系数。

7.如权利要求6所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤c中，所述铸锭的上部分在T时刻的温度分布根据一维导热定律求出；所述铸锭的下部分在T时刻的温度分布的求取方法为：利用分离变量法求出所述铸锭的下部分温度分布表达式，然后对温度分布表达式进行求解，获得铸锭的下部分在T时刻的温度分布。

8.如权利要求7所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤c中，根据一维导热定律求取铸锭的上部分在T时刻的温度分布时，测量熔化前沿到铸锭表面距离s，然后根据一维导热定律，获得该部分铸锭温度与横坐标x关系为：

T_r为熔化前沿温度，最后依据该公式，获得铸锭的上部分的温度与横坐标x关系函数T_AB(x)。

9.如权利要求8所述的测量电渣重熔过程中铸锭温度分布的方法，其特征在于，

步骤c中，所述铸锭的下部分在T时刻的温度分布是横坐标和纵坐标的函数，即θ(x，y)，该温度分布及边界条件可描述为：

然后根据分离变量法，将上式进行转换，则获取所述铸锭的下部分温度分布表达式为：

最后，利用商业数学软件或者编程对温度分布表达式进行求解计算，求出该部分铸锭在T时刻的温度分布。

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