连铸二冷区换热系数测试及配水优化研究

发布时间：2020-06-11 22:31

【摘要】：连铸作为钢铁生产的中心环节,对保证钢铁产品加工性能和使用性能具有重要作用,其中连铸二冷区更是影响铸坯质量的关键。基于凝固模型的连铸二冷配水优化是提高铸坯质量的有效手段,而二冷区换热系数的准确性是保证模型可靠性的基础。本文采用实验的研究方法对二冷区换热系数展开研究,基于喷嘴冷态和热态实验得出换热系数与水流密度、铸坯表面温度的关系,最后将换热系数应用于连铸建模及二冷配水优化研究中。本文的主要研究内容如下:(1)连铸喷嘴冷态和热态实验研究。完善冷态实验平台,通过集水试管搜集水量,确定喷嘴流量、气压与水流密度分布的关系。改进热态实验系统,针对水流密度的非均匀分布及热电偶安装位置等对测温的影响进行分析,确定新的测温打孔方案。通过实验确定喷嘴不同气压、流量条件下的非稳态温降曲线,为确定换热系数奠定基础。(2)基于Tikhonov正则化的换热系数求解。换热系数是在导热正问题模型的基础上利用测量的温度数据反算得出。为保证求解的稳定性和精度,采用Tikhonov正则化方法并改进,即采用粒子群算法优化得出正则化参数α。通过数值实验,基于改进的Tikhonov正则化方法求解误差≤5%,具有较高的求解精度。最后,反算得出不同水流密度、铸坯表面温度下的换热系数并拟合得到相应解析的关系式。(3)二冷区换热系数准确性验证。将换热系数关系式应用到连铸凝固传热模型中,建立二冷区水流密度非均匀分布条件下的准确边界条件,与现场实测铸坯表面温度比较,偏差≤6.9℃。而采用换热系数经验公式的模型计算的偏差为16.7℃。表明测算得到的换热系数具有较高的准确性。(4)连铸二冷配水优化研究。基于本文测算换热系数关系式建立配水优化模型,提高研究的可靠性。针对现有混沌粒子群优化算法采用混沌序列简单处理惰性粒子,优化效果不理想的问题进行改进,引入混沌因子r将混沌融入到粒子运动中,通过数值实验,表明该算法有更好的全局搜索能力。采用该算法优化二冷各段水量,确定新的二冷配水配方并应用于生产现场。
【图文】：

示意图,非稳态

应线圈消耗的能量与钢坯在冷却过程中散失的热量近似相等，由此得出在一定温度时的逡逑钢坯表面换热系数。稳态实验的实现难度大，设计成本高，因控制系统和加热系统的滞逡逑后性实验精度也不易控制，但稳态实验能够快速得出热流密度。稳态实验示意图如图１．１逡逑所示。逡逑ｒ＝二控制器邋电ｓｔａ．邋｜采集系统逡逑感应线圈逡逑热电偶逡逑｜逦￣￣？逡逑１邋钢坯逦一逡逑１邋ｃ）0ｏｃｎｘ0ｊ0，逡逑图ｉ．ｉ稳态实验逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ逡逑国外针对高温铸坯表面换热系数的非稳态实验平台设计。ＷｅｎｄｅｌｓｔｏｒｆＪ邋｜７］为了使换逡逑热过程接近一维模型，利用Ｎｉ打磨成厚度为１ｍｍ、直径为７０ｍｍ的圆盘，将５对热电逡逑偶焊接在圆盘下面，对其加热到１２００°Ｃ，喷嘴喷淋整个装置，模拟一维传热过程；Ｆ．逡逑ＲａｍＳｔｏｒｆｅｒ［ｌｉｌ将高温铸坯加热到１２５０°Ｃ，除了冷却面，其余面被包裹起来，喷嘴从下到逡逑上喷射射流冷却铸坯，测试铸坯降温数据，；ＩｔｏＹ等Ｍ在在钢板上嵌入２６个热电偶，，热逡逑电偶测温点距离钢坯表面３ｍｍ，将钢坯加热到１２７３Ｋ后开始放到冷却平台下冷却，冷逡逑却到６３７Ｋ后停止冷却，保存实验数据。相对稳态实验，非稳态实验实现简电，成本较逡逑低

示意图,水流密度,冷态实验,示意图

逦第２章二冷区喷嘴冷态和热态实验研究逡逑据后翻转卡槽，倒出试管中积累的水。如图２．１所不。逡逑！邋－邋－逡逑－邋－逡逑■逦＿邋ｉ逡逑ｌ１柋山１．皿丨川１N１皿：＿邋．逡逑图２．１冷态实验水流密度测试示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｃｏｌｄ－ｓｔａｔｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｔｅｓｔ逡逑２．１．２热态实验基本原理逡逑热态实验的目的是获得高温铸坯在喷嘴喷雾冷却时内部若干点的降温数据，为反算逡逑换热系数提供数据。换热系数表征铸坯表面与冷却水之间热交换的激烈程度，该换热情逡逑况非常复杂，属于固液两相间的对流传热，受到铸坯表面温度、氧化皮、冷却水温度以逡逑及喷雾颗粒运动状态等诸多因素影响，若采用铸坯表面温度计算换热系数，温度的测量逡逑十分困难，因此本实验测定铸坯内部温降数据，采用反算法求解换热系数。逡逑本文采用非稳态实验的方法，将钢坯加热到一定温度并充分保温，移动钢坯至冷却逡逑平台，测量钢坯内部若干点的温降数据，依据实验数据求解高温钢坯表面换热系数，实逡逑验测温示意图
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF777

【参考文献】