Computational algorithms to simulate the steel continuous casting

Computational simulation is a very powerful tool to analyze industrial processes to reduce operating risks and improve profits from equipment. The present work describes the development of some computational algorithms based on the numerical method to create a simulator for the continuous casting process, which is the most popular method to produce steel products for metallurgical industries. The kinematics of industrial processing was computationally reproduced using subroutines logically programmed. The cast steel by each strand was calculated using an iterative method nested in the main loop. The process was repeated at each time step (Δt) to calculate the casting time, simultaneously, the steel billets produced were counted and stored. The subroutines were used for creating a computational representation of a continuous casting plant (CCP) and displaying the simulation of the steel displacement through the CCP. These algorithms have been developed to create a simulator using the programming language C++. Algorithms for computer animation of the continuous casting process were created using a graphical user interface (GUI). Finally, the simulator functionality was shown and validated by comparing with the industrial information of the steel production of three casters.     

Simulation factors of steel continuous casting

The factors involved in simulating the continuous casting process of steel and the effects of the factors on the thermal behavior were investigated. The numerical methods and the influence of some assumptions were also analyzed, such as nodes used to discretize the steel in array size and computing time to obtain good approaches. The results show that some of these factors are related with the design of the continuous casting plant (CCP), such as geometrical configuration, and the operating conditions, such as water flow rate, heat removal coefficient in the mold, casting times, and casting speed in the strand, which affect the heat removal conditions over the temperature and solidification profiles.     

热处理对奥氏体不锈钢00 Cr24 Ni13铸坯高温热塑性的影响

采用热处理实验方法,同时结合热模拟压缩和热模拟拉伸试验,研究了热处理对奥氏体不锈钢00Cr24Ni13铸坯高温热塑性的影响。实验结果表明：热处理能够明显改变实验钢铸坯中δ铁素体的形貌;经1200℃保温3 h空冷后,原始铸坯中存在的大面积连续网状δ铁素体完全转变为弥散分布的细小颗粒状组织。具有颗粒状δ铁素体的热处理试样与热处理前相比,不同温度压缩时的变形抗力略有增加,但并没有急剧恶化;热模拟抗拉强度基本保持不变;相同温度下的断面收缩率( Z)显著提高,其中Z≥60%的温度区间由1150~1280℃扩展为1050~1300℃,高塑性(Z≥80%)温度范围在150℃左右(1150~1300℃)。     

马钢大圆坯连铸结晶器内钢水流动与凝固过程的数学模拟

建立了大圆坯连铸过程中结晶器内钢水流动、传热及凝固过程的数学模型,对马钢车轮轮箍钢连铸过程中钢水宏观凝固过程进行数值模拟分析,数值模拟的结果与射钉试验和铸坯表面温度测定的结果很相近,说明该模型具有很高的可靠性与准确性,对连铸工艺有很大的指导作用.     

37Mn5连铸圆坯凝固过程数学模拟

为控制油井管用连铸圆坯质量,基于薄片移动法建立了连铸圆坯凝固传热数学模型,并应用ProCAST软件对37Mn5钢Φ150mm连铸圆坯凝固过程进行了数学模拟,铸坯表面温度模型预测结果与工业试验测温结果相一致.模拟结果表明,在过热度为(20±5)℃,拉速为2.5m.min-1条件下,可以控制结晶器出口坯壳厚度、铸坯液芯长度和铸坯表面温度在合适的范围内,有利于防止铸坯表面裂纹和内部裂纹等缺陷的产生和保证浇铸安全,并实现较高的生产率.     

连铸结晶器内钢液凝固热传导有限元方法

连铸结晶器内钢液的传热可视为一个稳态过程,可用依赖于拉坯速度的三维稳态热传导方程描述.本文针对该稳态模型,采用Galerkin加权余量法推导考虑第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件的有限元方程,得到非对称的系统方程.编制了相应的有限元程序,并用此程序计算分析一个Q235小方坯连铸实例,得到铸坯的温度场.本文给出的有限元方法对连续铸造中铸坯形成过程的热力耦合问题的深入研究具有重要意义.     

连铸方坯动态轻压下位置

为准确确定铸坯凝固末端的位置,合理选择压下区域,为实施动态轻压下提供有效技术手段,利用数值模拟方法计算某炼钢厂2#铸机连铸方坯中温度场,用传热模型分析了45#钢在某工艺下的铸坯温度分布图。固相率0.3为轻压下初始点,压下区间总长度为10 m且拉速0.76 m/min时的压下量为0.7 mm/m。     

结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数值模拟

建立了结晶器内连铸坯凝固过程的有限元数学模型，在坯壳面表面边界条件中引入与气隙相关的传热模型修正平均热流量方程，研究了铸坯角部气隙对坯壳凝固行为的影响，模拟结果表明，铸坯角部形成的气隙流量显著地长低了坯壳表面的换热，使得铸坯偏角区成的为热节区，此热节区是铸坯凹陷，裂纹等缺陷乃至漏钢事故发生的诱因。     

合金钢连铸坯动态凝固过程数值模拟

针对合金钢连铸坯凝固过程中存在的疏松、偏析、裂纹等问题,以现场实际连铸机为研究对象,依据200mm×200mm合金钢的连铸工艺,建立了铸坯凝固传热数学模型,确定了边界条件,初始条件,不同冷却段的表面热流,以及所研究钢种的物性参数·特别是通过把坐标系建在连铸坯之上,解决了计算整个铸坯纵断面上在不同过热度、不同拉速、不同时间、不同位置上动态凝固过程的温度场问题·模拟计算结果与实际铸机上的测试结果吻合较好,从而为调整连铸工艺参数,确定连铸坯末端电磁搅拌器安装位置及电磁参数,提高连铸坯质量找到依据·     

基于时滞BP神经网络的铸坯表面温度预报研究

为了快速准确地计算连铸方坯表面温度,提出了基于时滞BP神经网络的温度预报模型.由于传统的基于机理的模型需要直接求解偏微分方程,导致模型的求解消耗时间过长.为了满足连铸动态控制与优化的需求,研究了连铸方坯的传热机理,根据连铸过程热传导的特点,建立了基于时滞BP神经网络的温度预报模型,以历史时刻的表面温度和当前时刻水量作为神经网络的输入,以下一个时刻表面温度作为神经网络的输出.该模型可以快速预报连铸方坯表面温度的动态变化情况.并且依据某工厂的真实数据进行实验,表面温度的预报最大相对误差小于0.1%,取得了较好的实验结果.该方法可以准确地预报连铸坯的表面温度.     

连铸方坯热应力模型的研究及应用

为了减少不恰当连铸二冷操作导致的铸坯内部裂纹等缺陷,在凝固传热模型验证的基础上建立了方坯二维弹塑性应力模型.通过此模型计算了水量优化前后铸坯应力分布情况,获得了铸坯在二冷区的应力分布规律.分析了影响连铸坯内部裂纹的因素,提出预防热裂纹产生的措施,为研究二冷对铸坯质量的影响提供了理论基础,并为优化二冷水量改善铸坯质量提供了依据.     

600mm 35CrMo钢立式连铸圆坯宏观组织分析

基于中原特钢股份有限公司立式连铸工艺与CAFE形核理论,建立了Φ600 mm 35CrMo钢立式连铸圆坯传热凝固耦合模型,采用薄片移动边界法对圆坯宏观组织进行数值模拟,分析了钢液浇注过热度和二冷水制度对宏观组织的影响,并在现场进行了Φ600 mm 35CrMo钢圆坯的连铸生产。结果表明:圆坯宏观组织形貌模拟结果与现场低倍组织相一致,过热度为40℃时中心等轴晶率为29.16%。当过热度由30℃升高到50℃时,晶粒数由9 332个减小到7 155个,降低了23.33%;晶粒平均半径由1 302μm增大到1 622μm,增大了24.58%;中心等轴晶率由35.75%减小到21.13%。当冷却强度由弱冷变为强冷时,晶粒数由9 391个减小到7 228个,晶粒平均半径由1 259μm增大到1 576μm,中心等轴晶率由36.05%减小到23.04%。     

方坯连铸凝固末端电磁搅拌工艺优化的数值模拟

利用ANSYS和CFX软件建立了描述160mm×160mm方坯连铸凝固末端电磁搅拌过程的数学模型.通过确立钢液黏度与温度的定量关系,考虑凝固时钢液黏度的重要影响,研究了方坯凝固末端糊状区磁场和流场的分布,以及电流强度对凝固前沿钢液最大搅拌速度的影响规律.结果表明:搅拌电流强度每增加100A,铸坯中心磁感应强度增加250×10-4T,切向电磁力增加1933N/m3,最大流速增加69cm/s.现场实验检验结果表明:60#钢凝固末端电磁搅拌器安装位置处液芯半径为344mm,最佳电磁搅拌频率为6Hz,最佳搅拌电流为380A,此时凝固前沿最大流速为165cm/s,铸坯中心碳偏析得到明显改善,中心碳偏析指数为104.     

液固相线温差补偿的连铸二冷控制模型

针对连铸生产过程中某些钢种钢水成分波动较大,导致采用传统参数配水模型控制时铸坯表面温度波动较大,尤其是矫直点处铸坯温度很难控制在一个合理稳定范围内的问题,笔者在参数配水控制模型的基础上,考虑了钢水成分变化对液、固相线温度及凝固区间的影响,提出了一种基于液-固相线温差补偿的连铸二冷控制模型。计算了参数配水控制模型和新提出的二冷控制模型在钢水成分发生波动情况下铸坯的温度场,并对两种模型的计算结果进行了分析讨论,结果表明:笔者提出的连铸二冷控制模型,在钢水成分发生波动的情况下能更好地控制矫直点处铸坯的表面温度,进而保证铸坯质量。     

圆坯连铸结晶器温度场模拟与坯壳厚度预测

基于连铸圆坯结晶器温度与热流实测数据,建立了连铸圆坯凝固的三维传热模型,计算出结晶器和铸坯的温度场,并得到铸坯的固相率与坯壳厚度分布情况.温度计算结果与实测数据符合较好,表明此数学模型能够较为准确地反映实际情况.讨论了拉速、浇注温度等因素对坯壳厚度的影响,并对利用模型计算与经验公式计算得到的坯壳厚度进行了对比.     

6200kN连铸飞剪机的剪切力

根据某钢厂小方坯连铸机的6200kN飞剪机在正常生产情况下测得的剪切力参数,对该剪机的受力情况、工作负荷进行了分析,同时对连铸方坯截面的温度分布及铸坯剪切截面的平均温度进行了分析计算。在此基础上,探讨用简单公式或图表计算剪切截面的平均温度和最大剪切力的方法。     

连铸方坯热送过程中的温度梯度

以唐钢棒材厂现有热装热送工艺中的连铸方坯为研究对象，考虑了带与不带保温罩两种热送条件，结合辐射和对流的复合边界条件，对铸坯在热送过程中的温度梯度的变化进行了计算机模拟与解析，所得结果与实测符合得较好。利用本研究定量给出的铸坯在热送过程中保温罩的保温效果及其断面上温度梯度的变化，对减少铸坯热送过程中的热损失、提高热装温度具有重要的参考价值。     

板坯连铸结晶器异常预报方法研究

结晶器是钢水凝固成型的核心设备,其内部的传热和摩擦直接决定铸坯的表面裂纹和满钢等各类异常.是实现高效连铸的关键因素.基于功率法检测到的板坯结晶器摩擦力实测数据,对摩擦力的异常预报方法进行了研究.建立了以BP人工神经网络为基础的异常预报模型,并开发出相应软件.对应现场的异常记录,离线预报结果表明:软件能够对满钢、水口断裂及液位波动等各类异常进行预报,并具有一定的预报提前量.证明了方法的可行性,并显示出极大的应用潜力.     

连铸方坯感应补热过程的有限元分析

根据电磁感应理论及传热基本原理,利用大型工程软件ANSYS对连铸方坯的感应补热过程进行了多物理场耦合的有限元模拟,并对铸坯断面上的温度梯度、磁场分布等进行了分析. 模拟结果与实测结果一致.     

Finite Point Method for the Simulation of Solidification and Heat Transfer in Continuous Casting Mold

A 2-D finite point meshless model was used to simulate the heat transfer and solidification of steel in continuous casting molds to illustrate its use in metallurgy. The latent heat of the pure metal was treated using the temperature recovery method and the latent heat of the alloy was treated using an apparent heat capacity method. The model was validated by calculating the classical Stefan moving boundary problem. Analysis of the solid shell growth and temperature distribution of a billet in a mold shows that the solution by the finite point meshless model is quite reasonable, which indicates that the model has potential in metallurgical engineering applications.