一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法
阅读说明：本技术 一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法 (Method for determining cooling liquid flux of crystallizer for high titanium steel ) 是由 曾建华 祭程 张敏 陈天赐 吴晨辉 于 2021-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法,包括：S10：测定高钛钢浇铸温度范围和高钛钢在结晶器内的表面冷却速率；S20：将高钛钢浇铸温度范围内的最小值、拉坯速度、热流密度代入预设的铸坯模型中获得坯壳厚度和高钛钢在结晶器内的表面平均冷却速率；S30：比较步骤S10中获得的表面冷却速率和步骤S20中获得的表面平均冷却速率；S40：若步骤S10中获得的表面冷却速率小于步骤S20中获得的表面平均冷却速率,则比较步骤S20获得的坯壳厚度与预设坯壳厚度；S50：若步骤S20获得的坯壳厚度大于预设坯壳厚度,则提取步骤S20获得的坯壳厚度对应的热流密度；通过步骤S50确定的热流密度计算结晶器冷却液通量。本发明的方法优化了高钛钢的结晶器冷却制度的设计。(The invention discloses a method for determining the flux of cooling liquid of a crystallizer for high titanium steel, which comprises the following steps: s10: measuring the casting temperature range of the high titanium steel and the surface cooling rate of the high titanium steel in the crystallizer; s20: substituting the minimum value in the high titanium steel casting temperature range, the throwing speed and the heat flux density into a preset casting blank model to obtain the blank shell thickness and the surface average cooling rate of the high titanium steel in the crystallizer; s30: comparing the surface cooling rate obtained in step S10 with the surface average cooling rate obtained in step S20; s40: if the surface cooling rate obtained in the step S10 is less than the surface average cooling rate obtained in the step S20, comparing the shell thickness obtained in the step S20 with a preset shell thickness; s50: if the thickness of the shell obtained in the step S20 is greater than the preset thickness of the shell, extracting the heat flux density corresponding to the thickness of the shell obtained in the step S20; the crystallizer cooling fluid flux is calculated from the heat flux density determined in step S50. The method of the invention optimizes the design of the cooling system of the crystallizer for the high titanium steel.)
技术领域
本发明属于高钛钢连铸技术领域，尤其涉及一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法。
背景技术
钢铁材料是目前应用最为普遍的材料之一，在重要装备的制造中起着不可替代的作用。钢铁材料的磨损对生活和生产产生着巨大的影响。尤其是在矿山工业中，由于矿山工业的工作环境恶劣，矿山机械在工作过程中经常发生巨大磨损，这将极大限度的减少机械装备的使用寿命，不仅增加工业生产成本，造成了不必要的生产损失，同时增加了设备维护时间，降低了生产效率。
高钛钢是制作耐磨设备的重要原材料，在钢中加入Ti元素可有效细化晶粒，并起到析出强化的作用。当Ti含量大≥0.2％时，基体中析出大量微米级与纳米级钛化物，可显著提升钢材的耐磨性能，减少基体中的磨损量，大幅度提高钢的强度和服役性能。
连铸工艺与传统的模铸相比有着巨大的优势，凭借其流程简单、生产效率高、金属收得率高、环境友好等特点，已经在冶金界得到广泛认可。但是在高钛钢的连铸过程中，随着钢种中钛含量的增加，使结晶器冷却制度的制定成为困难。如果浇铸温度不合适，极易在液相中富集而析出大尺寸的液析TiN，其尺寸甚至可达到数十微米。这些大尺寸的液析TiN易在水口处聚集，进一步造成水口堵塞，不但威胁到浇铸过程的顺利进行，还严重限制了钢产品性能的提升，浪费了合金元素、影响了合金元素的合金化效果。此外，在高钛钢冷却凝固过程中，还易析出大尺寸TiC(长轴大于15微米)，这些大尺寸TiC析出物容易聚集在晶界位置，大大破坏了高钛钢性能，增加了连铸过程中的裂纹风险性。
随着高钛钢越来越受到关注，对其钛化物的析出研究工作也不断进展。对高钛钢钛化物的应变诱导析出过程进程分析，指出Ti在600～1000℃温度范围内有着明显的应变诱导析出过程，且温度越低析出相尺寸越小。在高冷却速度下，在边缘区域析出的TiN夹杂物尺寸明显小于中心区域的夹杂物尺寸的结论。但是，现有技术均未涉及高钛钢在凝固过程中液析钛化物大小、数量与过热度、冷却速度的关系，也均未涉及高Ti钢在连铸结晶器中Ti化物析出规律。
现有技术中存在一种有效改善高钛钢浇铸水口堵塞的浇铸方法。在该方法中，提出通过加强中间包的保护机制、采用低拉速、高过热度浇铸、二冷区强冷制度、并施加凝固末端动态轻压下的方法，实现高钛钢的连铸，并有效避免水口堵塞的问题。但该方案没有具体考虑钛化物析出与浇铸温度、冷却速度的关系，只指出了通过提高过热度、增强热流密度以降低漏钢风险性，没有冷却制度的制定、校核、优化机制，也忽略了有结晶器冷却制度的计算，无法制定准确的结晶器冷却制度。
经现场实践经验发现，在高钛钢连铸过程中经常出现大尺寸液析TiN堵水口、大尺寸TiC析出物危害高钛钢性能的问题。经研究发现，在高钛钢连铸过程中需要选择合适的高过热度、高冷却速率浇铸以提高钛元素的固溶度，以减少高温钛化物的析出。但时在提高高钛钢浇铸过热度的同时，也大大增加了漏钢的风险，高钛钢的结晶器冷却制度的设计成为难题。
而高钛钢的结晶器冷却制度多又需要结晶器冷却液通量作为衡量标准。
因此，对于上述现有技术的缺陷，仍然需要高钛钢连铸结晶器冷却制度的设计方法以及确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法。
本发明实施例所公开的一种确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法，包括：
步骤S10：测定高钛钢浇铸温度范围和高钛钢在结晶器内的表面冷却速率；
步骤S20：将高钛钢浇铸温度范围内的最小值、拉坯速度、热流密度代入预设的铸坯模型中获得坯壳厚度和高钛钢在结晶器内的表面平均冷却速率；
步骤S30：比较步骤S10中获得的表面冷却速率和步骤S20中获得的表面平均冷却速率；
步骤S40：若步骤S10中获得的表面冷却速率小于步骤S20中获得的表面平均冷却速率，则比较步骤S20获得的坯壳厚度与预设坯壳厚度；
步骤S50：若步骤S20获得的坯壳厚度大于预设坯壳厚度，则提取步骤S20获得的坯壳厚度对应的热流密度；
步骤S60：通过步骤S50确定的热流密度计算结晶器冷却液通量。
进一步地，所述步骤S10包括：
步骤S11：将高钛钢试样升温至充分熔化后保温，将高钛钢试样冷却、淬火；将淬火后的高钛钢试样进行分析，找到不存在粒径微米级的TiN析出物的高钛钢试样对应的淬火温度区间为所述高钛钢浇铸温度范围；
步骤S12：将高钛钢试样加热至完全熔化，分别在0.4～7.5℃/s区间内选取不同冷却速率将高钛钢试样冷却至1200℃以下，找到TiC长轴平均长度小于10微米的试样对应的冷却速率，选定此冷却速率为高钛钢在结晶器内的表面冷却速率。
进一步地，建立预设的铸坯模型的步骤为：
通过高钛钢连铸机所生产的铸坯的二维切片的尺寸确立铸坯的几何模型，并对几何模型进行网格划分；铸坯的二维切片的切割方式为垂直于拉坯方向进行切割；
根据连铸的高钛钢的液相线、固相线、密度、导热系数和比热作为材料参数，建立所述铸坯模型。
进一步地，所述步骤S20中，拉坯速度的选值范围为0.5～1.2m/min；热流密度的选值范围为100～1000kJ/(m2/s)。
进一步地，在步骤S30的比较步骤中：若步骤S10中获得的表面冷却速率大于步骤S20中获得的表面平均冷却速率，则返回步骤S20且增大代入预设的铸坯模型中的拉坯速度和/或热流密度后，继续步骤S20至步骤S30。
进一步地，在步骤S40的比较步骤中：若步骤S20获得的坯壳厚度小于预设坯壳厚度，则返回步骤S20且减小代入预设的铸坯模型中拉坯速度和/或热流密度后，继续步骤S20至步骤S30。
进一步地，预设坯壳厚度为13mm。
进一步地，所述步骤S60包括：
通过以下公式进行结晶器冷却液通量的计算：
上式中，m表示单位时间内结晶器流经的冷却液质量，kg/s；
表示热流密度，kJ/(m2·s)；
Cw表示冷却液的比热；
T1表示冷却液初始温度，℃；
T2表示冷却液终末温度，℃；
表示热流密度在结晶器有效面积上的积分。
进一步地，在步骤S11中：将所需要进行生产的高钛钢试样分为若干组，升温至1640℃以上，待高钛钢试样充分熔化后，保温10～30min，以5～20℃/min的冷却速度将高钛钢试样分别冷却至1550～1640℃后进行淬火。
进一步地，在步骤S12中：将高钛钢试样分为若干份，对其进行研磨抛光；将高钛钢试样加热至1550℃，保温3～10min，使高钛钢试样完全熔化。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明的确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法通过预先实验确定高钛钢浇铸参数选择范围，通过预设的铸坯模型考虑连铸过程中的温度、冷却速率、拉坯速度、热流密度等因素，通过坯壳厚度和冷却速率判断选择合适的热流密度，进而计算出结晶器冷却液通量，为高钛钢的结晶器冷却制度的设计提供了至关重要的参数，即结晶器冷却液通量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例；
图1为观察到的TiN夹杂物形貌；
图2为本发明实施例的确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法的流程图；
图3为本发明实施例的冷却速度提取位置和坯壳厚度示意图；
图4为本发明实施例1中通过淬火实验测得的不同温度下TiN析出物观测结果；
图5为本发明实施例1中通过高温共聚焦实验观察到的TiC析出物尺寸及形状，是在冷速0.4℃/s条件下所观察到的图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
如图2所示的确定高钛钢的结晶器冷却液通量的方法，包括以下步骤：
1)步骤S10：测定高钛钢浇铸温度范围和高钛钢在结晶器内的表面冷却速率。
步骤S10包括：
步骤S11：将高钛钢试样升温至充分熔化后保温，将高钛钢试样冷却、淬火；将淬火后的高钛钢试样进行分析，找到不存在粒径微米级的TiN析出物的高钛钢试样对应的冷却后的温度区间为高钛钢浇铸温度范围。
为避免大尺寸TiN析出物导致的水口结瘤问题，通过实验观察在不同浇铸温度下TiN析出物的尺寸，确定合适的高钛钢浇铸温度选择范围。
具体地，将所需要进行生产的高钛钢试样分为若干组，放入氧化镁坩埚中，升温至1640℃以上，待钢样充分熔化后，保温10～30min。以5～20℃/min的冷却速度将试样分别降至1550～1640℃。
取一根石英管和一支洗耳球，石英管的一侧用洗耳球的吹气口堵住，另一侧插入钢液中，吸取少量钢液，快速放至冷水中淬火，完成后将其取出。
将淬火后的试样进行打磨和抛光，应用SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)、EDS(Energy Dispersive Spectrometer，能谱仪)对试样进行监测分析，观察试样中是否纯在大尺寸液析TiN(大尺寸液析TiN定义为微米级尺寸的液析TiN)。其中，不存在大尺寸TiN析出物的多个试样对应的淬火温度组成的淬火温度区间为连铸浇注温度可取区间，据此设计高钛钢浇铸温度范围。大尺寸液析TiN的形貌例如图1所示。
步骤S12：将高钛钢试样加热至完全熔化，分别在0.4～7.5℃/s区间内选取不同冷却速率将高钛钢试样冷却至1200℃以下，找到TiC长轴平均长度小于10微米的试样对应的冷却速率，选定这些冷却速率中的最小值为高钛钢在结晶器内的表面冷却速率。
为了避免在结晶器中高钛钢冷却时在铸坯表面析出大量大尺寸TiC从而大大增大表面裂纹风险性，通过实验确定高钛钢在结晶器内合适的表面冷却速率。
将所需要进行连铸的高钛钢试样分为若干份，对试样进行研磨抛光，保持试样的被测表面光滑。将试样放入氧化铝坩埚中，将试样加热至1550℃，保温3～10min，使试样完全熔化。分别在0.4～7.5℃/s区间内选取不同冷却速度将试样冷却至1200℃以下。使用例如型号为VL2000DX-SVF17SP的高温共聚焦设备对试样的凝固过程进行原位观察。如果观察到的TiC长轴平均长度小于10微米的试样，则在结晶器中可选择这些试样对应的冷却速率的最小值进行冷却，以有效控制TiC的析出尺寸。
2)步骤S20：将高钛钢浇铸温度范围内的最小值、拉坯速度、热流密度代入预设的铸坯模型中获得坯壳厚度和高钛钢在结晶器内的表面平均冷却速率。
建立预设的铸坯模型计算坯壳厚度：
通过高钛钢连铸机所生产的铸坯的二维切片的尺寸确立铸坯的几何模型，并对几何模型进行网格划分；铸坯的二维切片的切割方式为垂直于拉坯方向进行切割。将连铸的高钛钢的液相线、固相线、密度、导热系数和比热，作为材料参数施加到所建立的铸坯模型中。选取步骤S10中所获得的将高钛钢浇铸温度范围内的最小值作为模型的浇铸温度初始条件；
选用0.5～1.2m/min作为拉坯速度，选用100～1000kJ/(m2/s)作为热流密度，运行模型，使铸坯在出结晶器时宽面中心的温度在1050℃左右。具体的铸坯在出结晶器时宽面中心的位置如图3所示。
在模型运行结果中提取模型出结晶器后的温度分布，将固相线温度距离宽面表面的最短长度作为坯壳厚度。以及提取距离宽面表面3mm位置的温度平均冷却速度作为高钛钢在结晶器内的表面平均冷却速率。
3)步骤S30：比较步骤S10中获得的表面冷却速率和步骤S20中获得的表面平均冷却速率；
步骤S40：若步骤S10中获得的表面冷却速率小于步骤S20中获得的表面平均冷却速率，则比较步骤S20获得的坯壳厚度与预设坯壳厚度；
步骤S50：若步骤S20获得的坯壳厚度大于预设坯壳厚度，则提取步骤S20获得的坯壳厚度对应的热流密度；
此外，步骤S30中比较步骤S10中获得的表面冷却速率和步骤S20中获得的表面平均冷却速率。在另一种情况(步骤S70)，若步骤S10中获得的表面冷却速率大于步骤S20中获得的表面平均冷却速率，则返回步骤S20且增大代入预设的铸坯模型中的拉坯速度和热流密度后，继续步骤S20至步骤S30；
此外，步骤S40中，若步骤S10中获得的表面冷却速率小于步骤S20中获得的表面平均冷却速率，则比较步骤S20获得的坯壳厚度与预设坯壳厚度。在另一种情况(步骤S80)，若步骤S20获得的坯壳厚度小于预设坯壳厚度，则返回步骤S20且减小代入预设的铸坯模型中拉坯速度和热流密度后，继续步骤S20至步骤S30。
上述过程为根据模型提取结果对方案进行评价和修正。
先将模型结果提取的表面平均冷却速率和步骤S10中获得的表面冷却速率进行对比，再对模型结果所提取的坯壳厚度进行评价，一共可分为三种情况：
(1)如果所提取的表面平均冷却速率大于步骤S10中获得的表面冷却速率，且所提取的坯壳厚度大于13mm，则此方案可行；
(2)如果所提取的表面平均冷却速率小于步骤S10中获得的表面冷却速率，则增大拉坯速度，同时增大热流密度，重新运行模型、提取结果，重新进行步骤S30中的比较；
(3)如果所提取的表面平均冷却速率大于步骤S10中获得的表面冷却速率，但所提取的坯壳厚度小于13mm，则减小拉速，重新运行模型、提取结果，重新进行步骤S30中的比较。
4)步骤S60：通过步骤S50确定的热流密度计算结晶器冷却液通量。
步骤S50得到的可行方案中的热流密度反推为结晶器水通量。
根据上述得到的可行模型热流密度，提取二维薄片模型在经历各时刻时对应的结晶器位置的热流密度，将每一时刻的热流密度对结晶器有效面积进行积分，得出结晶器每时刻的热通量。进一步通过以下公式进行热流密度结晶器水通量的计算：
上式中，m表示单位时间内结晶器流经的冷却液质量，kg/s；
表示热流密度，kJ/(m2·s)；
Cw表示冷却液的比热；
T1表示冷却液初始温度，℃；
T2表示冷却液终末温度，℃；
表示热流密度在结晶器有效面积上的积分。
优选地，冷却液为水，Cw表示水的比热，取4.2×103J/(kg·℃)。
在上述步骤中，步骤S20中调整热流密度的方法为：如果出结晶器时宽面中心的温度大于1070℃，则调大热流密度；如果出结晶器时宽面中心的温度小于1030℃，则调小热流密度。
在模型运算中，遵循所选用的拉坯速度与热流密度将随模型的运行结果进行调整，直到即符合冷却速度约束条件又符合坯壳厚度约束条件为止。
为保证步骤S20中的铸坯在出结晶器时宽面中心的温度在1050℃左右，步骤S70和S80中，在进行增大热流密度时将同时增大拉坯速度；在减小拉坯速度时将同时减小热流密度。
下面结合具体地实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
以某钢厂断面1200mm×200mm的某高钛钢板坯连铸过程为对象，通过本方法制定其连铸结晶器冷却制度。
对高温熔融高钛钢钢液进行淬火实验，以获得合适的浇铸温度，具体实验步骤如下：
①将高钛钢切成直径3cm高4cm的圆柱棒，放入直径4cm的氧化镁坩埚中，以10℃/min升温至1640℃，待钢样充分融化后，保温30min再以8℃/min降至1590℃、1610℃、1630℃、1640℃。
②用洗耳球堵住石英管一侧，另一侧插入钢液中，吸取少量钢液，快速放至冰水中淬火，待试样完全冷却后，将其取出。
③将淬火后的试样打磨，抛光，应用SEM、EDS等仪器进行检测分析，看是试样中是否存在微米级尺寸液析TiN。
在不同温度下高钛钢的淬火试样，得到的结果如图4所示。在1640℃基体中几乎没有出现大尺寸液析TiN出现，随着淬火温度下降在1630℃基体中出现个别大尺寸TiN，数量较少，证明在1630℃钢液中开始析出大尺寸TiN，大部分尺寸约在5-8μm之间。在淬火温度1610℃，TiN尺寸增大数量增多，大部分尺寸约在5-10μm之间，在淬火温度1590℃时，基体中出现个别超大尺寸的TiN，尺寸可达数十微米，因此提高过热度在一定程度上可以提高钛与氮元素的溶解度，降低大尺寸TiN析出量。在0.37Ti和50ppmN时，浇铸温度至少要提升到1590℃以上。
将试样以不同冷却速率进行冷却，观察不同冷却速度下TiC析出物的尺寸，以获得合适的冷却速率。具体实验步骤如下：
采用型号为VL2000DX-SVF17SP的高温共聚焦设备对不同冷却速度下的高钛钢进行原位观察实验。将所需要进行连铸的高钛钢试样分为5份，对其进行研磨抛光，保持其被测表面光滑。将试样放入氧化铝坩埚中，将其以5℃/s的速度加热至1550℃，保温5min，等试样完全熔化后分别以0.4℃/s、2.5℃/s、5℃/s冷区速率冷却至1000℃。为了避免试样被氧化，实验在真空条件下进行。通过高温共聚焦设备对不同冷却速度下进行原位观察实验，所观察到的TiC析出物如图5所示。
通过观察发现，随着冷却速度的增加，TiC析出尺寸降低。当冷却速度为达到5℃/s时，TiC析出量较低，尺寸可降低到10μm以下。因此5℃/s可以作为铸坯表面温度降低的最低速度。
利用MSC.MARC软件建立高钛钢铸坯传热模型，并进行网格划分。将所连铸的高钛钢的液相线、固相线、密度、导热系数和比热，作为材料参数施加到所建立的铸坯模型中。
采用上面步骤所计算的1590℃作为初始条件赋值给模型，选取初始拉速为1.1m/min，设置结晶器内平均热流密为971.10kJ/(m2/s)作为边界条件，运行模型，此情况下铸坯出结晶器时宽面中心的温度为1038℃。
模型运行完成后，提取距离宽面表面3mm位置的温度平均冷却速率，得出其平均冷却速率为7.55℃/s，大于前期实验所得到的最小冷却速度(5℃/s)。再提取坯壳厚度，得到坯壳厚度为11.58mm，小于最小要求的坯壳厚度13mm，因此减小拉速，重新进行模拟计算。
将拉速降低到1.0m/min，设置结晶器内平均热流密为924.34kJ/(m2/s)作为边界条件，运行模型，此情况下铸坯出结晶器时宽面中心的温度为1043℃。模型运行完成后，提取距离宽面表面3mm位置的温度平均冷却速度，得出其平均冷却速率为6.95℃/s，大于实验所得到的最小冷却速度(5℃/s)。再提取坯壳厚度，得到坯壳厚度为13.28mm，大于最小要求的坯壳厚度13mm，因此方案可以用来进行此钢种的结晶器冷却制度设计，提取之前设置的热流密924.34kJ/(m2/s)。
利用上面模型中的热流密度(924.34kJ/(m2/s))计算水通量，得到单位时间内水通量为3697.39L/min。
实施例2：
此实施例与实施例1中采用同种钢种，因此用来测量最小浇铸温度和最小冷却速度的实验不必重复，最小浇铸温度取1590℃，最小冷却速度取5℃/s。
因为此实施例与实施例1中的结晶器结构以及铸坯尺寸完全相同，因此所建立的模型及热物性参数与实施例1完全相同。
选取初始拉速为0.7m/min，设置结晶器内平均热流密为766.64kJ/(m2/s)作为边界条件，运行模型，此情况下铸坯出结晶器时宽面中心的温度为1045℃。
模型运行完成后，提取距离宽面表面3mm位置的温度平均冷却速度，得出其平均冷却速率为4.94℃/s，小于实验所得到的最小冷却速度(5℃/s)，因此增加热流密度，重新进行模拟计算。
设置结晶器内平均热流密为835.59kJ/(m2/s)作为边界条件，同时必须提高拉速以保证出结晶器时铸坯宽面中心温度在1050℃左右。经调整拉速，得到拉速为0.8m/min时，出结晶器时宽面中心温度为1036℃。
模型运行完成后，提取距离宽面表面3mm位置的温度平均冷却速度，得出其平均冷却速率为5.62℃/s，大于实验所得到的最小冷却速度(5℃/s)。再提取坯壳厚度，得到坯壳厚度为14.19mm，大于最小要求的坯壳厚度13mm，因此方案可以用来进行此钢种的结晶器冷却制度设计，提取之前设置的热流密835.59kJ/(m2/s)。
利用上面模型中的热流密度(835.59kJ/(m2/s))计算水通量，得到单位时间内水通量为3342.36L/min。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
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