大連 連鑄結(jié)晶器傳熱實(shí)時(shí)計(jì)算方法的研究

1、1連鑄結(jié)晶器傳熱實(shí)時(shí)計(jì)算方法的研究連鑄結(jié)晶器傳熱實(shí)時(shí)計(jì)算方法的研究摘要本文以圓坯連鑄結(jié)晶器實(shí)測(cè)溫度和熱流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過將傳熱反問題算法與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對(duì)結(jié)晶器溫度、熱流和坯殼厚度的分布進(jìn)行計(jì)算，開發(fā)快速有效針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)晶器傳熱計(jì)算方法。結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好，可真實(shí)反映結(jié)晶器傳熱的非均勻特性。為結(jié)晶器傳熱與鑄坯凝固的在線計(jì)算及其可視化、智能化技術(shù)提供了新的思路和方法.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞圓坯，結(jié)晶器，傳熱，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，反問題

2、StudyonRealtimeCalculationMethodfHeatTransferfContinuousCastingMouldWANGXudongYAOManYINHebiGUOLiangliang(SchoolofMaterialsScienceEngineeringDalianUniversityofTechnologyStateKeyLabatyofMaterialsModificationbyLaserIonElect

3、ronBeamsLabatyofSpecialProcessingofRawMaterialsDalian116024)ABSTRACTBasedonthemeasurementdataofmouldtemperaturesheatfluxduringtheroundbilletcontinuouscastingindertocalculatethetemperatureheatfluxshellthicknessquicklyeffe

4、ctivelythecalculationmethodwhichcombinestheonlinemeasurementdatanumericalsimulationisinvestigated.Thecalculationresultsobtainedbythecombinationofneuralwksnumericalsimulationcancrectlyreflecttheacteristicsofnonunifmheattr

5、ansferaroundthemouldcircumferencewhichprovidesawthwhileapplicablemethodfonlinecalculationvisualtechnologyofheattransfersolidificationofcontinuouscastingmould.KEYWDSroundbilletmouldheattransferneuralwksinverseproblem1前言前言

6、實(shí)際生產(chǎn)中鑄坯的表面質(zhì)量缺陷通常在結(jié)晶器內(nèi)部即已產(chǎn)生[1]，因此實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制結(jié)晶器與鑄坯的傳熱與潤(rùn)滑，以選取最優(yōu)工藝參數(shù)，是提高鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要手段[2]。目前，在結(jié)晶器傳熱和鑄坯凝固等方面已進(jìn)行了諸多卓有成效的研究，主要通過在線檢測(cè)結(jié)晶器銅板溫度和數(shù)值計(jì)算等方法[34]，對(duì)結(jié)晶器與鑄坯的傳熱行為進(jìn)行研究，在了解結(jié)晶器傳熱與鑄坯凝固進(jìn)程、漏鋼預(yù)報(bào)和工藝參數(shù)優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要作用[56]。但由于結(jié)晶器溫度在線檢測(cè)相對(duì)復(fù)雜以及數(shù)值

7、計(jì)算的精度與速度等原因的限制，目前將溫度在線檢測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)合，開發(fā)基于實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的結(jié)晶器傳熱在線計(jì)算方法的研究工作則較少。因此，開發(fā)在線檢測(cè)與數(shù)值計(jì)算結(jié)合的結(jié)晶器傳熱在線計(jì)算方法及其可視化技術(shù)，以在優(yōu)化工藝、保證鑄坯質(zhì)量等方面發(fā)揮應(yīng)有作用，具有很好的理論意義及工程實(shí)用價(jià)值[7]。本文以圓坯連鑄結(jié)晶器實(shí)測(cè)溫度和熱流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)晶器傳熱計(jì)算方法。在對(duì)結(jié)晶器與鑄坯傳熱行為進(jìn)行反問題計(jì)算的基礎(chǔ)上，嘗試?yán)蒙窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)求解結(jié)

8、晶器傳熱反問題，建立了結(jié)晶器傳熱的耦合計(jì)算模型，提出針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的傳熱實(shí)時(shí)計(jì)算方法，驗(yàn)證方法的可行性，并對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法結(jié)晶器溫度的檢測(cè)在國(guó)內(nèi)某鋼廠弧型圓坯連鑄機(jī)上進(jìn)行。該鑄機(jī)生產(chǎn)斷面直徑為178mm的圓坯，結(jié)晶器王旭東姚曼尹合壁郭亮亮（大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，三束材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省特種鑄造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024）30100200300400500600700408012

9、0160200060120180240300360400800120016002000MeasuredCalculatedPositiontoinnerarc(degree)Heatflux(kWm2)(b)Temperature(℃)Distancefrommeniscus(mm)Measured(0?)Measured(180?)Calculated(0?)Calculated(180?)(a)圖2計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較.(a)沿結(jié)晶

10、器高度方向溫度對(duì)比(b)沿結(jié)晶器周向熱流對(duì)比晶器和鑄坯的溫度場(chǎng)分布，再通過與實(shí)測(cè)溫度的對(duì)比加以修正，最終求出接近真實(shí)情況下的溫度分布情況。而反問題計(jì)算則是先通過實(shí)測(cè)溫度確定結(jié)晶器與鑄坯之間的熱阻，計(jì)算出更加符合實(shí)際的熱阻分布情況，再按正問題方法進(jìn)行傳熱計(jì)算，因此計(jì)算得到的溫度場(chǎng)也更加真實(shí)可靠[9]。計(jì)算時(shí)，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給局部熱阻賦初始值，將利用正問題模型計(jì)算出的溫度與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，若能滿足精度要求則假定熱阻為真實(shí)熱阻；若精度不能滿足要

11、求，則需根據(jù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值對(duì)熱阻進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)迭代直到測(cè)點(diǎn)處的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值滿足要求為止。本文計(jì)算所采用結(jié)晶器銅管導(dǎo)熱系數(shù)為340Wm1℃1；密度為8900kgm3；比熱為390Jkg1℃1。連鑄鋼的密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)的確定方法[10]：kgm3(5)??LTT2.17402???s?Jkg1℃1(6)Tcs17.0666??Wm1℃1(7)??T0125.073.145.1????s?式中，、和分別為連鑄鋼的密度、比熱和導(dǎo)熱系

12、數(shù)；T和TL分別為節(jié)點(diǎn)溫度和液相線溫度。s?scs?3.3計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證本文中，將溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)溫度的收斂誤差設(shè)為2℃，當(dāng)36個(gè)熱面溫度測(cè)點(diǎn)的計(jì)算誤差都小于2℃時(shí)，計(jì)算停止。圖2（a）為在拉速為2.465mmin1時(shí)，距離彎月面不同高度處結(jié)晶器溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較。在該組工藝參數(shù)條件下，外弧L2層溫度最高，內(nèi)弧附近區(qū)域相對(duì)較低。沿結(jié)晶器高度方向，彎月面處溫度與熱流相對(duì)較低，在距彎月面90—110mm區(qū)域內(nèi)溫度與熱流達(dá)到最

13、高值，而后隨氣隙厚度的增加，結(jié)晶器傳熱減緩，溫度與熱流的變化逐漸趨于平緩，之后隨結(jié)晶器錐度的改變，溫度與熱流略有回升。圖2（b）示出了沿結(jié)晶器周向?qū)崪y(cè)平均熱流與計(jì)算值的變化情況。由圖中可以看出，熱流沿結(jié)晶器周向分布不均勻，溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，熱流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，誤差在允許范圍之內(nèi)。鑄坯與結(jié)晶器間的熱阻分布如圖3所示。熱阻沿周向分布不均勻，彎月面下70100mm區(qū)域內(nèi)熱阻出現(xiàn)最小值，結(jié)晶器與鑄坯間傳熱劇烈；因初生坯殼

14、的收縮和氣隙的影響，熱阻逐漸增大，在120200mm范圍內(nèi)出現(xiàn)最大值，傳熱減緩。隨鑄坯的下移，受錐度的影響，結(jié)晶器中、下部熱阻減小，熱流沿高度和周向的分布相對(duì)均勻，出口處熱流略有回升。采用反算法可較為準(zhǔn)確的計(jì)算出接近真實(shí)情況下的結(jié)晶器與鑄坯的溫度場(chǎng)，但該方法根據(jù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度的偏差來不斷修正結(jié)晶器與鑄坯間的熱阻，需對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，因此大幅增加了迭代次數(shù)與計(jì)算量，使得計(jì)算時(shí)間成倍增長(zhǎng)，成為限制其在線應(yīng)用的瓶頸。本文接下來的部