一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法
2023-05-09 14:17:21 1
專利名稱：一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法
技術領域：
本發明涉及一種確定換熱係數的方法，特別是關於一種確定大型鋼錠界面換熱系 數的方法。
背景技術：
目前，隨著電力、石化、冶金、船舶等工業領域重大裝備的大型化，對大型鋼錠也提 出了越來越高的要求。例如，百萬千瓦級核電機組常規島低壓整體轉子的製造需要600噸 級鋼錠。在大型鋼錠的試製過程中，數值模擬技術發揮著越來越重要的作用。鋼錠與錠模 間的界面換熱行為決定了鋼錠的凝固方式和凝固時間，並在很大程度上影響了鋼錠的縮孔 縮松、偏析以及組織和性能。而鋼錠與錠 模間界面換熱係數是制約模擬結果準確性的最重 要的參數之一。在鋼水澆注入鋼錠模的初期，由於鋼水的流動和靜壓力作用，鋼液與錠模內壁是 緊密接觸的，此時鋼液與錠模間界面換熱係數較大。而隨著凝固過程的推進，由於錠模對凝 固鋼液的激冷作用，鋼液沿錠模內表面形成凝固殼層，並在隨後的冷卻過程中不斷變厚和 產生體積收縮；與此同時，錠模的受熱膨脹也會產生型壁移動。因此，通常在鋼錠與錠模之 間形成氣隙。氣隙的形成時間隨空間變化，氣隙大小也隨時間和空間發生變化。氣隙形成 以後，界面的熱傳遞則由單純的熱傳導變為熱傳導、對流和輻射三項之和。以上這些複雜因 素，導致鋼錠與錠模間界面換熱係數難以確定。而在實際計算中，通常是採用一個猜測值或 經驗公式等簡化措施對鋼錠與錠模間的界面換熱係數進行確定，但這些猜測值或經驗公式 的計算結果誤差非常大。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種操作簡單，可快速準確的確定大型鋼錠 界面換熱係數的方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種確定大型鋼錠界面換熱係數的 方法，其包括以下步驟1)將鋼錠與錠模之間的接觸界面簡化為若干測試分段，在每一分 段中確定若干個測試點，並在每一測試點上設置一傳感器，將每一傳感器通過各自的導線 共同連接到一數據採集系統，數據採集系統的輸出端連接一界面換熱係數反算系統；2)在 鋼水凝固成鋼錠的過程中，各個傳感器採集鋼水凝固過程中的溫度或熱流信息，並將採集 到的信息數據傳送到數據採集系統中；3)在鋼水完全凝固成鋼錠後，通過數據採集系統讀 取各測試點的數據，獲得各測試點實測的隨時間變化的溫度或熱流信息，並導入到鋼錠與 錠模間界面換熱係數反算系統中；4)界面換熱係數反算系統根據步驟3)導入的數據，估計 某個時間段的界面換熱係數；根據估計的界面換熱係數進行凝固過程中溫度場的模擬，以 獲得測試點的計算溫度；比較計算溫度與實測溫度是否吻合，如果計算溫度與實測溫度不 吻合，則通過反算求解，校正界面換熱係數，然後再返回凝固過程溫度場的模擬，直到獲得 與實測溫度相吻合的計算結果，即計算溫度與實測溫度吻合，這時獲得該時間段的界面換熱係數，記錄界面換熱係數；判斷凝固時間t是否大於完全凝固時間t_，如果t > t_，則 結束計算；否則，進入下一時間段的計算。所述步驟4)中界面換熱係數反算系統的反算求解方法為①設置某時間段的初 始條件；對應第一個時間段，則為輸入溫度場的初始條件，即t = 0時刻的溫度分布，通常 設為鋼水澆注溫度，以及界面換熱係數的初始值，即估計值；定義FQv…，h》為 式中，hp…，、為各分段的界面換熱係數，Y^i和分別表示分段i在時間段 j、位置k的溫度實測值與計算值，I為分段總數，J為時間段總數，K為某一分段i對應的測 試點總數；②利用界面換熱係數『求解該時間段的溫度場，即鋼錠三維溫度場模擬，上標1 表示迭代次數，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一個時間段的初始，從估計值<開始迭 代；③在界面換熱係數^的基礎上增加一個變化幅度(，一般取為10_3，利用這個新的界面 換熱係數<(1 + 0，求解該時間段的溫度場；④根據步驟②和③求解的溫度場，計算得到界 面換熱係數^的增量S/^1 式中，<,，,表示敏感係數，其定義為 並得到下一迭代步的界面換熱係數為 ⑤如果種「1滿足 Sh'+1 則說明Y符合實際情況，對應求解得到的溫度場也是準確的，然後，返回步驟②進 入下一個時間段的計算；其中，￡為一小數，一般取為10_4;如果不滿足公式(5)，則對 界面換熱係數 t_，則結束計算；否則，返回步驟②進入下一時間段的計算。所述步驟1)中，將鋼錠與錠模之間接觸界面外側的錠模簡化為五個測試分段，分 別為①將鋼錠錠尾與錠模底盤的內凹水平接觸面作為分段I ；②將鋼錠錠尾與錠模底盤 的側向接觸面以及鋼錠錠身與錠模模身的水平接觸面作為分段II ；③將鋼錠錠身和錠模 模身的豎向接觸面作為分段III ；④將鋼錠冒口與錠模冒口套的豎向接觸面作為分段IV; ⑤將鋼錠冒口與鋼錠上澆注的發熱劑底面的水平接觸面作為分段V。每一測試分段內的測試點數量為1 5個，距離鋼錠與錠模之間接觸界面最近的 測試點與界面的距離為20 50mm。
所述傳感器為熱電偶。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明所測試的是鋼錠與錠 模之間接觸界面外側的錠模，測試相對簡單；並且通過對錠模上有限個特徵點的溫度變化 的測量，結合實際鋼錠和錠模的溫度場模擬，可反算得到界面換熱係數，操作方便，測試準確。2、本發明將鋼錠與錠模之間接觸界面外側的錠模簡化為五段，每段內不同位置的界面 換熱係數相差較小，可簡化認為相等；而段與段之間的界面換熱係數相差較大，進而可進行 分段測量。3、本發明在各分段中設置若干測試點，每一測試點的位置上布置一個傳感器， 各傳感器共同連接到數據採集系統；將數據採集系統輸出的數據導入界面換熱係數反算系 統，通過界面換熱係數反算系統，無需測定界面氣隙的形成，即可確定界面換熱係數，且確 定的界面換熱係數是符合實際情況並隨著時間變化的，進而解決了氣隙的形成難以測定， 且由於氣隙的影響，界面換熱係數隨著時間變化，而無法準確測定界面換熱係數的問題。本 發明構思巧妙，所提出的界面換熱係數反算求解方法可以處理任意多段界面的情況，可廣 泛適用於砂型鑄造、壓鑄等其他鑄造過程及任何界面存在氣隙的熱傳遞系統中。
圖1是本發明鋼錠與錠模界面換熱係數分段簡化結構示意2是本發明裝置連接示意3是本發明界面換熱係數反算系統中的求解流程示意4是本發明界面換熱係數反算系統中反算求解換熱係數的具體流程示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明是要確定鋼錠1與錠模2之間接觸界面的換熱係數。如圖1所示，本發明 的鋼錠1包括錠尾11、錠身12和冒口 13。本發明的錠模2包括底盤21、模身22、冒口套23 和發熱劑24，發熱劑24澆注在冒口 13頂面。由於鋼錠1與錠模2之間接觸界面的裡側是 鋼水或凝固殼層，測試難度大，測試成本高；而鋼錠1與錠模2之間接觸界面的外側是錠模 2，測試相對簡單，因此，本發明通過測試接觸界面外側錠模2的溫度變化，來確定鋼錠1與 錠模2之間接觸界面的換熱係數。本發明基於以下思想本發明將鋼錠1與錠模2之間接觸界面外側的錠模2分成若干測試分段，每一分 段設置有若干測試點，通過測試各測試點的溫度變化並結合體系(鋼錠1和錠模2)溫度場 模擬，即可反算得到鋼錠1與錠模2之間接觸界面的換熱係數。本發明包括以下步驟1)將鋼錠1與錠模2之間接觸界面外側的錠模2簡化為以下五個測試分段，即存 在五段界面換熱係數，而每段界面換熱係數不同，且均隨著時間變化；①將錠尾11與底盤21的內凹水平接觸面(如圖中3點到13點所示)作為分段I ；②將錠尾11與底盤21的側向接觸面以及錠身12與模身22的水平接觸面(如圖 中b點到c點所示)作為分段II ；③將錠身12和模身22的豎向接觸面(如圖中c點到d點所示，豎向接觸面與垂直方向的夾角為鋼錠錐度)作為分段III ；④將冒口 13與冒口套23的豎向接觸面(如圖中d點到e點所示)作為分段IV ⑤將冒口 13與發熱劑24底面的水平接觸面(如圖中e點到f點所示)作為分段 V。 上述分段簡化的依據為通過實際經驗和數值模擬表明，劃分的每一段內不同位 置的界面換熱係數相差較小，可簡化認為相等，而段與段之間的界面換熱係數相差較大。2)如圖2所示，在鋼水澆注之前，在分段I IV的錠模2中，每段確定若干個測 試點，並在每一測試點的位置上布置一個傳感器3;在鋼水澆注之後，在鋼水上面覆蓋一層 發熱劑24，在分段V的發熱劑24中確定若干個測試點，並在每一測試點上布置一個傳感器 3。將所有傳感器3通過各自的導線連接到數據採集系統4，數據採集系統4的輸出端連接 界面換熱係數反算系統5。此步在確定測試點時，需要確定測試點位置的敏感性和測試點數量的敏感性。確定測試點位置的敏感性測試點距離鋼錠1與錠模2之間的接觸界面越近，界面 換熱係數反算系統5的求解速度越快，即越有利於界面換熱係數的確定。測試點與界面的 距離與被測體系有關，對於IOOt以上的大型鋼錠，考慮到測量精度以及溫度場模擬和反算 求解的需要，距離鋼錠與錠模之間接觸界面最近的測試點與界面的距離為20 50mm。確定測試點數量的敏感性對於界面換熱係數分段處理的情況，對應於各段，布置 一個特徵測試點即可滿足該段界面換熱係數反算求解的要求。而在該界面的法線方向或近 似法線方向(即熱流方向)布置兩個特徵測試點，這樣獲得的實驗數據有利於快速地反算 求解得到該段的界面換熱係數。本發明確定最合適的特徵點數量為1 5個。3)在鋼水凝固成鋼錠的過程中，每一個傳感器3採集鋼水凝固過程中的溫度或熱 流信息，並將採集到的信息數據傳送到數據採集系統4中。4)在鋼水完全凝固成鋼錠後，通過數據採集系統4讀取各測試點的數據，獲得各 測試點的溫度或熱流信息。5)將各測試點的數據導入到鋼錠1與錠模2間界面換熱係數反算系統5中，利用 界面換熱係數反算系統5求解得到鋼錠1與錠模2間的界面換熱係數。如圖3所示，鋼錠1與錠模2間界面換熱係數反算系統5中的求解流程為根據數據採集系統4輸入的各測試點實測的隨時間變化的溫度數據估計某個時 間段的界面換熱係數；根據估計的界面換熱係數進行凝固過程中溫度場的模擬，以獲得測 試點的計算溫度；比較計算溫度與實測溫度是否吻合，如果計算溫度與實測溫度不吻合，則 通過反算求解，校正界面換熱係數，然後再返回凝固過程溫度場的模擬，直到獲得與實測溫 度相吻合的計算結果，即計算溫度與實測溫度吻合，這時候也獲得了該時間段的界面換熱 係數，記錄界面換熱係數；判斷此時的凝固時間t是否大於完全凝固時間tmax，如果t > tmax， 則結束計算；否則，進入下一時間段的計算。如圖4所示，界面換熱係數反算系統5中界面換熱係數的具體算法如下。①開始。②設置某時間段的初始條件。對應第一個時間段，則為輸入溫度場的初始條件 (即t = 0時刻的溫度分布，通常設為鋼水澆注溫度)，以及界面換熱係數的初始值，即估計值。
定義F(h1, ...，hT)為
式中，h1…，h1為各分段的界面換熱係數，Yk,p和Tk,p分別表示分段i在時間 段j、位置k的溫度實測值與計算值，I為分段總數，J為時間段總數，K為某一分段i對應 的測試點總數。時間段j的長度可以根據經驗選取，對於隱式求解，時間段j的長度可以相 對取大；對於顯式求解，時間段j的長度則相對取小。時間段j的長度可為定值，也可以動 態改變。③利用界面換熱係數《求解該時間段的溫度場，即鋼錠三維溫度場模擬，上標1 表示迭代次數，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一個時間段的初始，從估計值<開始迭 代。④在界面換熱係數^的基礎上增加一個變化幅度(，一般取為10_3，利用這個新的 界面換熱係數<(1 + 0，求解該時間段的溫度場。⑤根據步驟③和④求解的溫度場，計算得到界面換熱係數<的增量 式中，<7，表示敏感係數，其定義為 並得到下一迭代步的界面換熱係數為 ⑥如果闢'+1滿足 則說明V符合實際情況，對應求解得到的溫度場也是準確的，然後，返回步驟③進 入下一個時間段的計算。其中，￡為一小數，一般取為10_4;如果秈〃1不滿足公式(5)，則對界面換熱係數W進行重新賦值，即垮=|+1，返回步
驟③進行迭代計算，直到滿足公式(5)。⑦如果t > t_，(其中tmax為完全凝固時間)，則結束計算；否則，返回步驟③進入 下一時間段的計算。上述各實施例中，各個測試點上設置的傳感器3可以為熱電偶，也可以是其它類 型的傳感器。上述各實施例中，凝固過程溫度場模擬可以基於有限差分方法、有限元方法或有 限容積方法求解考慮液固相變的瞬態導熱方程。由於實際鋼錠是三維形狀，因此採用三維 溫度場模擬。
上述各實施例僅用於說明本發明，其中 各部件的結構、連接方式等都是可以有所 變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的 保護範圍之外。
權利要求
一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其包括以下步驟1)將鋼錠與錠模之間的接觸界面簡化為若干測試分段，在每一分段中確定若干個測試點，並在每一測試點上設置一傳感器，將每一傳感器通過各自的導線共同連接到一數據採集系統，數據採集系統的輸出端連接一界面換熱係數反算系統；2)在鋼水凝固成鋼錠的過程中，各個傳感器採集鋼水凝固過程中的溫度或熱流信息，並將採集到的信息數據傳送到數據採集系統中；3)在鋼水完全凝固成鋼錠後，通過數據採集系統讀取各測試點的數據，獲得各測試點實測的隨時間變化的溫度或熱流信息，並導入到鋼錠與錠模間界面換熱係數反算系統中；4)界面換熱係數反算系統根據步驟3)導入的數據，估計某個時間段的界面換熱係數；根據估計的界面換熱係數進行凝固過程中溫度場的模擬，以獲得測試點的計算溫度；比較計算溫度與實測溫度是否吻合，如果計算溫度與實測溫度不吻合，則通過反算求解，校正界面換熱係數，然後再返回凝固過程溫度場的模擬，直到獲得與實測溫度相吻合的計算結果，即計算溫度與實測溫度吻合，這時獲得該時間段的界面換熱係數，記錄界面換熱係數；判斷凝固時間t是否大於完全凝固時間tmax，如果t＞tmax，則結束計算；否則，進入下一時間段的計算。
2.如權利要求1所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵在於所述步 驟4)中界面換熱係數反算系統的反算求解方法為①設置某時間段的初始條件；對應第一個時間段，則為輸入溫度場的初始條件，即t =0時刻的溫度分布，通常設為鋼水澆注溫度，以及界面換熱係數的初始值，即估計值；定義FQv…，h》為/=1 「1 ( 1 )式中，h」…，hx為各分段的界面換熱係數，和分別表示分段i在時間段j、 位置k的溫度實測值與計算值，I為分段總數，J為時間段總數，K為某一分段i對應的測試 點總數；②利用界面換熱係數&求解該時間段的溫度場，即鋼錠三維溫度場模擬，上標1表示 迭代次數，1 = 0，1，2…，其中，1 = 0表示在每一個時間段的初始，從估計值乂開始迭代；③在界面換熱係數^的基礎上增加一個變化幅度(，一般取為10_3，利用這個新的界面 換熱係數<(1 + 0，求解該時間段的溫度場；④根據步驟②和③求解的溫度場，計算得到界面換熱係數^的增量^^XXX ~ Tk』j，i )kJ,ic; /+1 i=l j=\ k=\5hi =--i=\ j=\ k=l (2)式中，表示敏感係數，其定義為"-H(3)並得到下一迭代步的界面換熱係數為 (4)⑤如果滿足 (5)則說明^符合實際情況，對應求解得到的溫度場也是準確的，然後，返回步驟②進入下 一個時間段的計算；其中，ε為一小數，一般取為10_4;如果不滿足公式(5)，則對界面換熱係數^進行重新賦值，即~ = h1；1，返回步驟② 進行迭代計算，直到滿足公式(5)；⑥如果t> tmax，則結束計算；否則，返回步驟②進入下一時間段的計算。
3.如權利要求1所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵在於所述步 驟1)中，將鋼錠與錠模之間接觸界面外側的錠模簡化為五個測試分段，分別為①將鋼錠錠尾與錠模底盤的內凹水平接觸面作為分段I；②將鋼錠錠尾與錠模底盤的側向接觸面以及鋼錠錠身與錠模模身的水平接觸面作為 分段II ；③將鋼錠錠身和錠模模身的豎向接觸面作為分段III；④將鋼錠冒口與錠模冒口套的豎向接觸面作為分段IV；⑤將鋼錠冒口與鋼錠上澆注的發熱劑底面的水平接觸面作為分段V。
4.如權利要求2所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵在於所述步 驟1)中，將鋼錠與錠模之間接觸界面外側的錠模簡化為五個測試分段，分別為①將鋼錠錠尾與錠模底盤的內凹水平接觸面作為分段I；②將鋼錠錠尾與錠模底盤的側向接觸面以及鋼錠錠身與錠模模身的水平接觸面作為 分段II ；③將鋼錠錠身和錠模模身的豎向接觸面作為分段III；④將鋼錠冒口與錠模冒口套的豎向接觸面作為分段IV；⑤將鋼錠冒口與鋼錠上澆注的發熱劑底面的水平接觸面作為分段V。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵 在於每一測試分段內的測試點數量為1 5個，距離鋼錠與錠模之間接觸界面最近的測試 點與界面的距離為20 50mm。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵 在於所述傳感器為熱電偶。
7.如權利要求5所述的一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其特徵在於所述傳 感器為熱電偶。
全文摘要
本發明涉及一種確定大型鋼錠界面換熱係數的方法，其包括以下步驟1)將鋼錠與錠模間的接觸界面簡化為若干測試分段，在每一分段中確定若干個測試點，並在每一測試點上設置有一個傳感器，將每一傳感器通過各自的導線共同連接到一數據採集系統，數據採集系統的輸出端連接一界面換熱係數反算系統；2)在鋼水凝固成鋼錠的過程中，傳感器採集鋼水凝固過程中的溫度或熱流信息，並將採集到的信號傳送到數據採集系統中；3)在鋼水完全凝固成鋼錠後，通過數據採集系統讀取各測試點的數據，獲得各測試點實測的隨時間變化的溫度或熱流信息，並導入到鋼錠與錠模間界面換熱係數反算系統中；4)通過界面換熱係數反算系統反算求解出鋼錠與錠模間的界面換熱係數。
文檔編號G01N25/20GK101871903SQ20101019512
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者李文勝, 柳百成, 沈厚發 申請人:清華大學