CN116511441B - 一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，属于钢冶金连铸技术领域，能够提高喷嘴配置参数与铸坯凝固特性的适配性，获得基于铸坯实际生产状况下最佳的喷嘴配置参数，进而最大程度地降低连铸坯裂纹缺陷的发生几率；该方法综合考虑喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布、连铸钢坯的凝固特性和铸坯表面热塑性值分布，以连铸过程中铸坯内部热应力最小或铸坯裂纹发生位置热延展性最好为目标，确定喷嘴高度和喷嘴间距，以实现对喷嘴布置的优化。本发明提供的技术方案适用于钢冶炼连铸的过程中。

Description

一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法

技术领域

本发明涉及钢冶金连铸技术领域，尤其涉及一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法。

背景技术

连铸是一种高效的冶金技术。连铸冷却过程被进一步分为三个不同的冷却区，分别是结晶器区、二冷区却和空冷区。其中，二冷区的冷却环境相当复杂，而结晶器和空冷区相对稳定。板坯的冷却过程本身是不均匀的，容易导致钢材的表面和内部产生裂纹缺陷，减少冷却不均匀性是提高板坯质量的重要措施之一。

喷嘴喷淋冷却是二冷区的主要散热方式，喷淋水在其喷淋覆盖范围内的分布情况对铸坯的冷却过程有重要影响。现有技术的不足之处在于，铸坯裂纹的产生是外部冷却条件和其自身的凝固特性共同作用的结果，现有技术未充分考虑二者的适配性，获得的喷嘴配置参数不是基于铸坯实际生产状态下的最优解，对铸坯质量的改善效果有限。此外，在调整喷嘴选型与布置参数的过程中，应充分考虑铸坯裂纹缺陷的位置和分布。

授权公告号CN106825471B的发明专利，名称“方坯连铸机和板坯连铸机的喷嘴布置方法及系统”，提出了一种通过连铸机二冷区各段喷嘴的设置参数（包括喷嘴数量、喷嘴高度、喷嘴间距、喷嘴安装角度、喷嘴流量、喷射压力和喷射角度等）求解铸坯表面的温度曲线，并依据提高铸坯表面“纵-横”温度分布均匀性的趋势调整各喷嘴设置参数的方法。该方法未考虑喷嘴喷淋水量分布和连铸坯自身的凝固特性，且获得的喷嘴设置参数需要进行定制化的喷嘴设计，实际应用成本较高，不足以提高铸坯质量和降低生产成本。

授权公告号CN112139463B的发明专利，名称“一种连铸机的二冷喷嘴选型及布置方法”，通过在二冷区不同位置配置特定类型、流量的喷嘴，实现连铸机设备冷却的强化和铸坯边角部弱冷的目的。该方法未充分考虑喷嘴的喷淋性能（喷射角、水量分布等）和喷淋水作用于铸坯的实际冷却效果，且相同喷嘴配置对不同规格铸坯的冷却效果存在差异，不足以实现铸坯边角部弱冷。

因此，有必要研究一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，能够提高喷嘴配置参数与铸坯凝固特性的适配性，获得基于铸坯实际生产状况下最佳的喷嘴配置参数，进而最大程度地降低连铸坯裂纹缺陷的发生几率。

本发明提供一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，所述方法综合考虑喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布、连铸钢坯的凝固特性和铸坯表面热塑性值分布，以连铸过程中铸坯内部热应力最小或铸坯裂纹发生位置热延展性最好为目标，确定喷嘴高度和喷嘴间距，以实现对喷嘴布置的优化。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法的步骤包括：

S1、在喷嘴间距固定的情况下，调整各喷嘴高度；

S2、确定在现有喷嘴高度下的连铸机喷嘴的工况参数，并获取当前工况参数下的铸坯表面质量；

S3、获取当前工况参数下喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布数据；

S4、将S3获得的水量分布数据导入凝固传热数学模型中，通过模型计算得到相应的铸坯表面温度分布数据；

S5、将S4得到的铸坯表面温度分布数据导入连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型中，通过模型计算得到相应的铸坯表面热塑性值分布数据；

S6、重复S1-S5，获得不同喷嘴高度下铸坯表面热塑性值分布数据，并根据铸坯表面质量和铸坯表面热塑性值分布数据确定最佳的喷嘴高度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S6中确定最佳的喷嘴高度的方式为：当铸坯表面无裂纹时，选出铸坯表面热塑性值分布均匀性最好的喷嘴高度，记为第一喷嘴高度；当铸坯表面有裂纹时，选出铸坯表面裂纹处热塑性值最大时对应的喷嘴高度（此时热延展性最好），记为第二喷嘴高度。

同一铸坯表面有多处裂纹时，将最严重裂纹发生位置的热塑性值（也就是最大的热塑性值）作为该铸坯表面质量的标记，再从多个热塑性值标记中选出最大的热塑性值，其对应的喷嘴高度即为第二喷嘴高度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括：

S7、基于步骤S6中确定的喷嘴高度，确定最优的喷嘴间距；具体步骤包括：

S71、将喷嘴高度设置成S6中确定的喷嘴高度，并按照设定步长依次改变喷嘴间距，然后重复步骤S2-S5，得到不同喷嘴间距下的铸坯表面热塑性值分布数据；

S72、选出铸坯表面质量与步骤S6中确定的喷嘴高度一致的喷嘴间距作为间距可选集，再根据铸坯表面热塑性值分布数据从中选出最优的喷嘴间距。

当喷嘴高度对应的铸坯表面质量为无裂纹时，选出铸坯表面热塑性值分布均匀性最好的喷嘴间距，记为第一喷嘴间距；当喷嘴高度对应的铸坯表面质量为有裂纹时，选出裂纹处热塑性值最大时对应的喷嘴间距，记为第二喷嘴间距。

将所述第一喷嘴高度和第一喷嘴间距以及所述第二喷嘴高度和第二喷嘴间距确定为喷嘴最佳布置参数。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中凝固传热数学模型为基于铸坯表面水量分布的凝固传热数学模型。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型的构建内容包括：通过高温拉伸试验获得所生产铸坯在不同温度下的断面收缩率数据，并根据此数据构建所述连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法还包括喷嘴的检测，其检测通过的条件为：将检测设备的管路气压和喷嘴水流量值与喷嘴实际工作中的连铸机管路气压和喷嘴水流量值保持一致。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中将水量分布数据导入凝固传热数学模型的方式为：将喷淋覆盖区域分为等宽的若干小段，计算每个小段上的水流密度；将模型（该模型具体可以是在凝固传热模型建立过程中构建的有一定厚度的与铸坯断面尺寸相同的几何体，其属于凝固传热模型的一部分）表面对应区域分为相同宽度的若干小段，将水流密度依次导入模型中的对应位置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型的构建方式为：采用函数拟合或分段函数拟合的方法构建，拟合优度＞0.95。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S62中，步长的设定满足的要求为：分别在喷嘴高度和喷嘴间距的调节范围内获取的数据组数不低于4组。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，喷嘴高度满足条件为：，

其中，h_i为喷嘴高度，mm；R为连铸机对应位置的辊子半径，mm；

喷嘴间距满足条件为：，

其中，d_j为喷嘴间距，mm；N为连铸机单排喷嘴数量，个；W为铸坯宽度，mm；D_i为喷嘴高度为h_i时对应的单喷嘴喷淋覆盖宽度，mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在喷嘴的检测过程中，不合格喷嘴数量占同型号喷嘴检测数量的占比＞10%，则不使用该型号喷嘴。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，不合格喷嘴指喷射角波动幅度≥8°或喷嘴左右两侧水量分布不对称性≥15%的喷嘴。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明通过控制铸坯表面热塑性值分布优化喷嘴布置方式，综合了铸坯裂纹缺陷产生的外部冷却条件和其自身的凝固特性，以便于使在连铸过程中铸坯内部热应力最小（无裂纹缺陷时）或铸坯缺陷发生位置热延展性最好（有裂纹缺陷时），最大程度改善连铸坯质量；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明在喷嘴布置方式优化过程中，规定了喷嘴布置参数的调节范围和喷嘴型号的筛选标准，在确保连铸二冷区较高的喷淋传热效率的同时避免了铸坯角部强冷，进而改善连铸坯的“纵-横”冷却不均匀性，提高连铸坯质量。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的目标钢种的断面收缩率数据，图中Ⅰ、Ⅱ曲线为分段拟合的函数曲线；

图3是本发明一个实施例提供的不同喷嘴高度下的铸坯表面热塑性值分布云图，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴高度210 mm、235 mm、260 mm、285 mm时的铸坯表面热塑性值分布云图；

图4是本发明一个实施例提供的不同喷嘴间距下的铸坯表面热塑性值分布云图，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴间距350 mm、400 mm、450 mm、500 mm时的铸坯表面热塑性值分布云图；

图5是本发明一个实施例提供的不同喷嘴高度下的喷淋水量分布曲线，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴高度210 mm、235 mm、260 mm、285 mm时的喷淋水量分布曲线；

图6是本发明一个实施例提供的不同喷嘴间距下的喷淋水量分布数据，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴间距350 mm、400 mm、450 mm、500 mm时的喷淋水量分布曲线；

图7是本发明一个实施例提供的不同喷嘴高度下的铸坯表面横向温度分布曲线，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴高度210 mm、235 mm、260 mm、285 mm时的铸坯表面横向温度分布曲线；

图8是本发明一个实施例提供的不同喷嘴间距下的铸坯表面横向温度分布曲线，图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为喷嘴间距350 mm、400 mm、450 mm、500 mm时的铸坯表面横向温度分布曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

a.确定喷嘴初始工况参数，获取铸坯表面质量数据

获取连铸机喷嘴的初始工况参数，所述初始工况参数包括喷嘴高度h₀、喷嘴间距d₀和单排喷嘴布置数量N₀，并获取该工况条件下铸坯的表面质量；

b.喷淋水量分布检测，获取水量分布数据

采用喷淋检测设备检测步骤a工况参数条件下喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布数据；

c.连铸坯表面温度分布计算

建立考虑铸坯表面水量分布的凝固传热数学模型，然后将步骤b获得的水量分布数据导入至所述模型中，通过模拟计算，得到相应的铸坯表面温度分布数据；

将喷淋水量分布数据导入凝固传热数学模型的方法为：将喷淋覆盖区域分为等宽的若干小段，计算每个小段上的水流密度；将模型表面对应区域分为相同宽度的若干小段，将水流密度依次导入模型中的对应位置；

d.连铸坯表面热塑性值分布计算

通过高温拉伸试验获得所生产铸坯在不同温度下的断面收缩率数据并以此构建连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型，将步骤c中的铸坯表面温度分布数据导入至连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型中，获得相应的铸坯表面热塑性值分布数据；

连铸坯温度-热塑性值定量关系模型的建立方法为：采用函数拟合或分段函数拟合的方法，拟合优度＞0.95；

e.获取最佳喷嘴高度

在喷嘴间距d₀和单排喷嘴布置数量N₀条件下，按照设定步长依次改变喷嘴高度，继续重复步骤b至步骤d，得到不同喷嘴高度时的铸坯表面热塑性值分布数据；

喷嘴高度和间距设定步长应满足要求：分别在喷嘴高度和间距的调节范围内获取的数据组数不低于4组；

当步骤a获得的铸坯表面无裂纹缺陷时，确定铸坯表面热塑性值分布均匀性最好时对应的喷嘴高度即为最佳喷嘴高度h_优；当步骤a获得的铸坯表面有裂纹缺陷时，确定铸坯表面裂纹发生处热塑性值达到最大时对应的喷嘴高度即为最佳喷嘴高度h^’ _优；

喷嘴高度应满足以下要求：

（1）

其中，h_i为喷嘴高度，mm；R为连铸机对应位置的辊子半径，mm。

喷嘴间距应满足以下要求：

（2）

其中，d_j为喷嘴间距，mm；N为连铸机单排喷嘴数量，个；W为所生产的铸坯宽度，mm，D_i为喷嘴高度为h_i时对应的单喷嘴喷淋覆盖宽度，mm；

f.确定喷嘴最佳布置参数

在上一步骤确定的最佳喷嘴高度h_优（或h^’ _优）和单排喷嘴布置数量N₀条件下，按照设定步长依次改变喷嘴间距，继续重复步骤b至步骤d，得到不同喷嘴间距时的铸坯表面热塑性值分布数据；

当获得的铸坯表面无裂纹缺陷时（具体对应的喷嘴高度为无裂纹缺陷下获得的最优喷嘴高度h_优），确定铸坯表面热塑性值分布均匀性最好时对应的喷嘴间距即为最佳喷嘴间距d_优，此时喷嘴最佳布置参数即为h_优和d_优；当获得的铸坯表面有裂纹缺陷时（具体对应的喷嘴高度为有裂纹缺陷下获得的最优喷嘴高度h^’ _优），确定铸坯表面裂纹发生处热塑性值达到最大时对应的喷嘴间距即为最佳喷嘴间距d^’ _优，此时喷嘴最佳布置参数即为h^’ _优和d^’ _优。

进一步的，所述方法还包括喷嘴的检测步骤，其检测条件为：将检测设备的管路气压和喷嘴水流量值与喷嘴实际工作中的连铸机管路气压和喷嘴水流量值保持一致。在喷嘴的检测过程中，不合格喷嘴数量占同型号喷嘴检测数量的占比＞10%，则不使用该型号喷嘴。不合格喷嘴指喷射角波动幅度≥8゜或喷嘴左右两侧水量分布不对称性≥15%的喷嘴。

本发明基于连铸坯温度-热塑性值定量关系模型，结合喷嘴喷淋水量分布检测和凝固传热模拟计算，旨在获得与铸坯自身凝固特性和实际生产状态相匹配的喷嘴布置参数。该方法简单易行，得到的喷嘴配置方案可以针对性地解决铸坯裂纹缺陷问题，最大程度改善连铸坯质量。

本发明在喷嘴水量分布检测过程中，通过控制喷嘴检测条件与其在实际连铸生产中的工作条件相一致，可使检测结果与铸坯表面真实的水量分布之间误差最小。一般地，喷嘴高度h_i的取值原则为，其中，R为连铸机辊子的半径。有研究表明，喷嘴打击力随喷嘴高度的升高而降低，喷嘴高度上限为400 mm。由于喷嘴打击力直接影响喷淋传热效率，为保证喷淋冷却效果，本发明将喷嘴高度的调节范围设置为/>。对于喷嘴间距d_j，为保证铸坯角部弱冷，从确保非全覆盖喷淋的角度对喷嘴间距的调节范围进行了限制。

在连铸二冷区，喷淋水作用于铸坯表面，其不均匀分布使铸坯表面不同位置的冷却强度产生差异，进而造成温度分布的不均匀性，这是铸坯产生裂纹缺陷的外在因素；基于连铸钢坯的凝固特性，其在不同的温度下会呈现出不同的高温性能，这是铸坯产生裂纹缺陷的内在因素。在连铸过程中，铸坯的热延展性对其裂纹的产生与扩展有重要影响。一般地，采用铸坯在不同温度下的断面收缩率表征其热延展性能：断面收缩率越大，铸坯热延展性越好，裂纹产生和扩展的几率越小。本发明基于连铸钢坯断面收缩率数据构建了温度-热塑性值定量关系模型，在充分考虑了连铸坯裂纹缺陷发生位置的基础上，通过控制铸坯表面热塑性值分布优化喷嘴布置方式，可保证铸坯裂纹缺陷发生位置具有较高的热延展性，进而最大程度地改善铸坯质量。此外，当铸坯表面热塑性值分布均匀性较好时，铸坯内部热应力减小，有利于降低裂纹缺陷发生几率。

本发明在使用过程中，通过喷嘴冷态性能检测，可对不同类型喷嘴的质量进行评估。喷嘴行业标准给出了单喷嘴的性能评价指标：喷射角≤90°的喷嘴，允差为0° ~+4°，喷射角＞90°的喷嘴，允差为0° ~+6°；喷嘴的水量分布不对称性差值≤10%。在多喷嘴组合布置的情况下，单个喷嘴的喷淋性能波动对整体喷淋水量分布的影响减弱。为降低喷嘴使用成本，本发明规定了多喷嘴组合布置下的单喷嘴性能评价指标：喷射角波动幅度≥8°，喷嘴水量分布不对称性≥15%。在该评价指标下，不合格喷嘴数量占同型号喷嘴检测数量的占比超过5%时，则不使用该型号喷嘴。

实施例1

图1是该实施例中基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法的流程图，依据本发明的方法，以对某钢厂板坯连铸机扇形段喷嘴布置方式进行优化为例，实施步骤如下：

该连铸机主要生产SPHC钢，其断面尺寸为1020 mm×200 mm。表1为连铸机扇形段的连铸工艺参数。

表1 连铸机扇形段工艺参数

拉速	1.35 m/min
		管路气压	0.30 MPa
喷嘴平均水流量	3.30 L/min
		喷嘴型号	PZWH3.8-90B2
喷嘴高度	210 mm
		喷嘴间距	400 mm
喷嘴布置方式	每排两个
		喷嘴数量	168个
辊子直径	190 mm

首先，确定喷嘴初始工况参数：喷嘴高度h₀ = 210 mm，喷嘴间距d₀ = 400 mm，单排喷嘴数量N = 2个。在当前的工况条件下，铸坯角部裂纹缺陷频发，铸坯宽面1/4区域偶尔产生裂纹缺陷。

其次，使用喷淋检测设备检测初始工况下喷嘴喷淋至铸坯表面的水量分布。在检测过程中，为获得喷嘴在实际工作状态下的水量分布数据，依据连铸生产过程中的管路气压和喷淋水流量，确定喷嘴的检测条件为：管路气压，管路水流量。在本实施例中，将喷淋覆盖范围区域分为宽度为12 mm的若干小段，分别计算各小段内的水流密度，并记录数据。

建立考虑铸坯横向水量分布的SPHC钢凝固传热数学模型，模型通过铸坯表面实际测温数据进行校正。将计算的水流密度数据导入模型中，通过模拟计算，获得铸坯表面温度分布数据。

采用数据拟合的方法，建立SPHC钢铸坯温度-热塑性值定量关系模型：

（3）

其中，表示热塑性值，%；t表示铸坯温度，℃。

如图2所示，其为目标钢种的断面收缩率数据，图中Ⅰ、Ⅱ曲线为分段拟合的函数曲线。

将温度分布数据代入公式（3）中，得到铸坯表面热塑性值分布数据。

在本实施例中，使用origin软件将热塑性值分布数据结果绘制成云图进行分析，如图3、图4所示，其中，图3为不同喷嘴高度下的铸坯表面热塑性值分布云图（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对应的喷嘴高度分别为210 mm、235 mm、260 mm、285 mm），图4为不同喷嘴间距下的铸坯表面热塑性值分布云图（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对应的喷嘴间距分别为350 mm、400 mm、450 mm、500 mm）；两图中颜色越浅，表示该位置处热塑性值越大。

将R = 95 mm代入公式（1）中，得到喷嘴高度h_i范围需要满足的要求范围：

（4）

设定喷嘴高度变化步长为25 mm，基于初始喷嘴高度参数，采用本发明提出的方法，重复以上步骤。为保证足够的喷淋覆盖宽度，本实施例依次计算喷嘴高度为210 mm、235mm、260 mm、285 mm时的铸坯表面热塑性值分布，如图3所示。

依据本发明提出的方法，结合铸坯表面质量，需选择铸坯边部区域热塑性值最大时对应的喷嘴布置参数。分析图3可知，当喷嘴高度为210 mm，铸坯边部高热塑性区域面积最大。

当喷嘴高度为210 mm时，单喷嘴喷淋覆盖宽度为516 mm。将D₀ = 516 mm，N = 2，W= 1020 mm代入公式（2）中，得到喷嘴间距d_j需要满足的要求范围：

（5）

设定喷嘴间距变化步长为50 mm，基于初始喷嘴高度参数，采用本发明提出的方法，重复以上步骤。为保证足够的喷淋覆盖宽度，本实施例依次计算喷嘴间距为350 mm、400mm、450 mm、500 mm时的铸坯表面热塑性值分布，如图4所示。

依据本发明提出的方法，选择铸坯边部区域热塑性值最大时对应的喷嘴布置参数。分析图4可知，当喷嘴间距为350 mm时，铸坯边部高热塑性区域面积最大。

因此，喷嘴的最佳布置参数为喷嘴高度210 mm，喷嘴间距350 mm。

在检测过程中，该型号喷嘴的喷射角、水量分布不对称性均在喷嘴评估标准范围内。因此，该型号喷嘴质量较好，可继续用于SPHC钢连铸生产。

工业试验结果表明，铸坯角部裂纹缺陷消失，且铸坯宽面无其他类型的裂纹缺陷产生，连铸坯质量较高。

对比例1：

在本对比例中，采用现有的基于改善喷嘴喷淋水量分布不均匀性的方法优化SPHC钢扇形区喷嘴布置参数。

连铸工艺参数、喷嘴初始工况参数、检测条件控制方法与实施例1相同。

设定与实施例1相同的喷嘴高度与喷嘴间距变化步长，采用喷淋检测设备，依次检测喷嘴高度为210 mm、235 mm、260 mm、285 mm时的喷淋水量分布，如图5所示；依次检测喷嘴间距为350 mm、400 mm、450 mm、500 mm时的喷淋水量分布，如图6所示。

分析图5可知，当喷嘴高度为285 mm时，喷淋重叠区域水量与喷嘴喷淋中心区域水量相差最小，喷淋水量分布不均匀性最小；分析图6可知，当喷嘴间距为350 mm时，喷淋重叠区域水量与喷嘴喷淋中心区域水量相差最小，喷淋水量分布不均匀性最小。

因此，喷嘴优化布置参数为：喷嘴高度285 mm，喷嘴间距350 mm。

工业试验结果表明，铸坯角部裂纹缺陷改善不明显，铸坯表面分布有细小的裂纹缺陷，连铸坯质量较差。

对比例2：

在本对比例中，采用现有的基于改善铸坯表面温度分布不均匀性的方法优化SPHC钢扇形区喷嘴布置参数。

连铸工艺参数、喷嘴初始工况参数、检测条件控制方法、检测数据处理方法与实施例1相同。

采用实施例1中建立的考虑铸坯横向水量分布的SPHC钢凝固传热数学模型，通过模拟计算，获得铸坯表面温度分布数据。

考虑到喷嘴喷淋水量分布对铸坯表面温度分布的影响随其距结晶器弯月面距离的增加逐渐减小。为清晰地反映喷淋水量分布对铸坯表面温度分布的影响，本对比例以铸坯扇形第2段末的铸坯表面横向温度分布数据为依据进行分析。

设定与实施例1相同的喷嘴高度与喷嘴间距变化步长，重复上述步骤，获得喷嘴高度为210 mm、235 mm、260 mm、285 mm时扇形第2段末铸坯表面横向温度分布数据，如图7所示；获得喷嘴间距为350 mm、400 mm、450 mm、500 mm时扇形第2段末铸坯表面横向温度分布数据，如图8所示。

分析图7可知，随着喷嘴高度的增加，铸坯表面横向最大温差逐渐降低，当喷嘴高度为285 mm时，铸坯横向温度分布不均匀性最小；分析图8可知，随着喷嘴间距的增加，铸坯表面横向最大温差先降低后升高，当喷嘴间距为450 mm时，铸坯表面横向温度分布不均匀性最小。

因此，喷嘴优化布置参数为：喷嘴高度285 mm，喷嘴间距450 mm。

工业试验结果表明，铸坯角部裂纹缺陷改善不明显，但铸坯表面细小裂纹缺陷明显改善，总体而言，连铸坯质量改善效果有限。

以上对本申请实施例所提供的一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (9)

1.一种基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，所述方法综合考虑喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布、连铸钢坯的凝固特性和铸坯表面热塑性值，确定最佳的喷嘴设置参数；

所述方法的步骤具体包括：

S1、在喷嘴间距固定的情况下，调整各喷嘴高度；

S2、确定在现有喷嘴高度下的连铸机喷嘴的工况参数，并获取当前工况参数下的铸坯表面质量；

S3、获取当前工况参数下喷嘴喷淋至连铸坯表面的水量分布数据；

S4、将S3获得的水量分布数据导入凝固传热数学模型中，通过模型计算得到相应的铸坯表面温度分布数据；

S5、将S4得到的铸坯表面温度分布数据导入连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型中，通过模型计算得到相应的铸坯表面热塑性值分布数据；

S6、重复S1-S5，获得不同喷嘴高度下铸坯表面热塑性值分布数据，并根据铸坯表面质量和铸坯表面热塑性值分布数据确定最佳的喷嘴高度；

步骤S6中确定最佳的喷嘴高度的方式为：

当铸坯表面无裂纹时，选出铸坯表面热塑性值分布均匀性最好的喷嘴高度，记为第一喷嘴高度；当铸坯表面有裂纹时，选出铸坯表面裂纹处热塑性值最大时对应的喷嘴高度，记为第二喷嘴高度；

同一铸坯表面有多处裂纹时，将最严重裂纹发生位置的热塑性值作为该铸坯表面质量的标记，再从多个热塑性值标记中选出最大的热塑性值，其对应的喷嘴高度即为第二喷嘴高度。

2.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，所述方法还包括：

S7、基于步骤S6中确定的喷嘴高度，确定最优的喷嘴间距；具体步骤包括：

S71、将喷嘴高度设置成S6 中确定的喷嘴高度，并按照设定步长依次改变喷嘴间距，然后重复步骤S2-S5，得到不同喷嘴间距下的铸坯表面热塑性值分布数据；

S72、选出铸坯表面质量与步骤S6 中确定的喷嘴高度一致的喷嘴间距作为间距可选集，再根据铸坯表面热塑性值分布数据从中选出最优的喷嘴间距。

3.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，步骤S4中凝固传热数学模型为基于铸坯表面水量分布的凝固传热数学模型。

4.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，步骤S4中连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型的构建内容包括：通过高温拉伸试验获得所生产铸坯在不同温度下的断面收缩率数据，并根据此数据构建所述连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型。

5.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，所述方法还包括喷嘴的检测，其检测通过的条件为：将检测设备的管路气压和喷嘴水流量值与喷嘴实际工作中的连铸机管路气压和喷嘴水流量值保持一致。

6.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，步骤S4中将水量分布数据导入凝固传热数学模型的方式为：将喷淋覆盖区域分为等宽的若干小段，计算每个小段上的水流密度；将凝固传热数学模型表面对应区域分为相同宽度的若干小段，将水流密度依次导入凝固传热数学模型中的对应位置。

7.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，步骤S5中连铸钢坯温度-热塑性值定量关系模型的构建方式为：采用函数拟合或分段函数拟合的方法构建，拟合优度＞0.95。

8.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，喷嘴高度满足条件为： ，

其中，hi 为喷嘴高度；R 为连铸机对应位置的辊子半径。

9.根据权利要求1所述的基于连铸钢坯凝固特性的喷嘴优化布置方法，其特征在于，喷嘴间距满足条件为： ，

其中，d_j 为喷嘴间距；N为连铸机单排喷嘴数量；W为铸坯宽度；Di为喷嘴高度为hi 时对应的单喷嘴喷淋覆盖宽度。