本發明涉及連鑄技術領域，更具體地，涉及一種方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法及系統。

背景技術：

方坯(主要是板坯)溫度場計算中，表面水流密度作為邊界條件進行輸入。目前普遍的處理方法是：在冷卻區內按照水量平均分布計算水流密度，也就是說，冷卻回路水量L，其對應噴射鑄坯表面積為S，則水流密度為q＝L/S。

上述處理方法不考慮噴嘴分布對水流密度的影響，只是在冷卻區內做水流密度平均處理，存在以下缺點：

第一，不能考慮幅切情況對板坯角部溫度的影響；

第二，沒有考慮噴嘴在空間不同位置分布的差異性，各區水流密度平均處理；

第三，不能考慮不同噴嘴型號對計算水流密度的影響。

技術實現要素：

鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種模擬不同噴嘴布置對鑄坯溫度的影響的方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法及系統。

根據本發明的一個方面，提供一種方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法，包括：初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度；以每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向為坐標軸，建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系；在連鑄機坐標系中，采用網格技術模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；確定每一個空間著水點的輻射向量在連鑄機坐標系中相對于所在網格法向的歐拉角；根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度χ，其中，Q為噴嘴的噴水量，f為空間著水點的水量分布密度值，θ為空間著水點的輻射向量與噴嘴噴射方向的夾角；根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度w，其中，θ₁為歐拉角，r為輻射向量；根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度和所述網格的鑄坯傳熱系數，得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

根據本發明的另一個方面，提供一種方坯連鑄機和板坯連鑄機的噴嘴布置系統，包括：輸入單元，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度；噴淋裝置，設置在連鑄機的二冷區，對鑄坯噴淋冷卻，包括總管、從總管分出的多個支管以及設置在支管上的多個噴嘴，所述總管上設置有進水口，所述進水口設置有閥門，通過閥門控制該噴淋裝置的開斷；鑄坯模擬單元，在連鑄機坐標系中，采用網格技術模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；噴嘴空間構建單元，以每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；角密度確定單元，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度；面密度確定單元，在連鑄機坐標系中，確定每一個空間著水點的輻射向量相對于所在網格法向的歐拉角，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度；鑄坯溫度模擬單元，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度確定所述網格的傳熱系數，從而得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；噴嘴調整單元，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

上述方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法及系統考慮噴嘴在空間中的分布對鑄坯表面水流密度的影響，能夠模擬不同噴嘴設置參數對鑄坯溫度的影響，從而能夠避免幅切情況對板坯角部溫度的影響，使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻。

附圖說明

通過參考以下具體實施方式及權利要求書的內容并且結合附圖，本發明的其它目的及結果將更加明白且易于理解。在附圖中：

圖1是本發明方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法的流程圖；

圖2是本發明噴嘴局部笛卡爾坐標系的示意圖；

圖3是本發明確定水流面密度的坐標圖示意圖；

圖4是本發明噴嘴的水量分布密度函數的示意圖

圖5是本發明方坯連鑄機和板坯連鑄機的噴嘴布置系統的構成框圖；

圖6是本發明所述噴淋裝置分段設置的示意圖；

圖7a-7d是本發明一個具體實施例的示意圖。

在附圖中，相同的附圖標記指示相似或相應的特征或功能。

具體實施方式

在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個或多個實施例的全面理解，闡述了許多具體細節。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細節的情況下實現這些實施例。在其它例子中，為了便于描述一個或多個實施例，公知的結構和設備以方框圖的形式示出。

下面將參照附圖來對根據本發明的各個實施例進行詳細描述。

圖1是本發明方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法的流程圖，如圖1所示，所述噴嘴布置方法包括：

首先，在步驟S100中，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度中的一個或多個；

在步驟S110中，以每一個噴嘴安裝位置為原點，噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向為坐標軸，建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，如圖2所示，x₀為一個噴嘴的安裝位置(也是原點0)，α為噴嘴的長軸噴射角度，面p為檢測平面，n₀為噴嘴噴射方向，a₀噴嘴長軸方向，b₀噴嘴短軸方向(未示出，垂直于紙面向外的方向)，在n₀和a₀定了之后，b₀＝n₀×a₀；

在步驟S120中，在連鑄機坐標系中，采用網格技術模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；

在步驟S130中，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量，如圖2所示，x為空間著水點，輻射向量r和單位向量為：

r＝x-x₀

空間著水點局部Cartesian坐標(笛卡爾坐標)(ξ,η,ζ)由三個單位向量決定

ξ＝r·a₀

η＝r·b₀

ζ＝r·n₀

其中，ζ是高度，ξ和η是檢測平面坐標，輻射向量與噴射方向的夾角為：

檢測平面半徑R和輻射向量在檢測平面的輻射角φ為：

R＝r-n₀n₀·r＝r-ζn₀

從而，空間著水點x局部Cartesian坐標(ξ,η,ζ)的關系

ζ＝rcosθ；

在步驟S140中，確定每一個空間著水點的輻射向量在連鑄機坐標系中相對于所在網格法向的歐拉角，如圖3所示，n為網格法向，θ₁為輻射向量r在n向的歐拉角，

在步驟S150中，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度χ，如圖3所示，角密度χ定義為：

dQ＝χdΩ

其中，Q為噴嘴的噴水量，f為空間著水點的水量分布密度值，θ為空間著水點的輻射向量與噴嘴噴射方向的夾角，dΩ為網格的立體角，dS為假定接受面為通過x點的，以n為法向的表面元，dS＝ndS，

在步驟S160中，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度，如圖2和圖3所示，空間著水點所在的網格的角密度χ和面密度w的關系為，dQ＝χdΩ＝wdS，因此網格的水流面密度w為：

在步驟S170中，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度和所述網格的鑄坯傳熱系數，得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；

在步驟S180中，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數。

在上述步驟S150中，還包括：根據不同噴嘴在鑄坯上的檢測平面形狀(水斑形狀)確定噴嘴的水量分布密度曲線，其中，

對于檢測平面呈橢圓形的噴嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

ρ為歸一化向量，若ρ＞1，則不計算水量分布密度；

對于檢測平面呈矩形的噴嘴，

a＝ζtanα

b＝ζtanβ

c₀+c₁+c₂+...+c_M＝0

若：ξ＞aη＞b，則不計算水量分布密度，

其中，f(ρ)為水量分布密度函數，ρ是檢測平面上設定的等效半徑，a為檢測平面的長軸長度，b為檢測平面的短軸長度，ξ為空間著水點在局部笛卡爾坐標系中長軸方向的坐標，η為空間著水點在局部笛卡爾坐標系中短軸方向的坐標，α為噴嘴長軸的噴射角度，β為噴嘴短軸的噴射角度，φ為空間著水點在局部坐標系中的輻射向量在檢測平面的輻射角，c₀...c_M為根據噴嘴出廠設定的多個水量分布密度值進行曲線擬合得到多項式系數，如圖4所示，橫坐標為等效半徑，縱坐標為水量分布密度值，坐標圖中的“+”為噴嘴出廠設定的多個水量分布密度值，坐標中的曲線為通過水量分布密度函數與出廠設定的多個水量分布密度值根據水斑形狀進行曲線擬合(例如最小二乘擬合)得到所述噴嘴的水量分布密度曲線，從而確定水量分布密度函數多項式系數。

優選地，上述噴嘴布置方法還包括：根據鑄坯水流面密度設計二冷段的長度，也就是說，上述設置參數還包括二冷段長度，所述二冷段長度不小于從結晶器下口到鑄坯凝固點的長度，根據鑄坯水流面密度調整鑄坯中心溫度曲線，從而獲得鑄坯凝固點。

上述鑄坯表面溫度變化曲線和鑄坯中心溫度曲線包括三維曲線和二維曲線中的一種或多種，其中所述三維曲線以網格坐標為面坐標，以溫度為縱坐標；所述二維曲線包括沿拉坯方向各網格的溫度變化曲線、沿鑄坯寬度方向各網格的溫度變化曲線(圖7b和7d示出)以及以距離結晶器彎月面的距離為縱坐標，以鑄坯寬度方向為橫坐標，以不同顏色代表鑄坯不同橫縱坐標處鑄坯的溫度的二維鑄坯溫度模擬圖。

另外，優選地，上述噴嘴布置方法還包括：

生成鑄坯水流面密度曲線或鑄坯水流面密度模擬圖，其中，所述水流面密度曲線為沿拉坯方向各網格的水流面密度變化曲線以及沿鑄坯寬度方向各網格的水流面密度變化曲線，所述鑄坯水流面密度模擬圖橫坐標為距離結晶器彎月面的長度，縱坐標為鑄坯寬度，通過圖形顯示各噴嘴在鑄坯上形成水斑，通過不同顏色及顏色深淺表示水流面密度(圖7a和7c示出)。

上述方坯連鑄機和板坯連鑄機噴嘴布置方法建立了冷卻區-冷卻回路-噴嘴布置之間的聯系，考慮噴嘴在空間中的分布對鑄坯表面水流密度的影響，能夠模擬不同噴嘴布置對鑄坯溫度的影響，從而評估噴嘴系統的好壞。

圖5是本發明方坯連鑄機和板坯連鑄機的噴嘴布置系統的構成框圖，如圖5所示，所述方坯連鑄機和板坯連鑄機的噴嘴布置系統100包括：

輸入單元110，初步設定連鑄機二冷段的各噴嘴的設置參數，所述設置參數包括噴嘴數量、噴嘴高度、噴嘴間距、噴嘴安裝角度、噴嘴流量、噴射壓力和噴嘴的噴射角度中的一個或多個；

噴淋裝置120，設置在連鑄機的二冷區，對鑄坯噴淋冷卻，包括總管(未示出)、從總管分出的多個支管121(圖6示出)以及設置在支管上的多個噴嘴122(圖6示出)，所述總管上設置有進水口(未示出)，所述進水口設置有閥門(未示出)，通過閥門控制該噴淋裝置的開斷；

鑄坯模擬單元140，在連鑄機坐標系中，采用網格技術模擬連鑄生產中的鑄坯，得到形成鑄坯的多個網格；

噴嘴空間構建單元130，以輸入單元110中每一個噴嘴安裝位置為原點，以噴嘴噴射方向、噴嘴長軸方向和噴嘴短軸方向建立每一個噴嘴的局部笛卡爾坐標系，以噴嘴在鑄坯上形成的噴射表面為檢測平面，以檢測平面上每一個網格的中心點作為空間著水點，確定每一個噴嘴的每一個空間著水點在所述噴嘴的局部笛卡爾坐標系中的輻射向量；

角密度確定單元150，根據噴嘴的每一個空間著水點的水量分布和輻射向量確定每一個空間著水點的角密度；

面密度確定單元160，在連鑄機坐標系中，確定每一個空間著水點的輻射向量相對于所在網格法向的歐拉角，根據每一個空間著水點的角密度、輻射向量和歐拉角確定每一個空間著水點所在網格的水流面密度；

鑄坯溫度模擬單元170，根據每一個空間著水點所在網格的水流面密度確定所述網格的傳熱系數，從而得到每一個空間著水點所對應的每一個網格的鑄坯表面溫度，獲得鑄坯表面溫度變化曲線；

噴嘴調整單元180，根據鑄坯表面溫度變化曲線按照使得鑄坯表面縱向和橫向溫度分布均勻的趨勢調整各噴嘴的設置參數；

水流面密度模擬單元190，根據面密度確定單元確定的各網格的水流面密度生成鑄坯水流面密度曲線或鑄坯水流面密度模擬圖。

優選地，所述噴淋裝置分段設置，每一段噴淋裝置均設置至少一個閥門，也就是說，在結晶器出口到拉矯機長度內多個噴嘴沿拉坯方向分段設置，每一段的噴淋裝置的多個噴嘴至少由一個閥門控制，不同閥門控制的不同噴嘴形成多個冷卻回路，如圖6所示，將噴淋裝置從結晶器下口分9段設置，多段噴嘴的布置可以相同也可以不同,進一步優選地，所述每一段的噴淋裝置的多個噴嘴由多個閥門控制，形成多個冷卻回路，例如，所述每一段的多個噴嘴按照連鑄機的內弧曲線、外弧曲線、鑄坯的左側面和右側面分成內冷卻回路、外冷卻回路、左冷卻回路和右冷卻回路，所述內冷卻回路、外冷卻回路、左冷卻回路和右冷卻回路由1～4個閥門控制。

另外，優選地，還包括：水量分布密度曲線擬合單元，根據不同噴嘴在鑄坯上的檢測平面形狀(水斑形狀)設置不同的等效半徑，通過與所述等效半徑相關的水量分布密度函數和出廠設定的多個水量分布密度值根據水斑形狀進行曲線擬合(例如最小二乘擬合)得到每一個噴嘴的水量分布密度曲線。

上述方坯連鑄機和板坯連鑄機的噴嘴布置系統基于方坯或板坯傳熱模型和噴嘴布置設計工具，通過調整冷卻區段的劃分和噴嘴的空間分布，實現鑄坯表面溫度均勻，從而評估二冷噴淋系統的設計，進而改進鑄坯質量。

圖7a-7d是本發明一個具體實施例的示意圖，在圖7a和圖7c中，橫坐標為鑄坯距離結晶器彎月面的距離，單位為m,縱坐標為鑄坯寬度，單位為m，在連鑄機的彎曲段每排設置6個噴嘴，各噴嘴間距為315mm，鑄坯寬度方向的水流面密度分布如圖7a所示，鑄坯中心溫度和鑄坯表面溫度變化曲線如圖7b所示，鑄坯表面溫度變化較劇烈，尤其是在鑄坯的邊部，鑄坯表面溫度和鑄坯中心溫度差值大。

為滿足鋼廠要求，盡量不改動鑄機現有布置的情況下，優化噴嘴布置，如圖7a所示，第一段、第三段、第五段、第七段和第九段噴淋裝置最上端的噴嘴以及第二段、第四段、第六段和第八段噴淋裝置最下端的噴嘴影響鑄坯寬度方向兩邊的表面溫度，因此將第一段噴淋裝置至第九段噴淋裝置中交替關閉上端噴嘴和下端噴嘴，也就是說將上述需關閉的噴嘴設置成一個冷卻回路，其他噴嘴設置成另外一個冷卻回路，調整后水流面密度分布如圖7c所示，調整后鑄坯的中心溫度和鑄坯表面溫度變化曲線如圖7d所示，鑄坯表面溫度變化趨于平緩，且鑄坯表面溫度比調整前提高了約20℃，大大降低了角部裂紋產生的幾率。

盡管前面公開的內容示出了本發明的示例性實施例，但是應當注意，在不背離權利要求限定的范圍的前提下，可以進行多種改變和修改。根據這里描述的發明實施例的方法權利要求的功能、步驟和/或動作不需以任何特定順序執行。此外，盡管本發明的元素可以以個體形式描述或要求，但是也可以設想具有多個元素，除非明確限制為單個元素。