宝钢炼钢60t中间包钢水温度预报模型

江苏大学 硕士学位论文 宝钢炼钢60t中间包钢水温度预报模型 姓名：郑宇 申请学位级别：硕士 专业：钢铁冶金 指导教师：戴起勋;吴晓东 20061201 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着连铸技术的发展，人们对钢铁产品的要求也越来越高。作为炼钢生产流 程的中间环节，而且是由间歇操作转向连续操作的衔接点，中间包的作用越来越 受到研究者的关注。中间包对稳定钢水浇注温度和提高连铸坯质量起着重要的作 用。 本文主要目的是通过了解中间包热状态，确定影响中间包内钢水温度的因 素。应用传热学基础理论和回归方法预测不同浇注时间中间包内钢水的温度，为 建立宝钢钢水调度和管理体系提供支持。 研究表明，中间包热损失主要是因为包衬蓄热和上表面辐射。中间包内钢水 温度在浇注开始时，温度持续上升；在浇注2 0 分钟左右，钢水温度达到最大值， 并随之降低。经过分析，浇注时间和钢水温度的变化曲线是含有三次项的非线性 方程。 钢水温度在线数学模型中，影响温度因素的主要有中间包预热时间( 毛) 、钢 包到回转台时钢水温度( x 2 ) 、钢包在回转台等待时N ( x O 和钢包浇注时间( 毛) 。 在线数学模型为： Y = 一2 9 1 3 + O 0 3 0 2 2 x I + 0 9 9 2 2 x 2 一O 2 7 1 7 x 3 + 1 6 2 4 x 4 - 0 0 5 6 6 0 x 4 2 + 0 0 0 0 5 2 2 8 x 。3 经过离线验证，预测温度和实际温度相比较，小于l O 的百分比为8 9 7 5 ， 验证效果较好。 该模型的建立，对于钢水温度的控制，无疑起到了积极的作用。结合其他 措施来将钢液温度控制在较窄的波动范围内，对于提高连铸坯质量、降低生产成 本及物流管理具有十分重要的意义。 关键词：中间包，钢水温度，回归分析 江苏大学硕士学位论文 A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o r ea n dm o r er e q u e s ti sb r o u g h t f o r w o r dt ot h es t e e lp r o d u c t s A st h em i d d l ew o r k i n gp r o c e d u r eo fs t e e l - m a k i n g p r o c e s sa n dt h ej o i n tf r o mi n t e r m i t t e n to p e r a t i o nt oc o n t i n u o u so p e r a t i o n , t h ef u n c t i o n o ft t m d i s hi sg e tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yt h er e s e a r c h e r s I ti sm o s ti m p o r t a n tf o r t u n d i s ht os t a b i l i z et h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dt oi m p r o v eb i l l e t sq u a l i t yi nt h e s t e e l m a k i n gp r o c e s s I nt h i sp a p e r , t h em a i np u r p o s ei st os t u d yt h eh e a ts t a t eo ft h et u d i s ha n dt of i n d o u tt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e l T h eb a s i ct h e o r yo fh e a t t r a n s f e ra n dt h er e g r e s s i o nm e t h o du s e dt op r e d i c tt h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ei nt u n d i s h w i md i f f e r e n tp o r i n gt i m e A n dt h e s ea r ev e r yu s e f u lt ob u i l dt h es c h e d u l ea n d m a n a g e m e n ts y s t e mo f m o l t e ns t e e lo f t h eN o 1s t e e l m a k i n gp l a n to f B a o s t e e l T h er e s u l ts h o w st h a tt h em a i nr e a s o n so ft h eh e a tl o s i n go ft u n d i s ha r et h e d e p o s i t e dh e a to ft u n d i s hl i n i n ga n dt h er a d i a l i z a t i o no ft h ea b o v es u r f a c eo ft u n d i s h T h et e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e li s i n c r e a s i n gc o n s t a n t l ys i n c et h eb e g i n n i n go f c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt h et e m p e r a t u r ea r r i v e st h em a x i m u ma f t e ra b o u t2 0m i n u t e s f r o mt h eb e g i n n i n g T h et e m p e r a t u r er e d u c e ss i n c et h e n T h ec u r v eo ft e m p e r a t u r eo f m o l t e ns t e e la n dt h ec a s t i n gt i m ei st h en o n l i n e a re q u a t i o ni n c l u d i n gt h r i c ei t e mb y a n a l y z i n g I nt h eo n - l i n em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h et i m eo f w a r m i n g - u po f t u n d i s h ( x 1 ) a n dt h e t e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e lw h i l et h el a d l ea r r i v i n gt h et u m i n gp l a t f o r m ( X 2 ) a n dt h e w a i t i n gt i m ei nt u r n i n gp l a t f o r m ( x 3 ) a n dc a s t i n gt i m e ( x 4 ) a r et h em a i nf a c t o r sw h i c h e f f e c tm o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r e T h em a t h e m a t i c sm o d e li s ： Y = 一2 9 1 3 + O 0 3 0 2 2 x 1 + 0 9 9 2 2 x 2 0 2 7 1 7 x 3 + 1 6 2 4 x 4 0 0 5 6 6 0 x 4 2 + 0 0 0 0 5 2 2 8 x 4 3 T h r o u g ht h eo f f - l i n et e s t i n g ，t h ee r r o rw i t h i n1 0c e n t i g r a d eo c c u p i e s8 9 7 5 p e r c e n tb yc o m p a r i n gt h ep r e d i c t i v et e m p e r a t u r ew i t ht h ea c t u a lt e m p e r a t u r e 1 1 江苏大学硕士学位论文 I t i s u n d o u b t e d l yt ob r i n g a c t i v ef u n c t i o no ft h i sm o d e lf o rc o n t r o l l i n gt h e t e m p e r a t u r eo fm o h e ns t e e l C o m b i n i n gw i t ho t h e rm e t h o d s ，t h et e m p e r a t u r eo f m o l t e ns t e e lc a nb ec o n t r o l l e dt oan a r r o wf l u c t u a t i o nr a n g ea n di ti sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h eb i l l e t sq u a l i t ya n d t or e d u c ep r o d u c t i v ec o s ta n dt h em a n a g e m e n to f m a s s f l o w K e yW o r d s ：m n d i s h ，t e m p e r a t u r eo fm o l t e ns t e e l ，r e g r e s s i o na n a l y s e I I I 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密取 学位论文作者签名： 却宁 0 6 年肛月弓。日 指导教师签名炭南、 衫年“月如日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狰导 日期：日6 年J2 月歹。日 江苏大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 国内外连铸技术的发展状况 钢铁作为一种重要的基础原材料，在世界各国的经济发展中发挥着举足轻重 的作用。在钢铁工业的发展进程中，其基本原理并没有出现根本性的变化，但钢 铁生产流程中各工序的技术形式以及工程的组成内涵则发生了巨大的变革，从而 使钢铁结构模式及制造流程发生了深刻的变化。连铸技术是冶金的革命性技术之 一，它是将高温的钢水用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺，它的 主要设备包括转运钢包、中间包、结晶器、二次冷却及切割系统等。连铸技术改 变了钢铁技术的传统工艺，由于取消了初轧，简化了生产工序，连铸在提高金属 收得率、节能、减少生产成本方面有了巨大的提高“2 1 。连铸技术的原理可以追 溯到1 8 4 7 年H B s s m e r 制造的试验性连铸机，最早应用于炼钢的是1 9 4 7 年 J u n g h a n s 设计的连铸机口3 。2 0 世纪5 0 年代，连铸技术由于其过程速度快、投资 集中、成材率高、技术日趋完善和便于机械化、自动化及提高产量等突出特点， 受到钢铁界的高度重视，得到了迅速的发展。7 0 年代以来，连铸技术迅猛发展， 目前已经成为现代化炼钢厂的成熟生产技术。 连铸技术在我国起步并不晚，早在1 9 5 8 年我国就建成了第一台连铸机组， 但此后相当长的一段时间处于停滞状态。到8 0 年代初，已和发达国家有了相当 大的差距，1 9 7 8 年我国的连铸坯产量仅为1 1 2 7 万吨，连铸比仅为3 5 5 。自8 0 年代开始，我国把发展连铸作为发展冶金工业的一项技术政策，在“以连铸为中 心，炼钢为基础，设备为保证”的方针指导下，促进了我国连铸技术的迅速发展。 1 9 9 0 年，连铸坯产量达到1 4 8 0 3 万吨，连铸比为2 2 3 ；1 9 9 4 年，连铸坯产量 升至3 8 8 5 0 3 万吨，连铸比提高至4 0 3 ；到1 9 9 7 年，连铸坯产量已达6 6 0 6 万 吨，连铸比为6 0 6 5 ；1 9 9 8 年连铸比达到了6 7 ，到2 0 0 4 年我国的连铸比更 是达到了9 6 0 3 。5 0 年的建设与发展，特别是改革开放以来，我国钢铁工业的 发展，取得了举世瞩目的成就H 。 图1 1 是1 9 8 8 年以来中国钢铁年产量和连铸坯年产量的增长情况。从1 9 9 0 年起，连铸坯增产成为中国钢产量增长的主要推动力，可以认为，若非连铸生产 江苏大学硕士学位论文 的快速增长，不可能实现中国钢铁生产的高效、连续、快速增长。随着对钢材质 量要求的不断提高，连铸过程对钢水温度和成分的要求也更严格，这种要求也促 进了中间包冶金技术的开发和应用，以及中间包冶金过程的数学物理模拟技术的 研究叫。 1 2 0 之1 0 0 0 0 拥8 0 0 0 钆 嚣6 0 0 0 4 0 2 0 0 0 0 1 9 8 61 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 6 1 9 9 82 0 0 0 年份 图卜l 中国钢产量和连铸坯产量发展趋势 F i g I 一1T h ed e v e l o pt r e n do f t h es t e e lo u t p u ta n dt h ec a s t i n gb l a n ki nC h i n a 近年来在高效连铸技术的推动下，我国钢铁工业的结构不断优化，生产逐步 走向专业化，炼钢系统运行过程连续化程度日益增加。如何改善和提高炼钢厂的 运行效率，优化系统的运行过程，对于提高我国炼钢厂的总体水平既有重要的现 实意义，又有重大的战略意义。 1 2 中间包的作用和结构分类 1 2 1 中间包的作用 现代化的炼钢生产流程主要由原料处理、炼钢炉、炉外精炼、连续铸钢组成， 下图是以铁水为主要原料的炼钢生产流程示意图。 2 江苏大学硕士学位论文 铁水 l 五葫藉。j 钢材 图l - 2炼钢生产流程图 F i g 1 - 2 T h ef l o wc h a r to f s t e e l m a k i n gp r o d u c t i o n 从图1 2 可以看出，中间包是炼钢生产流程的中间环节，是钢的生产过程中 的最后一个耐火材料容器，熔融态钢水首先从钢包注入中间包，在通过中间包水 口分配到下面的结晶器，在那里熔融的钢水冷却成为固体，连续拉出切割成成品 的连铸坯，由此可以看到中间包是由间歇操作转向连续操作的衔接点，因此中间 包的冶金作用受到了更多的关注。除了更换钢包时很短的时间外，中间包的液面 保持不变，钢水的静压力保持恒定，因此中间包能够连续而均匀的向结晶器供给 钢水。中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环，无论对于连铸操 作的顺利进行，还是对于保证钢液品质符合要求，中间包的作用都是不可忽视的。 通常认为中间包有以下作用： 1 )分流作用。对于多流连铸机，由多水口中间包对钢液进行分流。 2 )连浇作用。在多炉连浇时，中间包存储的钢液在更换钢包时起到衔接的作用。 3 )减压作用。钢包内液面高度有5 6 m ，冲击力很大，在浇铸过程中变化幅度 也很大。中间包液面高度比钢包低，变化幅度也小得多，因此可用来稳定钢液浇 铸过程，减小钢流对结晶器凝固坯壳的冲刷。 4 )保护作用。通过中间包液面的覆盖剂，长水口以及其他保护装置，避免中间 包中的钢液受外界的污染。 在连续铸钢技术发展的初期，中间包只是作为钢液的存储和分配器来使用 的，能够顺利浇注就已经满足要求，对钢水的成分和纯净度有什么要求，总是在 上游的熔炼和精炼中寻求解决方法，而在连铸工艺方面发生困难，就到下游的连 铸机找原因。当时在人们的心目中，中间包是一种简单的装备，没有什么特别的 重要性。随着连铸技术的发展，中间包内钢液质量对连铸工艺的重要意义渐渐为 江苏大学硕士学位论文 人们所认识。为了保证连铸的顺利进行，为了保证多炉连浇，钢液必须有足够的 纯净度，钢液成分范围要尽可能精确的控制，钢液温度和过热度要在足够的时间 保持稳定。一直以来钢包冶金的作用和地位受到了更多的关注，在钢包精炼时， 钢液温度经过均匀化处理，然而当钢液流过中间包时其温度会变成不稳定状态。 因此在钢包冶金以后，中间包冶金也就被提到人们的议事日程中。“中间包冶金” 的概念是在2 0 世纪8 0 年代初期提出的，多伦多大学教授A M c L e a n 是首创者”。 一般认为，中间包冶金应该发挥的作用有： 1 ) 清除钢液再次污染的来源。 2 ) 改善钢液流动条件，最大可能的去除钢中非金属夹杂物。 3 ) 选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂。 4 ) 控制好钢液温度，必要时增加加热措施，使钢液过热度保持稳定。吼” 1 2 2 中间包的结构分类 中间包一般由包体、包盖、水口和控流装置组成。包体的外壳一般用厚度为 1 2 2 0 m m 的钢板焊成；包内设有挡墙结构，用于隔离钢包注流对中间包钢液的 扰动；包盖用钢板焊成，内衬耐火材料，主要用于保温和减少钢液的散热损失， 上面设有钢流注孔、塞棒孔和加热孔。中间包容量是中间包的一个重要参数，一 般取盛钢桶容量的2 0 4 0 。中间包的形状类型很多，有矩形、三角形、V 型、 T 型、H 型等。如果按其结构分类，中间包大体上可以分为板坯连铸用中间包和 小方坯连铸用中间包。 1 3 中间包钢水温度控制的重要性及其国内外现状 1 3 1 中间包钢水温度控制的重要性 在连铸过程中，保持钢水温度稳定，降低出钢温度，在较低的过热度条件下 浇注，是保证浇注过程顺利进行以及铸坯质量达到要求的重要手段。中间包是储 存、分配钢液的最后一个耐火材料容器，作为冶炼与连铸的中间环节，中间包在 钢的生产过程中起着承上启下的作用。中间包调整钢液温度的作用，越来越被人 4 江苏大学硕士学位论文 们所重视。中间包流出的钢液温度就是钢的浇铸温度，钢水的浇注温度是浇注的 重要工艺参数，而连铸对钢水温度的要求远比模铸严格。这是因为：合适的浇注 温度是顺利连铸的前提，合适的浇注温度又是获得良好铸坯质量的基础。如果在 中间包内钢水浇注的中期，钢液温度过低，则造成连铸后期钢液流动性差，钢中 夹杂物增多，甚至产生水口堵塞等事故，迫使浇注中断；而如果钢液温度过高， 一方面必然迫使出钢温度提高，使钢铁产品质量变差及耐火材料损耗严重，另一 方面限制了连铸机拉速的提高，容易引起钢水包水口失控，而且会使坯壳减薄和 厚度不匀，增加了拉漏危险等。因此中间包内钢液温度是连铸操作制度的核心， 是保证连铸坯质量的重要保障。 合格的钢液浇注温度是指出钢时符合工艺要求的温度。制定出钢温度，要根 据中间包钢液的目标温度( 所生产钢种的液相线温度加上合适的过热度) ，并要 考虑出钢至浇铸过程各环节的热量损耗来确定。钢液过热度过高或过低对钢的生 产都不利。表1 1 为中间包内钢液过热度过高或过低对连铸的影响。 表1 - 1 中间包钢液过热度对连铸操作及钢质量的影响 T a b 1 1 T h ee f f e c to f t h em o l t e ns t e e ls u p e r h e a ti nt u n d i s ht ot h ec a s t i n g o p e r a t i o na n dt h es t e e lq u a l i t y 高过热度低过热度 降低拉速 增加拉漏危险 柱状晶发达，中心等轴晶区小 中心偏析严重 夹杂物容易上浮，但二次氧化倾向严重 拉速可以提高 拉漏几率小 柱状区小，中心等轴晶区大 中心偏析减轻 夹杂物不易上浮 在装备水平和管理水平较差的炼钢车间，没有采用加热装置。于是为了防止 连铸钢水温度过底，而普遍采用了高温出钢。由于对出钢后的温度下降程度难以 准确把握，虽然也知道高过热度浇铸不利于钢质量，但为了保证生产顺利进行， 往往控制在偏高的钢液过热度。这必将导致耐火材料侵蚀严重，钢的二次氧化加 剧，钢中夹杂物增多。考虑到现在多炉连浇和多水口浇铸的操作，钢液过热度更 应保持稳定。应当采取措施为：一是不同水口的钢流温度差不应过大，二是各钢 江苏大学硕士学位论文 包之间和每钢包浇铸过程中钢液温度应尽量保持恒定。总之，应使中间包内钢液 过热度无论在空间上或在时间上都接近于稳定状态。因此，对中间包内钢液温度 的变化规律及其控制的研究就显得尤为重要。 随着钢铁工业技术的不断发展冶金过程单体技术的日趋成熟，进一步提高 生产水平，降低成本，增强竞争力，必然对炼钢一连铸生产过程中的钢水温度控 制水平提出了更苛刻的要求，钢水温度必须控制在一个较窄的范围内，方能适应 高效连铸生产的要求。因此在现代连铸生产中，稳定钢水温度是稳定连铸生产的 保证，合适的钢水过热度是获得优质铸坯的重要条件。为全面了解中间包钢水的 热状态，结合宝钢一炼钢厂现场实际情况，分析研究连铸用钢水从转炉出钢到连 铸全过程的传热机理，在对宝钢一炼钢厂中间包进行现场测试和数值分析的基础 上，又对连铸过程中钢包一中间包温度变化规律进行相应的研究，为建立中间包 热循环状态提供了可靠的数据基础，也为建立中间包钢水的传热数学模型和在线 预报模型提供了可靠依据。 1 3 2 中间包钢水温度控制研究的国内外现状 由于中间包钢水温度对节能的重要性和潜在的巨大经济利益，国内外对中间 包钢水温度变化进行了长期深入的研究。在我国，蔡开科等结合连铸工艺的需要， 研究了中间包钢液温度控制、夹杂物去除和中间包结构及钢液流动的关系等闯 题，并在生产条件下进行了试验“4 。萧泽强等较早的注意到了非等温状态中 间包流场的研究，并用水模型进行验证“”。李顶宜在小型中间包上安装热 电偶，实际测量了中间包钢液温度分布“”。日本冶金学者坞省三、藤井等对中间 包温度分布作了研究呻“”。S u z u k i 研究了感应加热条件下流场及温度场， C h a r o b e r t y ，S a b a i 对换包时非稳态流场及温度场作了深入的研究。尽管目前国内 外冶金学者对中间包钢水温度控制有较深入的研究，但国内大型连铸厂对中间包 钢水温度控制误差达到2 0 3 0 “ C ，而国外可以把中间包钢水温度目标值控制在 3 以内，这是非常明显的差距，。中间包钢水温度不能控制在一个较窄的范 围内，会提高生产成本、降低生产效率，在国际市场的竞争中处于劣势口“ 2 1 船2 3 ，列】 o 为了保证连铸的顺利进行以及保证铸坯的质量，国外先进的钢厂都将中间包 6 旺苏大学硕士学位论文 内钢水过热度波动控制在0 5 范围内。而作为中国最大、最先进的钢铁企业， 宝钢炼钢厂在目前生产条件下离这一目标还有很大的距离。 1 4 中间包钢水温度模型研究的基础理论 1 4 1 传热学理论基础 传热是由导热、对流、辐射三种基本传热方式组成的。平壁导热的基本计算 式是蚓： Q = 害出 w ( 1 - 1 ) 或热流通量 9 2 垒F2 扣W m 2 ( 1 - 2 ) 1 占r 1 、 式中Q 热流量，W 。 g 热流通量，W m 2 。 F 壁面积，m 2 ； 占壁厚，m ； A t 壁两侧表面温度差，； 五导热系数，w m4 。 对流换热过程是一个受许多因素影响的复杂过程， 1 7 0 1 年提出的，即 q = 口O ，一r ，) = a A tW m 2 它的基本计算式是牛顿 ( 1 3 ) 式中，固体壁表面温度，； f ，流体温度，； 口换热系数，W m + 。 热辐射的机理和导热对流完全不同，它依靠物体表面对外发射可见和不可见 7 江苏大学硕士学位论文 的射线来传递热量。辐射力与表面绝对温度的四次方成比例： E = 如( 志) 4 W m 2 ( 1 - 4 ) 式中E _ 嘞体的辐射力，w r n 2 ； G 绝对黑体辐射系数，5 6 7W m 2 * K 4 ； 卜绝对温度，K ； 占物体的发射率，其值处于O 1 之间。 1 4 2 有限差分法的基本原理 即使是求解简单的导热问题，应用分析解法也是相当繁琐和复杂的。在这种 情况下，建立在有限差分法基础上的数值计算法是求解导热问题的十分有效的方 法，它是一种具有足够准确度的近似方法。有限差分法把物体分割成有限数目的 网络单元，将微分方程转变为差分方程，通过数值计算直接求取各网络单元节点 的温度。例如对于二维导热问题，各节点的位置用( i j ) 表示，i 表示沿X 方向 的顺序号，j 表示沿Y 方向的顺序号。 导数 a t ：l i m 竺：I L m 丛二鱼( 1 - 5 ) 舐2 n + o 石2 “m 瓮一 是无限小的微分溉址除以无限小的微分慨缸的商。而用有限差商代替导数 近似表达时，它可写为： 夏a t “石A t = 譬( 1 - 6 )缸触缸 这种代替的实质就是把相邻节点间的温度分布看作是线性的，而每一个节点 的温度就代表了它所在的网络单元的温度。用这种方法求得的温度场只是各节点 的温度值，在空间上是不连续的。 对于不稳态导热，除了在空间上把物体分割成网络单元外，还要把时间分成 许多间隔f ，时间间隔的顺序号用k 表示。不稳态导热问题的求解过程就是从 初始时刻f = 0 出发，依此求得f ，2 r ，k A Y 时刻的温度值。可见这样所得 江苏大学硕士学位论文 的温度场在时间上是不连续的。 1 4 3 回归分析 利用回归分析这种数学方法，可以从可控变量的取值去估计作为因变量的一 个随机变量的取值。具体的说，回归分析主要包括三方面内容。田1 1 ) 提供建立有相关关系的变量之间经验公式的一般方法； 2 ) 判断所建立的经验公式是否有效，并从影响随机变量的诸变量中判别哪些变 量的影响是显著的，哪些是不显著的； 3 ) 利用所得的经验公式进行预测和控制 1 5 课题背景及研究内容 1 5 1 课题的背景 一般而言，炼钢连铸过程的钢水温度控制系统中最重要的环节是对该过程 中钢水温度变化规律的研究。对于现代连铸生产来讲，中间包钢水温度应该控制 在目标温度上下1 0 范围内，但在实际生产过程的钢种繁多，影响因素千变万 化。虽然对钢包热状态进行分类后，按照其传递时间，对炼钢炉出钢温度进行人 工补偿，但经验补偿的方法显然是无法满足要求的。 宝钢炼钢厂是我国钢铁企业中技术水平最先进的钢厂，生产流程装备配置和 工艺接近国际水平。由于历史原因，该厂是模铸和连铸并存，但正处在逐步取消 模铸向全连铸转化的时期。在宝钢开展钢水温度预报和优化控制模型的研究将使 其生产计划与调度更为合理和科学，进而获得更大的经济效益。宝钢是当前我国 现代化水平最高的大型钢铁联合企业。炼钢厂有三个，其中第一炼钢厂有3 0 0 吨转炉三座，第二炼钢厂有2 5 0 吨转炉二座，电炉厂有双机座1 5 0 吨电炉一座， 共生产粗钢1 1 0 0 万吨。近年来，为了进一步降低炼钢的生产成本，提高钢的质 量，宝钢领导和工程技术人员对确定钢水最佳浇注温度、减少过热度给予极大关 注。自8 0 年代末起，宝钢内部很多人就对中间包钢水温度问题进行了较深入的 研究，并取得了一定成果。随着宝钢钢水生产和管理水平的不断提高，为实现炼 9 江苏大学硕士学位论文 钢，连铸两大工序的合理衔接，达到钢铁生产一体化的目的，对于生产时序控制 的准确性、设备操作的稳定性和生产过程的可靠性等一系列要求均大大提高了。 为此，生产管制中心建立了宝钢钢水管理系统，对钢水的供需关系进行严格管理， 以保证炼钢和连铸之间钢水的供需平衡稳定。众所周知，浇注时钢水温度的高低 将直接影响到耐火材料的侵蚀，钢的二次氧化，钢中夹杂物等一系列问题。其次， 从系统节能角度来看，宝钢每年用于连铸的钢水近1 0 0 0 万吨，钢水在运输过程 中损失大量热能，间接造成每年数万吨标准煤的能源浪费。因此，对钢水温降机 理进行研究，减少出钢温度，严格控制浇铸时中间包钢水的过热度，是钢铁厂节 约能源的一个可行的有效途径。为详细了解中间包钢水温度的变化趋势，结合宝 钢一炼钢厂现场实际情况，分析研究连铸用钢水在回转台到进入结晶器过程的传 热机理，在对宝钢一炼钢厂钢包、中间包进行现场测试和数值分析的基础上，建 立了中间包钢水温度在线预报模型。 在我国炼钢厂，作为炼钢生产调度管理的重要依据之一的钢水温度，从整体 而言，基本上凭的是经验，故钢水温度波动较大，这加大了确定中间包钢水浇注 温度的难度。目前，国内外对钢水温度的研究大部分是离线的，目的是为了分析 影响钢水温度变化的趋势、因素及其具体影响方式，以确定最佳浇注温度，减少 过热度。而关于对中间包钢水温度变化规律的在线跟踪和实时预报的研究投入实 际生产的文献尚未见报道。 随着计算技术的发展，计算机模拟方法可以计算中间包钢水在不同工况下任 一时刻的平均温度，而且还可以预测中间包钢水温度变化规律。由于是计算机模 拟，所以投资也大为降低。但必须指出，这种方法的精度，取决于数学模型的正 确与否，尤其是边晁条件和材料导热系数等因素取值的合理与否。因此，计算得 到的结果必须通过实测来验证。 1 5 2 研究内容 目前，国内外对中间包钢水变化规律的研究基本上都是离线的，目的是为了 分析影响钢水温度变化的因素及其具体影响方式，寻求钢水在中间包浇注时实现 低过热度或零过热度的浇注技术。关于中间包钢水温度在线跟踪和实时预报的研 究尚未见文献报道，为了实现宝钢一转炉炼钢厂钢水温度的全流程预报，本课题 l O 江苏大学硕士学位论文 的研究内容为： 1 ) 对中间包包衬的热状态进行现场测试及研究分析。 2 ) 建立中间包钢水温度的离线数学模型，通过计算机模拟，计算不同工况下中 间包钢水温度的变化规律。 3 ) 对宝钢生产实绩数据库中的工艺数据进行分析处理，筛选出影响中间包钢水 温度变化的主要因素，并通过数据处理，建立中间包钢水温度实时预报的在 线数学模型。 江苏大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章中间包包衬热状态测试与分析 温度控制的焦点是钢水过热度，要确定合适的过热度，必须充分了解中间包 包衬的热状态及钢水温降的规律，以确保中间包内合适的钢水过热度。在过去对 中间包的研究工作中，多集中在钢水的流场和温度场上，而针对中间包包衬热状 态与钢水温度的关系以及浇铸过程中不同钢种中中间包内钢水温度的变化规律 研究得却较少。随着连铸技术的不断发展，尤其是全连铸的实现、高效连铸技术 的广泛应用，人们逐渐认识到，中间包作为除钢包之外的另一个钢水容器，它对 钢水温度的影响是不容忽视的。通过了解中间包包衬的热状态，可以确定对中间 包内钢水温度的控制基准，结合其他措施( 如钢水加热设备) 来将中间包内的钢 水温度控制在较窄的波动范围内，维持中间包内钢水过热度的稳定，进而提高连 铸坯的质量。为了全面了解中间包的热状态，在对宝钢一炼钢厂的中间包钢水温 度进行现场测试和数值分析的基础上，又对正在浇注的中间包包衬的热状态进行 相应的分析和研究。 2 2 中间包包衬热状态测试方案 1 1 测定对象 选择宝钢一炼钢厂的6 0 吨中间包作为研究对象。测试中间包在烘烤和浇铸 过程中包衬温度的变化，了解中间包烘烤曲线和烘烤时间对中间包包衬热状态的 影响，以及中间包在烘烤和浇铸过程中包衬不同部位的温度变化情况。 测定设备布置及安装 中间包的结构如图2 1 所示，图中用阿拉伯数字表明了测试点，各测试点埋 入的位置如表2 1 所示。中间包的测试热电偶在中间包砌筑时埋入相应位置的砖 缝中，并用耐火泥封紧热电偶周围的砖缝，所有热电偶尾部的接线头引到中间包 水1 ：3 的一侧的钢壳外，在钢壳上需要焊接一个相应的座架以固定接线头汹“1 。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 1 中间包热电偶布置图 F i g 2 1 T h ec o l l o c a t i o nc h a r to f t h et h e r m o c o u p l ei nt u n d i s h 表2 1 各测试点埋入的位置 T a b 2 1 T h ee m b e d d i n gc o l l o c a t i o no f e a c ht e s t i n gp o i n t 律层 久屠 3 ) 测定流程 。 中间包包衬热状态测试从中间包烘烤开始，一直到中间包浇铸完毕。分别测 试中间包烘烤阶段包衬的热状态和中间包浇铸过程包衬的热状态。中间包烘烤过 程和浇铸过程可设定每5 分钟测试一次，换包前后应重点测试。 江苏大学硕士学位论文 4 ) 测定过程记录数据 中间包开始烘烤和烘烤结束时间 中间包烘烤过程测温时刻和实测中间包包衬温度 中间包开始浇铸和浇铸结束时间 夺中间包浇铸过程测温时刻和实测中间包包衬温度 夺重点测试换包前后的中间包包衬温度变化 中间包连浇炉数 钢包换包间隔时间 2 3 中间包包衬热状态测试的结果与分析 2 3 1 第一次测试的结果和分析 2 0 0 3 年7 月在宝钢一炼厂连铸平台上对5 。中间包包衬热状态进行在线测试。 受试验条件所限，未能将试验所得的数据直接输入计算机或其它记录仪器，现场 所有试验数据只能通过人工记录。 5 。中间包包衬温度变化( 第一次测试) 的结果与分析如下： 中间包热状态测试 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 U 返6 0 0 赡 4 0 0 2 0 0 0 06 49 41 2 51 7 82 1 42 7 13 2 23 8 34 5 8 时问( m n ) 图2 - 25 。中间包包衬温度变化( 第一次测试) F i g 2 - 2 T h et e m p e r a t u r ev a r i e t yo f N o 5T u n d i s hl i n i n g ( t h et e s tt e s t i n g ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 5 中间包包衬温度变化( 第一次测试) 如图2 2 所示，中间包包衬热状态测试 分为两个阶段进行，烘烤过程和浇铸过程。横坐标是时间( r a i n ) ，纵坐标所记 录的是温度，总共测试包衬上9 点的温度变化。 由图2 - 2 中可以看出，中间包的烘烤过程可分两个阶段进行：烘烤前期、烘 烤后期。前期烘烤的时间为6 2 分钟，由于3 、6 两点的曲线变化较明显，故从3 、 6 两点可以看出在烘烤前期和烘烤后期之间有一个明显的拐点，故此点记为烘烤 江苏大学硕士学位论文 前期和烘烤后期的分界点。在整个浇注过程中，各点温度基本呈上升趋势，直到 该中间包浇注结束，各点温度均仍在上升，未达到热平衡状态，这说明当浇注结 束时中间包包衬尚未达到热饱和状态。 由表2 - 2 可知，工作层下5 0 m m 处的3 、6 、9 点的烘烤过程升温速率比较高， 分别达到了1 1 5 * C r a i n 、2 3 9 “ C m i n 、1 9 0 “ C r a i n ；而且6 、9 点的烘烤前期升温 速率为2 9 2 m i l l 、2 0 3 m i n ，后期只有2 o o r a i n 、1 8 1 r a i n ，明显在烘烤 前期的升温速率比烘烤后期的升温速率快。这是由于3 、6 、9 点的浇铸终结温度 比较高，要求烘烤结束时这两点的温度较高，故升温速率较快，这样有助于浇铸 时温度的稳定。烘烤前期速度较快，这样可使温度上升较快，从而较快的达到要 求；烘烤后期的升温速率稍慢，可以保持中间包包衬温度的稳定。而包壳与永久 层界面3 点和永久层与工作层界面的6 点烘烤前期升温速率比烘烤后期升温速率 低，这也能保持中间包包村温度的稳定。中间包侧壁各点特别是l 、2 、3 三点的 温度上升幅度和升温速率和包底7 、8 、9 各点的温度上升幅度和升温速率明显不 同，这说明中间包包壁和包底的传热规律不同，建立中间包包衬传热数学模型时 应该分开处理。 在表2 3 中可以看出，中间包底部中央工作层下5 0 m m 处的9 点的烘烤开始 时温度为1 8 8 “ C ，浇铸结束时温度为1 0 0 8 9 。C ，烘烤和浇铸时升温幅度分别达到 2 7 1 6 “ C 和5 4 9 3 “ C 。中间包侧壁下部工作层下5 0 m m 处的6 点的烘烤开始时温度 为2 5 5 7 “ C ，浇铸结束时温度为1 0 5 1 7 “ C ，烘烤浇铸时升温幅度分别达到3 4 1 5 “ C 和4 5 4 5 “ C 。中间包侧壁上部工作层下5 0 m m 处的3 点的初始温度为2 4 3 4 “ C ( 从 5 5 分钟开始记录) ，浇铸结束时温度为8 1 5 1 ，浇铸时升温幅度达到4 7 0 4 “ C 。 这三点的的曲线在烘烤时的温度相对来说最高，上升的趋势最快，分别已经达到 了1 9 0 “ C m i n 、2 3 9 “ C m i n 、1 1 5 m i n ；浇铸时的温度也最高，上升的趋势也最 快，分别已经达到了1 5 7 m i n 、1 3 0 m i n 、1 3 4 “ C r a i n 。而且6 、9 两点的温 度曲线非常近似，他们的浇铸结束时温度都超过了1 0 0 0 ，3 点相对6 、9 点来 说温度稍低，只达到了8 1 5 1 ，但也比其它的几点温度高。而且对于这6 、9 点来说，烘烤过程升温速率高于浇铸过程升温速率。由于这两点在工作层下 5 0 m m 处，烘烤过程升温速率高，使尽快达到较高的温度，减少钢水的温度损失。 由6 、9 点可知，中间包包衬沿高与宽的方向温度变化较少，在建立中间包包衬 1 6 江苏大学硕士学位论文 传热离线模型时，可以仅考虑中间包包衬厚度方向上的导热。 表2 - 35 “中间包包衬温度变化对比( 第一次测试) T a b 2 3T h et e m p e r a t u r ev a r i e t yc o m p a r i s o no f N o 5T u n d i s hl i n i n g ( t h ef i r s tt e s t i n g ) 开始温度( ) 烘结束温度( ) 烤升温幅度( ) 过烘烤时间 程( m i n ) 5 1 71 0 0 3 6 3 79 5 32 5 5 7 7 4 8 9 7 61 8 8 7 1 29 6 83 4 4 71 0 3 22 4 1 15 9 7 21 3 4 62 1 5 24 5 9 6 1 9 5一一3 9 51 4 5 83 4 1 5 5 9 8 1 1 7 6 2 7 1 6 1 4 51 4 51 4 51 4 51 4 51 4 51 4 51 4 51 4 5 升温速率O 1 3 6一1 1 50 2 7 61 0 22 3 9O 4 1 8O 8 2 21 9 0 ( * C r a i n ) 开始温度( ) 7 1 2 9 6 83 4 4 71 0 3 22 4 1 15 9 7 21 3 4 62 1 5 24 5 9 6 浇结束温度( 1 2 ) 1 6 1 3 1 9 1 0 5 1 6 0 6 1 0 0 8 铸871 18 1 5 195 9 4 973 4 7 69 过升温幅度( ) 1 5 96 4 34 7 0 42 1 6 73 5 3 84 5 4 5 2 1 2 43 9 1 45 4 9 3 程烘烤时间3 4 5 3 4 53 4 53 4 53 4 53 4 53 4 53 4 53 4 5 ( r a i n ) 升温速率O 0 4 5 0 1 7 51 3 4 O 6 1 91 0 1 1 3 0 O 6 0 71 1 21 5 7 ( “ C m i n ) 在浇铸过程中6 、9 两点的升温速率都低于这两点在烘烤过程升温速率但明 显高于其它几点的在浇铸过程升温速率。6 、9 两点处于包壁工作层下5 0 m r a ，离 钢水较近受钢水的影响较大，但由于在烘烤过程中两点已经达到了较高的温度， 浇铸过程升温速率低可以保持中间包包衬温度的均匀。而永久层与工作层界面的 2 、5 、8 三点无论烘烤开始时的温度还是浇铸结束时的温度以及烘烤过程升温速 率、浇铸过程升温速率郁低于3 、6 、9 三点，特别是很明显的低于相对应点的各 项指标。虽然可以看出包壳与永久层界面1 、4 点的温度高于8 点的温度，但1 、 4 、7 三点的温度明显的低于相对应的2 、5 、8 点的各项指标，而且这三点的温 度变化趋势不大，有的不足0 1 m i n 。这几点的烘烤过程升温速率较低，是由 于钢水热量通过工作层传到永久层及钢壳传热慢，需要时间，而且其受空气温度 1 7 江苏大学硕士学位论文 的影响较大：另外包衬各点继续蓄热。 在包壳与永久层界面的1 、4 、7 三点中，中间包侧壁上部的7 和中间包侧 壁下部的4 两点它们的浇铸过程升温速率分别为0 6 0 T C m i n 、O 6 1 9 m i n 没有 多大的区别，非常近似。中间包底部中央的7 点相对1 、4 点来说温度稍低。在 永久层与工作层界面的2 、5 、8 三点中，中间包侧壁上部的8 和中间包侧壁下部 的5 两点它们的温度曲线也始终没有多大的区别，非常近似。中间包底部中央的 2 点相对5