（控制理论与控制工程专业论文）方坯连铸过程温度场仿真系统的研究与开发.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：邂盘 日 期：娑21 ：矿 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 整矗l 导师签名：觯 日 期：丝咀厶 日期：掣 摘要 摘要 随着我国钢铁工业的迅速发展，目前我国钢铁冶金行业的主要任务已经变为努力 提高产品的市场竞争力，大力开发高品质钢材【1 】，要生产出高质量的钢材，就必须对 钢的连铸过程进行合理控制，特别是要对铸坯的冷却过程进行有效控制，因此有必要 对铸坯的温度场进行定量分析。 本文描述的方坯连铸过程温度场仿真系统把铸坯冷却过程中温度场的求解作为 重中之重，首先对连铸坯冷却过程中的传热影响因素进行了分析，然后利用能量守恒 法及傅立叶传热定律对铸坯凝固传热的偏微分方程进行了推导，在对方程的初始条件 和边界条件进行讨论后确定出本文采取的解决方法。对于方程中需要带入的热物性参 数，也进行了必要的设定。建立铸坯凝固传热模型以后，用交替方向隐式差分法( a d i ) 对模型求解。总的思想是，在恒定拉速下，选取铸坯的一个切片，通过模拟这个切片 从结晶器弯月面到空冷区的温度场的变化过程，来得到整个铸坯温度场的分布。此外， 对于模型的求解结果进行了验证。以宝钢某厂生产的断面为1 6 0 r a m x l 6 0 r a m 的某型号 高碳钢的数据为例，带入模型计算，并根据计算结果利用m a t l a b 绘制出关键工位的 温度场分布图，计算结果表明模型计算带来的误差在实用精度的要求范围之内。 本文与其它文献中的传热模型相比，最大的区别在于采用a d i 算法求解传热模 型的同时将内弧、外弧和侧面的边界热流密度分别设置，这样做的好处是使边界条件 更贴近实际情况，可以模拟铸坯内弧、外弧、侧面的热流密度各不相同的情况下铸坯 的传热情况。另外，分别设置三个面的热流密度函数，不仅可以使模型应用于方坯的 温度场仿真，而且可以通过将侧面的热流密度设置的足够小来计算板坯连铸过程中温 度场，增加了模型的通用性。 在铸坯凝固传热模型的基础上，开发方坯连铸过程温度场仿真系统，采用微软公 司的v i s u a ls t u d i o n e t 系列语言中的c 拌语言作为开发工具，使用技术上较成熟的数据 库工具s q ls e r v e r2 0 0 0 存储数据，使用t c h a r t 作为图表的绘制工具，实现了铸坯温 度场求解及切片的跟踪和动态演示。 关键词：方坯连铸温度场交替方向隐式差分法仿真系统 i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a si r o na n ds t e e li n d u s t r y ，n o wt h et a r g e to ft h e i n d u s t r yh a sb e c o m em a k i n gg o o de f f o r t s t oi m p r o v et h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so f l l i g h - q u a l i t ys t e e l t op r o d u c eh i g h - q u a l i t ys t e e l ，r e a s o n a b l ec o n t r o lo fs t e e lc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s si sn e c e s s a r y ，e s p e c i a l l yf o rt h ec o n t r o lo fb i l l e tc o o l i n gp r o c e s s ，s oi t i s e s s e n t i a lt oa n a l y z et h et h e r m a lf i e l do ft h eb i l l e td u r i n gt h ep r o c e s s t h i sa r t i c l ec o n s i d e r st h es o l v i n go ft h e r m a lf i e l do fb i l l e td u r i n gc o o l i n gp r o c e s sa s t h em o s ti m p o r t a n tp a r tf o rt h et h e r m a lf i e l do fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n s y s t e m f i r s to fa l l ，t h ef a c t o r st h a ti m p a c to nh e a tt r a n s f e ro fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s a r ea n a l y z e d ，a n dt h e nu s et h el a wo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n df o u r i e rh e a te q u a t i o nt o d e r i v et h eh e a tt r a n s f e rp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fb i l l e t ，a f t e rad i s c u s s i o n ，i n i t i a l c o n d i t i o n sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h es o l u t i o nt ot h ee q u a t i o n si sf i x e d a tt h es a m e t i m e ，e a r l yo u tn e c e s s a r ys e t t i n g so nt h e r m a lp a r a m e t e r s u s ea l t e r n a t i n gd i r e c t i o ni m p l i c i t ( a d i ) d i f f e r e n c em e t h o da st h es o l u t i o nt o t h eb i l l e th e a tt r a n s f e rm o d e l t h eg e n e r a l t h i n k i n gi st h a t ，s e l e c tab i l l e ts l i c e ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fb i l l e tt e m p e r a t u r ec h a n g e d u r i n gt h em o v e m e n to f t h es l i c ef r o mm o l dm e n i s c u st oa i r - c o o l i n gz o n e ，w ec a ng e tt h e e n t i r et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h eb i l l e t i na d d i t i o n ，t h er e s u l t so ft h em o d e lw e r e v e r i f i e d t a k et h ed a t ao fh i 曲一c a r b o ns t e e l ( c r o s s s e c t i o n16 0 m mx16 0 m m ) p r o d u c e db y b a o s h a ni r o na n ds t e e lf a c t o r ya sa ne x a m p l e ，a f t e rc o m p u t i n gb yt h em o d e l ，u s em a t l a b a sat o o lt om a pt h ed i s t r i b u t i o no fb i l l e tt h e r m a lf i e l da tk e yp o i n t s ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em o d e la c h i e v e sp r a c t i c a la c c u r a c y c o m p a r ew i t ht h eh e a tt r a n s f e rm o d e lt h a td e s c r i b e di no t h e rl i t e r a t u r e ，t h eb i g g e s t d i f f e r e n c ei nt h i sa r t i c l ei st h es e p a r a t es e t t i n go fb o u n d a r yc o n d i t i o n sw h i l eu s i n gt h ea d i a l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h eh e a tt r a n s f e rm o d e l ，d u r i n gt h es o l v i n gp r o c e s so ft h em o d e l ，w e c o n c e r na b o u tt h et h e r m a lf i e l do fh a l fo ft h eb i l l e tc r o s s s e c t i o n ，a n ds e tt h eh e a tf l u x f u n c t i o no ft h et h r e es u r f a c e s ( i n s i d et h ea r c ，o u t s i d eo ft h ea r ca n ds i d e w a l l ) o ft h eb i l l e t i n d i v i d u a l l y ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sb e i n gc l o s e rt ot h ea c t u a l i i a b s t r a c t s i t u a t i o n , a n dc a ns i m u l a t eh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o n sw i t hh e a tf l u xf u n c t i o no fi n s i d et h ea r c ， o u t s i d eo ft h ea l ea n ds i d e w a l lv 撕e d i na d d i t i o n , i fw es e th e a tf l u xf u n c t i o no ft h et h r e e s u r f a c e so fb i l l e ti n d i v i d u a l l y ，t h em o d e ln o to n l yc a nb eu s e di nt h eb i l l e tt h e r m a lf i e l d c o m p u t i n g ，b u ta l s oc a nb eu s e di nt h es l a bt h e r m a lf i e l dc o m p u t i n gb ys e t t i n gt h eh e a tf l u x o fs i d e w a l ls m a l le n o u g h 。 b a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo ft h eb i l l e t ，t h i sa r t i c l eh a sd e v e l o p e dab i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m ，u s i n gc 撑，o n eo ft h em i c r o s o f t sv i s u a l s t u d i o n e ts e r i e sl a n g u a g e sa sat o o lf o rd e v e l o p m e n t ，u s i n gs q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s et o s t o r a g ed a t a , t c h a r ti su s e da sat o o lf o rd r a w i n gt h ec h a r t ，a n dh a v er e a l i z e dt h es o l v i n g o fb i l l e tt h e r m a lf i e l da n dt r a c k i n go ft h eb i l l e ts l i c ew i t hd y n a m i cp r e s e n t a t i o n k e y w o r d s ：c o n t i n u o u s c a s t i n g o f b i l l e t ，t h e r m a lf i e l d ，a l t e m a t i n gd i r e c t i o n i m p l i c i t ( a d i ) ，s i m u l a t i o ns y s t e m i i i 目录 摘要 a b s t r a c t 一 目录 第一章概论 1 1 连续铸钢技术概述 1 1 1 国内外连铸 1 1 2 连续铸钢的优越性5 1 2 国内外的研究情况6 1 3 课题背景及意义8 1 4 本文所做的工作。9 1 5 论文结构安排9 第二章连铸坯凝固传热模型的建立1 1 2 1 连铸坯凝固传热概述l l 2 1 1 结晶器内部传热过程分析1 2 2 1 2 二冷区传热过程分析1 4 2 2 连铸坯凝固传热微分方程1 6 2 2 1 建立微分方程的基本假设- 1 6 2 2 2 传热微分方程的推导1 7 2 3 初始条件和边界条件1 9 2 4 热物性参数的处理2 2 2 4 1 钢种固、液相线温度的确定2 2 2 4 2 凝固潜热的处理2 2 2 4 3 导热系数九的处理2 3 2 4 4 密度p 的处理2 4 2 5 本章小结2 4 第三章凝固传热模型的求解2 5 3 1 模型常用求解方法概述2 5 3 2 交替方向隐式差分法( a d i ) 2 8 3 3 求解三对角线性方程组的追赶法( t d m a ) 2 9 3 4 利用a d i 算法求解连铸坯凝固传热模型3 1 3 5 本章小结4 6 第四章模型求解结果的验证4 7 4 1 模型的输入4 7 4 2 模型的输出4 8 4 3 不同控制参数对铸坯温度场的影响5 3 4 4 误差分析5 5 4 5 本章小结5 5 第五章方坯连铸过程温度场仿真系统的实现5 6 5 1 系统概要5 6 5 2 铸坯生产流程跟踪5 7 - i v - 目录 5 2 1 对炉次的跟踪一5 7 5 2 2 对浇次的跟踪。5 8 5 3 仿真过程6 0 5 4 本章小结6 3 第六章总结与展望6 4 6 1 研究成果及创新点6 4 6 2 展望一6 5 参考文献6 7 附录1 各面边界热流密度不同时铸坯温度场分布图7 1 附录2 攻读学位期间发表论文列表7 4 致谢7 5 - v 一 第一章概论 i i 连续铸钢技术概述 第一章概论 在钢铁生产历史上，采用连铸技术之前一般是先将钢水浇到钢锭模内铸成钢 锭，然后再将其加工成要求的钢坯尺寸。在这个过程中间，钢坯要经过几次加热、 加工，而且每次加工都要损失一定量的金属。经过一百多年的努力，人们终于发 明了将钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯的技术一连续铸钢技术1 1 。 割 图1 1 连铸过程示意图 连铸技术是一项把液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇注成 一定断面形状的铸坯新工艺。如图1 1 所示，连铸设备一般由钢包回转台、钢包、 中间包、结晶器、二冷回路等装置组成。连铸坯生产的一般过程为【l 】：钢包中的 钢水通过钢包底部的水口注入到具有缓冲作用的中间包内。中间包水口的位置被 预先调好以对准下面的结晶器。打开中间包的滑动水口或塞棒后，钢水流入下口 由引锭杆头封堵的水冷结晶器内。在结晶器内，钢水沿其周边逐渐冷凝成钢壳。 当结晶器下端出口处坯壳有一定厚度时，同时启动拉坯机和结晶器振动装置，使 带有液芯的铸坯进入由若干夹棍组成的弧形导向段。在这里，铸坯一边下行，一 第一章概论 边经受二次冷却区中许多按一定规律布置的喷嘴喷出的雾化水滴强制冷却继续 凝固。当一个钢包中的钢水浇铸完毕时，钢包回转台可以将另一个钢包转到中间 包上方，继续进行浇铸，保证连铸生产的不间断进行。待铸坯被矫直且完全凝固 后，由切割装置将其切成定尺铸坯，然后直接入库，或者进行热连轧，进入下一 道工序。综上，连铸流程如下图1 2 所示： 图1 2 连铸流程示意图 1 1 1 国内外连铸技术的发展史 ( 1 ) 国外连铸技术的发展史f 1 ，2 捌 液体金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已提出。1 8 4 0 年美国塞勒斯 ( s e l l e r s ) 获连续铸铅管专利。1 8 4 6 年转炉的发明者贝塞麦( b e s s e m e r ) 使用水 冷旋转双辊式连铸机生产锡箔、铅版和玻璃板。1 8 7 2 年美国戴维尔提出移动结 晶器连续浇铸的概念，1 8 8 6 1 8 8 9 年提出垂直浇铸的立式连铸机的设计。1 9 2 1 年 皮尔逊提出结晶器振动的概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对运动。这是人们 关于连续浇铸金属液的思想启蒙阶段。1 9 3 3 年连铸的先驱者德国人容汉斯 ( j u n g h a n s ) 建设了第一台1 7 0 0 t 月的立式带振动结晶器的连铸机，使有色金属 连续浇铸于3 0 年代就应用于生产，1 9 4 3 年容汉斯在德国建成了第一台浇铸钢液 的实验连铸机，当时就已提出振动的水冷结晶器、浸入式水口、结晶器上部加保 护剂等技术，为现代连铸机奠定了基础，这是连铸特征技术开发阶段。上世纪 5 0 年代，连续铸钢进入工业应用阶段，有多台连铸机相继建成，其中有代表性 的钢厂有：1 9 5 1 年，在前苏联的红十月冶金厂建立了第一台不锈钢板坯连铸机， 年产量3 6 0 0 0 t ；1 9 5 2 年，在英国的b a r r o w 工厂建成第一台小方坯连铸机，浇铸 断面为5 0 m m x 5 0 m m 1 0 0 m m x l 0 0 m m ，与此同时，德国人萨斯贝尔提出了弧形 连铸机的专利。容汉斯和萨斯贝尔提出了电磁搅拌的设计；1 9 5 4 年，第一台圆 坯的4 流连铸机在德国曼内斯曼公司建成，同时在北美加拿大的阿特拉斯厂建成 不锈钢板坯连铸机；1 9 5 6 年，在英国的巴钢厂建成了立弯式连铸机，大大降低 第一章概论 了立式铸机的高度。瑞士的金获弧形结晶器专利。1 9 5 8 年，第一代8 流小方坯 连铸机在意大利的工业和电业公司投产。到了6 0 年代，连续铸钢进入工业性推 广阶段，不少钢厂都相继建设连铸机，代表性的钢厂有：1 9 6 1 年第一台立弯式 板坯连铸机在德国迪林根( d i l l i n g e r ) 钢厂建成，浇铸断面为2 0 0 m m x l 5 2 0 m m 的 低碳钢，钢包容量为3 3 吨，1 9 6 3 年，第一台弧形结晶器的小方坯连铸机在瑞士 建成投产，据当时的调查，全世界已有6 1 台连铸机生产，4 4 台连铸机在建设中。 1 9 6 4 年，第一个全连铸钢厂在英国的谢尔顿投产，4 台连铸机共1 l 流，生产低 碳钢和低合金钢，断面为1 4 0 m m x l 4 0 m m 4 3 2 m m 6 3 2 m m ，钢包容量6 2 t ，1 9 6 4 年，第一台弧形板坯连铸机在德国的迪林根钢厂投产，生产的铸坯断面最大为 2 5 0 m m 1 6 0 0 m m ，与立式连铸机比较，弧形连铸机的高度降低了5 0 ，1 9 6 5 年， 4 流圆坯弧形连铸机在德国艾斯维特尔钢厂建成投产，1 9 6 7 年，高生产率的板坯 连铸机在美国的盖里钢厂建成投产，并与在线轧制相连，1 9 6 8 年，第一台弧形 结晶器4 流板坯连铸机在美国的国家钢公司建成，用于生产镀锌板，同年，加拿 大阿尔果马钢厂投产第一台工字梁连铸机。1 9 6 9 年，第一台离心旋转连铸机在 法国的卢艾克公司建成投产。 7 0 年代以后为连铸的大发展时期，也是传统连铸技术的发展成熟阶段，连 铸机已具备与大型氧气转炉相配合进行工业生产的可能性。连铸设备和工艺技术 日益完善，促进了连铸的迅速发展，其中代表性的技术有： ( 1 ) 钢包回转台已实现多炉连浇； ( 2 ) 快速更换中间包以提高连铸生产率和炼浇炉数； ( 3 ) 纵向切割板坯，以把更换结晶器的次数减少到最少以提高生产率； ( 4 ) 结晶器液面控制以保持稳定的浇铸速度； ( 5 ) 结晶器在线调宽技术； ( 6 ) 多点弯曲和矫直技术； ( 7 ) 钢包中间包结晶器全程保护浇铸； ( 8 ) 冷中间包的应用； ( 9 ) 电磁搅拌的应用； ( 1 0 ) 气水冷却以改善冷却的均匀性； ( 1 1 ) 压缩浇铸技术，以适应高速浇铸，改善铸坯内部质量； 第一章概论 ( 1 2 ) 轻压下技术，改善铸坯中心偏析； ( 1 3 ) 浇铸全过程的计算机控制。 从世界主要产钢国家发展连铸的历程来看，前苏联在连铸技术的研究方面起 步早，对连铸工艺、理论、设备和品种质量等进行了大量研究工作，在7 0 年代 以前居世界领先地位，然而由于前苏联炼钢生产一直以平炉为主，氧气转炉炼钢 发展迟缓，因此限制了连铸的发展。7 0 年代以后，日本、美国、法国、德国等 工业发达国家后来居上。尤其是日本，在6 0 年代后期才从苏联等国引进连铸技 术，由于重视消化和开发研究，促进了连铸技术的应用。日本在7 0 年代以前， 连铸机主要设置在电炉炼钢厂，以生产小方坯为主。1 9 7 0 年连铸比仅为5 6 ， 但7 0 年代以后的两次能源危机，促使连铸技术得到了迅速发展。1 9 8 0 年日本连 铸比增加到5 9 5 ，1 9 9 1 年达到9 4 4 ，当时日本四家最大钢铁公司连铸比分别 为：新日铁9 8 9 ；日本钢管9 8 7 ；川崎9 7 7 ；住友9 4 4 ，基本实现了全 连铸。目前日本的连铸设备已趋近饱和程度。美国在8 0 年代以后增加了连铸投 资，到1 9 9 1 年连铸比提高到7 5 1 ，随之也出现了一些全连铸工厂。应该注意 的是，近几年接近成品尺寸的薄板坯连铸连轧工艺技术有了重大突破，人们认为 这是钢铁工业发展中的一项重大高新技术。传统的生产热轧薄板的工艺是连铸板 坯寸粗轧机组一精轧机组一板卷。与传统工艺相比，这种新工艺流程短设备简 化经济效益十分明显。国外现在已有多家公司竞相研究开发，如德国的西马克公 司开发的c s p 工艺，德马克公司开发的i s p 工艺，意大利达涅利、奥地利的沃 斯特阿尔卑里等公司各自开发出新的工艺。美国的纽柯公司、意大利的阿维第公 司以采用这种新工艺建成了完整的生产线，取得了很好的效果。 ( 二) 我国连铸技术的发展雌，3 ，6 】 我国也是较早开始研究连铸技术的国家之一，2 0 世纪5 0 年代中期就进行过 连续铸钢方面的研究，1 9 5 7 年在上海钢铁公司由吴大柯主持设计建成了一台立 式连铸机浇铸小方坯，这是中国第一台实验性铸机，其断面尺寸为7 5 r a m x l 8 0 m m 的小矩形坯。1 9 5 8 年在重钢三厂建成了立式双流连铸机，用以浇铸1 7 5 m i n x 2 0 0 r r u n 的铸坯。1 9 6 0 年在唐山钢厂建成1 4 0 m m x l 4 0 m m 的方坯立式连铸机。1 9 6 4 年在 重庆第三钢厂建成第一台弧形板坯和方坯兼用连铸机，这是当时世界上最早用于 工业生产的弧形连铸机之一。1 9 6 7 年在重钢建成了一台半径为l o m 的弧形连铸 第一章概论 机，这是当时世界上最大的弧形连铸机之一。从1 9 6 4 年到1 9 7 4 年十年间，我国 中小企业建成了4 0 多台弧形连铸机，但由于基础技术工作没有跟上，工艺问题 研究不深，铸机设备又偏于简陋，致使铸机不能正常持久生产。从1 9 8 0 年以来， 为改变我国中小钢厂小钢锭浇铸的落后面貌及开坯能力不足的矛盾，从国外引进 了不同类型的小方坯连铸机，并进行消化移植改进，在中小钢厂得到广泛应用。 这个时期内，我国的连铸比增长是：1 9 8 0 年6 5 ；1 9 8 5 年1 0 8 ；1 9 9 0 年2 2 4 ； 1 9 9 1 年的2 6 2 ；1 9 9 2 年的3 0 4 ；到1 9 9 5 年底，我国运转和在建的连铸机己 达到三百多台，比较突出的例子是攀钢大板坯连铸机的建设和投产，标志着我国 连铸机设计制造水平已有了较大的提高。在进入二十一世纪，我国的钢铁业的发 展更是突飞猛进，2 0 0 6 年我国的钢产量已突破4 亿吨，连铸比接近9 6 ，根据 2 0 0 8 年3 月3 日国家统计局发布的2 0 0 7 年国民经济和社会发展统计公报，2 0 0 7 年我国粗钢产量为4 8 9 6 6 0 万吨，同比增长1 6 8 ，钢材产量5 6 8 9 4 4 万吨，同 比增长2 1 3 。目前我国钢铁冶金行业的主要任务已经变为努力提高产品的市场 竞争力，大力开发高品质钢材。如何提高产品技术含量和附加值，成为实现钢铁 冶金行业发展的关键。 1 1 2 连续铸钢的优越性 与模铸相比，连铸的优点主要有以下几方面啡】： ( 1 ) 节省工序，缩短流程 与钢锭初轧工艺相比，连铸最大的特点是省去了模铸的脱模、整模、钢锭 均热和开坯等工序。基建投资可节约4 0 ，占地减少3 0 ，劳动力减少7 5 。 ( 2 ) 提高金属收得率 钢锭一开坯工艺的切投切尾损失达1 0 2 0 ，而连铸的切头切尾损失仅为 l 2 ，故可提高金属收得率1 0 一1 4 ( 板坯5 ，大方坯1 3 ，小方坯1 4 ) ， 带来的经济效益是相当可观的； ( 3 ) 降低能量消耗 采用连铸省去了均热炉的再加热工序，可使能量消耗减少1 2 1 4 ，据日本 统计，生产1 吨合格铸坯，连铸与模铸相比，可节约能源消耗4 0 0 1 2 0 0 m j ，相 当于1 吨钢坯节约重油1 0 3 0 k g ，采用铸坯直接轧制工艺，能耗还可以进一步降 低，工厂试验表明：冷坯加热轧制为1 2 6 0 x 1 0 3 q t ，热装轧制为8 4 0 x 1 0 3 k j t ， 铸坯直接轧制为4 2 0 x1 0 3 k t ； ( 4 ) 生产过程机械化和自动化程度更高 炼钢厂铸锭车间劳动环境恶劣，手工工序多，是炼钢生产中最落后的工序， 尤其对于氧气转炉的发展而言，铸锭已成为提高生产率的限制环节，采用连铸后， 由于设备和操作水平的提高以及采用全程计算机控制和管理，劳动环境得到了根 本性的改善，连铸过程的自动化和智能化已经成为现实； ( 5 ) 连铸钢种扩大，产品质量日益提高 目前几乎所有的钢种都可用连铸生产，连铸的钢种已扩大到5 0 0 多个。就钢 种而言，超纯净度钢、高牌号硅钢、不锈钢、z 向钢、管线钢、重轨、硬线、工 具钢以及合金钢都可用连铸生产。 1 2 国内外的研究情况 早期的连铸过程温度场数学模型主要是热传输模型，具有代表性的是 j e l a t i 等人建立的比较完整的铸坯凝固传热数学模型，数值解析法成为求解凝 固传热数学模型的主要方法。i v s a m a r a s e s k e r a 等人中利用数学模型研究了各工 艺参数对铸坯质量的影响【3 l 】；e p p o l o l 、h e n k i l p i 等学者建立的数学模型通 过简化边界条件，可以实时模拟钢液凝固和冷却时与外界的热交换的情况。 c h e u n g ，n 等人通过建立在显式差分法求解传热模型的基础上采用启发式搜索最 佳工艺参数来达到优化连铸坯的质量的目的，其中的传热模型取铸坯四分之一断 面进行分析1 2 2 】。f i l i p i 百和s a r l e r 提出并建立了连铸仿真系统，该系统包括一个连 铸过程数值仿真模块和基于遗传算法的控制参数优化模块【4 8 】。c h u n s h e n gl i 、 b g t h o m a s 通过采用有限元法建立的热力学模型研究了连铸过程中铸坯壳厚度 的变化过程【3 2 】。 我国从上世纪8 0 年代开始对连铸坯的凝固传热模型进行研究，蔡开科等专 家在文献 2 6 】中，利用数学模型模拟了铸坯表面温度温度、铸坯内部温度场、凝 固壳厚度和液相穴的长度，并研究了各工艺参数间的相互关系以及它们对铸坯凝 固过程的影响，模型采用显式差分法求解，在求解时考虑了方程的稳定性条件。 第一章概论 文献 2 7 1 中，同样采用显式差分法对板坯温度场进行求解，并在此基础上对二冷 传热制度进行优化，导出了配水量与拉速的关系。陈志凌在文献 1 0 取铸坯断面 的四分之一采用显式差分法对传热模型进行求解，并在此基础上研究了长材连铸 连轧过程的优化控制。李强等人在文献 2 8 】中采用边界元法对连铸坯凝固过程进 行了分析，在求解过程中需要考虑控制方程和单值条件的显性化问题。文献【2 9 】、 【3 0 1 均采用有限体积法对铸坯温度场进行求解，有限体积法为了求出控制体积的 积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段分布的分布剖面。 文献1 3 1 采用有限元法对连铸结晶器内热力耦合状态进行了有限元模拟，使用 m a r c 软件在微机上求解。文献 3 2 】采用有限元法对板坯连铸结晶器铜板温度场 进行了仿真研究，仿真过程中使用m a r c 2 0 0 5 有限元分析软件。有限元法的优点 在于节点配置的方式比较任意，因此对于形状比较复杂的物体，可以使边界完全 落在区域边界上，用统一的观点对区域内节点列出计算格式，使各节点的精度总 体上较为协调，但由于泛函的局限性，如在流体力学、传热学问题和扩散等问题 中，有些还没有对应的泛函，且数值方程的建立过程较复杂，需要用专门的软件 进行模拟计算。 总体而言，目前的连铸坯温度场求解方法中，有限差分法是目前应用最为广 泛的一种方法，常见的有限差分法包括显式差分法、隐式差分法、c r a n k - n i c o l s o n 法等。显式差分法计算简便，编程实现也较为容易，但是须要考虑方程的稳定性， 绝大部分文献中都采用此方法。隐式差分法在温度场求解中的应用不多，以二维 凝固传热模型为例，若采用隐式差分法，每个节点求解过程中都会遇到五个未知 节点的温度值，需要求解五个方程才能得到该节点下一周期的温度，计算起来相 对比较麻烦，文献【4 】即采用此方法求解连铸坯温度场。c r a n k - n i c o l s o n 法则是将 显式差分法与隐式差分法求和然后取平均值。 目前以成型的连铸仿真软件有国外的e s i 公司的铸造系统软件p r o c a s t 系 列，c a l c o s o f t 系列，以及p a m c a s t 系列。c a l c o s o f t 系列是连续浇铸 工艺的模拟系统软件；p a m c a s t 则是以有限差分为基础，对铸造的填充和凝 固进行模拟的系统软件。此外还有f l o w 3 d ，a n y c a s t i n g ，m a g m a 等铸造模拟分析 软件。研究机构中应用的温度场仿真软件有伊利诺伊州大学b g t h o m a s 教授等 人开发的c o n l d 、c o n 2 d 温度场仿真软件等。 国内已经出现了一些集设计、制造、建设和投产一条龙综合配套能力的企业和单 位，但是，为了达到用户的高生产率、高质量产品的迫切需求，我国连铸工业在 某些方面依然需要引进国外先进技术，特别是在软件方面，由于受数学模型的开 发及引进模型的消化吸收滞后的制约，在这方面依然有一定的发展空间。 连铸坯的凝固传热过程是在一个高温条件下的物理过程，相当复杂。铸坯通 过辐射、传导、对流三种方式来实现冷却，影响这个过程的因素很多，在钢液由 中间包流入结晶器的区域内，传热主要取决于钢液的流动状态以及凝固前沿与铸 坯表面的温度梯度，钢水的过热度直接关系到液相穴的长短和浇注速度的高低， 铸坯凝固前沿有应力( 如热应力、矫直弯曲应力等) 作用时，很容易产生裂纹。 坯壳冷却过程中，金属会发生相变( 6 一，一a ) ，特别是在次冷却区内，铸坯与 夹辊和喷水交替接触，坯壳温度反复下降和回升，使铸坯组织发生变化，相当于 经受反复“热处理 ，从而影响溶质偏析和硫化物、氮化物在晶界析出和沉积， 进而影响钢的高温性能，所有这些凝固特点都将对铸坯质量产生重要影响。 连铸过程中为了保证铸坯质量，对铸坯的冷却过程有着较为严格的要求，为 了达到这些要求，就需要深入了解工艺参数与铸坯温度之间的关系。直接做连铸 实验装置复杂，成本高，过程难以控制，而且在高温下进行，安全性也必须考虑。 随着计算机计算性能的大大提高，可以采用计算机仿真的方法来模拟连铸坯的冷 却过程，由此来确定工艺参数对铸坯温度的影响，为连铸过程控制参数的调整作 参考。 采用模拟仿真的方法对连铸过程进行分析，具有一系列的优点【7 】： ( 1 ) 可大幅度的改变各种参数的取值范围，对新工艺与新设备的设计师非 常理想的。可以使新设计的效果与优缺点在实施之前被充分预演，从而可以扬长 避短，获得最理想的方案； ( 2 ) 给定一批原始数据后，数学模拟所进行的一次计算就相当于物理模拟 本文通过分析方坯连铸生产过程以及该过程中影响铸坯温度场的变化的主 要因素和边界条件，建立方坯连铸温度场数学模型，并将该模型应用于方坯连铸 过程温度场仿真系统中。 ( 1 ) 了解前人的研究方法。通过各种途径获取资料，了解温度场建模理论 及求解方法。 ( 2 ) 实地考察连铸生产车间，了解应用在实际生产当中的连铸过程控制系 统。 ( 3 ) 研究并确定影响铸坯冷却过程的边界条件及各项热物性参数。 ( 4 ) 开发模型。根据传热微分方程和边界条件，建立铸坯凝固传热数学模 型，通过对比求解模型的常用方法，采用交替方向隐式差分法来求解该模型。 ( 5 ) 验证模型，将各项参数带入模型中计算，与目标结果作对比，并分析 产生误差的原因。 ( 6 ) 开发连铸过程温度场仿真系统，并将上述模型用于仿真系统。 1 5 论文结构安排 第一章概论首先介绍了国内外连铸技术的发展史、现状以及连铸技术的优越 性，接着介绍了连铸过程数学物理模拟主要方法，然后介绍了课题背景及意义， 最后总结了本文所做的工作及论文的结构安排。 第二章首先引出方坯连铸仿真系统中用到的主要数学模型一连铸坯凝固传 热模型，分别分析了连铸坯位于结晶器、二冷区、空冷区时的传热过程，然后提 第一章概论 出建立模型的前提假设条件，并确定模型的初始条件和边界条件，接着采用能量 守恒法推导出凝固传热微分方程，最后对方程中用到的热物性参数的处理做了说 明。 第三章主要是对第二章中建立的凝固传热模型求解，首先介绍了求解传热偏 微分方程数值解的常用方法，并着重介绍了本文中要用到的交替方向隐式差分法 及求解三对角方程的追赶法( t d m a ) ，然后用a d i 算法求解传热模型，在求解 过程中要用到追赶法来计算交替方向隐式差分法中的三对角矩阵。 第四章主要验证传热模型的求解结果，并与目标结果作对比，分析产生误差 的原因，同时对部分参数对温度场的影响进行了定性分析。 第五章是方坯连铸过程温度场仿真系统的软件实现，并把传热模型应用于仿 真系统，同时还实现了对连铸炉次和浇次的跟踪。 第六章对本文的研究成果作出总结，并对仿真系统的后续开发做了展望。 第二章连铸坯凝固传热模型的建立 第二章连铸坯凝固传热模型的建立 铸坯质量与铸坯的冷却过程中温度场的变化密切相关，主要表现在： ( 1 ) 当铸坯到达结晶器出口时，若冷却强度不够，则会造成坯壳厚过薄， 不能承受铸坯内部钢水的静压力，使刚凝结的铸坯壳出现裂口，这种情况下很容 易造成漏钢事故。 ( 2 ) 当铸坯位于二冷区时，如果冷却制度不当，则会造成铸坯产生内部裂 纹、表面裂纹、铸坯鼓肚，铸坯菱变等质量缺陷： 1 ) 内部裂纹：在二冷区各冷却段喷嘴不完全均匀覆盖铸坯表面，或者铸 坯从喷水区进入到空冷区，铸坯表面传热速率突然减小，中心热量继续向外 传递，使铸坯壳产生回热，引起铸坯壳膨胀，施加到凝固前沿的张力超过了 钢高温允许强度和临界应变而产生裂纹； 2 ) 表面裂纹：这种裂纹位于铸坯表面振痕的波谷处，主要是由于二冷制 度不当，在铸坯矫直时表面温度低于9 0 0 0 c ，刚好位于钢种的脆性区； 3 ) 铸坯鼓肚：对于大方坯和板坯来说，如果二冷冷却程度不够，会造成 凝固坯壳太薄，铸坯表面温度太高，在钢水静压力下铸坯壳发生蠕变而产生 鼓肚； 4 ) 铸坯菱变：如果铸坯的四个面非对称冷却，会导致其中两个面比另外 两个面冷却的更快，铸坯收缩时在较冷的面产生了沿对角线的张应力，造成 铸坯菱变。 因此，对方坯连铸过程进行仿真，最关键的是要对连铸过程中铸坯温度场的 变化情况进行分析，建立铸坯凝固传热模型，通过求解该模型，来得到铸坯温度 场的时时变化情况。 2 1 连铸坯凝固传热概述 连铸坯由钢水冷却为钢坯的过程中，要释放出三种热量：过热、潜热、显热 【l ，3 】： ( 1 ) 过热：指钢水从浇注温度降到液相线温度过程中释放出的热量，一般 把开始浇注1 0 分钟左右经均匀混合后在中间包中测得的温度作为浇注温度； 第二章连铸坯凝| 司传热模型的建立 ( 2 ) 潜热：指钢水由液相线温度降到固相线温度时从液相到固相转变的凝 固过程中释放出的热量； ( 3 ) 显热：从固相线温度冷却到环境温度的过程中释放的热量； 铸坯冷却过程中热量释放的方式也分为三类：对流传热、热传导传热、辐射 传热： ( 1 ) 对流传热：依靠流体微团的宏观运动而进行热量传递，传热机理：流 体的运动对传热过程有强烈影响。当边界层中的流动完全处于层流状态时，垂直 于流动方向上的热量传递虽然只能通过流体内部的导热，但流体的流动造成了沿 流动方向的温度变化，使交界处的温度梯度增加，因而促进了传热。影响