（钢铁冶金专业论文）大方坯连铸机动态轻压下过程控制系统开发与应用.pdf

| tt 、 一- 、t ： _ 掌 _ 未 i “自 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u s m e t a l l u r g y d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fd y n a m i cs o rr e d u c t i o n p r o c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g m a c h i n e b ym a y _ u t a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h u m i a o y o n g n 0 r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 二jjj-8 42川4 舢8iiii-y 气 l 、l l 7 f r 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 6 二 思。 学位论文作者签名：蜀曼盏 日期：删7 甲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， 分 东北大学硕士学位论文 摘要 大方坯连铸机动态轻压下过程控制系统开发与应用 摘要 动态轻压下技术可以显著改善连铸坯的中心偏析和疏松，已经成为提高连铸坯内部 质量的先进技术之一。本文以自主丌发大方坯动态二冷与动态轻压下过程控制系统为研 究目的。在分析国内外动态轻压下技术的发展历程、应用及研究现状的基础上，结合国 内某厂大方坯连铸机具体设备特点，研究丌发了大方坯动态二冷与动态轻压下过程控制 系统。该系统于2 0 0 8 年3 月正式投产应用，其系统运行稳定可靠，功能齐备，目前已 经生产4 5 弹、y q 4 5 0 、3 7 m n 2 、l z 5 0 等多个钢种，已达到设计要求。本文取得的主要进 展如下： ( 1 ) 大方坯动态二冷与动态轻压下过程控制系统的总体设计与架构。在分析了原铸 机控制层级架构方式的基础上，设计开发了大方坯动态二冷与动态轻压下过程控制系 统，其主要组成部分包括核心工艺控制模块、系统管理模块、通信模块、客户端等。 ( 2 ) 在硬件条件苛刻的情况下，通过设计硬件架构方式，改善核心工艺控制模型编 程实现方式和设计软件监控模块等方法设计的过程控制系统，在保证系统功能和运行稳 定的基础上，实现了系统在普通p c 机上运行的目的，克服了现场硬件条件差的困难。 ( 3 ) 为方便实现核型工艺控制模型的开发与调试，设计开发了相应的离线仿真系统。 离线仿真系统能全面的模拟大方坯稳态及非稳态生产过程中的浇铸条件，一方面为核心 工艺控制模型的开发调试提供了良好的环境，大大缩短了模型的开发周期，降低了调试 成本，另一方面为工艺工程师提供了工艺开发及参数优化的有利工具。 关键词：大方坯连铸，过程控制系统，系统设计，动态二冷，动态轻压下 i、； r，j 、1，-， 1i， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd y n a m i cs o r r e d u c t i o n p r o c e s sc o n t r 0 1s y s t e mf o rb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g m a c h i n e a bs t r a c t a st h eo n eo fa d v a n c e dt e c h n o l o 百e sf o rc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s st h ed y n a m i cs o r r e d u c t i o nc a ns i 印i f j c a n t l yi m p r o v ec e n t e rs e 黟e g a t i o na n dp o m s i t yo fc o n t i n u o u sc a s t i n g p r o d u c t s t h em a i np u 叩o s e so ft h i st h e s i s a r et o d e v e l o pt h ep r o c e s sc o n t m ls y s t e i nf o r d ”a m i cs e c o n d a r yc o o l i n ga n ds o rr e d u c t i o nf o rb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n gi n d 印e n d e n t ly t h a tw a s i n v e s t i g a t e da n dd e v e l o p e dc o m b i n i n gw i t ht h ef e a t u r e so ft h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s o fb l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ei ns o m ef a c t o r y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fd o m e s t i c 锄d o v e r s e ar e s e a r c hp r o 粤s s 锄da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n si n t h i sf i e l d t h ed e v e l o p e ds y s t 锄h 弱 b e e np u ti n t op m d u c t i o nl i n es i n c em a r c h2 0 0 8 ，w i t hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i t y s of a r s e v e r a l s t e e lg r a d e s 跚c h 嬲4 5 群，y q 4 5 0 ，3 7 m n 2 ，l z 5 0h a v eb e e np r o d u c t e dw i t hm e e t i n gt h ed e s i 印 r e q u i r e m e n t t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e s i g no ft h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mf o rd y n 啪i cs e c o n d a r yc o o l i n ga n dd y n 锄i c s o rr e d u c t i o no fb l o o m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed e s i g nf o rt h eo 一舀n a lc o n t r o l l e v e l ，t h e p r o c e s sc o n t r o ls y s t 锄i n c l u d i n gt h ec o r ec o n t r o lm o d e ，s y s t 锄m a i n t e n a n c em o d e ，d a t a c o m m u n i c a t i o nm o d e 锄dc l i e n tm o d ew a sd e v e l o p e d ( 2 ) t h ep r o c e s sc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i 印e db yc o n s t r u c t i n gt h en e wa r c h i t e c t u r eo f h a r d w a r e ，i m p m v i n gt h ep m 伊a m m ef o rt h ec o r ec o n t r o lm o d ea n dt h em o d u l eo fs y s t 锄 m o n i t o r i n g ，t h a tc a n r u no np cs t a b l ya n do v e r c o m et h ep o o rc o n d i t i o na tp r o d u c tl i n e ( 3 )i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go fc o r ec o n t r o lm o d e c o n v e n i c n t l y 锄o m i n es i m u l a t o rs y s t e mw a sd e s i g n e d ，t h a ts y s t e mc a nb eu s e dt os i m u l a t e t h ec a s t i n gp r o c e s so fb l o o mp r o d u c t i o nb o t hf 1 0 r s t e a d ys t a t ea n du n s t e a d ys t a t e t h e d e v e l o p e ds i m u l a t o rp r o v i d e sag o o de n v i r o n m e n tf o rd e v e l o p i n ga n dd e b u g 舀n gt h ec o r e c o n t r o lm o d ea n ds h o n e nt h ec y c l eo fd e v e l o p m e n ta n dr e d u c et h ec o s to fd e i b u g g i n g 1 i l 、-，dt 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t m o r e o v e ri tc 柚a l s oo 伍。r p r o c e s se n 沓n e e r sa nu s e 如lt o o lf o rp r o c e s sd e v e l o p i n ga n d p a r a m e t e r so p t l m l z l n g k e yw o r d s ：b l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g ，p r o c e s sc o n t r o ls y s t e n l ，s y s t 锄d e s i 印，d y n 锄i c s e c o n d a r yc o o l i n g ，d y n a m i cs o rr e d u c t i o n 、 ； j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明l 摘要1 i a b s t r a c t 1 i i 第一章绪论1 1 1 连铸技术的发展及现状l 1 2 大方坯连铸技术介绍3 1 2 1 大方坯连铸特点3 1 2 2 大方坯连铸的质量问题3 1 3大方坯轻压下技术的发展现状与关键技术8 1 3 1 大方坯轻压下技术的发展8 1 3 2 大方坯轻压下的应用现状l l 1 3 3 大方坯动态轻压下的关键技术1 l 1 4 大方坯二次冷却和凝固传热技术1 4 1 4 1 二次冷却对大方坯质量的影响1 6 1 4 2 二次冷却的制定原则和控制准则1 7 1 4 3 大方坯凝固传热数学模型的发展和现状1 8 1 5 大方坯过程控制系统的设计：19 1 6 本文的研究意义、背景及目的2 4 第二章大方坯动态二冷与动态轻压下过程控制系统的总体设计与架构2 7 2 1 大方坯二级系统的整体分析与设计2 7 2 2 大方坯二级系统的功能和特点2 9 2 3 大方坯二级系统高可用性的设计和实现3 1 2 3 1 核心工艺控制模型的设计和实现3 l 2 3 2 大方坯二级系统自身的管理和维护功能3 3 2 3 3 检查点数掘的设置与检测3 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 大方坯二级系统的软件架构3 6 2 4 1 二级系统软件的总体设计一3 6 2 4 2 二级系统的软件架构一3 8 2 4 3 二级系统数据库设计一3 9 2 5 大方坯二级系统的报警功能及实现4 l 第三章二级系统操作界面及离线仿真系统的设计与开发。：4 3 3 1 二级系统操作界面说明4 3 3 2 离线仿真系统的架构5 6 3 3 系统模块功能及实现5 7 3 3 1 工艺模型参数设定模块一5 7 3 3 2 模拟器模块5 9 3 3 3 仿真计算模块6 2 3 3 4 监控显示模块6 5 第四章结论6 7 参考文献6 9 致谢7 3 文中包含图、表、公式及文献。7 5 v l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸技术的发展及现状 钢铁产业是实现工业化和现代化的支撑产业，是技术、资金、资源和能源密集型产 业。一直以来，作为国民经济的支柱产业，钢铁产业为工业、农业、建筑及其他行业提 供了其发展所必需的钢材料。钢铁产业发展至今已形成以连铸技术为核心代表的高效 率、高集成和高自动化水平的产业模式，而且在以后相当长的一段时间内不会改变。连 铸技术的发展是现代钢铁产业的一个重要标志，多年的实践已经证明连铸生产不断完善 与优化已成为推进大型化、高速化、实现流程连续紧凑、大幅度降低消耗与排放、优化 钢铁产品质量的核心环节。 以水冷、底部敞口固定结晶器为特征的常规连铸概念最早提出者是美国炼钢工作者 亚瑟( b a t h a ，1 8 6 6 年) 和德国土木工程师达勒恩( r m d a e l e n ，1 8 7 7 年) ，但直到 上世纪5 0 年代开始，连续铸钢技术才j 下式步入工业生产。7 0 年代，随着两次能源危机的 推动，连铸进入全面发展阶段。到8 0 年代，整个钢铁行业以连铸技术优化发展为契机， 带动传统钢铁生产流程向紧凑化、连续化、高度自动化方向发展。进入9 0 年代以后，人 们在改进原来的连铸设备，实现高拉速浇铸、自动化和机械化及开发近终形技术的同时， 更注重连铸坯质量的提高与生产能源的低消耗【2 训，如近终形连铸，高效连铸，高端品 种钢连铸，智能化连铸自动控制设备开发等发展方向同益明显。 中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家，从2 0 世纪5 0 年代起就丌始连铸技术 的研究，6 0 年代初就进入了到连铸技术应用阶段，然而，从6 0 年代末到7 0 年代末，我过 的连铸技术几乎是停滞不前，1 9 8 2 年的统计数字表明，当时世界平均连铸比为3 0 左右， 而我国的连铸比仅为6 3 。8 0 年代后，我国的连铸技术到了一个新的发展时期。近年来 中国粗钢产量和连铸坯产量逐年递增( 如图1 1 所利u ) 。尤其是自2 0 0 0 年开始，钢产量增 长迅猛，2 0 0 6 年我国粗钢产量达到4 1 8 7 8 2 力吨，占全球总产量的3 4 3 4 ，2 0 0 7 年我国 粗钢产量近4 9 亿吨。截至2 0 0 5 年5 月，全国f 在生产的各类连铸机共计6 8 4 台，2 2 1 9 流， 其中连铸比已经达到9 8 5 7 ，超过世界平均水平( 9 0 4 ) 。由此可见，除了一些特殊领 域要求模铸外，其余钢材均以连铸的方式进行生产。上述数据表明，我国钢铁生产和消 费已成为全球中心，对世界钢铁业发展有着重要的影响。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 0 1 9 9 11 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 年份 图1 1中国连铸坯产量及粗钢产量 f i g 1 1o u t p u to f c cs t e e la n dc 九l d es t e e li np ：r c l l i n a 虽然我国连铸生产虽然取得了很大成绩，但也清醒地认识到我国连铸存在的问题， 与发达国家相比主要表现在： ( 1 ) 连铸稳定性差，铸机作业率不高，铸坯质量不理想；国外的连铸机的作业率普 遍大于8 0 ，大型板坯连铸机连铸大约l o o 2 0 0 万吨钢才漏钢一次，基本上可以生产无 缺陷铸坯( 包括合金钢) 。而我国的连铸机生产稳定性较差，事故相对较多，作业率不 高，铸坯质量还有一定差距； ( 2 ) 近终型连铸技术发展缓慢；近终型连铸连轧技术在国外已实现产业化或正在加 快实现产业化步伐，而我国近终型铸机目前基本上都是从国外引进，自主研发基本上还 处于实验室阶段； ( 3 ) 高效连铸技术不成熟；高拉速技术连铸技术发展的方向，目前国外低碳板坯拉 速普遍大于2 0 m m i n ，最高可达3 0 m m i n ，1 3 0 m m 宰1 3 0 m m 小方坯拉速最高可达4 o i i l m i n ， 而我国目前的连铸机拉速普遍较低； ( 4 ) 自动化程度不高；连铸技术的一个优点就是自动化程度高，从而降低人工成本、 改善工作环境，提高工作效率，国外的连铸机具有很高的自动化水平，已普遍采用结晶 器液面检测和控制技术、质量跟踪判别技术、漏钢预报技术和轻压下技术，而目前我国 自行开发的连铸机在自动化的集成和应用方面并不成熟： ( 5 ) 合金钢连铸比较低；目前国外合金钢连铸比一般可达到8 0 以上，最高的可达 9 2 ，而我国低于这个水平。 一一一z 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进入2 l 世纪以来，随着全球经济的持续快速增长，对钢材需求的拉动越来越大。随 着连铸产量与连铸比的逐年递增，以及钢铁产量的逐渐接近饱和，市场已经突破了钢材 数量方面的低层次需求，逐渐转变为对质量上的高层次需求，客观上要求钢铁工业必须 从传统的注重“产量型”向注重“品种型”、“质量型”转变。如低合金高强度钢、优 质合金钢、超级合金钢等一批具有高纯净度、高均匀性、超细晶等高端产品，已经同益 成为我国钢铁企业研发的重剧5 6 1 。 推进先进连铸技术与装备的自主丌发、设计、制造与引进、消化、吸收相结合，以 自主创新和自主集成战略为主导，实现我国真j 下迈入钢铁强国行列的目标。 1 2 大方坯连铸技术介绍 1 2 1 大方坯连铸特点 通常，把边长大于2 2 0 m m 的铸坯( 含圆坯和矩形坯) 称为大方坯，主要用于中、高 碳钢和合金钢等钢种的生产。大方坯主要用于轧制重轨、硬线、无缝钢管、大中型h 型 钢、棒材和锻材等。由于大方坯钢种特殊且断面较大，因此在浇铸过程中极易出现铸坯 表面横、纵裂纹、星状裂纹、角部凹陷、表面及皮下大型央杂物和内部缩孔、白亮带、 中心疏松、中心偏析和内部裂纹等缺陷，其中中心疏松、中心偏析和缩孔是影响大方坯 质量的主要问题。因此，大方坯连铸既有一般连铸特点，如结晶器振动、电磁搅拌、动 态二冷和动态轻压下技术，又有其自身特点，采用如无氧化保护浇铸、结晶器液面自动 检测和控制、保护渣自动加入、铸坯缓冷、功能齐全的中间包维修区和机械维修区、两 级控制系统和质量跟踪判别技术等。 1 2 2 大方坯连铸的质量问题 1 2 2 1 中心疏松和中心偏析的形成原因与危害 连铸坯凝固的特点决定了大方坯凝固过程中易形成中心偏析和疏松7 1 。中心偏析和 疏松会引起钢材的一系列质量问题：导致高碳线材拉拔性能降低与拉断率增大，降低天 然气输送管线钢抗氢致裂纹的能力从而造成管子破裂，降低海洋钻探与平台用结构钢的 焊接性能等。有效控制和减少中心偏析与疏松是公认的连铸生产三大质量问题之一【8 l 。 中心偏析是指钢液在凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配导致了铸坯中 化学成分的不均匀性，中心部位的c 、s 、p 含量明显高于其他部位。常在铸坯厚度中心 最终凝固区域形成“v 字状周期性宏观偏析，所以又称为“v 偏析7 1 。中心疏松是在 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 铸坯中心凝固未端的枝晶i 日j 产生的微小空隙。中心偏析和疏松通常相伴而生，凝固过程 中典型的中心偏析与中心疏松如图1 2 所示。 蛩尝黼一簸蹴蠛鬈篓皇 壤；骞蔫避磊搬r ) | 矿矿，i 广9 6 一多 图1 2 连铸坯凝同过程示意图 f i g 1 2c t e r 跎g r e g a t i o n 柚dp o r o s i t yi ns o l i d i f i c a t i o np r o c 岱so fs l a b 虽然连铸的凝固速度较模铸凝固速度快，连铸坯具有较低的显微偏析，但存在难以 克服的问题： ( 1 ) 液芯长，凝固终点离弯月面的距离远，凝固末端周围的钢液温度低、流动性差； ( 2 ) 由于单方向传热的特点，凝固末端液芯为狭窄型，不利于凝固过程中钢水的补 缩； ( 3 ) 由于单方向快速传热，柱状晶极易形成搭桥。 连铸坯中心偏析及其对应组织的特点如表1 1 所示： 表1 1 连铸坯中心偏析的特点和对应的组织特点 t a b l e1 1n e 仃a i t so fc e n t r es e g r e g a t i o na n di t sc o n s p o n d i n g s t t l l c t l j r ei nc o n t i n u 叫sc a s t i n gp m d u c t s 偏析类型组织类型 无v 型偏析，无中心偏析 有v 型偏析，无中心偏析 有v 型偏析( 宽) 和孤立孔偏析 有v 型偏析( 窄) 和连续轻微偏析 有v 型偏析( 窄) 和连续加重偏析 柱状品+ 细小等轴品 柱状品+ 等轴晶 柱状品+ 粗人等轴品 柱状品发达 形成搭桥或穿品组织 目前国内外对中心偏析的形成有不同的理论解释，每一种理论都能解释某些特征， 但单独的任何一种理论均不能完全说明问题。归纳起来有如下三剧9 。1 2 】： ( 1 ) 溶质元素析出与富集理论 该理论认为，铸坯在表面到中心的结晶过程中，由于钢中一些溶质元素( 如c 、m n 、 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 p 、s ) 选份结晶，从固相析出的溶质元素排到尚未凝固的钢液中。随结晶的继续进行， 把富集溶质的钢液推向铸坯的中心，即产生铸坯的中心偏析。一般来说，最初生成的树 枝晶较纯，熔点较高，其中含碳和其它杂质少；最后生成的晶体由于含有某些高浓度的 溶质元素从而产生中心偏析。 ( 2 ) 凝固桥理论 该理论认为，当浇铸碳含量超过o 4 5 的钢时，即使是中等过热度的钢液也有强烈 增加柱状晶的趋势。在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，桥下面的钢液继续凝 固时，将得不到上游钢液的补充，相当于小钢锭凝固，于是形成缩孔、疏松和中心偏析。 ( 3 ) 铸坯芯部空穴抽吸理论 铸坯芯部空穴抽吸理论认为，一是铸坯在结晶末期，液体向固体的转变过程伴随体 积收缩而产生一定的空穴；二是铸坯( 特别是板坯和大方坯) 的鼓肚使其芯部同样产生空 穴。这些在铸坯芯部的空穴具有负压，致使枝晶间富集溶质元素的钢液被吸入芯部并凝 固，于是形成中心偏析。 各观点综合分析可以认为：固液界面的溶质再分配是宏观偏析的起因，而自然对流 是形成宏观偏析的主要途径。 1 2 2 2 减少中心疏松和中心偏析的主要方法 至今为止，减少或消除中心偏析和疏松的技术可分如下几类： ( 1 ) 减少易偏析元素含量 主要采用的技术手段为铁水预处理、炉内炼钢过程中的脱硫脱磷、炉外精炼技术等， 如把钢中s 降到小于o 0 1 以下。但上述手段不能完全去除有害元素，且有些钢种为了获 得特殊性能，钢液中的某些元素需要保持一定的含量。 ( 2 ) 增加等轴晶比例 主要采用低过热度浇铸、结晶器电磁搅拌、等离子加热技术、添加微合金等，常用 技术的优缺点见表】2 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 增加等轴品比例技术 1 a b l e1 21 e c ：h n o l o g i e so fi m p r o v i n gr a t i oo fe q u i a x e dc r y s t a l ( 3 ) 改善凝固末期钢水的补缩条件 主要采用凝固末端电磁搅拌技术( f e m s ) ，在方坯中应用较多。电磁搅拌使凝固末 端铸坯内的钢液快速流动，抑制了柱状晶的形成，避免了大树枝状在最后凝固区域形成 的“搭桥”现象。电磁搅拌技术可以降低v 偏析，但由于浇铸速度的变化，搅拌位置难 以固定，当搅拌位置不合适时会引起白亮带负偏析。在固相率较高时，搅拌作用不明显： 此外电磁搅拌设备的灵活性、适应性较差，维护费用较高。 ( 4 ) 补偿凝固末期钢水的收缩，防止浓缩钢水的不正常流动 主要采用机械应力压下和热应力压下，通过在连铸坯凝固末端附近施加压力( 热应 力和机械应力) 以产生一定的压下量来阻碍富集偏析元素钢液的流动，从而消除中心偏 析，同时补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松【l3 1 ，分类见表1 3 。轻压下技术能够 有效改善铸坯内部质量，是当前正在大力发展的连铸新技术之一【1 4 i5 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 3 轻乐卜技术方式分类 t a b l e1 3t h es o 九so fs o nr e d u c t i o nt e c h n o l o g y 名称利类别方式图例 应川范| ；i 特点 国 辊式轻压。卜一磊薹誓凳：p 塞蒌基萎于 机械应力轻弋二岁 ，篱一一藩 i - l i | 二冷犯：尘，x 7 效除中心缺陷效果 热应妻轻压凝曙銮堂豳鼍飘 卜方坯麓黼下强冷技术二荔磊润 i f ny 及肚卜及明。 目前，电磁搅拌技术和轻压下技术应用较广，两种技术从不同的侧面去改善中心偏 析与中心疏松，很多铸机同时装配了这两种技术。 与f e m s 技术相比，轻压下工艺具有如下优势： ( 1 ) 轻压下工艺可以补偿凝固收缩，而f e m s 工艺做不到； ( 2 ) 轻压下工艺通过施加机械力，直接改变了铸坯的凝固进程； ( 3 ) 在钢液凝固末端位置变化时，可以及时调整轻压下工艺，即使调整不及时，该 工艺也可以发挥很大的作用； ( 4 ) 在没有s e m s 的情况下轻压下工艺同样可以发挥巨大作用，极大减低中心偏析 和疏松。这一点对保证连铸生产线的稳定生产有着巨大的意义。 由于辊式轻压下技术应用范阐广，消除中心偏析与中心疏松效果好，适应性强等特 点，辊式轻压下成为一种常见和成功的技术，在国内外被广泛应用。尤其是动态轻压下 技术，已经成为现代连铸机的标志之一。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 大方坯轻压下技术的发展现状与关键技术 轻压下技术始于2 0 世纪7 0 年代术、8 0 年代初，是在7 0 年代收缩辊缝技术的基础上发 展而来，也是近年来推广较快的连铸技术之一，其基本原理是在连铸坯凝固木端实施一 定的压下量来抵消或补偿连铸坯在凝固过程中产生的收缩量，抑制由凝固收缩引起的富 含偏析元素的残余钢液向铸坯中心流动，从而达到改善铸坯中心疏松和中心偏析的目 的。轻压下技术最先应用于板坯连铸过程，由同本新同铁公司首先得到成功的应用。近 年来，轻压下技术在大方坯连铸中得到广泛的应用，普遍认为轻压下技术是迄今为止进 一步消除连铸大方坯宏观偏析的最有效方法，是提高产品质量和开发高附加值产品的重 要手段，已成为大方坯连铸的关键技术之一。 1 3 1 大方坯轻压下技术的发展 轻压下技术主要经历了静态轻压下和动态轻压下两个发展阶斟16 1 ，均有各自的技术 特点，如表1 4 所示f 1 7 1 。 表1 4 轻压下技术的发展 7 r a b l e1 4t h e d e v e l o p m e n to fs o rr e d u c t i o n 七十年代同本n l 张钢管公司提出了在凝固木端两相区内用至少两对铸辊对方坯表 面进行压下【1 8 】，这样可以增加铸坯中心致密度，减少中心偏析与疏松。但是该方法由于 拉速、过热度、钢种的变化导致凝固末端两相区位置不能稳定在开浇前预设的轻压下铸 辊范围内，铸坯中心质量不稳定。该方法为早期的静态轻压下方法，即调整浇铸条件( 拉 速、冷却等) ，让铸坯凝固末端两相区刚好位于固定的轻压下铸辊内，因此使用受到了 很大的限制。 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于中心偏析是凝固末端钢水流动造成的，而铸辊问铸坯的鼓肚又加剧了钢液的流 动。初期的辊式压下装置使用大辊径整体辊，辊问距大，铸坯坯壳由于自重和钢水静压， 在前后两对铸辊间易产生鼓肚，不能发挥轻压下效果。同时，由于辊身过长，在压下过 程中容易弯曲变形，导致轻压下不均匀。为了改善轻压下的效果，在铸机的轻压下区安 装了由刚性较好的分节辊组成的扇形段。如图1 3 所示，该方法最早由n k k 提出，自1 9 7 6 年安装投入使用并取得良好效果后，在世界范围被迅速推广。 图1 3 小辊径分。1 7 辊轻压下扇形段示意图 f i g 1 3s k e t c ho fs e g m t 、i t hs e 肿e i l t a 拶r o l l e 璐 到8 0 年代后期，日本钢管n k k 公司提出了人为鼓肚轻压下技术【1 9 】( i n t 朗d e db u l 百n g s 0 1 f ir e d u c t i o n ) ，就是将进行轻压下辊的上游辊缝故意扩大，然后再实施轻压下。据介 绍，l b s r 不但能起到一般轻压下的作用，增加宽度方向压下均匀性，而且还可以改善铸 坯凝固终点的特性，即将传统连铸当中凝固终点“w 形状改为“一 字形状，同时减 小铸辊的压力，如图1 4 所示。 9 0 年代初，新r 铁提出了圆盘辊轻压下法( d i s kr o l ls o nr e d u c t i o n ，d r s r ) ，又称凸 形辊轻压下法。提出的理由是，采用人为鼓肚来减少轻压下阻力会受到坯壳厚度的限制， 当坯壳较薄时，铸坯两侧附近会产生内裂，同时经常要调整上游辊子以达到所需的辊缝， 使操作变得复杂。同样是减少压下阻力，可以把辊子的中间部分做成凸台。如图1 5 所示。 凸台的合适宽度使抵抗阻力厚度为零，从而使中心疏松改善的效果变得更好。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 传统的扳坯凝固终端 i ：! 匹：= 三至三j 互釜乏l j ：l 铸造方向 口 人为鼓肚的板坯凝周终端 。黼加 图1 4 板坯凝同末端形状 f i g 1 4t h ef o n no fs l a bs 0 1 i d i 6 c a t i o n 朗d 6 8 ) 平辊压下( b ) 圆盘辊压下 图1 5 平辊法与圆盘法的示意图 f i g 1 5s k e t c ho fs o n1 e d u c t i o nw i t hd i s kr o na n df l a ti 。o 轻压下技术从出现到2 0 世纪9 0 年代，还没有静态和动态的概念之分。静态轻压下是 浇铸前预先设定好辊缝，按照设定的拉速和工艺条件进行浇铸；动态轻压下概念出现于 9 0 年代，是在浇铸过程中能够跟踪凝固终点并能够随凝固终点的变化调整辊缝及辊缝收 缩程度的一种压下方法。与静态轻压下相比，动态技术的主要优点在于： ( 1 ) 避免或是大大减少中心偏析； ( 2 ) 提高生产钢种的可靠性，如要求中心线质量良好的抗氢致裂纹钢和海上钻井平 台用钢； ( 3 ) 减少中心偏析产生的废品； ( 4 ) 在处于非稳态浇铸下( 如开浇、拉速变化等) 也能获得良好的中心线质量连铸坯。 1 m 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 大方坯轻压下的应用现状 目前，国际上掌握并比较成功应用动态轻压下技术的公司主要有奥钢联v a l ，德国 s m sd e m a g ，意大利d a n i e l i ，同本住友重机等，在薄板上应用动态轻压下以s m s d 为代 表【2 0 1 ，在中厚板和方坯上应用动态轻压下以v a l 为代裂2 1 1 。各国的钢铁企业在短短几年 罩迅速采用了动态轻压下技术。尤其是v a i 连铸机在中国市场的份额在所有外国著名设 备生产厂中是最大的，板坯连铸机市场份额达到6 0 【2 2 】。 台湾中钢在高碳钢大方坯生产过程采用了轻压下技术，研究结果表明【2 3 1 ，采用轻压 下后，大方坯中心线上v 偏析明显减弱，碳偏析明显减少。 为满足高速轨道用钢的需求，攀钢于2 0 0 3 年投产了国内第一条大方坯动态轻压下铸 机【2 4 】。在应用动态轻压下技术后，铸坯中心疏松减轻，2 o 级疏松比例由1 0 5 3 减至 4 0 7 ，1 5 级疏松比例由6 3 1 6 减至2 1 3 7 ，1 0 级疏松比例则由1 0 5 3 增至5 1 1 5 ， o 5 级疏松比例则由1 5 7 9 增至2 3 4 1 。铸坯中心碳偏析指数由1 1 7 降至1 0 5 。解决了重 轨钢连铸大方坯中心疏松和中心偏析较严重的技术难题。 根据上述轻压下应用效果，可以认为，无论是板坯还是方坯，轻压下技术对改善铸 坯内部质量都具有明显效果。此外，动态轻压下技术还带来了其他附加收益【2 5 - 2 6 】： ( 1 ) 减少钢材氢致裂纹( h i c ) 约5 0 ； ( 2 ) 采用新的扇形段使换辊时间大大减少，提高了生产率； 。 ( 3 ) 有利于结晶器与铸坯的厚度匹配，扩大了结晶器厚度的可选范围，增加了铸机 的生产能力； ( 4 ) 提高拉速，增加产量( 传统连铸中拉速增加，中心偏析和疏松加重) ； ( 5 ) 一定的压下量在补偿中心疏松的同时会促进中心线裂纹的焊合，即达到增加铸 坯中心致密度的效果。 1 3 3 大方坯动态轻压下的关键技术 大方坯动态轻压下技术是一种多领域综合技术，涉及范围广、覆盖面宽，涉及到机 械制造、控制理论、自动化技术、通讯工程和钢铁冶金等多个领域。目前其关键技术主 要包括，远程辊缝可调节辊列设计、凝固终点在线预测技术、合理压下参数的确定、动 态轻压下在线控制模型设计及相应的过程控制系统架构f 2 7 l 。 1 3 3 1 远程辊缝可调节辊列设计 根掘轻压下的工作原理，大方坯动态轻压下技术要求能够快速、精确的远程调整实 东北大学硕士学位论文第一章绪论 施压下功能的压下辊的辊缝值，以实现随着凝固术端位置变化的轻压下实施【2 引。根据大 方坯的凝固原理，方坯连铸机并没有采用与板坯连铸机相同的段式结构，而是采用合理 的辊列设计，通过压下机架，采用液压驱动系统柬实现轻压下功能，既要保证速度，又 要保证精度【2 9 1 。目前，国外大方坯铸机大多能够实现液压夹紧和远程辊缝调节，动态轻 压下技术已经被广泛的应用于连铸工艺设计之中。 1 3 3 2 凝固终点在线预测技术 如上所述，轻压下是一种在凝固末端的两相区内施加一定压下量来弥补或补偿铸坯 凝固收缩的技术，因此凝固末端两相区位置的准确预测至关重要。由于现场浇铸条件( 如 拉速、浇铸温度等) 的变化，铸坯凝固末端两相区的位置必不固定，对于动态轻压下技 术来说，快速、准确的确定凝固术端两相区的位置是实现动态轻压下技术的前提。目前 国内外用来确定大方坯凝固末端两相区位置主要有两种方法：一是通过在线热跟踪模型 的计算结果判定；另一种是通过安装在机架上压力传感器的实时探测判定。 热跟踪模型要求计算快，计算时间往往在几秒之内，传统的迭代计算不能满足要求， 已有大量研究提出了快速计算方法；另一个是热跟踪模型要在计算时间满足要求的同 时，还要计算准确，往往通过实验验证( 射钉) 。目前应用较多的热跟踪模型商业软件包 有v a i 开发的d y n a c s 【3 0 1 ，d 卸i e l i 开发的l p c i 3 1 3 2 1 。 不同公司提出的传感器探测判定方式有所差别，但基本原理都是在轻压下实施过程 中通过对完全固态和带液芯铸坯的不同压力检测反馈信号进行处理，确定出凝固末端的 位置【3 3 】。如德国一家公司开发的传感器集成于c a s t e 妃r o w n 中，可以预测出凝固终点位 置。 1 3 3 3 合理的压下参数和动态轻压下在线模型的确定 轻压下参数主要包括压下区间、压下量、压下率和压下速率。合理的轻压下参数是 有效消除铸坯中心偏析与疏松的前提条件，否则，如果压下参数设定不合理，不但不能 改善铸坯质量，还有可能恶化铸坯质量甚至对铸机造成损害。动态轻压下在线模型实在 确定好合理的压下参数的前提下，通过计算机语言实时、准确的在线计算出不同的压下 辊的压下量和辊缝值，并将计算值下发到各个压下辊，最终实现轻压下功能。 如图1 6 所示，压下区间指压下量作用区域，一般在液相凝固终点与固相凝固终端之 问，用相应的中心固相率( 五) 表示，在o l 内。压下量是指为补偿铸坯的凝固收缩而在 压下辊上实旌的移动值，常用单位m m 。压下率指单位长度上的压下量，常用单位m m m 。 压下速率指单位时白j 的压下量，常用单位舢【n m i n 。压下量、压下率、压下速率相互关 联，实际生产过程中，根据生产状态和生产条件不同，选择其中两个工艺参数即可实现 1 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 动态轻压下控制过程。 拉坯方向 图1 6 轻压下工艺参数示意图 f i g 1 6s k e t c ho fs 0 rr e d u c t i 彻p r o c 懿sp a r a m e t 盯 轻 压 下 后 铸 坯 厚 度 ( 1 ) 压下位置 经多年研究，目前一致认为，中心偏析和疏松发生在凝固末端的液固两相区内【3 4 1 。 凝固末端两相区如图1 7 【3 5 】所示。 啦 们 尸 乙，0 _ r = 二! = 社m 忡l i 一一一一州i i l 吣毯： h k 州 b 1 二二、：二| iiii 居= 0 = l 图1 7 铸坯凝同末端两相区示意图 f i g 1 7s k e t c ho fm u s h y z o n ei ns o l i d i f i c a t i o ne n do fs l a b 采用中心固相率( 石) 来划分两相区分布，由图1 7 可知，从石= o 到六= l 处，钢液的 杂质元素含量越来越大。g z 区内由于固相率小，流动阻力小，凝固收缩可以通过左端非 浓化钢液的流动来补偿。g i 区内凝固收缩可得到g ：区内浓化钢液的补充，但由于在g 内 固相率较大，流动阻力变大，补充不充分。而在p 区内残余浓缩钢液被枝晶网封闭起来， 凝固收缩时将得不到g 区钢液的补充。因此，g ：区流动将不会造成中心偏析的形成，反 而均匀了该区内的溶质分布。g 区的收缩形成的负压将导致富集杂质元素钢液的集中， 从而促进中心偏析的形成。p 区的凝固收缩因没有钢液的补充将形成疏松。 ( 2 ) 压下量、压下率和压下速率 13 东北大学硕士学位论文第一章绪论 压下量、压下率和压下速率要完全补偿压下区问内钢液在凝固过程中的体积收缩 量，才能防止富集溶质钢液的流动。但是压下量过大会使铸坯内部产生裂纹，并使压下 辊受损。压下量过小，对中心偏析和疏松改善不明显。压下量大小必须满足三个要求： 能够补偿压下区间内的凝固收缩，减少中心偏析和