（钢铁冶金专业论文）连铸二冷区动态控制模型的研究.pdf

摘要 捅要 连铸二冷工艺是连铸的三大核心工艺之一，它不仅决定铸坯的凝固过程，还对 连铸生产和铸坯质量有着直接的影响。为适应连铸钢种及浇注条件的变化，要求二 冷水的控制系统更趋于智能化和通用化 石家庄钢铁公司连铸二冷配水在总水量控制、各段水量分配及控制方法等方面 存在诸多问题，致使生产的轴承钢g c r l 5 铸坯经常出现内部裂纹、中心疏松、成分 偏析等缺陷。 采用g l e c b l e 3 5 0 0 热模拟机对石钢生产的g c r l 5 的高温力学性能进行了测试， 研究变形温度、变形速率和冷却速率等因素对钢塑性的影响，找出铸坯在二冷区各 段的最佳目标温度。通过建立非稳态的方坯连铸机铸坯凝固数学模型，利用建立的 数学模型模拟铸坯凝固过程，在一定的冶金准则下，结合目标温度，确定连铸二冷 区配水合理工艺参数。以虚拟拉速为控制参数，克服了传统控制法水量容易随拉速 波动而急剧变化导致铸坯表面温度剧烈变化，同时也克服了目前其它控制方法控制 滞后、控制不准确、投资大等缺点。 采用v i s u a lb a s i c6 0 语言编写二冷区动态控制系统，实现离线仿真模拟和在线 生产控制。仿真模拟的主要功能有：通过输入钢种、断面、拉速和比水量等参数， 可以模拟计算出生产坯壳的温度分布、坯壳厚度和液芯长度；在线控制系统主要功 能有；通过设备传回的拉速、浇注温度以及选定的断面，实时计算出二冷各段的水 量，并记录水量历史曲线。 研究表明：( 1 ) g c r l 5 的高温脆性温度区9 5 0 6 0 0 ，良好塑性温度区1 2 5 0 9 5 0 ；( 2 ) 编写的控制与仿真系统实用可靠，采用弱冷有利于减轻铸坯裂纹， 比水量为o 4 0 l k g 时中心偏析最小；( 3 ) 其它条件不变的情况下，拉速对液芯长度 影响最大；( 4 ) 引入虚拟拉速可以有效减缓水量剧烈波动 本研究将对提高铸机的铸坯质量和生产能力、对开发的新钢种二冷配水方案设 计提供较大的理论指导意义和实用价值。 图3 5 表l o 参5 8 关键词：轴承钢；非稳态控制模型；方坯连铸；二次冷却 分类号；t f 7 7 7 7 ； 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e c o n d a r yc o o l i n gi so n eo f t h et h r e ec o r ct e c h n i c so f c o n t i n u o u sc a s t i n g i tn o to n l y d e t e r m i n e st h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n g ，b u ta l s od i r e c t l ya f f e c t si t s q u a l i t y d u et ov a r i a b l ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa n dr e q u i r e m e n to fc a s t i n gm u l t i - g r a d es t e e l ，t h ec o n t r o lt e c h n i co fs e c o n d a r yc o o l i n gt e n d st ob em o r ei n t e l l i g e n t , g e n e r a l a n dc o m p l e t e s i n c es h i j i a z h a n n gi r o na n ds t e e l c o m p a n yh a sm a n yp r o b l e m s w i t ht h e i r s e c o n d a r yc o o l i n gt e c h n i c ，s u c ha sc o n t r o l l i n go ft h et o t a lw a t e r , w a t e ra l l o c a t i o no f d i f f e r e n ts e g m e n t sa n dm e t h o do fc o n t r o l l i n g , s o ，t h eb e a r i n gs t e e lg c r l 5b i l l e tc a s t i n g m a d et h e r ea l w a y ss h o wt h ed e f i c i e n c i e sl i k ei n t e r n a le m c lc e n t e rp o r o s i t ya n d c o m p o n e n ts e g r e g a t i o n , e c t u s i n gt h eg l e e b l e - 3 5 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o nt e s t i n gm a c h i n e , t h eh i g h - t e m p e r a t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg c r l 5b e a r i n gs t e e lw a st e s t e d ，a n ds t u d i e dt h ee f f e c to np l a s t i c m a d eb yd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e , d e f o r m a t i o nr a t ea n dc o o l i n gr a t e , f o u n do u tt h e o p t i m u mt a r g e tt e m p e r a t u r ei ne a c hs e c t i o no fs e c o n d a r yc o o l i n gz o n e b ye s t a b l i s h i n ga n o n - s t e a d ys t a t es o l i d i f i c a t i o nh e a r tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e la n da l s ou s i n gt h i sm o d e l t oc a l c u l a t ew a t e rf l u xa n dt os i m u l a t et h ec o u i o fb i l l e ts o l i d i f i c a t i o na n dc o m b i n i n g w i t ht a r g e tt e m p e r a t u r e ，a c c o r d i n gt oc e r t a i nm e t a l l u r g yr u l e ，t h er e s e a r c hf i n a l l yd e f m a s t h ep r o p e rt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro fw a t e rd i s t r i b u t i o ni ns e c o n d a r yc o o l i n gz o n e u s i n g v i r t u a lc a s t i n gs p e e d 嬲c o n t r o lp a r a m e t e rc o u l da v o i dt h ep r o b l e mb r o u g h tb yt r a d i t i o n a l w a t e rc o n t r o lm e t h o dw h i c ha l w a y sm a d et h ew a t e ra m o u n tr a p i d l yc h a n g ed u et ot h e f l u c t u a t i o no fc a s t i n gs p e e da n dt h e nl e a dt os e v e r et e m p e r a t u r ec h a n g eo nb i l l e ts u r f a c e a tt h es a m et i m e ，i tc o u l da l s oo v e r c o m et h ed e f e c tl a g , i n a c c u r a c ya n dl a r g ei n v e s t m e n to f o t h e rc o n t r o l l i n gm e t h o d ，e c t t h ed e v e l o p i n gs o f t w a r eo fd y n a m i cc o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t e dl a n g u a g ev i s u a l b a s i c6 0c o u l dp u tb o t ho f f - l i n ee m u l a t i o na n do n - l i n ep r o d u c t i o nc o n t r o li n t oe f f e c t t h e m a i nf u n c t i o no fe m u l a t i o na n da n a l o g u ei st oc a l c u l a t et h es u r f a c et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n si nt h es o l i d i f i e ds h e l l ，t h et h i c k n e s so fs h e l la n dt h el e n g t ho ft h el i q u i dc o r e b yi n p u t t i n gs t e e lg r a d e ，c r o s ss e c t i o n ，c a s t i n gs p e e d ，s p r a yw a t e rr a t ea n ds o m eo t h e r r e l e v a n tp a r a m e t e r s ；o n l i n ep r o d u c t i o nc o n t r o li st a r g e t e da tb e a r i n gs t e e la n di t sf u n c t i o n 一 摘要 i st oc a l c l l l a t et h ew a t e ra m o u n to fe a c hs e c t i o no fs e c o n d a r yc o o l i n gz o n eb a s e do i lt h e p a r a m e t e r so fc a s t i n gs p e e d ，c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n ds e l e c t e dc r o s ss e c t i o nw h i c h a r ea l l s e n tb a c kb yt h ee q u i p m e n ta n dt h e nr e c o r dt h eh i s t o r i c a lw a t e ra m o u n tc u r v e t h i sr e s e a r c hs h o w s ( 1 ) t h eb r i t t l et e m p e r a t u r ea r e ao fc r c r l 5i sb e t w e e n9 5 0 6 0 0 x 3 ，t h ew e l l - p l a s t i ct e m p e r a t u r ea r e ai sb e t w e e n1 2 5 0 c 9 5 0 c ( 2 ) s o f tc o o l i n gc o u l d b eu s e dt or e d u c et h ec r a c ko fb i l l e ta n dt h ec e n t e rs e g r e g a t i o ni sm i f l i m u mw h e ns p r a y w a t e rr a t ei s0 4 0 l k g ( 3 ) c a s t i n gs p e e dm a k e st h em a x j l l l u n li n f l u e n c eo i ll i q u i dc o r e w h e no t h e rc o n d i t i o ni ss t a b l e ( 4 ) l e a d i n g - i nv i r t u a lc a s t i n gs p e e dc o u l ds l o wu pt h e s e v e r ef l u c t u a t i o no f w a t e ra m o u n t f o r i m p r o v i n g t h eb i l l e tq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dd e s i g n i n gs e c o n d a r y c o o l i n gw a t e r - d i s t r i b u t i n gf o rd e v e l o p i n gn e ws t e e lg r a d e ，t h i sr e s e a r c hw o u l do f f e r s i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a lg u i d e sa sw e l la sp r a c t i c a lv a l u e f i g u r e3 5 ，t a b l e1 0 ，r e f e r e n c e5 8 k e yw o r d s ：b e a r i n gs t e e l ；u n s t e a d yc o n t r o l l i n gm o d e l ；b i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g ； s e c o n d a r yc o o l i n g c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t f 7 7 7 7 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 日期： 砗垒n , _ l e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校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。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：趔日期：! z 年丝月日 引言 引言 钢铁工业是我国国民经济乃至世界经济的重要支柱。作为结构材料，无论是在 当前还是在今后相当长时间内，钢铁产品都将占主导地位。随着社会工业化和现代 化的发展，市场对钢材的品种、质量提出了更高的要求。面对严重供过于求以及多 变的市场，这就促使各钢铁企业为了提高经济效益、稳定市场，必须相应改善相关 的工艺技术状况，提高产品的质量，并不断开发新的品种。充分利用先进工艺和装 备条件开发一些适销对路的高附加值的产品以适应市场的需求，提高产品抵抗市场 风险能力。 连铸二冷制度是连铸核心技术，铸机的高作业率和铸坯的高质量都与钢水的凝 固过程密切相关。通过改善二次冷却制度，优化二次冷却配水，可实现铸坯的冷却 均匀。因此，优化二次冷却是高效连铸技术的一项重要措施，而连铸高效化已经成 为推动钢铁工业结构优化的重要技术。 连铸二冷控制经历了机旁人工配水、水表静态自动配水、动态模型计算机在线 自动配水等过程。从优化铸坯质量、提高铸坯产量两方面综合考虑，本研究采用了 静态水表与动态模型相结合的非稳态控制方式。水量分配方面，在二冷末端增加了 强冷段，使铸坯整体产生体积收缩，有效的减轻了高碳钢、小断面铸坯的中心缩_ 孑l 与疏松等缺陷。 用o l c c b l c 3 5 0 0 热模拟机对典型钢种g c r l 5 在g i e e b e 3 5 0 0 机上进行热力学 模拟试验，找出该钢种的脆性温度区以及良好塑性温度区，从而得出铸坯合理分 布温度。并作为目标控制温度。当已知拉速、冷却水量和过热度时，模型迅速预 测出各段铸坯的表面温度，此温度与目标温度比较，再根据二者的偏差来调节配 水量，直到偏差小于期望值。 通过建立非稳态的连铸机铸坯凝固数学模型，在一定的冶金准则下，利用建 立的数学模型模拟铸坯凝固过程，确定连铸二冷区配水合理工艺参数。建立了 “铸坯单元跟踪模型”，综合考虑铸坯单元的实时拉速与平均拉速，即考虑了铸 坯单元的生成时间，引入了虚拟拉速作为为控制参数，虚拟拉速从而克服了传统 水表控制法水量容易随拉速波动而急剧变化导致铸坯表面温度剧烈变化，同时也 克服了且前其它控制方法控制滞后，控制不准确、投资大等缺点。 以计算机为主要研究手段，应用v i s u a lb a s i c6 0 计算机高级语言编制二冷区 自动控制系统，实现离线仿真模拟和在线生产控制。 河北理工大学硕士学位论文 将对提高铸机的铸坯质量和生产能力、对开发的新钢种二冷配水方案设计提供 较大的理论指导意义和实用价值。 2 l 文献综述 i 文献综述 1 1 连铸发展概况 随着钢铁工业的发展和用户对钢铁产品质量要求的提高，连续铸钢正朝着高效连 铸及近终形连铸等方向发展我国连铸经历了起步( 2 0 世纪5 0 年代) 、艰难发展( 2 0 世 纪年代7 0 年代) 、引进移植( 2 0 世纪8 0 年代) 、自创体系及高效化改造( 2 0 世纪 年代) 、快速发展( 2 1 世纪初) 等阶段。近十几年来，我国连铸发展的速度己达到世界主 要产钢国连铸的增长水平，并且在连铸技术及装备的研究方面取得了突破性进展。 1 1 1 连铸发展的历史 2 0 世纪下半叶以来，世界钢铁工业发生了革命性变化，出现了两轮大规模的创 新高潮( 现代转炉炼钢、连续铸钢) ，推动了工业发达国家从钢铁产品数量扩张到结构 优化的战略转移。突出的贡献之一在于连续铸钢技术的工业化，取代了用钢锭模铸 钢、初轧机开坯的第一代钢液成形技术，从而使从炼钢到轧制成材的工艺生产线连 续化成为可能。目前，连铸技术水平的高低已成为一个国家钢铁工业技术水平的重 要指标之- - i ” 连续铸钢技术的发展大致可分为四个阶段1 2 1 ： 第一阶段( 1 8 4 0 1 9 3 0 年) 为连续浇铸金属液思想的启蒙阶段。最早( 1 8 8 7 年) 提 出与现代连铸机相似的连铸设备建议的是德国人r m d a e l e n ，在其开发的设备中已 包括了上下敞开的结晶器、液态金属注入、二次冷却段、引锭杆和铸坯切割等装 置。 第二阶段( 1 9 4 0 1 9 4 9 年) 是连续铸钢特征技术的开发阶段【3 】。其代表人物是现代 连铸之父德国人s j u n g h a n s ，1 9 4 3 年在德国建成了第一台试验连铸机1 4 1 ，提出的振 动水冷结晶器、浸入式水口、结晶器保护渣等技术原理，奠定了现代连铸机结构的 基础。结晶器振动已成为连铸机的标准操作。 第三阶段( 1 9 5 0 1 9 7 6 年) 为传统连铸技术的成熟阶段【5 l 。连续铸钢技术以惊人的 速度得到了发展，出现了5 0 0 0 多个有关连铸的专利，其中，具有代表性的技术有钢 包回转台、浸入式水口浇注、中间包塞棒控制、电磁搅拌、结晶器在线无级调宽、 渐进弯曲矫直技术等。 - 3 河北理工大学硕士学位论文 第四阶段( 2 0 世纪8 0 年代9 0 年代) ，传统连铸技术的优化发展阶段，即高效、 近终形连铸发展阶段。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。 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 及开发近终形连铸技术的同时，更注重连铸坯质量的提高与生产能源的低效耗。为 此，在现代连铸工艺上采用了一些先进技术，如图l 所示 图1 现代连铸机采用的主要技术州 ， f i g 1m a i nt e c h n o l o g i e sa p p l i e di nm o d e m g o n t i r l u o u sc a s t i n g 1 1 2 我国连铸生产现状 现代工业发展，对钢铁材料的质量提出了更高的要求。由于连铸技术具有显著 的高生产效率、高成才率及高质量、低成本等特点，己得到迅速发展，目前世界多 数国家的连铸比达到或超过9 0 。我国自1 9 9 6 年钢产量超过日本，成为世界第一产 钢大国以来，连铸比连年增加，2 0 0 3 年上半年已达到9 4 6 5 【7 一。中国大中型钢铁 企业2 0 0 6 年的连铸比已达到9 8 “。 连铸比的高低在一定程度上代表了一个国家钢铁工业的发展水平，生产过程的 高效化、铸坯洁净化、产品近终形、操作自动化与后续工艺衔接上的连续化代表了 世界现代连铸的发展方向 9 1 。 4 i 文献综述 但是，连铸过程控制也存在许多难题，这是由连铸过程本身的复杂性决定的。 其复杂性主要体现在以下几个方面1 1 0 1 2 1 。 1 存在着可测或不可测的扰动和未建模动态问题； 2 具有时变性和非线性特性； 3 过程本身和执行机构常有较大的滞后； 4 用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声等恶劣环境的影响： 5 连铸过程各环节之间的相互耦合； 6 连铸与炼钢和连轧之间需要协调控制和调度。 1 1 3 连铸的发展趋势 连铸是钢铁工业中能优化工艺流程、工厂结构，提高产品质量、生产效率和经 济效益，对加强炼钢与轧钢生产衔接匹配具有重大影响的先进技术。现代连铸技术 继续突出如下重点：提高生产效率，改善铸坯质量，实现智能化控制，从品种规 格、热送热装和近终形连铸等方面强化与轧钢的衔接，优化钢厂流程，进一步提高 经济效益。 连铸生产技术的发展仍然是今后相当长一段时间内推动钢铁科技进步最重要的 动力。而今，随着相关行业科学技术的进步，特别是控制技术的发展，传统连铸技 术已无竞争能力可言，即将为以高效连铸、近终形连铸为代表的新一代连铸技术所 代科1 3 1 。 优化高效连铸和近终形连铸技术及各项技术的创新工作，其中最重要的有：努 力发展电磁连铸技术，开发接近凝固温度、高均质、高等轴晶比的优化浇铸技术， 全面推进全数字化控制技术和大力改进薄板坯连铸实现薄带连铸产业化4 个方面。 1 2 连铸二冷控制的现状与发展趋势 二冷水动态控制模型是指浇注过程中使冷却水量随拉速连续变化，且沿拉速方 向最佳分布，从而获得良好的铸坯质量。二冷水动态控制的方法有两大类：一类是 基于实测铸坯表面温度的动态控制；一类是基于模型的动态控制”4 1 。 s - 河北理j 二大学硕士学位论文 1 2 1 连铸二冷控制的现状分析 目前国外连铸生产自动化水平很高，实现了计算机对连铸生产过程的控制和管 理，生产过程控制机都配有控制模型，使生产处于最佳状态，达到了高产、优质、 高效益 在二次冷却方面，除采取根据钢种、拉速等选择水表控制外，还可由数学模型 在线自动控制。奥地利v a i 公司开发了d y n a c s 二冷动态控制系统，芬兰 p a u t a t u u k k i 公司开发了d y n c o o l 二冷自动控制系统，英国d a v y 公司也研 制出二冷动态控制的系列技术。 二次冷却水的控制方法u 5 1 7 1 ，就目前国内情况来说，有下面几种： 1 人工配水 开浇前根据钢种设定二冷总水量和各冷却段的水量。开浇过程中水量基本不 变，或由眼观察铸坯表面温度后做适当调整。 2 比例控制 采用比水量的方法，即由q = k v ( q 为水量，v 为拉速，x 为系数) 确定各冷却 段的冷却水量，调节阀门使冷却水量与拉速相适应。应用这种方法，当浇注速度突 然发生变化时，水量也突然改变，铸坯表面温度波动很大。 3 参数控制法 参数控制法也叫拉速相关控制法，这是8 0 年代中期前较广泛采用的一种控制方 法，该方法根据二冷的水流量和拉速的正比例关系进行自动控制。计算公式为： ， f q l = a , v | + b | v + c i 式中q 为各回路水流量值；4 、骂、e 为回路配水表参数；v 为铸机拉速。 各段冷却水配水参数( 4 、e 、c ，) 以传热学为基础，通过建立传熟热力学模型 计算得出，不同钢种、断面的配水表参数也不同。这种方法控制方式简单易行，可 以满足二次冷却的基本要求，并且应用较广。 由于它是根据瞬时拉速计算水量，拉速降低时水量迅即减少，此时拉速降低前 铸坯内部蓄存的多余热量( 与拉速降低后铸坯内部热量相比) 继续传向铸坯表面， 由于水量减少，从而造成铸坯温度上升。另一方面，当拉速提高时，二冷水量迅即 增大，将与高的拉速相适应的水量用到刚从低拉速过来、内部蓄热量较少的铸坯 上，从而造成铸坯温度的急剧下降。也就是说当拉速较大波动时，二冷配水量也随 之急剧波动，从而造成了铸坯表面温度的剧烈波动，影响了铸坯的质量。 6 l 文献综述 4 温度反馈控制法 该方法是在二冷区各冷却段的末端装上温度传感器，来测量铸坯的表面温度。 根据各冷却段实测温度和目标表面温度的偏差，来控制二冷水流量能够根据铸坯 表面温度变化迅速改变配水强度，反应快 由于连铸机内部环境普遍恶劣，实际上很难测得各冷却段的准确温度，因此也 直接局限了其应用。 5 计算机动态控制法 这种方法是，利用一个在线模拟器来计算铸坯温度，模拟器在传热公式基础上 建立一个数学模型计算铸坯内部和表面温度。根据计算温度和目标温度来确定最优 二冷喷水量。 此法需要大量计算时间，在计算好的二冷水喷出前铸坯可能移动了，在高速连 铸中导致控制不准确。如果装配运行速度更快的计算机会使整个系统更加昂贵。 6 非稳态控制法 近年来，许多研究都采用了这种方法，也有一些钢厂运用这种思想对实际生产 进行了尝试。 这种方法是根据预设数据和实时数据来计算最佳二冷水量，其目的在于将稳定 态和非稳定态拉速条件下的铸坯温度保持在预设温度范围以内。当铸坯通过二冷区 每个冷却段时，系统对它进行跟踪。在跟踪到每个冷却段之间的间隙时，计算机就 根据冷却段里各铸坯段的平均经历时间和钢种，算出二冷喷淋水的流量i 堋。 建立较理想的数学模型需要大量经验数据及现场调试；算法复杂；主要针对非 稳态传热模型，实现起来非常困难。 在非稳态控制中，拉速不再直接决定水量的大小，因而避免了拉速的改变导致 配水量的剧烈波动，尤其是在连铸条件发生变化时能使铸坯保持良好的热态条件， 利于获得良好的铸坯的质量。在开始和连铸结束阶段以及连铸中拉速变化较大的情 况下铸坯表面温度与目标值差极小。易于实现不同的控制原理，无论在新老连铸机 上都能方便的应用；对于控制仪器要求不高。 1 2 2 连铸二冷控制的发展趋势 连铸冷却控制技术将在以下几个方面发展： 智能化仪表在连铸二冷控制中的推广和应用，智能化仪表具有自适应、自动调 节功能，特别适用于连铸这种多因素、变化大的控制过程。 ，一 河北理工大学硕士学位论文 进一步开发用于实时控制的在线模型，在理论模型的基础上开发出各种实用的 在线控制模型是连铸今后建模的发展方向。 广义模型在连铸过程中的应用这种模型有两大模块组成，一个是集成化模 型，另一个是智能化模型。通过系统的自学习、自适应能力以及知识推理能力，结 合在线或离线数学模型将会提高二冷控制的精度和准确度。 1 3 连铸二冷的重要性 连铸二冷工艺是连铸的三大核心工艺之一，它不仅决定铸坯的凝固过程，同时对 连铸生产和铸坯质量有着直接的影响。 1 3 1 二冷对铸坯产量的影响 二冷对铸坯凝固、连铸机产量有着重要影响： 由凝固定律可知： y = ( m 式中： p 。连铸机拉速，m n d n ； p 铸坯厚度，m ： 卜冷却强度，m m i n e ； 仔一液相穴长度，m 。 可见，铸机拉速决定于冷却强度、坯壳厚度、液相穴长度。当坯壳厚度和液相 穴长度一定时，拉速主要决定于冷却强度。 1 3 2 二冷对铸坯质量的影晌 在其他工艺条件不变时，二冷强度增加，拉速增大，可以使铸机生产率提高； 但二次冷却对铸坯质量也存在较大影响： 1 在二冷区，如果各段之间的冷却不均匀，就会导致铸坯表面温度呈现周期性 的回升。回温引起坯壳膨胀，当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和 临界应变时，铸坯表面和中心之间就会出现裂鲥埘。 2 温度周期性变化会导致凝固壳发生反复相变，是铸坯皮下裂纹形成的原因。 一8 l 文献综述 3 由于二冷不当，矫直时铸坯表面温度位于脆性区，再有a i n ，n b ( c ，n ) 等质 点在晶界析出降低钢的延性，因此在矫直力作用下，就会在振痕波谷出现表面横裂 纹。 4 局部的强冷会使表面产生张应力而产生表面裂纹【嘲。 5 如二次冷却太弱，铸坯表面温度过高，钢的高温强度较低，在钢水静压力作 用下，凝固壳就会发生蠕变而产生鼓肚。 6 二冷区内铸坯四个面的非对称性冷却，造成某两个面比另外两个面冷却得更 快铸坯收缩时在冷面产生了沿对角线的张应力，会加重铸坯菱变( 脱方) 。 7 二冷冷却强度对铸坯中心偏析也有影响。资料表明，在浇注高碳轴承钢时，冷 却强度为一定值( o 4 2 l k g ) 时，中心偏析最小，冷却强度低于或者高于此值都会使中心 偏析程度；艟v o j 。以前的研究还表明，由于铸坯中心和坯壳的冷却不同及鼓肚会引起 糊状区的变形，而此变形对铸坯内正偏析的形成有很大影响【2 l , 2 2 1 。 1 4 连铸过程的凝固传热冶金特点 连续铸钢就是把液体钢转变为固体钢的加工过程，是沿液相穴在凝固温度区间 把液体转变为固体的加工过程。连铸坯凝固是动态传热过程，分结晶器、二冷和辐 射三个传热区，铸坯边运行边放热，凝固形成了很长的液相穴；是分阶段的凝固过 程，即结晶器形成初生坯壳，二冷区接受喷水冷却坯壳稳定生长，液相穴末端凝固 结束。 影响铸坯传热的因素还有钢种、钢水温度、铸坯断面、拉速、结晶器冷却等。 连铸坯热量传递过程就是热历程，热历程与铸坯质量直接相关，在铸机设备和操作 工艺一定的情况下，起决定作用的因素是二次冷却。 1 4 i 铸坯凝固传热概述 铸坯的凝固过程实质上是一个传热过程，它的热传递通过传导、对流、辐射三 种方式嘲进行，钢水有液态转变为固态放出的热量q 分为以下三种： 过热：钢水由浇铸温度到液相线温度死的冷却过程所放出的热量g ( t c - 死) ； 潜热：钢水从液相线温度死冷却到固相线温度乃，即完成从液相到固相转变的 凝固过程中所放出的热量三只 显热：钢水从固相线温度殆冷却到环境温度而所放出的热量c s ( t s - t o ) 。 9 - 河北理工大学硕十学位论文 钢水在连铸机中的凝固过程中，坯壳边运行边放热边凝固，形成液相穴相当长 的铸坯。连铸机可分为三个传热冷却区例： 1 一次冷却区 结晶器是铸机的关键部位，它可以保证钢水在水冷结晶器中具有一定的形状和 形成均匀足够的坯壳厚度，以保证铸坯出结晶器不拉漏。钢水在结晶器内形成一个 半径很小的弯月面，并在弯月面形成初生坯壳，热量的导出使坯壳生长结晶器垂 直方向散热很小，仅占总数的3 6 ，若只考虑水平方向由冷却水带走的热量。 在结晶器当中，钢水的热量按以下方式传递： ( 1 ) 钢水与坯壳的对流传热； ( 2 ) 凝固壳的传导传热； ( 3 ) 凝固壳与结晶器的凝固传热； ( 4 ) 冷却水与结晶器的强制对流传热。 结晶器内的冷却水流被控制为紊流，以提高热交换。一般结晶器内控制在2 m s 的紊流状态。 2 二次冷却区 喷水以加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固。铸坯在二冷区约有2 1 0 - 2 9 4 k j k g 的热量被水带走，铸坯才能全部凝固根据热平衡估算，板坯在二冷区的 传热方式是圆： ( 1 ) 冷却水蒸发带走热量3 3 ； ( 2 ) 冷却水加热带走热量2 5 ； ( 3 ) 铸坯表面辐射热为2 5 ； ( 4 ) 铸坯与支承辊接触传导传热为1 7 。 对于方坯由支承辊带走的热量较板坯少。在设备和工艺条件己定时，铸坯辐射 传热和支承辊的传热基本上变化不大，而冷却水的传热是主要的。 3 三次冷却区 铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化。 影响铸坯传热的因素还有钢种、钢水温度、结晶器冷却、铸坯断面、拉速等。 这些因素决定了连铸坯热量传递过程，即热历程。热历程与铸坯质量直接相关，在 铸机设备和操作工艺一定的情况下，起决定作用的因素是二次冷却。因此，应从铸 机产量和铸坯质量这两方面综合考虑，以确定合理的二冷制度，这一直是广大冶金 1 0 l 文献综述 工作者的研究热点，为了确定连铸机的二冷制度，需要建立铸坯凝固传热数学模 型。 1 4 2 二冷区传热的影响因素 影响二冷区热量传递主要因素有以下几种： 1 表面温度 不同的铸坯表面温度对二次冷却水冷却( 传热) 效果的影响有显著差异，由于表面 温度的影响，铸坯在二冷区的传热可分以下三种情况： ( 1 ) t s 3 0 0 c ，流随砖的增加而增加，水滴润湿高温铸坯表面为对流传热，热 流密度最大； ( 2 ) 3 0 0 1 2 t s 8 0 0 ( 2 ，热流几乎与珏无关，甚至题增加热流有下降趋势。这是因为高 温铸坯表面形成稳定蒸气膜阻止水滴与铸坯表面的接触。 在二冷区铸坯表面的温度在1 0 0 0 c 1 2 0 0 c ，因此应改善喷雾水滴状况来提高 传热效率。 2 水流密度 水流密度增加传热系数增大。但是有实验发现当水流密度大于2 0 l m s 对热流 的影响不明显 3 水滴速度 水滴速度增加，穿透蒸气膜而达到铸坯表面的水滴数增加，提高了传热效率。 试验指出，水滴速度为6 m s 、8 m s 、1 0 m s 时，冷却效率分别为1 2 、1 7 、 2 3 p 6 j 7 1 。 4 水滴雾化程度 水滴尺寸越小，单位体积水滴个数越多，雾化就越好，有利于铸坯均匀冷却和 提高冷却效率。水滴越细传热系数越高。一般水滴的平均直径为：水喷嘴是2 0 0 1 1 m 6 0 0 i im ，气水喷嘴是2 0 i im 6 0 um 瞄捌。 5 铸坯表面状态 铸坯的表面氧化层影响传热系数，对碳素钢来说水与有氧化层的传热系数和与 无氧化层的传热系数相比下降1 3 1 2 9 l 。 6 喷嘴的条件及状况 河北理工大学硕十学位论文 喷嘴的类型、安装位置、使用次数及喷嘴是否堵塞等对二次冷却传热效率也有 重要影响。 1 5 研究内容及目的 1 5 1 研究内容 对典型钢种g c r l 5 在g l e e b e 3 5 0 0 机上进行热力学模拟试验，找出该钢种的脆 性温度区，零塑性温度以及零强度温度，依次确定该钢种铸坯表面目标温度，结合 连铸生产的工艺情况以及冶金准则，制订合理的连铸二次冷却制度。 建立“铸坯单元跟踪模型”，记录铸坯单元在二冷区不同位置的生成时间，引 入以铸坯单元的实时拉速和平均拉速为参数的虚拟拉速，并找出二冷各回路中虚拟 拉速、过热度与水量的关系，即q = a ，v 2 + e 矿+ c + d ( r o 一巧) 。将计算结果与实 际过程或收集的现场经验数据进行比较，最终确定配水参数。 采用微元分析法建立连铸坯凝固非稳态传热数学模型；用差分法推导得出凝固 传热数学模型的离散形式，实现数学模型的近似求解。采用目标表面温度控制，利 用计算机建立的数学模型反复模拟，借鉴现场经验数据，确定轴承钢在不同的生产 条件下的水量。 建立高碳钢方坯连铸中心缩孔数学模型，分析产生缩孔的原因及工艺参数对中 心缩孔的影响。设计强冷段及冷却强度。根据增加的强冷段，重新确定二冷配水方 案，防止铸坯产生其它缺陷。 以计算机为主要研究手段，应用v i s u a lb a s i c6 0 计算机高级语言编写程序，实 现离线仿真模拟，分析连铸工艺参数对铸坯生产过程的影响，为进一步确定合理的 二冷制度奠定基础。编写通信控制程序，建立二冷在线监测控制系统，对二冷实施 在线监测控制，解决二冷的在线控制问题。 1 5 2 研究目的 本文是以石钢轴承钢连铸二冷配水系统为研究对象，基于非稳态控制原理，建 立铸坯二冷区动态控制模型及控制系统。 由于现存连铸机的配水控制系统大都采用与拉速相关的水量控制，在二冷区，二 冷水量容易随拉速的变化而剧烈波动，导致二冷区内冷却不均匀，温度回升大。当施 加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临界应变时，尤其对于含碳量高，断 1 2 - l 文献综述 面小的铸坯，其表面和中心就会出现裂纹等缺陷。本研究基于的非稳态二冷水控制原 理，并在二冷末端加入强冷段，其目的在于通过优化二冷配水制度，达到提高“争坯质 量和产量的目的 1 配水曲线的确定。不再按照传统的以拉速为参数确定水量，利用建立的模 型，引进了虚拟拉速，并把过热度作为确定水量的参数之一； 2 通过模拟试验与数学模型计算机仿真相结合，确定最佳的工艺参数。离线仿 真主要针对连铸工艺稳定时各参数的模拟，解决的是工艺参数的设计问题；在7 监 测则针对工艺参数突然变化时相关参数的变化情况，解决工艺参数的控制问题： 3 在二冷末端加入强冷段。使用喷水冷却( t s r ) ，在铸坯液芯底部采用喷农强 冷，使铸坯整体产生体积收缩，减轻或去除铸坯中心缩孔；避免机械轻压下( m s r ) 只 能施加铸坯上下两面的局限性，节约设备投资； 4 控制软件与仿真软件配合使用，对于提高铸坯质量、铸机产量、开发瓤日种具 有较大的理论指导和实用性。 1 3 河北理工大学硕士学位论文 2 g c r l 5 高温力学性能的研究 利用g l e e b l e - 3 5 0 0 热模拟试验机，对g c r l 5 高温力学性能进行测试，同时还用 电镜分析了不同温度下试样的断口形貌。测定了该钢种的零塑性温度和零强度温 度，找出了良好塑性温度区间和脆性温度区间。 研究钢的高温力学性能，可以为连铸坯在二冷区各段的目标温度及矫直点温度 的确定提供指导，为设计合理的二冷制度提供理论依据。 2 1 高温力学性能试验方案 2 1 1 试样的选取、j j u - r 及取样要求 沿拉坯方向取3 0 0 r a m 长的钢镦，送往机床加工。取样位置要具有代表性如图2 所示： 二j7 暑4 8 己5 - 鲥 ：i 0 蛳 、 1厂、 、 + 鬲o 岁毡卜 兮 r 、 o o 1 0 - z s 1 时才出现。 由断面收缩率随温度的变化曲线可以看出，g c r l 5 的断面收缩率1 l a 在9 5 0 6 0 0 1 2 范围内出现一个低谷，当温度由9 5 0 降到9 0 0 1 2 时，试样的i l a 值迅速 下降，由6 8 9 4 降到2 9 1 4 ，随后r a 值又有所回升。以i l a 低于6 0 作为脆性 的判断依据，试验所用钢g c r l 5 的第1 脆性区为9 5 0 1 2 6 0 0 1 2 。在1 1 5 0 9 5 0 1 2 范围试样的r a 值都在6 0 以上，具有良好的塑性。达到1 2 5 0 1 2 以上，塑性又迅速 下降，至1 4 0 0 左右，i l a 几乎为零，因此g c r l 5 的零塑性温度( z d t ) 应为1 4 0 0 。本试验在8 = l x l 0 - 3 s 1 的情况下进行，因形变速率较低，没有出现第l l 脆性 区。 由极限强度曲线可以看出，随着温度的升高，在6 0 0 8 5 0 区间，g c r l 5 试 样的强度从3 9 1 0 5 m p a 迅速下降至6 6 0 9 m p a 。在8 5 0 1 3 0 0 之间，试样的强度 降低缓慢；随着温度的升高，抗拉强度不断降低，至z d t 温度仍具有一定的强度， 温度继续升高至1 4 5 0 ，抗拉强度降低为零，即零强度温度( z s t ) 。 1 8 2g c r l 5 高温力学性能的研究 2 3 铸坯断面形貌的分析 p 1 2 5 0 卜一1 1 5 0 c 一1 0 0 0 d 9 5 0 图7g c r l 5 在良好塑性区断口形虢 f i g 7f r a c t u r es u r f a c eo f g c r l 5a tw e l l - p l a s t i ct e m p e r a t u r em - c a g c r l 5 在1 2 5 0 9 5 0 之间具有良好的塑性，其断面收缩率均在6 0 以上 由图7 ( d ) 可以看出9 5 0 c 时，试样断裂部位存在着大小不同的孔洞，且边缘有很 大的塑性变形，此时试样为穿晶延性断裂。由图7 ( a ) 可以看出在1 2 5 0 c 时，晶粒 边界处由于过熔而导致的深沟，由于过熔使得断口部分区域失去了孔洞形貌特征 1 9 河北理工大学硕士学位论文 ab 鑫- 7 5 0 b 钡 图8g c r l 5 在脆性区断口形貌 f i g