（检测技术与自动化装置专业论文）方坯铸机二冷配水控制模型与优化研究及应用.pdf

方坯铸机二冷配水控制模型与优化研究及应用 摘要 冶金工业是国民经济的支柱产业之一，连铸是其生产流程的重要环节，其铸 坯质量一直是人们关注的重点。连铸二冷配水是影响连铸的内部质量主要因素之 一，因此建立可靠、实用、优化的二冷配水控制模型是提高连铸方坯内部质量的 关键。 高温方坯连铸凝固过程出现的合金相变、非线性、复杂的换热边界条件以及 优化求解的不可微特性，给该过程的建模、验证以及优化带来困难。本文针对这 些难点，在模型建立，模型可靠性研究，优化控制模型，应用研究这四个方面系 统地作了如下的研究工作： 一连铸方坯二冷区配水控制模型的建立 ( 1 ) 国内首次实现基于中间包过热度和拉速的二元配水 由于浇注过程中出现浇注温度不能保持恒定，而长期以来浇注温度连 续测量困难，只能引入浇注速度一元进行配水，引起冷却不均对铸坯内部 质量产生影响。本文在己开发的中间包连续测温技术及系统的基础上。将 中间包连续测量的温度信号引入到连铸二冷水量的控制模型中，实现基于 拉速和中间包温度的二元配水模式。 ( 2 ) 基于控制容积方法与源项法的二冷区方坯传热模型建立 首先对伴有合金相变的连铸过程进行分析简化，运用控制容积法对其 控制方程进行积分离散化求解，用源项法处理相变过程求解二冷凝固过程 温度场。 ( 3 ) 基于射钉硫印法坯壳测厚的模型验证 连铸过程模型的检验是一项难题。本研究运用射钉硫印法对 2 0 c r m n m o ，6 5 m n ，4 5 # 等钢种的试验结果进行检测，并对凝固模型的准 确性进行了验证。 二模型参数对模型可靠性影响分析 为确定参数的影响，基于数值凝固模型，作了如下的分析研究工作： ( 1 ) 对维数、网格，时间步长等模型主要计算参数进行分析； ( 2 ) 对导热、比热、密度等模型热物性参数进行分析； ( 3 ) 对换热系数参数主要包括拉速、冷却水的冲击速度，以及冷却水水质等的 影响进行分析； - 东北大学博士学位论文 摘要 ( 4 ) 基于粒子群算法的换热系数参数确定； 对现场换热系数经验公式，通过现场射钉硫印检测不同位置的坯壳厚 度，在此基础上采用粒子群智能优化方法进行换热系数参数的确定。 ( 5 ) 对钢种成分控制限内成分变化，浇注温度信号变化，拉速信号变化等对模 型的影响进行分析； 通过上述的参数分析确定主要参数的范围，确定模型的可靠性。 三方坯连铸二冷配水优化控制模型的研究 ( 1 ) 对裂纹缩孔等缺陷形成及影响因素进行分析研究，提出基于凝固前沿裂 纹诱发理论与冶金准则相结合的优化控制策略 首先，对钢的高温属性，连铸过程出现的裂纹和缩孑l 等内部质量原因， 以及拉速、水量等过程参数对缺陷的影响进行分析。 其次，对传统冶金准则不同钢种给定相同的温升温降控制限的弊端， 对不可微、非线性连铸过程，根据凝固前沿诱发裂纹位置理论，提出依据 凝固前沿凝固分率为0 8 至0 9 9 之间出现的初始裂纹诱发位置，确定不同 钢种冷却过程的回温和温降控制限，提出它与冶金准则相结合的中间包温 度、拉速和水量之间的优化控制策略。 最后，先优化拉速与水量的关系，该拉速对应的浇注温度为该拉速恒 定下中间包过热度变化域内的子域平衡点，然后在该子域内拉速保持不 变，进行水量随过热度变化的优化调节。 ( 2 ) 基于微分进化操作改进粒子群算法( d e - p s o ) ，提出基于d e p s o 的连铸 过程中间包温度、拉速和水量的优化方法 对粒子群( p s o ) 算法优化过程中出现的粒子早熟现象，在局部早熟过 程中引入微分进化操作，通过该操作的变异增加粒子的多样性，有效避免 粒子的早熟，通过算例分析证明该改进算法的有效性。并将其运用到伴有 相变、不可微，非线性的连铸过程中间包温度、拉速和水量的优化中来。 四应用研究 通过在a 电炉厂合金钢连铸机和b 钢铁公司转炉厂普碳钢连铸机上的运 用表明： ( 1 ) 2 0 0 2 年1 0 月9 日开始三个月内的抽样检验，4 5 # 钢缺陷率( 主要是裂纹和 缩孔) 较使用该系统之前减少了3 0 ，缩孔由原来的二级以上占3 1 4 降 为7 6 ，裂纹由原来的一级以上9 3 7 降到3 2 ；中心等轴晶区能够达 到所要求的2 类钢4 5 的要求。 ( 2 ) 2 0 0 4 年5 月运行一个月内的抽样检验，q 2 3 5 钢种裂纹和缩孔缺陷下降， 东北大学博士学位论文 摘要 裂纹控制在一级之内，缩孔控制在二级之内，铸坯的等轴晶率上升，晶区 直径由原来的2 8 m m 提高到4 0 m m 左右。 关键词：小方坯，连铸，二次冷却，数学模型，粒子群算法，优化策略，拉速， 中间包温度 s t u d ya n da p p l i c a t i o no fs p r a yc o o l i n g c o n t r o lm o d e la n d o p t i m i z a t i o ni nt h es e c o n d a r yc o o l i n g z o n ef o rab i l l e tc a s t e r a b s t r a c t m e t a l l u r g yi n d u s t r y i so n eo fk e yi n d u s t r i e si nt h en a t i o n a le c o n o m i c ，i nt h i s p r o c e s s ，c o n t i n u o u sc a s t i n ga r et h ei m p o r t a n tl i n k ，a n dt h ei m p r o v e m e n ti nt h eq u a l i t y o fb i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n ga b s o r b sm a n yp e o p l e i n n e rq u a l i t yp r o b l e m ss u c ha sc r a c k a n dp o r o s i t ya r em a i n l ya f f e c t e db ys e c o n d a r yc o o l i n gw a t e r s oi ti sk e yf o rc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s sh o w t od e v e l o ps t a b i l i t y , u t i l i t yi nf a c ta n do p t i m i z a t i o ni nt h es e c o n d a r y c o o l i n gc o n t r 0 1 i ti sh a r df o rd e v e l o p i n gt h em o d e l ，v e r i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nd u r i n gt h eb 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 sb e c a u s eo fi t sa l l o yp h a s ec h a n g e ，n o n l i n e a r , a c c o m p a n i e d w i t hh e a tt r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o na n dn o n d i f f e r e n t i a lo fo p t i m i z a t i o np r o c e s s t o t h e s ed i f f i c u l t i e s ，t h er e s e a r c hi n c l u d i n gd e v e l o p i n gm o d e l ，s t u d y i n go nr e l i a b i l i t yo f m o d e l ，o p t i m i z a f i o nc o n t r o lm o d e la n du t i l i t ys t u d ya n ds oo n t h e s ea r es h o w e da s ： 1 d e v e l o p i n gs e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o lm o d e lf o rb i l l e td u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s s ( 1 ) i nt h ed o m e s t i cb i n a r yw a t e ro p t i m i z a t i o ni sd o n eb a s e do nt u n d i s hs u p e r h e a t a n dv e l o c i t y d u r i n gt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s ，c a s t i n gt e m p e r a t u r ec o u l dn o tk e e p c o n s t a n ta n di ti sd i f f i c u l tf o rc o n t i n u o u sm e a s u r e m e n to ft u n d i s hc a s t i n g t e m p e r a t u r ei nal o n gt i m e s oo n l yc a s t i n gs p e e di so n ef a c t o r , w h i c hi s c o n s i d e r e di nt h es e c o n d a r yc o o l i n gp r o c e s s ，a n dt h en o n - u n i f o r mc o o l i n g a f f e c t sb i l l e tq u a l i t y i nt h ea r t i c l e ，t e m p e r a t u r es i g n a lo ft u n d i s ht e m p e r a t u r ei s p u ti n t os e c o n d a r yc o o l i n gw a t e rd y n a m i cc o n t r o lm o d e lf i r s t l y , b a s e do nt h e a m d i s hc o m i n u o u s t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n ds y s t e m ( 2 ) d e v e l o p i n gam o d e lb a s e do nc o n t r o lv o l u m em e t h o da n ds o u r c em e t h o d a tf i r s t , t h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sa c c o m p a n yw i t hm l o yp h a s ec h a n g e i sa n m y z e da n ds i m p l i f i e d a n dt h ec o n t r o lg e n e r ap r o g r a mi ss c a t t e r e d t h e s e c o n d a r yc o o l i n gs o l i d i f i c a t i o ne q u a t i o ni ss o l v e du s i n gs o u r c et e r mm e t h o dt o p h a s ev a r i a t i o np r o c e s s ( 3 ) m o d e lv e r t i f i c m i o nb a s e do ns h o o t i n gp r i n tf o rb i l l e tt h i c k n e s sm e a s u r e m e n t m o d e lv e r i f i c a t i o no fs t e e ls o l i d i f i c a t i o ni sad i f f i c u l tp r o b l e m s h o o t i n g n a i lm e t h o di su s e di n t h i ss t u d y , t ot h i sm e t h o d ，i tn s es u l f u rd i s t r i b u t i o n d i f f e r e n ti nt h ed i f f e r e n tm e t a lp h a s et od e f m et h ep h a s eb o u n da n da tt h es a m e t i m ei ti sc o n v e n i e n c et oo p e r a t i o na n dc o r r e c tt om e a s u r e t h i sm e t h o di su s e d t oc h e c kt h em o d e li nt h es p o tb yt h eg r a d e2 0 c r m n m o ，6 5 m na n d4 5 # ，a n d c a l c u l a t er e s u l ta n dt r a l i sa r eg o o da g r e e dw i t he a c ho t h e r - v 一 2 a n a l y s i so f m o d e lp a r a m e t e r st ot h em o d e ir e l i a b i l i t y t ot h em o d e lp a r a m e t e r s ，b a s e do nt h en u m e r i c a ls o l i d i f i c a t i o n ，t h o s ea n a l y s e s f o l l o w e da s ： ( 1 ) a n a l y s i so f c a l c u l a t ep a r a m e t e r si n c l u d i n gd i m e n s i o n s ，鲥d ，t i m es t e p se t c ； ( 2 ) a n a l y s i so f m o d e lh e a tp r o p e r t yp a r a m e t e r si n c l u d i n gc o n d u c t ，s p e c i f i c a t i o na n d d e n s i t ye t c ； ( 3 ) a n a l y s i so fc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c l u d i n gv e l o c i t y , c o o l i n gw a t e r i m p u l s ev e l o c i t ya n dc o o l i n g w a t e rq u a l i t ye t c ； ( 4 ) c o n f i r m a t i o nc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tp a r a m e t e r sb a s e do np a r t i c l e s w r l l nm e t h o d ； e m p i r i c a lf o r m u l a so f h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta r en o tf i tf o rt h es p o t ，a n d s h o o t i n gp r i n tm e t h o di s u s e dt od e t e c t i o nt h eb i l l e tt h i c k n e s si nt h ed i f f e r e n t p o s i t i o n s ，t h e nt h ep a r t i c l es w r r n lm e t h o di su s e dt oo p t i m i z et h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tp a r a m e t e r s ( 5 ) a n a l y s i se f f e c to fg r a d ec o m p o n e n t , c a s t i n gt e m p e r a t u r es i g n a la n dv e l o c i t y s i g n a la n ds oo n t h e n ，m a i n l yp a r a m e t e r sr a n g ea n dr e l i a b i l i t ya r ec o n f i r m e d 3 s t u d yo fs e c o n d a r yc o o l i n go p t i m i z a t i o nc o n t r o lm o d e l ( 1 ) t h ea n a l y s i sa n ds t u d yo fc r a c ka n dp o r o s i t y , o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi s p r o p o s e db a s e do ns o l i d i f i c a t i o nf r o n tc r a c kt h e o r ya n dm e t a l l u r g yr u l e s ； a tf w s t ，t h es t e e lh i 曲t e m p e r a t u r ep r o p e r t y , i n n e rq u a l i t yr e a s o no f c r a c ka n d p o r o s i t y , v e l o c i t y , c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n d s oo na r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t ot h es h o r t c o m i n go f t h ed i f f e r e n tg r a d e u s i n gt h es a n l er e h e a ta n d t e m p e r a t u r ed r o pl i m i t , r e h e a ta n dt e m p e r a t u r ed r o pc o n t r o ll i m i ti sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ei n d u c t i o nc r a c kp o s i t i o nt h e o r yw h i c hm e a n st h ec r a c k so f t e n a p p e a ri nt h es o l i d i f i c a t i o nf r o n tw h e r es o l i d i f i c a t i o nr a t i oi sb e t w e e n0 8a n d o 9 9 ，w h e nc o o l i n gw a t e ri sn o tf i t t h e no p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c h b a s e do nt h es o l i d i f i c a t i o nf r o n tc r a c kt h e o r ya n dm e t a l l u r g yr u l e s ，i sp r o p o s e d t ot h en o n - d i f f e r e n t i a l ，n o n - l i n e a rc o n t i n u o u se a s t i n gp r o c e s s a tl a s t ，i nt h i sp r o c e s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev e l o c i t ya n dw a t e rr a t ei s o p t i m i z e d ，a n dt h ec a s t i n gt e m p e r a t u r em e a n st h es u b f i e l db a l a n c ep o i n tw h e n t h ev e l o c i t yk e e pa sac o n s t a n t ，i nt h i ss u b f i e l d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e r r a t ea n ds u p e r h e a ti so p t i m i z a t i o nu n d e rt h ec o n s t a n tv e l o c i t y ( 2 ) am o d i f i e dp s o m e t h o di sp r o p o s e db a s e do nd i f f e r e n t i a le v o l u t i o no p e r a t i o n ， a n dt h e ni ti su s e dt ot h eo p t i m i z a t i o no fc a s t i n gt e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n dw a t e r r a t e t ot h ep r e - m a t u r i t yo fp s om e t h o d ，d i f f e r e n t i a le v o l u t i o no p e r a t i o ni su s e d v i p h 。d d i s s c r t a t i o no fn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t ya b s t r a c t w h e r et h es e a r c hs t o pi nl o n gt i m ea n ds t e p s ，t h ed i v e r s i t yo f p a r t i c l ei si n c r e a s e d a n dp r e m a t u r i t yi sa v o i d e db yt h i so p e r a t i o n i th a sag o o de f f e c t i v eb yt h et r a i l c a s e s ，a n dt h e ni ti su s e dt oo p t i m i z a t i o no ft u n d i s ht e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n d w a t e rr a t e 4 a p p l i c a t i o ns t u d y i ti sm a i n l yu s e do i lt h ea l l o ys t e e l s t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo fa r c f u l t l a c ep l a n taa n dp l a i n tc a r b o ns t e e lc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo fc o n v e r t o r p l a n tb ；t h er e s u l ts h o w sa s ： ( 1 ) i nt h et h r e em o u t h sf r o mo c t 9 。2 0 0 2 ，r a n d o ms a m p l i n gc h e c ks h o w st h a tt h e d e f e c tt a t i o ( m a i n l yc r a c ka n ds h r i n k a g ep o r o s i t y ) f o rg r a d e4 5 # i sr e d u c e d 3 0 ，a n ds h r i n k a g ep o r o s i t ya b o v el e v e l2h a sd r o p p e df r o m31 4 t o7 6 a n dc r a c ka b o v el e v e l1h a sd r o p p e df x o m9 3 7 t 03 _ 2 a n di n n e re q u a l c r y s u dz o n eh a so b t a i n e d4 5 w h i c hi st l es t a n d a r df o rg r o u pt w o ； ( 2 ) i nm a y2 0 0 4 ，r a n d o ms a m p l i n gc h e c ks h o w st h a tf o rg r a d eq 2 3 5 ，c r a c ka n d s h r i n k a g ep o r o s i t yh a v ed r o p p e d c r a c ki sc o n t r o lu n d e rt h el e v e lo n e ，a n d s h r i n k a g ep o r o s i t yi su n d e rl e v e lt w o n ee q u i a xc r y a t a lz o n er a t i oi su p a n d t i l ec r y s t a lz o n ed i a m e t e rh a sr i s e nu p 舶m2 8 m mt oa b o u t4 0 r a m k e yw o r d s ：b i l l e t ，c 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 ，m a t h e m a t i cm o d e l ，p a r t i c l e s w a m i a r i t h m e t i c ，o p t i m i z a t i o ns l r a t e g y , c a s t i n gv e l o c i t y , t u n d i s h t e m p e r a t u r e 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意。 学位论文作者签名：狐季1 恰 日期： 2 6 、1 1 9 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。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。1 学位论文作者签名： 签字日期： 才上阂3 、诺。 导师签名： 签字日期 东北大学博士论文第1 章绪论 第1 章绪论 冶金工业是国民经济的支柱产业，钢铁生产是其重要的组成部分，钢铁生产 流程工艺包括长流程的采矿、选矿、高炉生铁冶炼、转炉炼钢、连铸、连轧和短 工艺流程的废钢、电弧炉、连铸和连轧。连铸是该生产流程中的关键环节之一。 对于连铸过程来讲，其凝固成型主要包括结晶器冷却形成初生坯壳、二次冷 却区直接喷水冷却坯壳厚度进一步增加和空冷区冷却完全凝固过程。随着结晶器 技术发展的日臻完善，铸坯的表面质量问题得到了较好的保证，与二次冷却息息 相关的内部质量问题开始突现出来。 随着市场需求的扩大和质量要求的不断提高、钢厂对铸坯的浇注速度和质量 提出了新的目标即高效连铸生产，由此引发的内部质量问题严重困扰着钢铁企业， 而铸坯的内部成型主要受二次冷却区冷却的影响，因此如何实现高效连铸下的合 理二次冷却，不断满足用户对铸坯质量日益提高的要求成为目前连铸研究的重点。 连铸的二次冷却是一个与浇注钢种、浇注速度、喷淋状况等因素直接相关的 多变量、非线性系统。为解决连铸过程中二冷配水产生的质量问题，本文从铸坯 凝固过程模型、凝固过程参数优化、系统仿真研究及现场实际应用等方面进行研 究分析，通过合理的优化确定工业现场实用的水量优化控制方式及参数，控制进 一步降低铸坯内部缺陷和提高铸坯质量。 1 。1 连铸技术发展 1 1 1 连铸的发展 连续铸钢技术的发展大致可分为三个阶段。 第一阶段( 1 8 4 0 年1 9 4 9 年) ，钢液连铸思想萌发及连铸关键设备试验研究阶 段。 早期的冶金生产一般是先将钢水浇注到钢锭模内缓慢冷却形成钢锭，然后再将 其加工成要求的钢坯尺寸。该过程中，钢坯需要经过几次加热加工，而且每次加 工都要损失一定重量的金属，同时受其工艺间歇生产多次开浇和耐材保温的影响， 生产率也比较低a 于是，能否将钢水直接铸成接近最终产品的钢坯，一直是人们 长期探索追求的方向。 最早提出并实施金属连铸的是美国人s e l l e r s 和德国人b e s s e m e r 。1 8 4 0 年 s e l l e r s 获得了连续铸铅的专利。1 8 5 6 年b e s s e m e r 采用水冷旋转双辊连铸机浇铸 出了金属锡箔、铅板和玻璃板，最终获得该项目专利“2 一】。 在高温钢液的凝固过程中形成初生凝固坯壳的结晶器的研究至关重要，因此 也更多的受到人们的关注。按结晶器类型分，可分为固定式连铸和随动式连铸两 1 东北大学博士论文第1 章绪论 种。前者为现在生产上常用的以水冷的底部敞口的铜质结晶器，常用在方坯、板 坯等生产，后者是轮式、轮带式、履带式等结晶器随铸坯一起运动的薄板坯连铸 方式。 对于固定结晶器，以水冷、底部敞口为特征的结晶器连铸概念的最早提出者 当追溯到美国炼钢工作者b a t h a ( 1 8 8 6 年) 和德国土木工程师r m d a e l e n ( 1 8 8 7 年) 【4 】。前者采用一个底部敞口、垂直固定的厚壁铁结晶器并与中间包相连，实行间歇 式拉坯：后者采用固定式水冷薄壁铜结晶器，实行连续拉坯、二次冷却，并带飞 剪切割、引锭杆垂直储放装置。 固定不动的结晶器的浇注速度只限制在0 6 m m i n 左右，连铸高效率的优势未 能发挥出来，为此1 9 1 3 年瑞典人a h p e h r s o n 提出结晶器以可变的频率和振幅做 往复振动的想法，但真正实施的是德国人s j t m g h a n s 1 9 3 3 年他就建了第一台1 7 0 0 吨月振动结晶器的立式连铸机，浇铸铜铝合金获得成功。该铸机的特点是结晶器 以与铸坯同样的速度下行一段距离，然后以较快的速度返回到原来的位置，而且 速度也不再受类似固定结晶器的限制【5 刊。 1 9 2 0 1 9 3 5 年间，连铸过程主要用于有色金属，尤其是铜铝生产领域。由于 液芯长度很少有超过结晶器长度的，这类铸机总的高度比较低，基本满足当时有 色金属小炉容冶炼浇注的要求，而对于炼钢生产大冶炼炉容量、高浇注温度、 钢导热性比较低等有色金属中不曾遇到的困难，人们一直在进行长期不懈的研究 和尝试。1 9 4 3 年，j u n g h a n 在德国建成了第一台浇铸钢水的试验性连铸机，当时 就提出了振动的水冷结晶器、浸入式水口、结晶器上部加保护渣等技术，美国钢 铁公司e r w i l l i a m s 开始了连续铸钢的实验研究它与巴布考克韦尔考克斯公司一 起于1 9 4 6 年在b e a v e rf a l l s 建立了一台试验装置，采用间隙拉坯的方式。结晶器 长度为7 5 0 m m ，浇注直径为1 5 0 m m 的园坯。1 9 4 6 年英国l o w m a o r 厂建了一台立 式铸机，采用的也是固定式结晶器，间隙拉坯方式。1 9 4 8 年英国钢铁研究学会 ( b i s r a ) 采用弹簧吊挂式结晶器进行浇注【玉”。 振动式结晶器取代固定不动的结晶器以及弹簧吊挂式的结晶器一直沿用至 今，但真正有效防止坯壳与结晶器相粘连的突破性技术应当归功于英国人h a l l i d a y 提出的“负滑脱”概念：结晶器与铸坯在下降过程中有相对运动，具有改善润滑、 减轻粘结的优点，便于实现高速浇注。该技术的发展为现代连铸技术奠定了坚实 的基础。 第二阶段( 1 9 5 0 1 9 7 6 年) ，钢水连铸技术发展成熟阶段。 5 0 年代，连铸技术进入工业性试验阶段。1 9 5 0 年，h u c k i n g e n 在德国杜伊斯 堡的曼内斯曼公司按照s j u n g h a n s 振动结晶器的方式投产了一台工业试验性立 式铸机，浇注断面为1 4 0 m m x1 8 0 r m 【g 】。世界上第一台工业生产性连铸机是1 9 5 1 年 2 东北大学博士论文 笫1 章绪论 在原苏联红十月钢厂投产的立式半连续式装置f l 】。该机为双机双流，断面尺寸为 1 8 0 r a m 6 0 0 m m 。但作为连续式浇注的铸机是1 9 5 2 年建在英国巴鲁钢厂的双流立 弯式铸机，其生产断面尺寸为5 0 m i n x5 0 m m 和9 0 r a m x 9 0 m m 的小方坯。同年奥 地利卡芬堡钢厂也建成一台双流连铸机，它是多钢种、多断面、特殊钢连铸机的 典型代表。五十年代末年s j u n g h a n s 在德国，而a l l e g h e r gl u d l u m 在美国 w a t e r v l i e t 都采用s j u n g h a n s 振动结晶器系统分别在两台立式铸机上进行试验。 宽板坯连铸机最早于1 9 5 9 年建于原苏联的新列别茨克厂。日本住友金属公司和罗 西为新日铁钢厂提供的宽板坯连铸机在1 9 6 0 年1 2 月1 0 日投产，该铸机为世界上 第一台不锈钢宽板坯连铸机【9 】，宽度为1 0 5 0 m m 。立式连铸存在厂房高，投资多， 当时还无法实现连炉浇注，浇注速度难于提高，铸机的作业率仅为单炉浇注的 4 0 ，而且铸坯产品质量低满足不了比较贵重产品的要求。采用了弧形连铸机后， 连铸技术的应用才实现了一次真正的突破，其特点在于t 厂房等设备高度降低， 辅助设备减少，设备投资低，利于在旧厂内安装改造，生产率大大提高。 弧形连铸机的出现使连铸技术在世界范围内得到推广。弧形连铸机早在1 9 5 2 年由德国人0 s c h a b e r 提出来，该专利申请并未公布因此很长时间不为人知晓， 1 9 5 6 年瑞士v o nm o o s 钢厂的s c h n e c k e n b u r g e r 等人也申请了同一思路的弧形连铸 机专幂, j t g l 。最先把弧形结晶器连铸机的设想付诸工业性试验的是德国曼内斯曼公 司，他们在g r i l l of u n k e 厂的四流连铸机上，将其中一流按s e h n e e k e n b u r g e r 的方 案改造获得成功1 。1 9 6 0 年中国的徐宝升在北京钢铁学院也设计了一台浇2 0 0 m m 2 0 0 m m 的方坯弧形连铸机。并建成一台简单的实验装置1 6 】。 本世纪7 0 年代以后，连续铸钢技术开始大规模运用于生产实际，随着新材料 和控制技术的日益发展革新，逐步形成目前日臻完善的现代连续铸钢技术。同时 也大大提高了生产率。在产品质量进步方面，除了浸入式水口、保护渣浇铸、代 替沸腾钢种等技术的开发以外，还进行了钢包一中间包一结晶器间钢流的全保护 等许多先进技术在二战后的英国、日本等国家开始应用。在提高生产率方面，出 现了快速更换中间包、钢包车和回转台以及中间包加热等实现多炉连浇的技术和 装备。尤其是英国s h e l t o n 厂1 9 6 4 年率先在世界上实现了全连铸，使钢的冶炼生 产在技术装备和自动化等方面达到空前水平。 第三阶段( 1 9 7 7 年至今) ，现代高效连铸技术发展阶段。 随着连铸技术的普及，微机等相关研究设备的发展，大大促进了冶金连铸技术 的进步。通过对凝固的系统研究，钢的凝固学原理及控制技术得到了发展。同时， 不断发展的凝固理论又促进了连铸冶金技术的发展。高效连铸结晶器、动态轻压 下、铸坯质量判定等系统的研究开发应用，工艺操作的自动化程度、生产稳定性、 耐火材料的长寿化、连铸设各的改进、铸坯质量的控制等改进不断推动连铸技术 3 东北大学博士论文第1 章绪论 向更高的方向发展，而且许多新型连铸技术如近终形连铸( 尤其是薄板坯、薄带连 铸) 和电磁连铸技术以及高速浇铸、高清洁性产品连铸、低过热度浇铸、半凝固加 工技术和过程与质量系统控制等不断涌现。随着连铸技术系统优化的进行，世界 范围内的连铸比不断上升，连铸生产率、铸机作业率、铸坯质量、拉坯速度、连 浇炉数都得到相应提高，浇铸钢种断面尺寸规格发生了深刻的变化，浇注的断面 厚度从0 5 m m 到8 0 0 r r 皿不等，品种扩大，生产成本不断降低，铸坯质量得到空前 的提高。 1 9 6 4 年，全世界仅有8 0 多台连铸机，总生产率为7 0 0 万吨年，连铸比仅为 5 6 ，而到1 9 9 6 年全世界生产的连铸坯达到5 7 6 8 9 万吨侔，连铸比已达到7 7 6 。 目前，中国已有一百二十五家炼钢厂实现了全连铸，连续铸钢技术的突破，已为 中国钢铁工业带来了近百亿元的经济效益。根据世界钢铁协会的统计我国的连铸 钢产量已经由2 0 0 2 年的1 6 6 1 亿吨上升到2 0 0 4 年的2 6 1 亿吨，连铸比也相应由 9 1 2 提高到9 5 8 p 1 目前连铸技术日新月异，检测和控制手段不断完善，为连铸技术的发展提供 了广阔的空间，产量和质量稳步提高，但高效连铸的发展和市场需求的提高也遇 到了许多新问题，如高效连铸下的内部质量问题，以及与此相关的动态二冷控制 问题等急待解决。 1 1 2 连铸自动化的发展 连铸的发展随科技进步及制造装备技术的发展，经历了由手动控制，到单体 设备自动化再到整个工场自动化的发展过程。二十世纪五十年代连铸设备问世之 初，连铸振动、冷却等采用手工作坊式的操作。从二十世纪七十年代，自动化技 术首先被运用到连铸机、高炉等单体设备和制造单元，随着可编程技术和集散控 制技术的发展，八十年代开始运用到炼钢厂和轧钢厂等生产过程，在九十年代生 产制造执行系统被迅速的运用到整个工厂的生产线。从2 0 0 0 年开始，国内冶金企 业出现更多的技术改造，连铸系统又增加了各个功能相对完备的过程控制以及整 个流程整体监控和优化控制。 随着科技的进步、新材料和电子设备的性能日益改进，冶金工业的连铸生产 的自动化水平也经历了从无到有从弱到强的发展历程，其功能也日益完善。进入 2 0 世纪9 0 年代，在信息技术和控制技术的迅猛发展和广泛应用的推动下，钢铁工 业向高精度、连续化、自动化、高效化方向快速发展，使钢铁生产工艺、产品和 技术装备呈现出如下特点 1 0 ，1 1 】：1 流程短、投资少、能耗低、效益高、适应性强 和环境污染少的新技术、新工艺被不断应用；2 提高产品的外形尺寸精度、改进表 面形貌和改善内部质量的技术受到重视；3 生产技术装备向大型化、现代化、连续 4 。 东北大学博士论文第1 章绪论 化迈进。信息技术、控制技术使检测和执行设备取代了传统的人工操作，工艺参 数的检测方法和检测仪表得到了高速发展；在现代钢铁生产过程控制中，计算机 技术的应用已深入各个领域，传统的计电仪功能划分不再明显；仿真技术在钢铁 工业中日益广泛应用，不仅用于控制系统的培训和新工艺、新控制方法的研究， 而且易于模拟生产设备调试，指导生产和参与生产；人工智能技术已经广泛应用， 包括模糊控制、专家系统和神经元网络在各个工序的应用己取得可喜成果和经济 效益；可视化技术和监控系统为无人化工厂提供了条件：从现场总线到车间网、 工厂网、企业网的综合网络系统构成了企业的信息高速公路。 流程工业自动化浪潮的发展，促使传统的连铸工业也紧追直上。连铸过程流 程工业综合自动化主要有三部分组成口2 】：过程控制系统，生产管理控制系统和企 业信息系统。具体功能和内容如下： ( 1 ) 过程控制系统 连铸过程控制系统主要体现两大特点： 制技术，随着高性能计算机及技术的发展， 到应用。 计算机控制取代了常规模拟控制 计算机控制技术取代了常规的模拟控 连铸过程建模与优化开始在连铸上得 连铸生产计算机控制的采用率已经达到9 9 4 2 。在检测方面，与回路控制、 安