（钢铁冶金专业论文）360mm×450mm大方坯连铸在线凝固传热模型的研究与应用.pdf

0i 上o i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ - _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - r j， ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y s t u d y a n d a p p l i c a t i o no f o n - - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a t t r a n s f e rm o d e lf o r3 6 0 m mx 4 5 0 m mb l o o mc o n t i n u o u s c a s t i n g b yl u os e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 2 、 1 ； 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 = 簖 恩。 学位论文作者签名：罗森 日期：如裼。7 午 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： 、 东北大学硕士学位论文摘要 3 6 0 m m x 4 5 0 m m 大方坯连铸在线凝固传热模型 的研究与应用 摘要 大方坯在线凝固传热模型作为大方坯动态轻压下控制系统的核心模型之一，在线凝 固传热模型计算的准确性直接影响动态轻压下压下位置的合理性和动态实施效果。本文 以国内某钢厂的3 6 0 m m x 4 5 0 m m 大方坯的连铸机为研究对象，建立了连铸在线凝固传 热模型，并为大方坯连铸机动态轻压下工艺控制系统的动态二冷控制模块和动态轻压下 模块提供了凝固过程参数。本文主要研究内容和获得主要结论如下： ( 1 ) 大方坯在线凝固传热模型的建立。采用动态跟踪单元的思想，动态跟踪单元在 结晶器弯月面处产生，在最后一个拉矫机位置处消失，整个铸流为若干跟踪单元首尾相 连而成，并将浇铸工艺作为跟踪单元的属性实时相关联，从而实现了凝固传热的在线计 算。 ( 2 ) 大方坯在线凝固传热模型的开发。大方坯在线凝固传热模型采用在v c + + 6 0 的环境下基于m f c 的动态链接库开发，实现了仿真系统与在线系统的程序直接移植， 实现了多流同时在线计算。 ( 3 ) 大方坯连铸在线凝固传热仿真系统的开发。基于v c 抖6 0 的环境开发了 3 6 0 m m x 4 5 0 m m 大方坯凝固传热仿真系统，为在线大方坯凝固传热模型的调试和关键参 数的优化提供了方便，缩短了模型的开发时间。 ( 4 ) 大方坯在线凝固传热模型的验证与工业化应用。将优化后的大方坯在线凝固传 热模型模块集成于动态轻压下控制系统并成功投入现场工业生产，通过采用红外测温仪 对现场测温表明测温数据与在线凝固传热模型计算温度的最大温差为9 ，偏差小于 1 ，和现场投运轻压下效果表明大方坯在线热模拟模型真实可靠，满足在线计算要求。 ( 5 ) 连铸工艺参数对钢厂典型生产钢种凝固过程影响的分析。本文对y q 4 5 0 n q r l 、 3 7 m n 2 、4 2 c r m o 三个钢种的计算表明拉速对铸坯凝固过程影响明显，且碳含量越高， 拉速对凝固终点的影响越严重，拉速每升高0 1 m m i n ，y q 4 5 0 n q r l 凝固终点后移4 7 m ， 两相区增长2 4 m ；3 7 m n 2 凝固终点后移5 2 1 1 1 ，两相区增长2 7 5 m ；4 2 c r m o 凝固终点后 移4 9 6 m ，两相区增长2 5 5 m ；虽然过热度对凝固过程的影响不大，过热度每升高1 0 t t _ ，l， 出结晶器的凝固坯壳厚 在线模拟，仿真系统， i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o fo n - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a t t r a n s f e rm o d e lf o r3 6 0 m mx 4 5 0 m mb l o o mc o n t i n u o u s c a s t i n g a b s t r a c t a so n eo ft h ec o r em o d e l so fd y n a m i cs o f tr e d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rb l o o m c o n t i n u o u s c a s t i n g ，t h eo n - l i n e s o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e l p r o v i d e st h e s o l i d i f i c a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h eo t h e rt w oc o r em o d e l s ，s u c ha ss e c o n d a r yc o o l i n g d y n a m i cc o n t r o lm o d e la n dd y n a m i cs o f tr e d u c t i o nm o d e l t h ec o m p u t a t i o np r e c i s eo ft h e o n - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e li sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h er a t i o n a l i t yo fr e d u c t i o n p o s i t i o na n dt h ee f f e c t i v e n e s so fd y n a m i cs o f tr e d u c t i o n o nt h eb a s i so f t h ea c t u a lc o n d i t i o n s o f3 6 0 m m x 4 5 0 mb 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 e o n es t e e l w o r k s ，ao l l l i n e s o d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，t h a tp r o v i d e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o r t h e d y n a m i cs o f tr e d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m t h em a i nr e s e a r c hp e r f o r m e da n dt h e c o r r e s p o n d e n tr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) me s t a b l i s h m e n to fo n l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lf o rb l o o m c o n t i n u o u sc a s t i n g t h eo n - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lw a se s t a b l i s h e db yi d e a o ft r a c i n ge l e m e n t ，w h i c ha s s u m e dt h a tt h et r a c i n ge l e m e n tw a sb o r na tm e n i s c u si nm o u l d a n dd i e do u ta tt h ef i n a lw i t h d r a w a la n ds t r e n g t h e n i n gm a c h i n e t h ew h o l es t r a n dc o n s i s t e d o fm a n yt r a c i n ge l e m e n t sh a n db yh a n da n dt h ea t t r i b u t i o no fe a c ht r a c i n ge l e m e n tw a s r e l a t e dt op r a c t i c e ( 2 ) t h ed e v e l o p m e n to fo n - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lf o rb l o o m c o n t i n u o u sc a s t i n g t h eo n l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lw a sp r o g r a m m e da n d c r e a t e dd y n a m i cl i n kl i b r a r y , u s i n gt h em f ca p p w i z a r d ( d 1 1 ) i nv c + + 6 0d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t n l ed y n a m i cl i n kl i b r a r yo fo n - l i n es o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e lw a s t r a n s p l a n t a b l e a n da c c e s s e ds i m u l t a n e o u s l yb y m u l t i p l ea p p l i c a t i o n , s o t h a t r e p e a t i n g m e a n i n g l e s sd e v e l o p m e n tw o r kw a sa v o i d e da n dm u l t i p l es t r a n do n - l i n ec o m p u t a t i o ni s i v l e n g t ho fm u s h z o n ea r e2 4 m ，2 7 5 ma n d2 5 5 mr e s p e c t i v e l y a l t h o u g ht h es o l i d i f i c a t i o n p r o c e s sw a si m p a c t e db ys u p e rh e a tg e n t l y , i th a sag r e a te f f e c to ns h e l lt h i c k n e s sa tt h ee x i t o fm o u l d w h e n s u p e rh e a ti n c r e a s e dio * c ，t h es u r f a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d5 ca r o u n d ，b u t t h es h e ut h i c k n e s sa te x i to f m o u l dr e d u c e d2 7 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 ，s o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e r , o n - l i n es i m u l a t i o n , s i m u l a t i o ns y s t e m ，s o f tr e d u c t i o n , i n f r a r e dt h e r m o m e t r i c v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 国内外连铸技术的发展概况1 1 1 1 国外连铸技术的发展概况1 1 1 2 国内连铸技术的发展概况3 1 2 国内外大方坯连铸的现状。4 1 2 1 国外大方坯连铸概况4 1 2 2 国内大方坯连铸概况7 1 3 铸坯凝固传热模型的发展概况。9 1 4 本文的研究工程背景、内容及意义1 1 1 4 1 工程背景一1 1 1 4 2 研究内容12 1 4 3 研究意义1 3 第二章大方坯在线凝固传热模型的理论基础1 4 2 1 引言1 4 2 2 大方坯连铸凝固传热数学模型的建立1 4 2 3 微分方程的离散与求解1 7 2 3 1 差分网格的选取。1 7 2 3 2 微分方程的离散18 2 3 3 离散方程的定解条件2 0 2 4 物性参数的选择与处理2 5 2 4 1 二冷区综合传热系数2 5 2 4 2 液固相线温度2 7 2 4 3 铸坯导热系数2 8 2 4 4 比热和凝固潜热2 9 v i 东北大学硕士学位论文 目 录 2 4 5 铸坯密度3 0 2 4 6 其它参数的选择3 1 第三章大方坯连铸在线凝固传热仿真系统3 2 3 1 大方坯在线凝固传热模型开发3 2 3 1 1 动态跟踪单元的产生3 3 3 1 2 在线凝固传热模型的计算流程。3 4 3 2 大方坯在线凝固传热仿真系统开发3 6 3 2 1 模拟器模块。3 8 3 2 2 工艺模型参数设定模块。4 2 3 2 3 仿真计算模块4 4 3 2 4 监控显示及数据保存模块4 5 第四章模型验证及工业化应用4 7 4 1 模型验证4 7 4 1 1 模型验证方法的选择4 7 4 1 2 测温设备4 7 4 1 3 测温方法。4 8 4 1 4 测温结果分析4 8 4 2 模型工业化应用4 9 4 3 典型钢种的计算分析5 2 4 3 1y q 4 5 0 n q r l 钢种计算分析5 2 4 3 23 7 m n 2 钢种计算分析5 5 4 3 34 2 c r m o 钢种计算分析。5 7 第五章结论6 1 参考文献6 2 致谢6 6 攻读学位期间获得成果6 7 论文包含图、表、公式及文献。6 8 ( 无锭模) 浇注 论文中提出了连铸的设想，成为提出连铸思想的第一人。而最早( 1 8 8 7 ) 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、引锭杆和铸坯切割装置等。 2 0 世纪4 0 年代：现代连铸之父德国人s j u n g h a n s 提出的振动水冷结晶器、浸入式 水口、结晶器上部加保护渣等技术原理奠定了现代连铸机结构的基础。并于1 9 4 3 在德 国建成了第一台试验连铸机，连续铸钢实验装置开发成功，使得在钢铁工业生产中采用 连铸技术成为可能，连铸开始用于钢铁工业生产。 2 0 世纪5 0 年代：在此期间连铸装备水平低，发展速度慢。铸机多为立式单流，铸 坯断面小而且主要为方坯，生产规模也较小，钢包容量多为1 0 2 0 t 。到5 0 年代末，世 界各地建成的连铸机不到3 0 台。连铸坯产量仅有1 1 0 万t 左右，连铸比约为0 3 4 。 2 0 世纪6 0 年代：连铸进入稳定发展时期，连铸技术以惊人的速度发展壮大，出现 了5 0 0 0 多个有关连铸技术的专利。在机型方面，6 0 年代初出现了立弯连铸机。而弧形 连铸机的问世，使连铸技术出现了一次飞跃。特别是1 9 6 3 1 9 6 4 年间，曼内斯曼公司相 继建成了方坯和板坯弧形连铸机，并很快就成为发展连铸的主要机型，对连铸的推广应 用起到了很大的作用。在改善铸坯质量方面，这个时期已研制成功了保护渣浇注，浸入 东北大学硕士学位论文第一章绪论 式水口和注流保护等新技术，这为连铸的发展创造了条件。此外，这时氧气转炉己用于 钢铁生产，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 艺日益完善，原有的模铸工艺已不能满足炼钢需要的客观情况，也正好促进了连铸的发 展。1 9 6 5 年以后，连铸发展速度显著增快。至2 0 世纪6 0 年代末，全世界连铸机已达 到2 0 0 余台，年生产铸坯的能力达4 0 0 0 万吨以上，连铸比达5 6 。 2 0 世纪7 0 年代：世界范围内的两次能源危机促进了连铸技术的发展，连铸进入了 迅猛发展时期。到1 9 8 0 年连铸坯产量已逾2 亿吨。相当于1 9 7 0 年的8 倍，连铸比上升 为2 5 8 。连铸生产技术围绕提高连铸生产率、改善铸坯质量、降低连铸能耗这几个中 心课题，已有长足的进展。先后出现了结晶器在线调宽、带升降装置的钢包回转台、多 点矫直、压缩浇注、气水冷却、电磁搅拌、无氧化浇铸、中间包冶金、上装引锭等新技 术、新设备。与此同时，增大连铸坯断面、提高拉速、增加流数等技术有了很大发展， 涌现出2 5 万吨以上的大型板坯连铸机和一大批连铸车间。 2 0 世纪8 0 年代，连铸进入完全成熟的全盛时期。世界连铸比由1 9 8 1 年的3 3 8 上升到1 9 9 0 年的6 4 1 。连铸技术的进步主要表现在对铸坯设计和铸坯质量控制方面 达到了一个新水平。从一系列冶金现象( 如钢水的纯净化、温度控制、无氧化浇铸、初 期凝固现象对表面质量的影响、保护渣在高拉速下的行为和作用、结晶器的综合诊断技 术、冷却制度的最优化、铸坯在凝固过程的高温力学行为；消除和减轻变形应力的措施、 控制铸坯凝固组织的手段等) 的研究，到生产工艺、操作水平和装备水平的不断提高和 完善，总结出了完整的对铸坯质量控制和管理的技术，并逐步实现了连铸坯的热装热送 和直接轧制。在薄板坯连铸和薄带钢连铸的研究开发方面也取得了新的进展。 2 0 世纪9 0 年代以来，近终形连铸受到世界各国的普遍关注，近终形薄板坯连铸( 厚 度4 0 - - 8 0 m m ) 与连轧相结合，形成紧凑式连铸连轧工艺技术( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n , c s p ) 和德马克公司开发的在线带钢生产工艺技术( c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g ， c o n r o l l ) 、意大利达涅利公司开发的f t s r q 技术( f l e x i b l et h i ns l a br o l l i n gf o r q u a l i t y ) 、美国蒂金斯( t i p p i n s ) 公司1 9 9 3 年推出的倾翻带钢技术( t i p p i n s - s a m s u n g p r o c e s s ，简称t s p ) 也陆续被采用，相互渗透，迅猛发展。据不完全统计，自1 9 8 9 年7 月第一条应用c s p 技术建设的薄板坯连铸连轧生产线在美国纽柯公司克劳福兹工厂 ( n u c o rc r a wf o r d s v i l l ) 建成投产以来，已先后建成多条生产线，年总生产能力达到5 0 0 0 万吨以上。薄板坯连铸机上应用了最先进的连铸技术，如各种变截面结晶器、连铸连轧 技术、电磁制动、结晶器液压振动、漏钢预报以及适应结晶器形状和浇铸速度的浸入式 2 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 水口、保护渣等。 在薄板坯连铸连轧技术发展完善的同时，薄带钢连铸也在积极的开发中，目前世界 上有4 0 多套薄带钢半工业或工业性试验机组。薄板坯连铸连轧和薄带钢等近终形连铸 都是钢铁生产的重大变革工艺技术。 1 1 2 国内连铸技术的发展概况 我国是研究和应用连铸技术较早的国家之一，早在2 0 世纪5 0 年代就开始探索性的 工作。1 9 5 7 年在上海建成一台高架立式方坯连铸实验机，1 9 6 4 年，由北京钢铁学院徐 宝陛教授主持设计的重钢三厂大弧型板坯连铸机，断面为1 8 0 m m x l 5 0 0 m m ，弧形半径 为6 m 的板坯弧形连铸机，这是世界上工业应用最早的弧形连铸机之一。1 9 6 5 年，又在 上钢三厂建成一台半径为4 6 5 m 的矩形坯连铸机，浇注断面为2 7 0 m m x l 4 5 m m 。1 9 6 7 年首钢实验厂投产了一台半径为5 5 m 的直结晶器弧形连铸机。这些铸机的设计和制造 以及相关的连铸技术的开发都是立足于国内并依靠自己的能力完成的，显示了我国连铸 技术的水平和能力。随后连铸技术的发展处于停滞状态，到1 9 7 8 年全国用于生产的连 铸机只有2 1 台，连铸坯年产量1 1 2 7 0 万吨，连铸比为3 5 。 改革开放以来，为了学习国外先进的技术和经验。加速我国连铸技术的发展，从 2 0 世纪7 0 年代末一些企业引进了一批连铸技术和设备。例如1 9 7 8 和1 9 7 9 年，武钢二 炼钢从联邦德国马克德马克公司引进单流板坯连铸机3 台。首钢在1 9 8 7 年和1 9 8 8 年 相继从瑞士康卡斯特公司引进了两台八流小方坯连铸机，宝钢、武钢、太钢和鞍钢等大 型钢铁企业也从国外引进了先进的板坯连铸机，这些连铸技术和设备的引进都促进了我 国连铸的发展。 1 9 9 9 年全国钢产量达1 2 4 亿吨，居世界第一。连铸比达7 8 2 8 ，连铸坯产量达9 7 0 0 万吨，跃居世界第一。进入2 1 世纪的以来，是我国连铸技术快速发展的时期。国际平 均连铸比从9 5 年的7 5 9 增长到了2 0 0 4 年的9 0 3 ，而我国更是从9 5 年的4 6 5 飞越 至2 0 0 4 年的9 5 8 ，主要钢铁公司均实现了全连铸，全连铸比最高：首钢、沙钢、鞍 钢、唐钢、莱钢等5 6 个单位连铸比为1 0 0 。2 0 0 6 年全年累计生产粗钢4 1 8 7 8 2 0 万吨， 同比增加6 5 3 3 2 5 万吨，增长1 8 4 8 ；生产生铁4 0 4 1 6 7 0 万吨，同比增加6 6 7 5 5 7 万吨， 增长1 9 7 8 。连铸比平均9 8 5 7 ，同比提高1 0 6 个百分点 7 1 。图1 1 是截至到2 0 0 6 我 国连铸坯产量及连铸比的增长情况图。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 - 、 f 3 0 皇 k _ ， 删 攫 g 器 1 9 9 0 1 9 9 1 1 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 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 年份 图1 1 我国连铸坯产量及连铸钢产量的增长 f i g 1 - li n c r e a s eo fc c s t e e la n dc cr a t i oi np r c h i n a 2 0 0 7 年，中国生产粗钢4 8 9 2 4 0 8 万吨，比2 0 0 6 年增加6 6 2 5 2 2 万吨，增长1 5 6 6 ， 增幅比2 0 0 6 年回落2 6 7 个百分点；生产生铁4 6 9 4 4 6 3 万吨，比2 0 0 6 年增加6 1 8 9 2 2 万吨，增长1 5 1 9 ，增幅比2 0 0 6 年回落4 8 个百分点，总体呈较快增长态势。中国粗 钢产量不仅全球第一，且产量超过第二到第八的总和，占全球总产量的3 6 4 ，2 0 0 6 年这- - l l 例为3 3 8 ，2 0 0 5 年为3 1 ，2 0 0 4 年为2 6 2 ，呈现逐年递增趋势。 1 2 国内外大方坯连铸的现状 1 2 1 国外大方坯连铸概况 大方坯连铸机主要浇铸优质钢和合金钢，用以c l , t j 高强度线材、条钢、棒材、锻材、 扁钢、无缝钢管等对内部质量和压缩比要求严格的钢种。采用大方坯连铸机生产出的连 铸坯，由于断面大，铸还内部夹杂物减少；大压缩比使钢材致密度增大，降低了内部缺 陷率，保证了轧材的质量。近年来特别是合金钢连铸更有增大铸坯断面的趋势。表1 1 列出了国外有代表性的大方坯连铸机的简要情况【8 1 1 】。 - 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 国外大方坯连铸机概况 t a b l e1 1s u r v e yo fo v e r s e ab l o o mc a s t e r 大方坯连铸机浇铸的钢种复杂、质量要求高，为适应不同最终产品的要求所生产的 铸坯断面范围大( 2 0 0 m m x 2 0 0 m m - - - 6 0 0 m m x 6 7 0 m m ) ，因此大方坯连铸机在优化工艺和保 证铸坯质量方面技术难度较大。国外先进的大方坯连铸机在设计和生产方面的重点主要 集中在炉外精炼、中间包冶金、浇铸技术、二冷控制和计算机辅助质量保证系统等方面。 ( 1 ) 广泛采用炉外精炼和中间包冶金技术 由于大方坯连铸机生产的钢种复杂，质量要求高，因此首先要保证钢水的质量，尤 其是在拉速较高的情况下，夹杂物上浮的条件比低拉速条件下差，因此对钢水的质量要 求更高，国外各钢厂对不同的钢种采用合理的精炼工艺流程；在中间包冶金方面采用合 适的中间包覆盖渣，减少中间包钢水的温降，保证合理的浇铸温度，吸收钢水上浮的夹 杂物，中间包吹氢，促进钢水中夹杂物和气体的去除，中间包流场的优化( 包括中间包 形状的优化设计、挡墙和坝的设置等) ，保证钢水合适的停留时间，利于夹杂物的上浮 和钢水温度的稳定：采用中间包加热技术，在开浇、连浇过渡阶段和正常浇铸阶段稳定中 间包钢水温度，利于中间包低过热度浇铸，稳定浇铸速度。有的钢种还采用钙质钢水过 滤器，减少大于5 0i l 的夹杂物的含量，尤其重视连铸过程的全程保护浇铸技术的优化， 防止各个环节吸入空气造成的二次污染。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 对结晶器和结晶器振动装置进行优化设计 采用合理的结晶器锥度、长度和冷却强度等，优化结晶器的传热效果，提高铸坯出 结晶器的坯壳厚度和表面质量；采用液压非正弦振动，提高振动精度，降低结晶器和坯 壳之间的摩擦力，提高铸坯表面质量，降低拉漏率。 ( 3 ) 选用合理的结晶器保护渣 结晶器保护渣对铸坯与结晶器之间的润滑和传热有重要的作用，根据不同钢种的实 际特点，采用合适的保护渣。尤其是在拉速提高的条件下，采用具有高熔化速度性能的 连铸保护渣防止流入坯壳和结晶器之间的保护渣量减，保证铸坯与结晶器之间的润滑， 防止粘性拉漏，提高铸坯质量。 ( 4 ) 二冷水气雾冷却和二次冷却动态控制 采用二冷气雾冷却和二冷动态控制，使二冷冷却强度的调节范围更宽，调节方式更 加灵活，更适合于大方坯连铸机多钢种、多断面、质量要求高的生产特点。目前，许多 先进的铸机采用二冷动态控制技术，来优化铸坯在二冷区的凝固和传热。通过铸坯凝固 传热数学模型的计算，合理设计连铸机的二冷区，并根据模型计算的结果，按不同钢种、 断面、拉速等合理分配二冷水量，使铸坯温度在二冷区内保持均匀，不出现较大的温度 波动，提高铸坯的表面和内部质量，降低二冷水的消耗。使铸还出拉矫机后温度仍保持 在一个较高的水平上，利于其后的热装热送。 ( 5 ) 其他浇铸技术的采用 完善的结晶器液面自动控制技术，最近数字自控系统的装备，可使结晶器液面 波动控制在士2 r a m 以下，确保了铸坯质量的提高； 配备结晶器电磁搅排和铸流电磁揽拌，改善铸坯结晶组织，减少铸坯皮下缺陷、 缩孔和偏析，在高拉速条件下还要采用电磁制动( 电磁闸) 的技术，确保结晶器内钢水中 的夹杂尽可能的上浮、去除； 采用轻压下技术，改善铸坯的中心偏析和中心疏松； 采用渐进矫直技术，铸坯在依然有大量液芯的情况下进行矫直，降低铸坯凝固 前沿的应力，防止矫直裂纹的产生，从而提高铸机拉速，提高铸坯质量； 异钢种连浇技术，在连铸机不停机的情况下，浇铸不同的钢种，提高连铸机的 生产效率； ( 6 ) 计算机辅助质量保证系统 通过采用计算机辅助质量保证系统来处理浇铸过程中出现的各种信息、跟踪和存储 - 6 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 浇铸过程中与铸坯质量有关的工艺数据、检测和报告实际生产过程中出现的与设定值的 偏差、确定某根铸坯是否需要进行缺陷检查、存储大量的以往工艺参数等数据，以便于 对生产进行评价等。 ( 7 ) 铸坯的热装热送 在上述技术的支持下，连铸机生产无缺陷的高温铸坯，为连铸坯的热送热装工艺的 优化创造良好的前提条件。由于大方坯连铸基本上生产优质钢、合金钢，近几年来，如 何在热送热装条件下确保轧材质量提高的研究己成为重点，并对铸坯凝固组织、温度及 从炼钢到轧钢的衔接计算机一体化管理提出了新的要求。 总之，大方坯连铸机主要浇铸优质钢和合金钢，采用大方坯连铸机生产出的连铸坯， 由于断面大，铸机半径大，因此铸坯内部夹杂物含量较少。 1 2 2 国内大方坯连铸概况 早在6 0 年代，我国就自行设计和制造了重钢一厂的一机四流大方坯连铸机、上钢 三厂二机四流的矩形坯连铸机、首钢实验厂一机二流的大方坯。 8 0 年代以后、大冶、长城、西宁钢厂、包钢、杭州钢厂等厂陆续从国外引进了一 批大方坯连铸机。与此同时，国内先后自行设计和制造了首钢实验厂、重钢七厂、莱芜、 武钢一炼等钢厂的大方坯连铸机。首钢实验厂两机两流1 6 0 1 8 0 r a m 2 2 0 2 6 0 m m 连铸 机单流年产量曾达1 4 7 万吨 目前，我国大方坯连铸机的数量不多，由于投产的时间不同、各钢厂的实际生产状 况的差别，这些大方坯连铸机的装备水平参差不齐。其中，以最近包钢和攀钢钢厂引进 的大方坯连铸机装备水平较高，生产条件较好，达到国外大方坯连铸机9 0 年代先进水 平。 表1 2 列出了国内有代表性的大方坯连铸机的简要情况【胁1 7 1 。 表1 2 国内大方坯连铸机概况 t a b l e1 2s u r v e yo f d o m e s t i cb l o o mc a s t e r _ _ - _ - - _ - - - _ _ _ - _ - _ - _ - - _ - - - - _ _ - _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ - 一一一一一_ 钢厂机型 富 铸机半径( m ) 铸坯断面( m m x m m )钢种 设计 能力 ( 万吨 攀钢l # 方 攀钢2 # 方 形连 续矫 直 全弧 形 三点 矫直 重轨，低合金，硬线， 1x 6 r 1 2 2 8 0 x 3 2 5 ，2 8 0 x 3 8 0优碳，焊条，冷墩，1 2 0 合结，齿轮，钢筋 1x 4r 15 2 0 3 5 3 6 0 x 4 5 0 邢钢5 #弧形1 x 4r 1 2 2 8 0 x 3 2 5 包钢 鞍钢 武钢 全弧 渐进 矫直 全弧 型三 点矫 直 l x 6 r 7 懋垡您麓，。 管坯，耐候，焊条 轴承，钢帘线，弹簧， 高级冷墩 2 8 0 2 ，5 ，, 2 8 0 x 3 8 0 重轨钢，结构钢9 0 3 1 9 x 4 1 0 一。 2 4 r 1 2 1 6 1 7 2 s o 2 8 3 0 m , 2 4 8 2 0 。x 3s o ，雾絮嚣3 1 9 4 2 0 一” 全弧 连续2 x 5 r 1 2 矫直 2 5 0 x 2 8 0 ，2 8 0 x 3 8 0 ， 3 2 0 x 4 2 0 ，3 2 0 x 4 8 0 兴澄特钢弧形l x 5r 1 2 1 8 0 x 1 8 0 ，3 0 0 x 3 0 0 津西弧形l x 5r 1 2 莱钢弧形l x 6r 1 2 删学冶弧形l 3 r 1 6 2 3 0 x 2 3 0 ，2 3 0 3 5 0 ， 3 2 0 x 4 1 0 低合金，合结，碳素 结构钢，高碳钢，焊 接棒材，齿轮，预应 力钢，硬线，重轨 低合金，普碳，轴承， 弹簧 碳素结构钢，桥梁结 构钢，低合金结构 钢，矿用钢，耐候钢 1 8 0 2 2 0 篓3 0 0 合金结构钢 啦0 0 2 4 0 2 4 0 ，2 5 0 x 4 7 0 ，碳结，合结，齿轮， 9 2 7 0 - - 。蝉6 0弹簧，轴承 1 1 0 8 0 1 0 0 - 1 2 0 1 2 0 1 0 0 弧形 西宁特钢 磊 l 3 r i1 1 2 1 2 4 0 2 6 0 合结碳结，轴承 3 。 直 弧形 1 6 0 x 2 0 0 ，1 6 0 x 2 4 5 ，优碳，合结，冷墩， 首钢连续l x 4r 1 0 2 8 1 6 0 x 1 6 0 ，2 0 0 x 2 0 0 ，弹簧，预应力钢丝，6 6 矫直 2 2 0 x 2 2 0 保证淬透性结构钢 8 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 由于国内大方坯连铸机的数量有限，产量占国内连铸坯总产量的比例较小，且大多 从国外引进，没有真正考虑国内钢厂的实际情况，对国外的先进技术生搬硬套，很难适 应现场操作要求，基本没有达到预期的目的。国内大方坯连铸机的生产与国外同类型铸 机相比，主要有以下不足之处： 炼钢生产效率不高，限制了大方坯连铸机生产效率的提高，如西宁、重特，由 于电炉的生产能力不足，连铸机的连浇炉数仅为2 炉； 在钢水充足的条件下，连浇炉数较低，如包钢大方坯连铸机平均连浇炉数为5 炉； 作业率较低，国内大方坯连铸机作业率一般在7 0 左右； 早期引进的和国产的大方坯连铸机设备和控制水平普遍较低； 国内各大方坯生产厂一般没有进行热送热装，限制了能耗和成本的进一步降低； 二冷工艺软件只引进了二冷配水表，具体二冷配水计算模型等则没有引进，对 钢厂新钢种的开发、铸坯质量的进一步提高和生产工艺的进一步优化有一定的限制作 用； 大多从国外引进的铸机都具备动态轻压下技术，但是由于技术保密，动态轻压 下软件的源代码不对外开放，造成了国内在先进技术的使用上受制于国外。 随着国内连铸技术的发展，对产品的质量提出了更高的要求，为了满足市场的需求， 生产出高品质，高附加值的钢，必须对原有生产技术改进或者采用新技术，但是现有的 先进技术大多掌握在国外公司，为了摆脱国外先进技术的制约，必须大力开展对原有技 术的消化吸收，并开发适合于中国国情的先进技术，降低对国外技术的依赖性，提高己 有和新建大方坯连铸机的装备和控制水平是国内大方坯生产和设计制造的迫切要求。 1 3 铸坯凝固传热模型的发展概况 连铸过程复杂多变，是一个包含多相共存、微观一宏观现象相互影响、物理一化学 过程紧密相连、内部应力一外部作用力共同作用的综合系统，由于其高温特性，无法采 用直接测量方法研究起内在行为，因此数值模拟仿真成为研究连铸过程的各种现象及其 机理的有效手段【1 8 l 。 对于温度场中涉及的导热、对流等数值模拟通常采用一组描写守恒原理的偏微分方 程组作为控制方程进行求解，其解法主要有有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ， 有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) ，有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，边 - 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) ，有限分析法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ，f a m ) 等多种方法。其中最为常用的为有限差分和有限元方法【1 9 , 2 0 】。 为了研究铸坯的凝固过程，许多人进行了不懈的努力。最早，h i l l 提出了运用解析 的方法来求解热传导偏微分方程。m i z i k e r 2 1 】运用数值法来解传热微分方程，并进行了进 一步的开拓，使计算机在连铸坯凝固过程中的应用迅速发展。 在对连铸坯进行数值模拟的过程中，液相对传热过程的影响一直是研究的重点。在 早期，紊流方程的数值解法比较复杂，对流和紊流或被完全忽略，或认为液相区均匀混 合。m i z i k e r 进行了大量的实验研究，采用一个人为增大的导热系数来考虑对流和紊流对 传热的影响。这样热传导方程不包括对流相，变为纯的传导问题，应用简单方便，被认 为是连铸传热分析走向实用化的标志。 在后继的几十年间，铸坯温度场的一维、二维、三维【2 2 2 6 1 模型逐渐发展成熟起来。 其中，l a i t ，b r i m a c o m b e 和w e i n b e r g 等人认为沿高度方向热传导较小，可以忽略，并且 板坯远离角部位置处的周向传热也可以忽略，采用显式有限差分方法建立一维数学模 型，计算铸坯温度场、连铸坯凝固状态及液相穴深度等。s p i t z e r 等t 2 7 1 以结晶器中心纵截 面为对象，利用有限差分方法建立二维计算模型，即将拉坯方向视为z 轴，x 和 ，分别与 铸坯的窄面和宽面平行( 板坯) ，将边界条件的变化与跟踪单元所处位置( z 坐标)