板坯连铸机二次冷却系统通用设计软件的开发.pdf

2 0 0 8 年第4期 钢 铁 技 术 炼钢 板坯连铸机二次冷却系统通用设计软件的开发 冯科韩志 伟 中冶赛迪公司炼钢事业部 重庆4 0 0 0 1 3 摘要 根据板坯连铸二冷传热凝固数学模型和铸坯目标表面温度控制方法 并基于迭代算法开发了通用性较强的板坯 连铸机二次冷却系统设计仿真软件 S e c o n d a r y C o o l i n g D e s i g n e r R 1 0 该软件计算功能强 大 主要 包含二冷水量优化设计 二冷水量和喷嘴分析以及二冷传热仿真分析三 大功能模块 能为二次冷却系统的全面设计提供必要 的分析手段和评价信息 可广泛应用于板坯连铸机的工程设计之 中 关键词 板坯连铸机二次冷却系统通用设计软件 0 引言 二 次冷却 是板 坯连 铸生产 中的一项 重要工艺 其设计合理性关系到浇铸过程 的顺行状况和连铸 板坯的质量状况 因此在板坯连铸机的工程设计中 必须对其二次冷却系统予以特别的关注 从其重要 性来看 可以认为二次冷却系统设计是板坯连铸机 工程设计中的一项极其关键的工艺设计 内容 对于 板坯连铸机二次冷却系统的设计 目前国内相关设 计单位一般都是采用简 单的对 比方法 即根 据 国外 工程公司就近似板坯连铸机 丁程所获得的相应设 计 结果 在 生产 实践 中 已加 以应 用 进行 简 单 的 比 例类推 这样的线性设计方法 简便 可行 但 由于没 有考虑到 冷传热的基本物理特性及其对铸坯温 度场分布的强烈非线性影响关系 故存在着较大的 难以弥补的设计缺陷 板坯连铸二次冷却区存在多种传热机制 水冲 击传热 辐射传 热 夹 辊传热 水聚集蒸发 传热和 自然对流传热 在其综合传热效果中水冲击传热 占有较大比例 为确保获得分布较为均匀的铸坯温 度场 二冷水量及喷嘴选型布 置的合理性就显得尤 为重要 针对板坯连铸机 二次冷却系统 的设计 必 须从根本的传热机制入手建立正确的板坯连铸二 冷凝固传热数学模型 并结合适宜的目标温度曲线 进行仿真计算 板坯连铸机二次冷却系统通用设计 软件的开发不仅能从理论上为板坯连铸工程设计 提供强大的技术支撑 而且还能大大节省工程设计 人员 的工 作量 为板坯连铸机 的标准化 精细化 设 计提供 了重 要的技术手段 1 理论简要描述 软件 的核心理论之一是板坯连铸二冷传热凝 固数学模型 其控制微分方程为标准的傅立叶传热 方程 在模型的推导过程中引入了一些重要的理论 方法和必要的简化假设 使得该模型具有 自身鲜明 的特 点 简要概括 如下 从迭代计算 的效 率方 面着 眼 仅考虑板坯厚 度方 向上传热 耦合基于枝晶粗化和固相反扩散的多元合金 两相区凝固计算模型 采用与水流密度呈指数变化形式的综合传热 系数 在考虑二冷区实际多种传热方式的条件下经 回归而得 来描述二冷区的平均换热效果 基于串联型导热系数和并联型导热系数的算 法平均值来考虑钢种的导热系数 采用取决于拉坯距离 浇铸温度和铸坯局部 温度 的对流影响系数来近似描述钢液流动对传热 的影 响效果 基于与实际比热和两相区温度变化相关的等 效比热法来考虑凝固潜热的释放效果 基于 冷却水流量 冷却水温 升 拉坯速度 板坯宽度 结晶器长度和结晶器位置等多种因素来 考 虑结 晶器 的局 部热流密度 维普资讯 1 2 钢 铁 技 术 2 0 0 8 年第 4 期 软件的刀一个核心理论是基于铸坯 目标表面 温度控制的迭代算法 目标表面温度的制定必须考 虑到铸坯温度住整个 冷 内的均匀分布以及矫 直i x u 铸 机山 口位置处相应铸坯温度的合理性 设 计过程 中 首先对 各个 冷控 制回路 以内弧 为基 准 的水昂赋予初始值 通过传热模型仿真计算获 得铸坯表面温度的预测值 然后从前到后依次对各 个 冷控制回路进行水量迭代优化 即将理论预测 值与 目标设定值进行比较 若二者之差大于允许偏 差值则根据其差值相应调 节该 回路 的冷 却水最 接 着重新执行传热仿真计算并重复进行以上对 比过 程直至满足 收敛 条件 2 软件主要功能 根据 以上所述的模型和算法 并基 于结 构化程 序语言 V i s u a l B a s i c 6 0开发了板坯连铸机二次 冷 却 系 统 通 用 设 计 软 件S e c o n d a r y C o o l i n g D e s i g n e r R 1 0 其主界面如 图 1 所示 图 1 软件主界 面 软件共包含 二冷水是设计 二次冷却分析 设 计结果仿真 铸机结构参数 仿真基本参数 钢种 性能参数 高级用 户登录和软件应用指南等八个功 能模块 在添加或打开相应的板坯连铸机后 启动 铸机结构参数模块 可对铸机的相关结构参数如铸 机长度 铸机厚度规格 板坯宽度 二冷区信息等 进行编辑保存 启动钢种性能参数模块 可对五大 类钢种组别超低碳钢 低碳钢 包晶钢 中碳钢和 高碳钢的相关热物性参数如钢种成分 密度 凝固 潜热 辐射系数等进行编辑保存 启动高级用户登 录模块 叮切换到高级用户 以激活对仿真基本参 数进行编辑的权限 启动仿真基木参数模块 可对 与二冷传热仿真密切相关的基本参数 如结晶器冷 却 水参数 分冷 外 弧同路水量与 内弧同路水量 之 比 二冷分I 综合换热系数等 进行设 置 启动二 冷水量设计模块 吖针对选定的板坯厚度规格 钢 种组别和拉坯速度 并在设定好具体的铸坯表面温 度曲线和迭代控制参数后进行一次冷却水量的设 计 启动二次冷却分析模块 可针对选定的板坯厚 度规格和钢种绀别 对各一 冷回路相应的喷淋水最 及其 分配 L L I J 进行 分析 并往载入板坯连铸机所有 厚度 规格 和钢 种组 别对应 的二冷水量后 对各 冷 的喷嘴 设计 和布置进 行初步分析 启动设计结果 仿真模块 可针对选定的板坯厚度规格 钢种组别 和拉坯速 度 在先前基于此对象所设计 出的二冷水 量条件下执行相应 的仿真计算 并对获得的相关仿 真结果如铸坯温度场 凝同壳厚度分布 冶金准则 满足情况等进行查询 以判断铸机二冷系统设计的 合理性 3 软件应用 实例 在 八钢 二 号板坯 连铸 机 I 程项 目中应 用本 软 件对其二 次冷却系 统进 行了设计 获得 了相应的二 冷水量分配和初步的二冷区喷嘴布置 设计 中仅考 虑 了一种板 坯 厚度规 格 2 2 0 r fl n 和 一个钢 种组 别 中碳钢 且最大拉速设 定为 1 5 m m i n 主要 的 设计结果描述如下 如图 2 所示为启动 冷水量设计模块后相应的 软件用户界面及其计算结果 对应f 1 0 m m i n拉 速条件 其中用数据和图形两种形式给出了铸坯 目标 表面温度制定情况 且矫直 的入 口和 出 口温 度分别设置为 9 3 0 和 9 1 0 各 二冷 回路的初始 水量均赋值为 i 0 0 L m i n 作为控制迭代运算过程 的最大迭代次数设置为 i 0 0 且浇铸过热度设定为 2 0 如 图 3 4所示分别为启动 二 次冷却分析模块 后相应的 二 冷水量分析界面和二冷喷嘴分析界面 其 中以表格的形式给 出了所有拉速条件下对应 的 二冷水量设计值 并通过点击输出按钮将其保存为 E X C E L文件 设计所得的二冷水 分配情况以数据 和条形图的形式加以了详细描述 二冷 喷嘴布置 的初步设计结果以数据表格的形式给 山 显然 冷 8 和 9 的水量设训 值需要手动修正 以将该区 维普资讯 2 0 0 8 年第 4 期 钢 铁 技 术 1 3 喷嘴的调节 比例调整到适当的值 c a Ol箧 5 畦 i篡 曼一 一 二 I 避 坠 誓 I 苎 I 兰 壹 曼 曼 三 一 D 竺 堕 竺 塑 竺 竺 皇 图 2 二冷水量设计界面 图 3 二冷水量分析界面 图 4 二冷喷嘴分析界面 如图 5所示为启动设计结果仿真模块后相应 的软件用户界面及其仿真计算结果 对应于 1 0 m m i n拉速条件 其中以图形形式显示了在所设计 二冷水量的条件下通过仿真计算获得的铸坯表面 中心温度曲线 液 固相线位置和理论轻压下区域 详细 地给 出 了各 二冷区相 应 的入 出口位 置表 面温 度及温度变化情况 并对结晶器出口位置凝固坯壳 厚度 二冷区铸坯表面温度下降速率 二冷区铸坯 表面温度回升速率 矫直区铸坯表面温度 铸机冶 金长度及铸机 出口位置铸坯表面温度等冶金限制 准则的满足情况进行了分析和显示 使用户可根据 这些仿真计 算结果来判断二冷 系统设计的合理性 兰 卜 矗 l 量 计 辩 舳 譬 帅B 苗 t 矧 t II 童 置 n I k c 一 一 一 日 0 1 口 t 竺 憎 一 o I 一 j 一 图 5 二冷仿真分析界面 4结论 针对板 坯连铸机 的工程 设计 基于板坯连铸二 冷凝 固传热数学模型和 目标表面温度控制迭代算 法 开发了通用的二次冷却系统设计软件 软件具 有全面的功能模块 可以很方便地任意添加或编辑 一 台板坯连铸机 铸 机结构参数 窗 口 然后通过制 定 出合理 的铸坯 目标表面温度曲线和迭代运算参 数对各二冷回路的水量进行设计 二冷水量设计窗 口 并结合针对该台连铸机所有设计对象 厚度规 格 钢种组别和拉坯速度 获得的水量设计结果进 行相应的水量分析和喷嘴分析 二次冷却分析窗 口 为判断设计结果的合理性 还可以在所设计 水量的条件下进行相应的二冷传热仿真分析 设计 结果仿真窗口 通过工程应用实例表明 该二次 冷却系统设计软件的功能强大 显示内容丰富 操 作方便 通用性强 其应用可大幅提升板坯连铸机 设计的精细化程度 以及减小设计人员的工作强度 在板坯连铸机的工程设计 中具有非常 良好的应用 前景 转第 1 6页 维普资讯 钢 铁 技 术 2 0 0 8 年第4 期 进而发展为皮下裂纹 皮下裂纹延 l E O N铸坯表面形 成细小的纵裂纹缺陷 纵裂纹开始于树枝晶 结束 J 柱状晶 树枝晶之问 沿树枝晶生 长方向扩展 薄板坯的氧化铁皮在板坯表面很薄并且很粘 氧化铁皮很难去除 l大 而用薄 板坯 生产 热带动表 面 质晕一直是个 比较大的 问题 4 2 产品范同 薄板坯连铸连轧生产线虽然 町以覆盖大多数 的热轧带铡 的品种范 同 但 是一些高性能要求好高 附加值的 品种还不能生 产 薄板坯连铸连轧可以较好地控制轧制过程中 氮化铝的析山 这点对生产深冲板是有利的 但是 薄板坯连铸连轧生产的薄板表面质最较差 这点对 生产深冲 板是不 利的 在 得 到细 小 的原始 晶粒 方面 薄板 坯连 铸连 轧 有其优势 但是在进行大变形 以获得细小的最终组 织方面薄板坯连铸连轧并无优势 这是 为薄板 坯 一 股比较薄 造成轧制过程的压缩比较小 和传统 的板坯轧制相 比 在细化 晶粒方面是不利 的 因此 薄板坯连铸连轧 生产高牌号 的管线钏 没有优 势 现 在的薄板坯发展也有增加厚度的趋势 增加板坯厚 度有利 液面稳定 防止卷渣 减少铸坯缺陷 薄板 坯轧制 f 艺使用 b J 9 0 m m 连铸板坯 这 使轧制道次有可能减少或产品规格下限向下移动 但对连铸生产而言 由于浇铸厚度下降 产量下降 尤其冷却强度大 生成原质细小晶粒 使最终带钢 产品晶粒 过细 只适 合直接制作产品 不适 合作 为 冷 轧原料 另外 冷凝过快 杂质无法上浮和扩散 对 钏水质 量要求大大提高 4 3 1 ix I L 4 t l 生产 薄板坯连铸由于冷却强度大 析出的夹杂物尺 寸较小 氧化物多为2 5 I J m 硫化物多为3 0 2 0 0 n m 这有利于取 向L 工铡 的生产 但对于尤取 向电 r 4 51x 1 希望铸坯夹杂物越少越好 对于已经存在的 夹杂物则希望粗大化 从这方面米讲 薄板坯连铸 是不利于无取 向电 L 钢 的生产 的 薄板坯连铸连轧易于实现低温加热和 高温卷 取 同时还可避免铸坯冷却和加热过程中叮能发生 内裂和断坯造成 的质量 问题 有 利 生产1 I l 工钢 5 结论 生产实践证明 铸坯变薄 虽然町以减少轧机 的道次 但整条生产线的产晕和产一 i 7 质晕都受到限 制 尤其我国钢水质量 目前较困外还差许多的情况 下 厚坯 的大压缩 l L l i 充分的道 次问同复时 间对 晶 粒 的状态 控制还是很有 必要 因此在利用薄板坯连铸连轧开发新 i 7 种时 不 能完全照搬传统 的连铸 艺技术 必 须深入研 究薄 板坯连铸工艺 的冶金特征 并根据其特采取 有针对 性 的技术措施 方 口 J 生产 山适合其T艺特点 满足 不 同使用要求 的新 产品 接第 1 3页 参考文献 1 7 r 科 方坯连铸宏观传输现象复合 数值模拟 的研 究 D 重庆大学 重庆大学材料科学与工程学院 2 0 0 4 4 2冯科 韩 志 伟 王勇 等 A H 3 6 钢 两 相 区非 平 衡 凝 吲路径的数值预测 J 中闺稀土学报 增刊 2 0 0 6 2 4 冶金过程物理化学专辑 3 6 3 9 3 冯 科 陈 福 徐楚韶等 Q 2 3 5钢主要热物理参数 参考文献 张永杖 薄板坯连铸连轧工艺的冶金特征和品种开发 J 钢铁研究学报 2 0 0 5年 8月 第 1 7 卷增刊 P 1 康永林 傅 杰 得橹等 薄板坯连铸连轧钢的组织性 能控制 M 北京 冶金工业 l J 版社 2 0 0 6 田乃 媛 薄板 坯连铸 连轧 M 北京 冶