连铸二冷工艺设计及过程控制

1、连铸二冷工艺设计与过程控制,name：张家泉 教授 mobilee-mail：,university of science & technology beijing,提纲/contents,university of science & technology beijing,连铸二冷区作用,对带液芯的铸坯进行强制、均匀冷却，使得铸坯继续凝固,连 铸 二 冷 区,university of science & technology beijing,连铸二冷区要求,总体结构和支撑导向机构刚性好、强度大； 辊列布置合理，防止铸坯产生较大的鼓肚变形； 对弧简便准确，易于安装、

2、检修和事故处理，等。,冷却机构和设备 冷却工艺 冷却工艺设计 冷却制度制定,支撑机构,冷却控制,university of science & technology beijing,与二冷相关质量缺陷,形状缺陷,表面缺陷,内部缺陷,内裂纹（中间裂纹、中心裂纹） 中心疏松、中心偏析,表面矫直横裂纹 划痕,鼓肚、脱方 椭圆变形,university of science & technology beijing,连铸二冷控制难点,连铸 控制难点,自身复杂性,时变性特性 非线性特性 不可预测的扰动 过程本身的滞后性 环节间相互耦合,设备因素,执行机构的滞后性 检测技术的局限性 设备运行的稳定性,其他

3、,人工操作的局限性 控制系统的稳定性,工艺因素,钢种凝固特性 铸机设计的合理性 参数制定的合理性 控制模型的准确性,university of science & technology beijing,连铸二冷控制方法,过程参数在线优化,控制系统自动化,源头控制,过程控制,质量 控制策略,生产阶段,设计阶段,二冷区长度设计合理性,二冷工艺合理制定,相关设备合理选型,university of science & technology beijing,连铸二冷控制方法,二冷 控制方法,实际拉速控制 （静态控制）,热历程控制 （动态控制）,产品大纲 拉坯速度 中包温度,产品大纲 拉坯速度 中包温度

4、 实际水量 参数数据库（物性参数、目标值等）,比例配水控制法,参数配水控制法,实测表面温度反馈控制,时间停留法,热模型法,university of science & technology beijing,连铸二冷研究方法,university of science & technology beijing,连铸二冷研究现状,70%,10%,5%,60%,25%,基础技术研究和学科交叉的渗透！ 技艺（skill & art） 科学化（science）,university of science & technology beijing,坯壳表面回温发生机制,机制一,冷却方式的差异性,同一冷却

5、段铸坯表面温度间断性回温,university of science & technology beijing,坯壳表面回温发生机制,机制二,铸坯放热强度与外界换热强度的差异性； 不同冷却段铸坯表面温度间断性回温； 拉坯速度、二冷区长度对表面回温程度有着重要的影响。,university of science & technology beijing,拉坯速度对坯壳表面回温的影响,目标表面温度控制下，二冷区内坯壳表面回温程度较小；空冷区，坯壳回温明显。 二冷区总长度既要满足低拉速下的生产，也要满足高拉速下的生产要求。,拉坯速度,university of science & technolog

6、y beijing,冷却水量对坯壳表面回温的影响,冷却水量增大，坯壳表面回温降低，温降增大；但总存在一个区间使得表面温升和温降处在合理范围内。 可通过优化冷却水量的方式来实现对铸坯表面回温的控制；,冷却水量,university of science & technology beijing,冷却回路长度对坯壳表面回温的影响,冷却回路长度对坯壳回温和温降有着重要的影响，冷却回路长度增大，坯壳表面温升和温降均增大。 铸机设计之初，考虑二冷长度设计的合理性。,冷却长度,university of science & technology beijing,连铸二冷控制示意图,铸机最基本的系统结构设计

7、的合理性是保证铸机良好可控性和控制效果的前提！,university of science & technology beijing,连铸二冷区长度设计依据二冷总长度,二冷区总长度:决定着铸坯在二冷区的散热量，其长短直接影响到铸坯凝固进程和铸机生产率。,限制性环节： 二冷出口，铸坯液相穴和铸坯放热热流与辐射换热热流的平衡！ 主要影响因素： 铸坯断面尺寸、浇注钢种、拉坯速度和冷却强度等！,university of science & technology beijing,连铸二冷区长度设计依据二冷分段个数,2. 设计参考 方圆坯铸机：46个为宜 板坯铸机： 811个为宜,1.影响因素 设备成本

8、、设备安装与布置、控制精度 铸坯表面回温和表面温降程度,二冷分段个数： 决定着铸坯表面温升和温降次数； 影响着各冷却段长度的分配。,university of science & technology beijing,连铸二冷区长度设计依据二冷各段长度,二冷各段长度： 决定着铸坯表面温升和温降程度； 影响着二冷水量的分配。,2. 设计参考 采用“短长”的方式 考虑辊列布置及喷嘴布置要求 考虑一冷区至二冷区过渡区需要,1.影响因素 铸坯热量释放规律 铸坯放热与喷水换热的差异性,university of science & technology beijing,连铸二冷相关设备选型,执行机构良好

9、运作是保证冷却效果的关键！二冷相关设备合理选型是保证二冷水量调节稳定性和二冷换热效果的前提！,university of science & technology beijing,连铸二冷相关设备选型喷嘴选型,保证二冷换热效果 冷态性能测试： 流量特性、水流密度分布、冲击压力和喷射角等。 热态性能测试： 不同水流量下换热系数；铸坯表面温度和水流密度对换热系数的影响。,university of science & technology beijing,连铸二冷相关设备选型流量调节阀选型,保证二冷水量调节稳定性 可调比宽： 满足多种浇注钢种和断面尺寸、多种冷却曲线及不同生产工况的需要。 水量调节

10、稳定： 保证流量调节阀开口度维持在5%-95%的范围内。防止控制回路水量的震荡。,university of science & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化,合理的二冷工艺是以高连铸质量和产量的重要前提！,university of science & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化,水表数据库 二冷总水量 水量分配系数 内外弧水量分配 宽窄面水量分配 最小水量 开浇水量 出尾坯水量等,物性参数 高温脆性曲线,产品大纲,钢种特性,冶金准则,目标温度曲线,冷却曲线,矫直温度限制 坯壳表面回温限制 坯壳表面温降速率限制 结晶器出口坯壳

11、厚度限制,二冷终点表面温度控制 表面温升控制 表面温降控制,断面尺寸 钢种分类,二冷区换热中，喷水冷却是主要的，亦是可控的。 二冷回路水量设定值的不合理是造成铸坯冷却不均的直接原因。 优化不合理的二冷制度是保证铸坯质量和产量的重要手段。,university of science & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化离线仿真系统,数值仿真是高技术产业不可或缺的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。 对于高度非线性的连铸生产，连铸过程数值仿真已成为辅助设备设计和生产工艺制定的重要组成部分。,university of science & technology

12、beijing,连铸二冷制度制定与优化离线仿真系统,大型商业通用软件,自编软件,离线 仿真系统,工具软件,数学方法,abaqus，msc.marc，ansys等 模型丰富、功能强大、建模简便、对象广泛 计算模式固化，特定问题适应性弱,vc+, vb, delphi, fortran等 特定问题针对性强，分析问题简便，灵活性高 建模和编程过程比较繁杂,有限元法（fem）,有限差分法（fdm）,适应性强，不受物体形状限制 计算速度相对较慢 一般被商业通用软件采用,概念直观，表达简单，计算速度快，发展较成熟 研究对象结构对称性及规则性要求高 一般被自编软件所采用,university of scie

13、nce & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化离线仿真系统,凝固传热微分方程 初始条件 边界条件,差分格式选取 数学模型离散化,编程语言选取 调用数据库 界面输入参数 计算结果后处理 计算结果保存,数学模型,离散化,程序编制,连铸凝固数值仿真系统开发,01,02,03,university of science & technology beijing,离线仿真系统数学模型和离散化,university of science & technology beijing,离线仿真系统物性参数选取,钢物性参数数据库,液相线 固相线,密度,凝固潜热,比热容 传热系数,介质参数

14、,university of science & technology beijing,离线仿真系统钢高温热特性,制定连铸冷却与轻压下制度以及分析相关裂纹缺陷的依据；建立凝固热-力学模型的重要基础。 gleeble1500d试验机：断面收缩率、抗拉强度、屈服强度等。 netzsch dil 402c热膨胀分析仪：（瞬时）热膨胀系数、热膨胀率等。,university of science & technology beijing,离线仿真系统结构设计,university of science & technology beijing,离线仿真系统程序开发,university of scie

15、nce & technology beijing,离线仿真系统界面设计,university of science & technology beijing,离线仿真系统应用热行为影响分析,拉坯速度,冷却强度,钢水过热度,表观自然热收缩,university of science & technology beijing,连铸二冷制度水表数据库,水表数据库,应用仿真系统计算并建立各工况下的二冷水表数据库！,university of science & technology beijing,连铸二冷制度最小水量,缓和冷却,冲洗积渣,冷却夹持辊,喷嘴低压流量,铸坯热量释放规律,其他冷却段,足辊区

16、,逐渐降低,喷嘴最小流量,二冷区,m-s过渡区,-,保证喷嘴冷却效果和生产安全，对实际生产设定最小保护水量！,university of science & technology beijing,连铸二冷制度比水量,比水量：连铸二冷区单位时间内消耗的总水量与单位时间内通过二冷区铸坯质量的比值； 一般用来衡量二冷喷水强度或者二冷冷却强度； 二冷各冷却回路最小水量的限制，在衡量连铸的冷却强度时，不能单纯用比水量作为指标。,university of science & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化水量优化,离线优化,水量优化,以实际生产过程数据为依据，应用校验后的连

17、铸凝固传热数值仿真软件对铸坯凝固过程进行模拟回放，分析铸坯凝固过程中的温度场、坯壳回温、坯壳温降以及矫直点温度等重要参数，然后对不合理的冷却制度进行优化，主要优化的是不合理的水量分配。,在线优化,通过研发并应用动态二冷配水在线控制系统，根据实时的生产条件和生产状态，按照浇注钢种的质量控制要求，对二冷制度进行实时优化。,更好地满足非稳态浇注工况； 弥补当前目标表面温度控制法中缺乏对当地冷却区冷却历程的控制。,university of science & technology beijing,连铸二冷制度制定与优化水量优化,优化配水条件前后铸坯凝固温度场及凝固进程对比,university of

18、 science & technology beijing,动态二冷控制模型,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型主要目的,实际拉坯速度波动性 1、拉速波动幅度与波动率 2、断面对拉速波动率的影响 表面温度与凝固终点双目标控制 1、表面温度的合理控制 2、凝固终点的准确跟踪 操作熟练程度差异性,拉速波动率,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型模型要求,充分考虑凝固特性、工艺工况的影响,联锁保护、故障诊断处理、应急切换,并行运算、先进控制策略,准确性、稳定性、数据诊

19、断与处理,自定义接口、浇注过程回放,界面友好、视图直观、信息清晰,多流控制、多断面控制、混断面控制,科学性,安全性,先进性,鲁棒性,可操作性,直观性,多任务性,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型模型设计,数值仿真系统,动态二冷模型,铸机生产线,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型基本架构,控制模型主要由自动化、数据库、监控界面和核心计算四部分模块组成。 数据库是控制模型的基础；计算模块是整个控制模型的核心；自动化是控制模型的纽带；监控界面是控制模型的窗口。,un

20、iversity of science & technology beijing,动态二冷控制模型动态热跟踪,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型坯龄模型,控制模型采用“坯龄模型”来实现对铸坯从结晶器钢水弯月面到模型控制区终点进行全程的温度场实时跟踪。 将铸坯从结晶器弯月面到模型控制区末端等分为若干个切片，每个切片都是独立的信息单元，这些信息包括切片的“寿命”、位置、中包温度、温度场以及凝固进程等。 通过动态跟踪每个切片在不同时刻下的“寿命”、位置等信息，确定出每个切片在不同时刻下的凝固传热微分方程边界条件，对每个切片的凝固传热

21、微分方程进行周期性求解，就可以动态的描述出每个切片在不同时刻、不同位置下的温度场。,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型优化配水,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型表面温度反馈控制,设定的表面温度与计算的表面温度的相对误差。用来校正和优化各冷却回路水量。 计算的温度与实际测量温度之间的相对误差。用来判断当前的铸机设备状态，特别是可以在线反映喷嘴状态及雾化效果。,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型

22、多模型控制策略,控制模型采用“多模型控制”的先进控制策略来实现不同生产条件下的水量优化。 基于中包连续测温的浇铸温度前馈配水策略、基于拉速模型消除热滞后影响的控制策略、基于目标表面温度的数据库水表控制策略以及基于表面温度历程（坯壳温升温降）的控制策略等。,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型模型其他特点,联锁保护措施：应对人为失误（破坏）和不可预知因素（l2控制计算机死机或关闭）等意外事件，保证生产的顺行。 数据诊断与处理：防止仪表或者网络通信不正常和设备本身工作不正常等造成的虚假数据对模型准确性的影响。 采用“数、表、线、形”

23、 相结合的形式直观反映连铸过程中工艺参数和铸坯纵切面上的温度和凝固坯壳厚度分布。 对生产中的过程数据进行全程记录，方便工艺人员对铸坯质量状况及影响因素作离线分析。 提供控制模型的数据库管理工具等辅助管理工具，提供用户自由制定工艺接口，支持用户增加新钢种和修订相应的二冷工艺等。 采用计算机操作系统多任务技术，用一台计算机同时实现多流、多断面以及混断面浇注的二冷动态控制。,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型界面设计,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型辅助软件设计,

24、university of science & technology beijing,连铸二冷自动化控制系统,基础自动化级（l1级）与过程控制优化级（l2级）联合控制的策略。 l1级为基础级自动化控制系统。是整个控制系统的基础和核心，担负整个铸机生产线的过程控制和监视； l2级为过程优化级控制系统。主要负责控制和协调生产设备能力，实现对生产的直接控制，针对生产指标，通过数据模型优化生产过程控制参数。,university of science & technology beijing,连铸二冷自动化控制系统通讯方式,l1和l2间数据交互采用opc通讯模式,组态软件通讯（wincc、intouc

25、h、ifix等）（控制系统稳定性受组态软件稳定性限制） plc通讯（siemens 、schneider 、abb等）（控制系统稳定性高；需要完善的联锁保护！）,university of science & technology beijing,连铸二冷自动化控制系统系统配置,opc通讯接口自主设计,控制系统 要求,系统配置,配置一台或两台普通工控机 铸机新建、改造、升级方便,系统配置要求低,实现与各种组态软件通讯 实现与各类plc通讯 驾驭各类铸机设备（包含国外引进铸机）,university of science & technology beijing,动态二冷控制模型现场应用,包钢大

26、方坯动态二冷与动态轻压下控制系统（2006年11月）,莱钢合金钢方圆坯动态二冷与动态轻压下控制系统（2008年6月）,营口中试基地大圆坯动态二冷控制系统（2008年12月）,莱钢特钢大方坯动态二冷配水控制系统（2009年6月）,莱钢特钢大方坯质量跟踪与在线预报系统（2009年6月）,莱钢特钢方圆坯动态二冷配水与轻压下控制系统（2011年11月）,唐山天柱大方坯动态二冷配水控制系统（2012年4月）,江苏重工板坯动态二冷与动态轻压下控制系统（项目进行中）,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,2008年6月15日一次

27、热试成功 （断面180mm 220mm，钢种45#,拉速1.31.5m/min ）,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,圆坯第一次热试,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,方坯混断面浇注,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,二级在线控制系统现场应用,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流

28、方圆坯连铸机,二级控制系统在线应用公共区截图,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,二级控制系统在线应用某流监控界面截图,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,二级控制系统在线应用某流配水总图截图,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,二级控制系统在线应用某流辊缝总图截图,university of science & technology beijing,

29、莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,热酸低倍坯样,university of science & technology beijing,莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机,控制模型自热试始全程参与在线控制。 自热试始跟踪了一千多炉合金钢（主要钢种45#、45b、s45c、40cr以及20crmntih）的铸坯质量及轧材质量状况，其中包含断面180220、断面 260300以及两者混断面浇注的情况. 根据大量的酸浸坯样可以看出，铸坯表面及内部质量良好，无表面裂纹、中间裂纹及中心裂纹等缺陷，铸坯内部致密度较好，轧材经顶锻检验也全部合格。 截至目前，据用户反馈的信息，生产的铸坯中，基本无表面裂纹、中间裂纹及

30、中心裂纹等缺陷的出现。,university of science & technology beijing,营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机,铸机基本参数,university of science & technology beijing,营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机,2008.12一次热试成功 （断面500mm，钢种45#,拉速0.150.35m/min）,university of science & technology beijing,营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机,二级控制系统在线应用,university of science & technology beijing,营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机,动态二冷配水控制系统截图公共区,university of science & technology beijing,营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机