方坯连铸动态二冷配水系统

1、方坯连铸动态二冷配水系统U!48也42010年第5期1 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 48也42010年第5期1 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Dynamic Secondary Cooling System of Bloom Continuous CastingBAO Yan-ping1臭华杰田津津王国新二 包慈平'

2、/WU Hua-jie1, LIU Jin-jin WANG Guo-xin148也42010年第5期1 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 48也42010年第5期1 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 在钢铁行业的激烈竞争中， 为保持强大的市场竞争力，过程 控制的地位越来越帀要通过对 生产过程的监测和控制.町以提 高产品质駅和生产效率

3、.并以最 低的成本满足用户的要求。It 中.二次冷却与铸坯产帚和质杲 密切相关.是连铸过程控制中的 关键技术之一，在其他T.艺条件 不变时.二次冷却强度增加.可 以使拉速增大，则铸机生产率提 高.但可能降低铸坯质量。同 时.妍究表明连倚坯内部裂纹、 表面裂纹、鼓肚、菱变（脱方）、 中心偏析等缺陷的形成和发展都 与二次冷却右紧密的联系。因 此，优化和控制二次冷却十分直 要二次冷却控制技术二次冷却控制技术主要冇：人T配水：配水T根据经 验及肉眼规察到的现场铸坯表血 温度确定二冷各段水鼠。该方法 受人为因素影响校大.拉速变化 时.水幘控制滞后，控制精度 龙.难以保iiE铸坯质绪。比水呈控制法以：根据

4、钢种 确定不同的比水量，再根据拉速 确定二冷总水帚并按比例分配 至二冷各段.然后制作成拉速-水 量关系表，由下位机PLC控制二 冷各段水量。参数控制法m：根据凝固传 热数学模型和铸坯二冷冶金准 则，离线汁算出不同钢种在不同 拉速条件下二冷冬段水鼠，并将 水最、拉速数据进行冋归优化处 理，得到不同钢种的水匾-拉速二 次配水关系式，由PLC控制二冷 各冷却段水斌，目前国内连铸所采用的 二冷配水多为比水最控制法或参 数控制法.两种方法都JEPLC汁 算二冷各段水吊.PLC屈于下位 机,用F位机配水的技术属于一 级配水技术。其中，比水量控制 法具右明显不足当拉速发生突 变时.水帚会相应的突然改变. 导

5、致铸坯表啲温度波动较大.容 易产生热裂纹=而且由于比水量 控制法在计算水畐时，只考虑了 钢种的影响.并未考虑结晶器长 度、二冷啖嘴冷却能力、铸坯断 面尺寸等参数对二冷各段所需水 量的影响，因此在连铸机投产后 往往还要根据现场铸坯质吊情 况朿新调楼二冷水最。即使采用参数控制法，这种 控制仍为静态控制对生产条件 变化的应变能力较差.只能适用 于温度和拉速相对稳定的悄况 当拉速变化时，控制效果不理 想.水駅变化很大.造成铸坯表 面温度剧烈波动并H.在浇铸过 程中，由于中间包钢水温度波动 等处内，儔坯农曲温度会偏高或 偏低但配水公式已固定在PLC 控制程序中.无法响应上述变 化.导致铸坯质凰无法保证-

6、连铸动态二冷配水技术连铸动态二冷配水技术基 于上述-级静态配水技术，集汁 算机、门动控制与n动检测于一 体.利用热跟踪模別和凝固传热 模型优化补偿的模式对二冷区水 駅进行动态设定.是当前/为先 进的二次冷却控制技术。作背尬位：1北京科技大于启金丁用研究院.北京100083 ; 2北京科技大学冶金与生念丁炉K院.北京1000832010年第5期冷庇七苓 47通过以太网用上位机与PLC 在线通讯，得到实时的拉速、二冷各段水量、中间包钢水温度等 匝要操作参数.用凝固传热数学 模型在线计算出不同时刻铸坯在 二冷各段末的农面温度用此温 度与事先确定的铸坯冃标温度比 较拓于H标温度.通过PLC増 加二冷水

7、横；低于目标温度. 少二冷水量，即对铸坯衷面进行 动态喷水冷却使铸坯的乞段表 面温度尽可能接近冃标温度.从 阳保证眾佳的热状态。用上位机 配水的技术屈于二级配水技术。 动态热跟踪模型铸坯各段在二冷区中所含的 热的祥放就取决于它在二冷区所 经历的时间，而这个时间又是随 着拉速的变化何变化的动态热 跟踪模型以“坯龄”叫即坯壳所 经历的冷却时间,如图1所示）为 参数进行冷却控制.抓住了铸坯 4.成时间这一本质因素.可以很 好地适应拉速的变化这种控制 采用了对铸坯m元切片的跟踪. 能够在拉速发生做小变化时获得 相关信息,及时调整配水量C从 坯壳生成开始到铸坯出铸机,将 苴分成许多E元切片.这些取元 在

8、结晶器内“生成”出铸机就 结束.即所谓“坯龄”。它们的 生成时间和位置记录在与单元 示图相对应的E元表中（如图2所中间包结晶器I切片图1铸坯坯龄示意图示）.通过跟踪m 元并记录每个m元 的位置和经历时 间汁算出每时刻 各冷却段的生成时 间.进而得到每段 铸坯的有效拉速.利用右效拉速代替 实际拉速来计算冬 段的喷水帚。凝固传热数 学模型通过建立铸坯凝固传热模 型，可以对钢水和铸坯在二冷区 的传热行为和凝固状态进行分 析，为建立动态控制模型贾定英 础由于铸坯轴向传热比径向传 热量小的多.故可以忽略轴向传 热，这就可以将三维传热问题转 化为二维传热问题。为导出铸坯温度分布的数学 模型，做如下假设：（

9、1）忽略氏度 方向的热传导.铸坯的传热简化 为二维非稅态传导传热;（2）热物 性参数（比热容、导热系数、密度 等）在液相区、凝固相区以及固相 区视为分段常数.且只与温度右 关.与空间位置无关；（3）铸坯内 凝固阿相区和液相区的对流状态 对传热的影响用增大导热系数的 方法来等效.即把对流传热等效 成传导传热；（4）假设结晶器弯月 面钢水沮度与浇铸温度书同；（5） 连铸机二冷区同冷却段铸坯农 面冷却均匀；（6）铸坯内弧和外弧 传热条件对称。建立坐标系.从结晶器弯月 面处沿铸坏中心取一厚为祇、宽 度为d.v、拓为d；：的微元体.与铸 坯一起向卜运动设其断面温度乞段冷却数州铸坯地元切片生成时河所金位笈

10、铸坯的时间.位fit跟踪示意图分布为“X, y。由以上假设.微元体的热平 衡为：微元体储存热量二接收热 M支出热谊°微元体以相同拉速和铸机一 起向下运动，故微元体相对速度 为零，由此可得出铸坯凝固传热 的微分方程，初始条件：心0时，在结晶器 弯刀血处澈元体钢水温度为浇注 温度。边界条件：铸坯中心线两 边对称传热：铸坯丧而热流分 为：结晶器、二冷区、空冷区表 达式务不相同。铸坯凝固传热的微分方程和 初始条件、边界条件构成了铸坯非 稳态凝固传热的数学模型将模型 中关键参数或不确定参数（如导热 系数等）作为可调参数处理，根据 连铸权凤场实测数据对篌型参数校 正.经过反复计算优化推导出符合

11、铸机条件的参数骐实现对凝周传热数学模型 的求解,需利用数值计算方法实 现数学模型的离散化然后采用 计算机语言编制仿真程序实现数 值模拟常用的数值计算方法有 右限差分法和仃限元法。48也42010年第5期1 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 图4二冷动态配水数据自动采集和下发的实现图5动态二冷配水系统图6动态二冷配水揍型界面动态二冷配水控制模型动态二冷配水控制模型主要 由动态热跟踪模型、铸坯凝尚传 热模型、动态配水模型、T艺参 数数据痒和OPC通讯模块等五部 分细成

12、动态热跟踪模熨、铸坯 凝固传热模型是棉个控制模型的 基础,接受生产过程数据并计算 岀动态配水所需的铸坯温度场热 信息；动态配水模型是控制模型 的核心.利川铸坯温度场热信息 并根据不同钢种的生产T艺合理 优化二冷区水斎.控制模型通过 OPC通讯模块与一级慕础白动化 控制系统进行数据交互.如图3和 图4所示。模型从结晶器钢水弯刀面到 二冷区终点对铸坯温度进行全程 的计算跟踪，考虑了浇铸艺参 数（浇铸温度、拉坯速度竽）的实 际变化，能够在非稳态浇铸条件 下实时地i I算出铸坯的温度场. 依据铸坯冃标表面温度控制策略 以及铸坯内部质駅控制策略确宦 出«段配水虽的设定（TL实现动 态控制目的。

13、模型采用面向对象的程序设 计语育（VC+6.0）编制而成,窗 【I式设计、用户界而友好动态二冷配水技术实际应用效果开发的动态二冷配水控制系 统在某厂方坯连铸机上已成功上 线应用,实际应用的动态二冷配 水系统弓模刊界面如下图5和图6 所示。为检验动态二冷配水控制系亠!图7动态配水和原配水的水量变化趋势动态配水r原配水图8动态配水（左和原配水（右的纵剖低倍对比统的实际应川效果.在该铸机上 进行动态配水和原配水的对比试 验-试验钢种为45号钢,断面。动态配水与原配水水量变化对比 由于45号钢动态二冷配水 试验为中间包浇注后期.拉速右 校大程度的波动从图7可以看 出.采用原配水时.在拉速波动 的悄况卜

14、'水最也随之剧烈的波 动；而采用动态二冷配水时,在 拉速波动的时候.水鼠的变化是 一个平缓的过程，因此.在拉速 波动（非稳态浇注）的悄况卜动 态二冷配水更符合连铸坯的凝固 传热进程.从而能取得较好的铸 坯质最c铸坯低倍效果检验在相同条件下，取45号钢动 态配水和廉配水的纵剖低倍低 倍结果如图8所示。可以看出, 采用动态二冷配水系 统后.铸坯中心缩孔 出现的几率冇明显的 降低.V型倡析也有 明显改善。连续统讣应用动 态配水的多个生产浇 次儿十炉的横剖低倍 结果，勺原配水对比得到，中心疏松大于（尊于）1级的 比例降低50%以上；缩孔大于（等 于）0.5级的比例降低50%以上， 慕本消除人于

15、1级的缩孔屮心 裂纹与屮间裂纹大于（等于）1级的 比例也村明显降低.基本在0.5级 以内。可以认为，相比原配水系 统，应用动态二冷配水控制系统 后.铸坯的内部质吊得到明显改 善C结论（I）动态二冷配水技术是目前 最为先进的二次冷却技术。它以 动态热跟踪模型和铸坯凝固传热 数学模型为基础.考虑浇铸丁艺 （浇铸温度、拉坯速度等）的实际 变化，能够在非稳态浇铸条件卜. 实时地计算铸坯的温度场,依据 铸坯H标表面温度控制策略以及 铸坯内部质幘控制策略确定;h各 段配水量的设泄值.实现动态控 制目的：.（2）采用动态二冷配水系统 后，铸坯的内部质量得到明显提 高与同一连铸机的原配水系统 相比.铸坯中心疏

16、松、缩孔、中 心偏析、中间裂纹利中心裂纹得 到明显改善,动态二冷配水系统 具右广泛的推广价值。参考文献1 张富强.王久修连伶二次冷却的优化和桂 制鞍制找术1999. (i： 54-582 陈家勲严维嫌.M枫连许二冷配水比例澗 廿控制恢巾优化连饰.2003(3)： 20-233 M传里.義开科事 板坯连怖二冷区传 热过程与控剖.北京科技大学孕报1999. 21(6)： 523-525|4) Kondo O Hamada K Kuribayashi T. New dynamic spray control system for secondary coolin; zone of continuou

17、s casting machine. Steelmaking Conference Proceedings 1993. 6(3)： 309-31415)陈雷.连续传钢.Jtv . fe r业出版甘. 1996： 54作者简介吴华杰男.32岁，安緻黄山 人，博士.助理研究员.北京科技 大学冶金工程研究院，E-mail： whjyeah 主妥从事钢中央 杂拓与析出物研究、连铸质童控制等 方面研究，曾获2小9年全国优秀得士 学位论文提名50 曲4 2010年第5期© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.

18、All rights reserved, 50 曲4 2010年第5期© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 目，2010 年测试表 扳的加热筲殓 目的旳4-2012 China Acad<lectronic Publishing 1 louJc. All rights reserved, http:/测中的应同然后具体描述了表面栓测系统的主要组成部 分.并以热轧帶钢表面栓测系统为例，药单说明了表面栓 :纯主要咬件部分的设计.最后指出了冃前R板表面检

19、 汶技术在玄用中存在的问題，并来测了基于机器視觉的表 面检测技术的发展趙势 （知识园地栏冃.第37页） 高强韧FH460级船板钢组织性能研究船板例FH460畀有高冬初性是未来拆板及海洋平台用钢的 t要组成翕分 本项目组设计升发了 Mn-Nb-Cr-Mo系低合 金高殘初FH460级船诡饷.实脸宣研究了控扎控冷工艺冇关参 敦对产品组织性能的影响 结果表明：通过:合理的控#虽冷工 艺得列什状铁素体和准？边形饮素体的災合组织.这种災合组 畝具有优良的综合力学牲館，可満足F460级船核钢高議初, 性能要求 分析认为：这归因于高密度位憐的细小针状铁索体 和准*边形铁索体的复合组织之间的界面为大角器界.能有

20、效 抑制製纹扩展的烁合机制作用（工艺震备栏冃，第40页）前於热轧双相钢的组织与性能研究双相仮一般用于驚高来度、高的抗碰推吸收能且有一 定成形要丈的汽车念件.如车轮、保险杠、悬挂系统及其加 侵件等 丈章介绍了在实脸宣进行的600 MPa级热札双相钢 的试制研究，以及利用光学显舉镜、扫描电镜和拉伸试脸机 研究工艺多敛对热札双相钢组织和性能的够响 研究结果表 明：在实脸室条件下.通过合理控制冷却工艺可得到室温组 织为決素体+马氏体的热札双相饷，其显緘组织由细小的岛状 马氏体和9边形挾素体组成.马氏体含董约为8.8%.铁素体晶 粒尺寸较为细小.平均挟素体晶粧尺寸为8 jim 试制的双和钢 的力学性能指

21、标达到相关标准.其总服强度为335 MPa.抗拉強 度为63OMPH,延伸率为26.6% （工艺装备栏目，第44页）§ADP?M方坯连铸动态二冷配水系统动态二冷配水4支术是目前最先进的二次冷却控制技术 文幸介绍了以动态热琅踪模理和嚴圉传热数学模型为星础的方 坯动态二冷配水系统的开发和应用。某厂方坯采用动态二冷配 水系统后，铸坯的内部质童得到明显改善.与原配水系统相 比，中心跳松Ml级的比例降低50%以上；缩孔M0.5级的比例 降低50%以上.基本消除1级的缩孔；中心裂纹Ml级与中间 裂纹Ml级的比例也有明显降低 （工艺装备栏目，第47页）先进工艺中厚板轧后控制冷却系统介绍了轧后控冷技术的发展及其作用.指出通过应用轧 后控冷技术.可以细化钢扳晶粒.提高钢扳的强度代替正 火工艺;分析了轧后控冷工艺主耍工艺填數如冷却速度 童及返红温度的控制对于控制冷却系统的影响；对实现轧后 控冷技术关钱部分的控冷设备及其自动化控制系统的主妥构 成及特点进行了详佃介绍.丼灯中厚板轧后控冷技术的未来 发展趟势进行了展玺（工乙爰佥栏目.第57页）自曲拎制宽帝钢热轧二级控制系统近10年来中国常规寬帯例热连轧项目的自动化控制系统 国严化得列了校快发展.北京科技大学自主开发的热连札二 级牡创系统已经在*条新建或改造的生产线上得到了成功应 用 本文