肖蓬勃3 - 用于合并

《肖蓬勃3 - 用于合并》由会员分享，可在线阅读，更多相关《肖蓬勃3 - 用于合并（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、A板坯连铸表面目标温度值二冷动态控制大连重工起重集团有限公司设计研究院 王叶婷 清 华 大 学 机 械 系 孙 猛A 此文章下载于太原科技大学图书馆摘 要：详细阐述了 180mm、200mm1100mm 双流 板坯铸机表面目标温度值二冷动态控制的原理、遵循的 原则及表面目标温度值的确定，探讨了二冷动态控制系 统的开发，为今后新建与改造连铸机提供了完整的控制 技术。 关键词：双流板坯连铸；二冷动态控制系统；表面目标 温度值；二冷冶金原则；钢种高温力学性能1概述近年，我公司与清华大学合作，为德龙钢铁有 限公司 2#双流板坯铸机提供了二冷动态控制系统 VisualCast，即表面目标温度值动态控制系

2、统。 VisualCast 控制系统首先根据铸机特性、生产 钢种的高温力学特性和二冷冶金原则制定二冷区 各段的铸坯表面目标温度值；连铸生产中根据钢 种、铸坯断面尺寸、中间包钢水温度、拉坯速度、结 晶器传热、二冷水量等参数的变化，应用铸坯传热 凝固数学模型，每隔一个时间段，在线计算一次二 冷各段的铸坯表面温度；用计算得到的铸坯实际表 面温度与预先设定的铸坯表面目标温度值进行对 比，根据与设定的目标值的差值结果，动态地改变 二冷各区各回路的冷却水量，使铸坯的实际表面温 度与目标表面温度相吻合，从而维持铸坯表面温度 的合理性与均匀性，提高铸坯质量。该过程称为在 线动态配水，属于二级配水技术，是现代连

3、铸核心 技术。文章针对该技术所做的研究和实践进行总结 介绍。2典型钢种表面目标温度值的确定铸坯表面目标温度是指特定的铸机、特定的钢 种，在一定拉速下的铸坯表面最佳的温度分布。目 标温度与铸机结构、二冷区冶金原则及钢种的高温 力学性能密切相关。合理的表面目标温度，应满足所浇铸钢种在目标浇铸温度和常用工作拉速时的 表面温度变化规律。能够减少铸坯表面裂纹，改善 铸坯内部裂纹和中心偏析，提高铸坯质量，对实际 生产中二冷制度的制定和二冷动态控制具有重要 的意义。2.1铸机特性180mm、200mm1100mm 板坯连铸机在满足用 户要求的生产钢种、产品规格及年产量等基本工艺 参数前提下进行总体设计，确定

4、铸机机型和铸机基 本弧半径、辊列等参数，划分二次冷却区。板坯连铸 机辊列如图 1 所示。图 1 该板坯连铸机二次冷却区共分为 8 个区 14 条 回路，具体划分详见表 1。基于铸机结构和二冷冶金 原则制定合理的表面目标温度，只需确定沿拉坯方 向若干个控制点的目标温度。每个回路设置一个目 标温度点，目标温度点选择在各个二次冷却区的终 点位置处，共 8 个点。每条回路均设有电磁流量计和 气动调节阀分别检测和控制水流量。电磁流量计检 测各回路冷却水的实际流量，并将流量信号变送至 上位机 PLC；通过 PID 算法动态得出达到目标温度 时各个回路所需的实际水量。气动调节阀根据上位机 PLC 的指令调节

5、各回路气动阀的开启度，进而调 节各回路的冷却水流量。2.2二冷冶金原则连铸二冷区二冷配水制度的制定必须满足以下 基本原则： (1)铸坯完全凝固点距离定尺切割点至少 2 米。 (2)矫直区矫直点处铸坯表面温度应控制在图 1 板坯连铸机辊列 -1-表 1 二次冷却区及回路900以上；避开低延性区温度，以免矫直时铸坯表 面产生横向裂纹。 (3)铸坯运行方向表面温度回升控制在 100/m。 表面温度的过度回升会在凝固前沿产生过大的张 应力，应力超过凝固前沿的断裂强度将产生内部裂 纹。铸坯接近凝固完毕时，过大的温度回升会产生 中心偏析和中心裂纹。 (4)铸坯运行方向表面冷却速度控制在 150/m 以下。

6、表面快速冷却会使铸坯表面处于张应力状 态，从而可能扩大已形成的裂纹，并在表面温度处 于低延性区域时产生新的裂纹。 (5)结晶器出口处铸坯凝固壳厚度保证在 8 15mm 左右，以避免发生漏钢事故。 (6)二冷区铸坯表面温度波动范围在 8501150范围内，波动范围越小越好，最好保持稳定。2.3钢种的高温力学性能钢种的高温力学性能是制定铸坯在二冷各区 的表面目标温度的基本依据，由于各钢铁企业对相 同钢种化学成分的控制范围有所不同，钢种的高温 力学性能一般通过高温力学实验的方法得到。不同 钢种按照高温力学实验的要求做出试样，对试样与 铸坯关系、试样在铸坯上的取样位置以及试样的尺 寸数量等均有严格的要

7、求。同时要求取试样的铸坯 的工艺条件包括钢种成分、拉速及浇注温度等都要 做详细记录。 将德龙钢铁公司经常生产的钢种 08Al、 12MnCuCr、20MnSi、X60、Q195、Q215、Q235 和 45# 号钢，按照清华大学计算机辅助铸造实验室 Gleeble 拉伸实验试样要求做出连铸坯试样。结合实际连铸 工艺特点，将连铸坯试样置于 Gleeble 实验机上在 不同温度下进行拉伸实验，如图 2、图 3 所示。通过 Gleeble 高温力学性能实验，测定钢种在 不同温度下的断面收缩率和拉伸强度，得出不同钢 种的高温热塑性曲线，即铸坯断面收缩率温度关系曲线。通过处理和分析实验数据结果，确定钢种

8、 的高温力学性能，为制定不同钢种的目标温度值提 供依据。表 2 为通过高温力学性能试验及二冷的冶 金原则制定的德龙钢铁公司经常生产的八个典型 钢种的表面目标温度值。 通过该组表面目标温度，就可以控制不同拉速 下铸坯表面温度达到该目标温度时的合理冷却水分布和冷却水量。3二冷动态凝固-传热数学模型的建立表面目标温度值二冷水动态控制的方法有两 种：一是基于实测铸坯表面温度的动态控制；二是 图 4 二维凝固传热方程计算区域 表 2 典型钢种的表面目标温度单位： 基于铸坯凝固过程数学模型的动态控制。 由于连铸生产中二冷水蒸汽及铸坯表面氧化铁 皮等因素的影响，难以准确检测铸坯在冷却过程中 的表面温度。因此

9、，很难根据实测铸坯表面温度来 控 制二冷水量。 基于铸坯凝固过程数学模型的动态控制方法则 避开直接测量铸坯的表面温度，而改用数学模型来 计算。建立铸坯凝固过程数学模型，使其能模拟计 算 铸坯温度场分布、坯壳厚度和液相穴位置等重要物 理量。再根据计算出的铸坯表面温度同二冷各回路 设定的表面目标温度相对比，进而来调节冷却水量。 显然，该控制方法的成功与否取决于模型计算结果 能否真实地反映铸坯的实际表面温度及其变化规律以及二冷各回路目标温度的确定。3.1二维传热数学模型基本假设连铸二冷动态模拟仿真控制系统中，铸坯凝固 传热过程的数学模型包含以下基本假设： (1)对于铸坯宽度远大于铸坯厚度的板坯，考虑

10、 板坯厚度方向 x 和拉坯方向 z 的传热，忽略铸坯宽度方向 y 的传热，即二维传热； (2)忽略由于铸坯凝固冷却收缩引起的铸坯尺 寸的变化； (3)假设钢液的对流传热可用等效增强导热系 数处理。3.2计算区域二维非稳态凝固传热方程的计算区域如图 4 所示。在铸坯中心面上取厚度方向平面的一半，可 通过铸坯的对称关系推算铸坯厚度方向另一半的 情况。该处理方法目的是简化计算并缩短计算时 间。计算区域从结晶器内钢水弯月面开始到二冷段结束。3.3凝固传热过程的能量守恒方程式连铸坯凝固传热过程的能量守恒方程式为：方程（1）左边的第一项是时间项，表示瞬态传热 效应，第二项表示随连铸拉坯速度传输下来的热量；

11、 方程右侧第一项是 x 方向（厚度方向）的热量传输， 第二项是 z 方向（拉坯方向）的热量传输，第三项为 凝固潜热。式（1）（4）中：V拉坯速度，m/s；s固相密度，kg/m3； 1液相密度，kg/m3； C定压比热，J/(kgK)； Cps固相定压比热，J/(kgK)； Cpl液相定压比热，J/(kgK)； T温度，单位 K； k有效导热系数，W/(mK)； ks固相导热系数，W/(mK)； k1液相导热系数，W/(mK)； S内热源，W/m3； 固相分数； 导热增强因数； 时间，s；S凝固潜热，J/kg。3.4初始条件在连铸工艺参数保持不变的情况下，二冷动态 模拟仿真系统在各时间步长内计算

12、结果保持不变，在这个相对稳定条件下的铸坯温度、反应凝固状态 的固相分数分布即为动态模拟的初始条件。当工艺 参数突然发生改变时，二冷动态模拟仿真系统将实 时计算铸坯温度分布。3.5边界条件铸坯在整个凝固传热过程中，要依次经过结晶 器、二次冷却区及空冷区。在温度场的求解过程中， 结晶器内温度场求解采用第二类边界条件，二次冷 却区和空冷区采用第三类边界条件。 二维动态凝固传热数学模型的计算区域是一 个二维平面，外部边界是铸坯内弧面的中心线，内部 边界是铸坯中心。二冷区复杂的换热方式通过综合 换热系数体现出来。综合换热系数考虑二冷区的四 种传热方式：铸坯与支撑导向辊子间的接触传热；铸 坯表面与周围环境

13、间的自然对流传热；铸坯表面的 辐射传热；铸坯表面与冷却水雾间的强制对流传热。 二维模型对二冷喷嘴形状、水流密度等的差异进行 等效处理，将两个辊子间的区域按照平均水流密度 处理。综合传热系数表达式为： h= hg Ag+hd Ad+h fAf+hpAp A （5） 式中：hg铸坯与支撑导向辊子间的接触传热，W/m2； hd铸坯表面与周围环境的自然对流传热， W/m2；hf铸坯表面的辐射传热，W/m2； hp铸坯表面与冷却水雾间的强制对流传热， W/m2； Ag、Ad、Af、Ap 分别表示四种传热方式在铸坯表 面的有效区域，m2。3.6结晶器段热流处理结晶器内的边界条件可以用第二类边界条件来 描述

14、。根据二冷区的凝固冷却特征，对于结晶器内的 边界条件做了适当的简化。首先通过热流式计算结 晶器传热的平均热流密度 q。q=wCwW(T0-Ti)/S（6） 式中：q结晶器平均热流密度，W/m2； w结晶器冷却水密度，g/cm3； Cw结晶器冷却水比热，J/(gK)；W结晶器冷却水流量，cm3/s； T0结晶器出水温度，K； Ti结晶器进水温度，K； S铸坯与结晶器的接触面积，cm2。 根据连铸工艺，沿拉坯方向 z 将结晶器内宽窄 两个面的热流密度 q 设置为与弯月面距离相关的函 数，从而区分宽窄面的热流密度。如下式： q=2675200-B6 0z v 姨 （7） 式中：q结晶器热流密度，W/

15、m2； B与结晶器冷却强度有关的系数，由结晶器 内能量守恒积分求得；z到结晶器液面的距离，m； v拉坯速度，m/s。3.7凝固潜热的处理由于金属液相内能 EL 大于固相内能 ES，因此当 铸坯凝固由液相变为固相时，必然要产生内能变化 LELES，这个内能的变化量 L 就成为凝固潜热。连 铸坯在结晶过程中要不断放出结晶潜热。因此，在连 铸过程中，可将由固相率的增加所释放的潜热看作 相当于散失的热量，这样就可以大大降低凝固过程 数值求解的难度。 -4-实际处理潜热问题中，在明确了固相分数和温 度的关系后，要考虑潜热释放后的热能守恒，处理 潜热释放的方法主要有：等价比热法；温度回升法。 本程序中使用

16、前者处理凝固潜热，凝固潜热按照固 相析出率释放。固相分数随温度的变化按照非线性 处理。固液两相区等价比热 C 计算如下： c=cp+ L TL-TS （8） 式中:L凝固潜热，J/kg； TL液相线温度，； TS固相线温度，； cp固相或液相比热。 偏微分方程加上边界条件，就构成了连铸板坯 二维传热数学模型。二维传热数学模型是微分方程，不能得到它们的解析解。所以，通常都化为差分 方程，采用数值方法即有限元法和有限差分法求 解，以满足实际中的需要。4二冷动态控制算法对于连铸坯二次冷却的控制，常规的控制方法 是通过单独控制二冷区各冷却回路水量而达到稳 定铸坯表面温度和提高铸坯质量的目的，相应的控 制方案也因生产条件的不同而有所区别。VisualCast 板坯连铸二冷动态仿真控制系统包括动态分析模 块和动态控制模块。4.1二冷动态分析模块在二冷动态分析模块中，瞬态的拉坯速度、水 流速率、浇铸温度、二冷水温度及环境温度都作为 已知的模型输入信