一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法
2023-08-07 07:02:46
專利名稱：一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法
技術領域：
本發明涉及一種連鑄坯凝固過程溫度控制冷卻方法，主要應用於鋼液的連鑄冷卻過 程，也能用於有色金屬的連鑄冷卻過程。應用此種連鑄的工藝冷卻控制方法能夠通過對鑄 坯中凝固殼的溫度變化特別是表面溫度的變化進行最優調節和控制，制定合理的鋼的連鑄 結晶器和二次冷卻制度，對提高連鑄坯的質量、減少裂紋缺陷特別是矯直表面橫裂紋等具 有重要意義。
背景技術：
近年來，我國的連續鑄鋼生產繼續保持快速發展的態勢，2007年鑄坯產量達到47430 萬噸，鋼鐵工業連鑄比達到98.86%，連鑄技術的發展促進了我國鋼鐵生產流程的進一步優 化。由於連鑄坯的質量對最終鋼產品質量有重要的影響，因此如何更好的控制和提高鑄坯 質量一直是國內外冶金工作者研究的熱點。在連鑄技術發展過程中，凝固坯殼產生裂紋是 提高鑄坯質量的主要障礙。有關統計表明，在鑄坯的各類缺陷中，裂紋缺陷所佔的比例在 50%以上；並且裂紋也是連鑄生產過程中最難解決的質量問題之一。生產實踐表明，連鑄 坯的裂紋缺陷可能在鑄機的不同區域裡產生，且裂紋形狀各異，產生的原因也極其複雜， 受設備、工藝等多方面因素的影響。
為了保證鑄坯質量，充分控制鑄坯溫度特別是表面溫度，防止產生裂紋缺陷，二冷配 水優化與控制模型成為改善鑄坯質量和提高產量的主要研究手段。目前，對連鑄坯凝固過 程溫度(特別是表面溫度)和質量控制的冷卻方法主要有靜態控制模型和動態控制模型。
靜態控制模型主要包括三種控制方法水錶控制法、比例控制法和二次曲線控制法。 水錶控制法中，二冷各段水量與拉速的關係是由不同的拉速點對應的水量來表示的，沒有 採用公式法，其二冷配水隨拉速的變化是間斷或跳躍變化的。比例控制法，即採用比水量 的方法，由2 =《卩(0為噴水量，K為係數，v為拉速)確定各冷卻段的冷卻水量，二冷各
3段水量與拉速的關係為線性關係。二次曲線控制法根據不同鋼種，按g:^W+Br+c(Q
為噴水量，A、 B、 C為控制參數，v為拉速)一元二次方程進行配水，其控制思路是制定出 適合於生產鋼種的目標表面溫度曲線，離線仿真找出鑄坯表面溫度符合目標溫度時各冷卻 循環水路的控制參數，澆注時選取對應鋼種的控制參數，根據拉速配置各迴路的冷卻水量。
然而，無論採用那一種控制方法，靜態控制模型都存在兩個最大的缺點①各冷卻段的配
水量只隨拉坯速度而變化，沒有考慮不同連鑄凝固行為(不同冷卻速率和回溫速率)對鋼種
二冷低延性區域溫度範圍(裂紋敏感溫度範圍)的影響；②對生產條件應變的能力較差，當 拉速突然變化時，二冷配水也突然改變，引起鑄坯表面溫度波動較大，容易產生裂紋缺陷。
動態控制模型是目前冶金工作者致力研究的方向，其二冷配水不僅與拉速有關，而且 與澆注溫度、鑄坯尺寸等工藝參數的變化有關。建立控制模型時，需要考慮整個生產過程 工藝參數的變化，每隔t秒計算一次鑄坯表面溫度並與目標表面溫度作比較，根據比較的 差值在線調整各段冷卻水量，使鑄坯實際表面溫度能夠充分接近目標表面溫度，以獲得良 好的鑄坯質量。動態控制模型在生產應用時需要解決兩個關鍵問題， 一是目標表面溫度的 確定，二是模型計算速度。目標表面溫度通常根據鋼種的高溫延性特性(如避開二冷低延 性區等)以及考慮二冷配水的諸要素而定出，然後通過生產實踐進一步修正和完善。但由 於沒有充分考慮鋼種高溫延性(二冷低延性區域溫度範圍)與不同連鑄凝固行為(不同冷卻 速率和回溫速率)之間的關係，目標表面溫度的確定不夠合理，不能滿足實際生產的要求。
為了避免裂紋的產生，靜態控制模型和動態控制模型在二冷配水時均應滿足以下鑄坯 凝固冷卻冶金準則①沿拉坯方向，鑄坯表面溫度冷卻速率小於200°C/m、回溫速率小於 10(TC/m;②鑄坯進入彎曲段和矯直段的表面溫度應避開700-90(TC左右的脆性敏感區。顯 然，以上兩條冶金準則存在一定缺陷，即沒有充分考慮不同冷卻速率和回溫速率對鋼種二 冷低延性區域溫度範圍(奧氏體轉變溫度範圍)的影響。如對於某鋼種連鑄坯，在冷卻速率 為5。C/min條件下，冷卻奧氏體轉變溫度範圍為642-779°C;在冷卻速率為10。C/min條件 下，冷卻奧氏體轉變溫度範圍為645-798°C。這說明對於同一鋼種或鋼種大類，冷卻速率 和回溫速率不同，其二冷低延性區域溫度範圍是移動的。在實際生產中，凝固坯殼的不同 部位具有不同的冷卻速率和回溫速率，或凝固坯殼的同一部位在不同時刻也具有不同的冷
卻速率和回溫速率。因此，在凝固坯殼的不同部位或凝固冷卻的不同時刻，二冷低延性區域的溫度範圍是變化的，即鋼種的裂紋敏感溫度範圍是變化的。因此，根據固定的二冷低 延性區域溫度範圍制定冷卻配水冶金準則，顯然不夠合理。
發明內容
針對現有連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法存在的上述不足，本發明的目的是 提供一種新的連鑄坯凝固過程溫度控制冷卻方法，本方法能夠確定合理的目標表面溫度曲 線，在線調節和控制各冷卻段冷卻水量以達到控制坯殼溫度變化特別是表面溫度變化的目 的，避免因二冷低延性區域溫度範圍移動引起的裂紋缺陷。本發明可運用於靜態控制模型 和動態控制模型中。
本發明的目的是這樣實現的 一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法，其特徵 在於它包括如下步驟
(1) 通過實驗確定不同鋼種凝固坯殼的不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍 的定量關係，據此修正二冷配水冶金準則特別是鑄坯表面溫度控制準則；
(2) 充分考慮鋼種高溫延性特性(二冷低延性區域溫度範圍)受不同連鑄凝固行為的影 響，確定鋼種的合理的目標表面溫度曲線；
(3) 在靜態控制模型中，採用修正的配水冶金準則和具體鋼種的合理的目標表面溫度 曲線完善模型，通過離線仿真找出鑄坯表面溫度符合目標溫度時各冷卻循環水路的控制參 數，再根據拉速在線配置各迴路的冷卻水量，使鑄坯表面溫度充分接近目標表面溫度；
(4) 在動態控制模型中加入不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍定量關係的 數據模塊，通過在線仿真計算獲得鑄坯具體的連鑄凝固行為，由此獲得實時的鑄坯二冷低 延性區域溫度範圍，根據實時的二冷低延性區域溫度範圍在線調節和控制各冷卻段冷卻水 量以達到控制鑄坯表面溫度變化的目的，使鑄坯表面溫度避開實際鑄坯二冷低延性區域溫 度範圍並充分接近目標表面溫度。
所述步驟(l)是對不同的具體鋼種或鋼種大類，通過仿真計算獲得其在實際生產中鑄 坯凝固殼的溫度下降速率和溫度回升速率，據此制定模擬連鑄冷卻過程的熱膨脹性能測試 實驗，獲得不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係。
相比現有技術，本發明在靜態控制模型中，採用修正的配水冶金準則和具體鋼種的合理的目標表面溫度曲線完善模型，使鑄坯溫度(特別是表面溫度)和質量得到最優控制；在 動態控制模型中，增加不同連鑄凝固行為與奧氏體轉變溫度範圍(二冷低延性區域溫度範 圍)定量關係的數據模塊，根據不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係 確定合理的目標表面溫度曲線，充分考慮各冷卻段冷卻水量與不同連鑄凝固行為下鑄坯裂 紋敏感溫度範圍變化的關係進行在線配水，可對坯殼溫度變化特別是表面溫度變化進行最 優調節和控制，避免因二冷低延性區(奧氏體轉變溫度區間)移動引起的裂紋缺陷。
圖i-升溫到125crc再降溫某鑄坯試樣熱膨脹(試樣的相對伸長量^:/i:。)與溫度的變
化關係(升降溫速度為5TVmin);
圖2-升溫到1250。C再降溫同樣鑄坯試樣熱膨脹(試樣的相對伸長量d丄/Z。)與溫度的 變化關係(升降溫速度為1(TC/min)。
具體實施例方式
以下結合實例詳細介紹本發明。
連鑄冷卻配水與鑄坯質量、裂紋缺陷的產生密切相關，通過鑄坯表面溫度控制各冷卻 段冷卻水量是目前連鑄冷卻的主要控制方式。為了充分考慮各冷卻段冷卻水量與不同連鑄 凝固行為下(即不同冷卻速率和回溫速率)鑄坯裂紋敏感溫度範圍變化的關係進行在線配 水，達到合理調節和控制鑄坯溫度變化特別是表面溫度變化的目的，本發明主要包括如下 步驟
(1)通過實驗確定不同鋼種(連鑄坯)凝固坯殼的溫度變化速率與奧氏體轉變溫度範圍 (二冷低延性區域溫度範圍)的定量關係。不同的鋼種或鋼種大類，其奧氏體轉變溫度範圍 是不同的。同一鋼種或鋼種大類，冷卻速率和回溫速率不同，其奧氏體轉變溫度範圍是移 動的。對於某一具體的鋼種，通過仿真計算獲得其在實際生產中鑄坯凝固殼的溫度下降速 率和溫度回升速率，據此制定模擬連鑄冷卻過程的熱膨脹性能測試實驗，獲得不同連鑄凝 固行為與奧氏體轉變(主要是冷卻奧氏體轉變)溫度範圍的定量關係。圖1和圖2為兩個不
同升溫和降溫速率條件下測試獲得的某具體鋼種連鑄坯的熱膨脹曲線。
6由圖1和圖2可以看出，升溫和降溫速率不同，同一鋼種連鑄坯的奧氏體轉變溫度點 和轉變溫度範圍(二冷低延性區域溫度範圍)均發生了改變。此外，我們通過大量連鑄坯熱 膨脹性能的測試實驗證明，不同的鋼種或鋼種大類，在相同測試條件下，其奧氏體轉變溫 度範圍是不同的。這說明，對於不同的鋼種(連鑄坯)，其連鑄凝固行為與奧氏體轉變(主 要是冷卻奧氏體轉變)溫度範圍的定量關係也是不相同的。
(2) 根據不同連鑄凝固行為與奧氏體轉變溫度範圍(二冷低延性區域溫度範圍)的定量
關係，修正二冷配水冶金準則特別是鑄坯表面溫度控制準則(即表面溫度避開裂紋敏感溫 度範圍，在不同冷卻段具有不同的裂紋敏感溫度範圍，而原來裂紋敏感溫度範圍各段是一 致的固定的)並確定合理的目標表面溫度曲線。合理的目標表面溫度曲線的確定跟現有方 法類似，即根據鋼種的高溫延性特性(避開二冷低延性區)，並考慮二冷配水的實際情況以 使鑄坯能夠平穩地降溫而定出，但需要充分考慮鋼種高溫延性特性隨不同連鑄凝固行為發 生移動的影響。
(3) 在靜態控制模型中，採用修正的配水冶金準則和具體鋼種的合理的目標表面溫度 曲線完善模型，通過離線仿真找出鑄坯表面溫度符合目標溫度時各冷卻循環水路的控制參 數，再根據拉速在線配置各迴路的冷卻水量，使鑄坯表面溫度充分接近目標表面溫度。
(4) 在動態控制模型中加入不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍定量關係的 數據模塊，通過在線仿真計算獲得鑄坯不同部位或同一部位不同時刻的溫度變化情況(鑄 坯具體的連鑄凝固行為)，根據上述數據模塊可以獲得實時的鑄坯二冷低延性區域溫度範 圍，根據實時的二冷低延性區域溫度範圍在線調節和控制各冷卻段冷卻水量以達到控制坯 殼溫度變化特別是表面溫度變化的目的，使鑄坯表面溫度避開實際鑄坯二冷低延性區域溫 度範圍並充分接近目標表面溫度。
具體處理時，特別考慮矯直區域和頂彎區域的冷卻水量以實現溫度和質量的有效控制， 因為這兩個區域是外力作用較為複雜且裂紋容易發生的地方。
矯直區域在靜態控制模型中，基於鋼種奧氏體轉變溫度範圍與不同連鑄凝固行為的 定量關係，修正矯直區域鑄坯表面溫度控制準則，調節和控制矯直區域冷卻水量。在動態 控制模型中，加入不同連鑄凝固行為與奧氏體轉變溫度範圍(二冷低延性區域溫度範圍)定 量關係的數據模塊，在線仿真計算獲得鑄坯進入矯直區域的鑄坯溫度變化特別是表面溫度
7變化情況，獲得實時的鑄坯二冷低延性溫度範圍(裂紋敏感溫度範圍)，及時調節和控制冷 卻水量以實現對冷卻速率的控制，使鑄坯表面溫度避開實際裂紋敏感溫度範圍。
頂彎區域對於直弧形鑄機，借用矯直區域冶金準則，制定頂彎區域鑄坯表面溫度控 制準則。與矯直區域相比，鑄坯在頂彎區域的冷卻速率較大，凝固坯殼較薄，鋼液所佔體 積較大，溫度回升速率也較大，鑄坯抵抗外力的能力較差。在靜態控制模型中，根據頂彎 區域鑄坯凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係，制定頂彎區域鑄坯表面溫度控 制準則，調節和控制冷卻水量；在動態控制模型中，在線仿真計算獲得頂彎區域鑄坯溫度 變化特別是表面溫度變化的情況，獲得實時的鑄坯二冷低延性溫度範圍，及時調節和控制 冷卻水量以實現對冷卻速率的控制，使凝固坯殼溫度控制在鋼種延性較好的溫度範圍。
此外，在實際生產中，凝固坯殼的不同部位具有不同的冷卻速率和回溫速率，或凝固 坯殼的同一部位在不同時刻也具有不同的冷卻速率和回溫速率。因此，在凝固坯殼的不同 部位或凝固冷卻的不同時刻，二冷低延性區域溫度範圍是變化的，即鋼種的裂紋敏感溫度 範圍是變化的。根據不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係確定具體鋼 種(連鑄坯)合理的目標表面溫度曲線，完善靜態控制模型和動態控制模型，並通過仿真計 算判定熱應力(鑄坯凝固收縮引起)和機械應力(拉坯力、頂彎力和矯直力)較大位置處凝固 坯殼中容易產生裂紋的部位，通過調節和控制這些裂紋敏感部位的冷卻水量和調整鑄坯橫 向噴嘴的布置等來實現控制冷卻速率的目的，避免產生裂紋缺陷。
本發明主要應用於鋼液的連鑄冷卻過程，也能用於有色金屬的連鑄冷卻過程。本發明 通過對不同升溫和降溫速率條件下鋼種(連鑄坯)熱膨脹性能進行測試研究，獲得不同連鑄 凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍(奧氏體轉變溫度區間)的定量關係，用於修正二冷配 水冶金準則和確定合理的目標表面溫度曲線，完善靜態控制模型和動態控制模型。在動態 控制模型中加入不同連鑄凝固行為與奧氏體轉變溫度範圍(二冷低延性區域溫度範圍)定 量關係的數據模塊，進一步完善並藉助二冷動態控制模型在線仿真計算獲得鑄坯不同部位 或同一部位不同時刻的溫度變化情況和實時的鑄坯二冷低延性溫度範圍(裂紋敏感溫度範 圍)，在線調節和控制各冷卻段冷卻水量以達到控制坯殼溫度變化特別是表面溫度變化的 目的，對鑄坯溫度變化特別是表面溫度變化進行最優調節和控制，使鑄坯溫度特別是表面 溫度避開實際裂紋敏感溫度範圍。本發明可在各種類型連鑄機上在線應用。
權利要求
1、一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法，其特徵在於它包括如下步驟(1)通過實驗確定不同鋼種凝固坯殼的不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係，據此修正二冷配水冶金準則特別是鑄坯表面溫度控制準則；(2)充分考慮鋼種二冷低延性區域溫度範圍受不同連鑄凝固行為的影響，確定鋼種的合理的目標表面溫度曲線；(3)在動態控制模型中加入不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍定量關係的數據模塊，通過在線仿真計算獲得鑄坯具體的連鑄凝固行為，由此獲得實時的鑄坯二冷低延性區域溫度範圍，根據實時的二冷低延性區域溫度範圍在線調節和控制各冷卻段冷卻水量以達到控制鑄坯表面溫度變化的目的，使鑄坯表面溫度避開實際鑄坯二冷低延性區域溫度範圍並充分接近目標表面溫度。
2、 一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法，其特徵在於它包括如下步驟(1) 通過實驗確定不同鋼種凝固坯殼的不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係，據此修正二冷配水冶金準則特別是鑄坯表面溫度控制準則；(2) 充分考慮鋼種二冷低延性區域溫度範圍受不同連鑄凝固行為的影響，確定鋼種的合理的目標表面溫度曲線；(3) 在靜態控制模型中，採用修正的配水冶金準則和具體鋼種的合理的目標表面溫度曲線完善模型，通過離線仿真找出鑄坯表面溫度符合目標溫度時各冷卻循環水路的控制參數，再根據拉速在線配置各迴路的冷卻水量，使鑄坯表面溫度充分接近目標表面溫度。
3、 根據權利要求1或2所述的連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法，其特徵在於所述步驟(l)是對不同的具體鋼種或鋼種大類，通過仿真計算獲得其在實際生產中鑄坯凝固殼的溫度下降速率和溫度回升速率，據此制定模擬連鑄冷卻過程的熱膨脹性能測試實驗，獲得不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係。
全文摘要
本發明涉及一種連鑄坯凝固過程溫度和質量控制冷卻方法，首先通過實驗確定不同鋼種凝固坯殼的不同連鑄凝固行為與二冷低延性區域溫度範圍的定量關係，用於修正二冷配水冶金準則和確定合理的目標表面溫度曲線，完善靜態控制模型和動態控制模型，使鑄坯表面溫度避開移動的鑄坯二冷低延性區域溫度範圍並充分接近目標表面溫度。本發明可對坯殼溫度變化特別是表面溫度變化進行最優調節和控制，避免因二冷低延性區(奧氏體轉變溫度區間)移動引起的裂紋缺陷。
文檔編號B22D11/16GK101474666SQ200910103080
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者宋立偉, 琪 廖, 健 張, 畢豔豔, 王啟明, 王水根, 巖 趙, 陳登福, 高興健, 龍木軍 申請人:重慶大學