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2010年第3期 重工與起重技術(shù) No.3 2010總第27期 HEAVY INDUSTRIALHOISTING MACHINTRY Serial Serial No.27板坯連鑄表面目標(biāo)溫度值二冷動(dòng)態(tài)控制大連重工起重集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院 王葉婷清華大學(xué)機(jī)械系 孫猛摘要:詳細(xì)闡述了180mm,200mm1100mm雙流板坯鑄機(jī)表而目標(biāo)溫度值二冷動(dòng)態(tài)控制的原理、遵循的原則及表而目標(biāo)溫度值的確定，探討了二冷動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，為今后新建與改造連鑄機(jī)提供了完整的控制技術(shù)。關(guān)鍵詞:雙流板坯連鑄;二冷動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng);表而目標(biāo)溫度值;二冷冶金原則;鋼種高溫力學(xué)性能。1. 概述近年，我公司與清華大學(xué)合作，為德龍鋼鐵有限公司2雙流板坯鑄機(jī)提供了一冷動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)VisualCast，即表面目標(biāo)溫度值動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。VisualCast控制系統(tǒng)首先根據(jù)鑄機(jī)特性、生產(chǎn)鋼種的高溫力學(xué)特性和一冷冶金原則制定一冷區(qū) 各段的鑄坯表面目標(biāo)溫度值;連鑄生產(chǎn)中根據(jù)鋼種、鑄坯斷面尺寸、中間包鋼水溫度、拉坯速度、結(jié)品器傳熱、一冷水量等參數(shù)的變化，應(yīng)用鑄坯傳熱凝固數(shù)學(xué)模型，每隔一個(gè)時(shí)間段，在線計(jì)算一次一冷各段的鑄坯表面溫度;用計(jì)算得到的鑄坯實(shí)際表面溫度與預(yù)先設(shè)定的鑄坯表面目標(biāo)溫度值進(jìn)對(duì)比，根據(jù)與設(shè)定的目標(biāo)值的差值結(jié)果，動(dòng)態(tài)地改變一冷各回路的冷卻水量，使鑄坯的實(shí)際表面溫度與目標(biāo)表面溫度相吻合，從而維持鑄坯表面溫度的合理性與均勻性，提高鑄坯質(zhì)量。該過(guò)程稱為在線動(dòng)態(tài)配水，屬于一級(jí)配水技術(shù)，是現(xiàn)代連鑄核心技術(shù)。文章針對(duì)該技術(shù)所做的研究和實(shí)進(jìn)行總結(jié)介紹。2. 典型鋼種表面目標(biāo)溫度值的確定鑄坯表面目標(biāo)溫度是指特定的鑄機(jī)、特定的鋼種，在一定拉速下的鑄坯表面最佳的溫度分布。目標(biāo)溫度與鑄機(jī)結(jié)構(gòu)、一冷區(qū)冶金原則及鋼種的高溫力學(xué)性能密切相關(guān)。合理的表面目標(biāo)溫度，應(yīng)滿足所澆鑄鋼種在目標(biāo)澆鑄溫度和常用工作拉速時(shí)的表面溫度變化規(guī)律。能夠減少鑄坯表面裂紋，改善鑄坯內(nèi)部裂紋和中心偏析，提高鑄坯質(zhì)量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中二冷制度的制定和二冷動(dòng)態(tài)控制具有重要的意義。a. 鑄機(jī)特性180mm , 200mm x 1100mm板坯連鑄機(jī)在滿足用戶要求的生產(chǎn)鋼種、產(chǎn)品規(guī)格及年產(chǎn)量等基本工藝參數(shù)前提下進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定鑄機(jī)機(jī)型和鑄機(jī)基本弧半徑、輥列等參數(shù)，劃分一次冷卻區(qū)。板坯連鑄機(jī)輥列如圖1所示。該板坯連鑄機(jī)_次冷卻區(qū)共分為8個(gè)區(qū)14條回路，具體劃分詳見(jiàn)表1?；阼T機(jī)結(jié)構(gòu)和一冷冶金原則制定合理的表面目標(biāo)溫度，只需確定沿拉坯方向若干個(gè)控制點(diǎn)的目標(biāo)溫度。每個(gè)回路設(shè)置一個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)，目標(biāo)溫度點(diǎn)選擇在各個(gè)一次冷卻區(qū)的終點(diǎn)位置處，共8個(gè)點(diǎn)。每條回路均設(shè)有電磁流量計(jì)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥分別檢測(cè)和控制水流量。電磁流量計(jì)檢測(cè)各回路冷卻水的實(shí)際流量，并將流量信號(hào)變送至上位機(jī)PLC;通過(guò)PID算法動(dòng)態(tài)得出達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)各個(gè)回路所需的實(shí)際水量。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)上位機(jī)PLC的指令調(diào)節(jié)各回路氣動(dòng)閥的開(kāi)啟度，進(jìn)而調(diào)節(jié)各回路的冷卻水流量。2.2. 二冷冶金原則連鑄一冷區(qū)一冷配水制度的制定必須滿足以下基本原則:（1） 鑄坯完全凝固點(diǎn)距離定尺切割點(diǎn)至少2米。（2） 矯直區(qū)矯直點(diǎn)處鑄坯表面溫度應(yīng)控制在900以上;避開(kāi)低延性區(qū)溫度，以免矯直時(shí)鑄坯表面產(chǎn)生橫向裂紋。（3） 鑄坯運(yùn)行方向表面I度回升控制在100/m表面溫度的過(guò)度回升會(huì)在凝固前沿產(chǎn)生過(guò)大的張應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)凝固前沿的斷裂強(qiáng)度將產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。鑄坯接近凝固完畢時(shí)，過(guò)大的溫度回升會(huì)產(chǎn)生中心偏析和中心裂紋。（4） 鑄坯運(yùn)行方向表面冷卻速度控制在150/m以下。表面快速冷卻會(huì)使鑄坯表面處于張應(yīng)力狀態(tài)，從而可能擴(kuò)大己形成的裂紋，并在表面溫度處于低延性區(qū)域時(shí)產(chǎn)生新的裂紋。（5） 結(jié)品器出日處鑄坯凝固殼厚度保證在815 mm左右，以避免發(fā)生漏鋼事故。（6） 一冷區(qū)鑄坯表面溫度波動(dòng)范圍在8501150范圍內(nèi)，波動(dòng)范圍越小越好，最好保持穩(wěn)定。2.3 鋼種的高溫力學(xué)性能鋼種的高溫力學(xué)性能是制定鑄坯在二冷各區(qū)的表面目標(biāo)溫度的基本依據(jù)，由于各鋼鐵企業(yè)對(duì)相同鋼種化學(xué)成分的控制范圍有所不同，鋼種的高溫力學(xué)性能一般通過(guò)高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法得到。不同鋼種按照高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求做出試樣，對(duì)試樣與鑄坯關(guān)系、試樣在鑄坯上的取樣位置以及試樣的尺寸數(shù)量等均有嚴(yán)格的要求。同時(shí)要求取試樣的鑄坯的工藝條件包括鋼種成分、拉速及澆注溫度等都要做詳細(xì)記錄。將德龍鋼鐵公司經(jīng)常生產(chǎn)的鋼種08A1,12MnCuCr,20MnSi, X60,Q195,Q215,Q235和45號(hào)鋼，按照清華大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助鑄造實(shí)驗(yàn)室Gleeble拉仲實(shí)驗(yàn)試樣要求做出連鑄坯試樣。結(jié)合實(shí)際連鑄工藝特點(diǎn)，將連鑄坯試樣置于Gleeble實(shí)驗(yàn)機(jī)上在不同溫度下進(jìn)行拉仲實(shí)驗(yàn)，如圖2,圖3所示通過(guò)Gleehle高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)定鋼種在不同溫度下的斷面收縮率和拉仲?gòu)?qiáng)度，得出不同鋼種的高溫?zé)崴苄郧€，即鑄坯斷面收縮率一溫度關(guān)系曲線。通過(guò)處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，確定鋼種的高溫力學(xué)性能，為制定不同鋼種的目標(biāo)溫度值提供依據(jù)。表2為通過(guò)高溫力學(xué)性能試驗(yàn)及二冷的冶金原則制定的德龍鋼鐵公司經(jīng)常生產(chǎn)的八個(gè)典型鋼種的表面目標(biāo)溫度值。 通過(guò)該組表面目標(biāo)溫度，就可以控制不同拉速下鑄坯表面溫度達(dá)到該目標(biāo)溫度時(shí)的合理冷卻水分布和冷卻水量。3. 二冷動(dòng)態(tài)凝固一傳熱數(shù)學(xué)模型的建立表面目標(biāo)溫度值二冷水動(dòng)態(tài)控制的方法有兩種:一是基于實(shí)測(cè)鑄坯表面溫度的動(dòng)態(tài)控制;二是基于鑄坯凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)控制。 由于連鑄生產(chǎn)中一冷水蒸汽及鑄坯表面氧化鐵皮等因素的影響，難以準(zhǔn)確檢測(cè)鑄坯在冷卻過(guò)程中的表面溫度。因此，很難根據(jù)實(shí)測(cè)鑄坯表面溫度來(lái)控制一冷水量基于鑄坯凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)控制方法則避開(kāi)直接測(cè)量鑄坯的表面溫度，而改用數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算。建立鑄坯凝固過(guò)程數(shù)學(xué)模型，使其能模擬計(jì)算鑄坯溫度場(chǎng)分布、坯殼厚度和液相穴位置等重要物理量。再根據(jù)計(jì)算出的鑄坯表面溫度同一冷各回路設(shè)定的表面日標(biāo)溫度相對(duì)比，進(jìn)而來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水量顯然，該控制方法的成功與否取決于模型計(jì)算結(jié)果能否真實(shí)地反映鑄坯的實(shí)際表面溫度及其變化規(guī)律以及二冷各回路日標(biāo)溫度的確定。3.1 二維傳熱數(shù)學(xué)模型基本假設(shè)連鑄一冷動(dòng)態(tài)模擬仿真控制系統(tǒng)中，鑄坯凝固傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型包含以下基本假設(shè): (1連鑄二冷動(dòng)態(tài)對(duì)于鑄坯寬度遠(yuǎn)大于鑄坯厚度的板坯，考慮板坯厚度方向x和拉坯方向:的傳熱，忽略鑄坯寬度方向y.的傳熱，即二維傳熱; (2忽略由于鑄坯凝固冷卻收縮引起的鑄坯尺寸的變化;(3)假設(shè)鋼液的對(duì)流傳熱可用等效增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)處理。.3.2 計(jì)算區(qū)域一維非穩(wěn)態(tài)凝固傳熱方程的計(jì)算區(qū)域如圖4所示。在鑄坯中心面上取厚度方向平面的一半，可通過(guò)鑄坯的對(duì)稱關(guān)系推算鑄坯厚度方向另一半的情況。該處理方法日的是簡(jiǎn)化計(jì)算并縮短計(jì)算時(shí)間。計(jì)算區(qū)域從結(jié)品器內(nèi)鋼水彎月面開(kāi)始到二冷段結(jié)束。方程(D左邊的第一項(xiàng)是時(shí)間項(xiàng)，表示瞬態(tài)傳熱效應(yīng)，第一項(xiàng)表示隨連鑄拉坯速度傳輸下來(lái)的熱量;方程右側(cè)第一項(xiàng)是x方向(厚度方向)的熱量傳輸，第一項(xiàng)是:方向(拉坯方向)的熱量傳輸，第二項(xiàng)為凝固潛熱。式(C1)一(4)中:V拉坯速度，m/s-鋼水密度，kg/m;固相密度，kg/m;廠液相密度，kg/m;C-% ).比熱，J/(kgK) ;C,一固相定壓比熱，J/(kgK) ;C,n一液相定壓比熱，J/(kgK) ;T溫度，單位K;k一有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK) ;k;固相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK) ;k,一液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK) ;S一內(nèi)熱源 W/m;二一固相分?jǐn)?shù);月一導(dǎo)熱增強(qiáng)因數(shù);:一時(shí)間，、;S-凝固潛熱，J/kg3. 4初始條件 在連鑄工藝參數(shù)保持不變的情況下，一冷動(dòng)模擬仿真系統(tǒng)在各時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算結(jié)果保持不變，在這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定條件下的鑄坯溫度、反應(yīng)凝固狀態(tài)的固相分?jǐn)?shù)分布即為動(dòng)態(tài)模擬的初始條件。當(dāng)工藝參數(shù)突然發(fā)生改變時(shí)，一冷動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)將實(shí)時(shí)計(jì)算鑄坯溫度分布。3.5邊界條件 鑄坯在整個(gè)凝固傳熱過(guò)程中，要依次經(jīng)過(guò)結(jié)品器、一次冷卻區(qū)及空冷區(qū)。在溫度場(chǎng)的求解過(guò)程中，結(jié)品器內(nèi)溫度場(chǎng)求解采用第一類邊界條件，一次冷卻區(qū)和空冷區(qū)采用第二類邊界條件。一維動(dòng)態(tài)凝固一傳熱數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域是一個(gè)一維平面，外部邊界是鑄坯內(nèi)弧面的中心線，內(nèi)部邊界是鑄坯中心。一冷區(qū)復(fù)雜的換熱方式通過(guò)綜合換熱系數(shù)體現(xiàn)出來(lái)。綜合換熱系數(shù)考慮一冷區(qū)的四種傳熱方式:鑄坯與支撐導(dǎo)向輥?zhàn)娱g的接觸傳熱;鑄坯表面與周圍環(huán)境間的自然對(duì)流傳熱;鑄坯表面的輻射傳熱;鑄坯表面與冷卻水霧間的強(qiáng)制對(duì)流傳熱。一維模型對(duì)一冷噴嘴形狀、水流密度等的差異進(jìn)行等效處理，將兩個(gè)輥?zhàn)娱g的區(qū)域按照平均水流密度處理。綜合傳熱系數(shù)表達(dá)式為: 式中： h鑄坯與支撐導(dǎo)向輥了間的接觸傳熱，W /;鑄坯表面與周圍環(huán)境的自然對(duì)流傳熱，W/;鑄坯表面的輻射傳熱，W/m2;鑄坯表面與冷卻水霧間的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，W/;A ,A,A ,A,)分別表示四種傳熱方式在鑄坯表面的有效區(qū)域，m3. 6結(jié)品器段熱流處理 結(jié)品器內(nèi)的邊界條件可以用第一類邊界條件來(lái)描述。根據(jù)一冷區(qū)的凝固冷卻特征，對(duì)于結(jié)品器內(nèi)的邊界條件做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。首先通過(guò)熱流式計(jì)算結(jié)品器傳熱的平均熱流密度。式中: l一結(jié)品器平均熱流密度，W/T112 ;P,結(jié)品器冷卻水密度，C,廠結(jié)品器冷卻水比熱，/(,T11;J/( I) ; W一結(jié)品器冷卻水流量，flll3cm /s; T結(jié)品器出水溫度，K; T;一結(jié)品器進(jìn)水溫度，K; S-鑄坯與結(jié)品器的接觸面積，cm2 根據(jù)連鑄工藝，沿拉坯方向:將結(jié)品器內(nèi)窄兩個(gè)面的熱流密度r1設(shè)置為與彎月面距離相關(guān)的函數(shù)，從而區(qū)分寬窄面的熱流密度。如下式:式中: r1一結(jié)品器熱流密度，W/m2; B一與結(jié)品器冷卻強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)，由結(jié)品器 內(nèi)能量守恒積分求得; 3. 7凝固潛熱的處理由于金屬液相內(nèi)能E,大于固相內(nèi)能ES，因此當(dāng)鑄坯凝固由液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，必然要產(chǎn)生內(nèi)能變化L=E,-ES