CN101226701B - 双辊薄带铸轧模拟设备及其使用和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双辊薄带铸轧模拟设备，包括中频感应炉、在线供气装置、在线结晶面表面附近温度场测量装置、在线熔池温度检测装置，该设备所设的模拟器结构是：底板上设有底支架、中频感应炉滑动的轨道及限位挡块；底支架和上端水平槽钢台间有两条竖直滑杆，每条滑杆上有一个能在杆上滑动的大滑桶，两个大滑桶间连有上下两横梁；槽钢台上有液压装置，液压装置和下横梁间螺纹连接；结晶器通过快速伸缩杆固定在小滑块上，小滑块能够在下横梁上滑动；小滑块上的辊轮能沿着弧形导轨滚动，从而带动结晶器运动；弧形导轨紧固在支板上，支板固定于底支架内侧的槽内。通过模拟实验，得到铸轧过程中各工艺参数匹配关系，用以指导实际工业生产。

Description

双辊薄带铸轧模拟设备及其使用和控制方法

技术领域

本发明涉及一种模拟设备，特别是涉及铸轧模拟设备及其使用方法和控制方法。

背景技术

随着减量化、节约型和循环经济等概念的提出，钢铁工业越来越重视废钢再利用问题。废钢中普遍含有大量的P、Cu、Sn、Pb、Zn等杂质元素，要从废钢中除去它们往往十分困难。在国家重点基础研究中提出，在对废钢进行处理以备再利用时，可以尝试利用双辊薄带铸轧等快速凝固技术来抑制甚至消除废钢中杂质元素的宏观偏析，使杂质元素均匀地分布于钢中，从而能够在不降低钢材性能的同时节省大量的废钢处理成本。

但是双辊薄带铸轧过程及其复杂，传热、凝固、及金属变形在不到一秒钟内完成，并且影响这一过程的因素众多，如钢液成分与过热度、铸轧速度、熔池高度等，在实际双辊薄带铸轧过程中成本较高。理论上讲，可以采用计算机进行数值模拟，但进行数值模拟计算时需要用到铸轧辊表面与薄带之间的热流密度，即铸轧界面传热热流密度。铸轧界面热流密度不仅在铸轧辊表面不同位置是不同的，而且其影响因素也非常复杂。完全通过理论计算，得到铸轧界面的传热热流是十分困难的。因此引入小型模拟实验装置，通过模拟实验研究，得到铸轧过程中各影响因素之间的匹配关系及实现稳态铸轧的各工艺参数，将模拟结果指导实际生产。

发明内容

本发明的目的是针对在双辊薄带铸轧研究的探索阶段，为避免盲目投入高昂的设备费用，采用小型模拟实验装置模拟双辊薄带铸轧过程，得到铸轧过程中各影响因素之间的匹配关系及实现稳态铸轧的各工艺参数，将模拟结果指导实际生产。

本发明采用的双辊薄带铸轧模拟的设备，包括中频感应炉、在线供气装置、在线结晶面表面附近温度场测量装置、在线熔池温度检测装置，该设备所设的模拟器结构是：底板、底板上的底支架、供中频感应炉滑动的两条平行轨道及紧固中频感应炉的限位挡块；底支架和上端水平槽钢台间有两条竖直滑杆，每条滑杆上有一个能在杆上滑动的大滑桶，两个大滑桶间连有上下两横梁；槽钢台上有液压装置，液压装置和下横梁间螺纹连接；铬锆铜制成的结晶器通过快速伸缩杆固定在小滑块上，小滑块能够在下横梁上滑动；小滑块上的辊轮能够沿着弧形导轨滚动，从而带动快速伸缩杆上的结晶器运动；弧形导轨紧固在支板上，支板固定于底支架内侧的槽内。

所述的小滑块与下横梁之间通过花键连接，迫使小滑块与下横梁之间只能产生水平相对滑动。

所述紧固连接的支板和弧形导轨在槽内可以左右移动，每次移动后用紧固螺栓固定，通过调整两个弧形导轨之间的距离就可实现模拟铸轧辊缝的调整。

所述的结晶器内设置有热电偶，同外面的测温仪和计算机顺次连接而形成在线结晶面表面附近温度场测量装置。

所述的结晶器上设有内部冷却结构。

所述的中频感应炉外设有一个测温仪与计算机相连而成的在线熔池温度检测装置。

所述的双辊薄带铸轧模拟设备使用时，先要将炼钢原料预热至100～300℃后，放入中频感应炉中，当温度达到900℃～1200℃，由供气装置向感应炉中通入惰性气体在惰性保护气体下进行熔炼，当碳钢温度达到1200℃～1600℃时，添加碳钢造渣剂，进行搅拌精炼，精炼时间为2～30min，通入惰性气体，气压为3～20个大气压，吹渣后静置2～20min；在惰性气体保护条件下，在1400℃～1600℃保持钢液温度恒定，启动模拟器上的至少一个快速伸缩杆，随着辊轮在弧形导轨上的运动，结晶器将在钢液中做旋转运动，钢液在结晶器表面凝固的同时受到两结晶器的挤压作用，这就是模拟铸轧过程，结晶器上凝固的1～9mm的薄带即为所需的模拟铸轧薄带。

所述的双辊薄带铸轧模拟设备的控制步骤是①启动计算机程序，创建设备对象，比例阀同时获得启动信号，比例阀的常开触点闭合，油路接通；液压装置开始带动模拟器中的运动部件动作，模拟器上的两结晶器开始在钢液中开始做旋转运动，位移传感器则同时监测到液压装置的位移信号；②初始化设备对象的AD设备，并启动该设备，开始采集AD信号，连续读取100个位移信号；③系统询问是否需要继续采集，如果需要，则回到步骤②继续采集下一组信号，同时开始计时，否则释放AD设备，结束程序，系统运动过程随之结束；④设备继续采集信号的同时，先对步骤②采集的100个数据求平均，将该平均值送比例积分(PI)控制过程，PI过程吸收平均值后，返回一个信号；系统采集一组信号耗时10ms，如果求平均和PI过程耗时正好10ms，则每采集完一组信号，系统正好处理完上一组信号；

模拟器的起始位置在钢液面以上一定高度，系统如上启动后，在液压装置的下推作用下，模拟器上的两结晶器在钢液中做旋转运动，当钢液在结晶器面上凝固后，液压装置上推，模拟器的运动部件随之上升，停留于钢液面上方某位置上。

本发明的突出特点和显著的效果主要体现在：

1)本发明在模拟器中设有弧形导轨，使结晶器能够在钢液中旋转，模拟效果真实，而且成功地将“铸”和“轧”分开，在研究钢带组织性能时优势巨大。

2)本发明的在线结晶面表面附近温度场测量装置能够有效地检测到计算铸轧界面热流所需的温度场，而且比铸轧过程中实测该温度场更经济。

3)本发明中频感应炉炉口采用吹填惰性气体保护，有效地防止了钢液在熔炼、流动、模拟铸轧过程中的氧化燃烧，提高了钢液化学成分控制精度，提高了钢液的纯净度，改善了钢带表面质量。

4)本发明的结晶器内部通有冷却水或冷却气体，通过调节压力、流量，改善结晶器的表面导热能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的模拟器的主视图；

图3是本发明的模拟器的侧视图；

图4是在线结晶面表面附近温度场测量装置示意图；

图5是本发明的模拟铸轧设备系统接线图；

图6是本发明的控制方法流程图；

图中：1中频感应炉，2在线供气装置，3模拟器，4在线结晶面表面附近温度场测量装置，5模拟铸轧速度自动调节装置，6模拟铸轧辊缝手动调节装置，7在线熔池温度检测装置，8手动翻转清炉装置，9结晶器，10快速伸缩杆，11轨道，12限位挡块，13底支架，14竖直滑杆，15大滑筒，16缓冲弹簧，17支板，18弧形导轨，19小滑块，20下横梁，21上横梁，22底板，23槽钢台，24辊轮，25液压装置，26冷却管，27热电偶，28测温仪。

具体实施方式

如图1所示，本发明的双辊薄带铸轧模拟设备包括中频感应炉，在线供气装置，在线结晶面表面附近温度场测量装置，在线熔池温度检测装置(7)，模拟器3，所述的模拟器3结构如下：底板22、固定在底板上的底支架13以及可使中频感应炉1在其上滑动的两条平行轨道11及能紧固中频感应炉1于模拟器3下的限位挡块12；由上横梁21和下横梁20连接在一起的两个大滑筒15可在固定在底支架上的两条竖直滑杆14上自由滑动，缓冲弹簧16套在竖直滑杆14上，防止过冲；水平槽钢台23通过坚直杆紧固于底支架上，槽钢台上有液压装置部分25，该液压装置同下横梁间螺纹连接；下横梁上设有可自由滑动的两个小滑块19，结晶器9通过快速伸缩杆10固定在小滑块上；小滑块19的两端各有一个小辊轮24；弧形导轨18紧固在支板17上，支板17固定于底支架13内侧的槽内。所述的弧形导轨可以是一个轨的，也可以是两个轨的，供下横梁上的小滑块上的辊轮滚动。有一通孔贯穿槽前后，用以安放紧固螺栓。槽右面中心为内螺纹，与内螺纹相连的是紧钉；支板的底部有一长螺丝口通孔，该孔为前述紧固螺栓孔；在螺栓作用下，支板17沿槽的上下和前后方向均被固定，它只能沿槽的左右方向移动；支板17宽度比槽小一些，将支板17紧贴槽右面插入后，槽的左面将有一定宽度的空隙；在槽左面的空隙中可以插入指定规格的垫片，而右端可以通过手动调节紧钉将系统固定，与垫片尺寸对应的是两个弧形导轨18间的距离，通过调整两个弧形导轨18之间的距离就可实现模拟铸轧辊缝的调整。弧形导轨可以是半圆形，也可以是月牙形，也可以是其他曲面形状。

可控制保护气体流量的在线供气装置2向中频感应炉1充填惰性气体，因此在钢液熔炼和模拟铸轧整个过程中，始终有惰性气体进行保护，提高了钢液化学成分控制精度，提高了钢液的纯净度，改善了薄带质量。在结晶器9上除结晶面以外的其它面以及快速伸缩杆10上均匀地涂上一层涂料，用以绝热。两个结晶器9对称地位于模拟器中心线两侧，在结晶器长度方向上有两个孔，用以通气或是液体冷却结晶器；结晶器材质为铬锆铜或其它高软化点的材料；结晶器内部通过上述孔充填冷却气体或液体进一步改善结晶器的表面导热能力。中频感应炉1能够在模拟器3的轨道11上自由滑动，又能够在安放于轨道11上的限位挡块12的作用下紧固于模拟器下，保证铸轧模拟实验的稳定，调整模拟铸轧辊缝后，将中频感应炉1沿着轨道11推到模拟器3下方，并用限位挡块12将其固定，再根据设于中频感应炉上的在线熔池温度检测装置控制好钢液过热度，进行铸轧模拟实验。

如图4所示，在线结晶面表面附近温度场测量装置4主要由直径为0.25mm的K型热电偶27、测温仪28组成，将K型热电偶27安放在结晶器9的内部(距表面约1mm)来测量模拟铸轧过程中表面附近的温度场。

如图5所示，是铸轧模拟系统接线图，接通比例阀电源，其它控制部件均准备就绪，在所编写的VB程序中设定好速度参数，启动计算机程序，油路接通，液压装置开始带动模拟器中的运动部件动作，位移传感器则同时监测到液压装置的位移信号，该信号反馈到程序中，经程序判断后，再一次对比例阀进行控制，形成控制闭环，实现铸轧模拟的自动控制。

本发明的双辊薄带铸轧模拟设备的使用方法，包括以下步骤。

熔炼之前，须进行筑炉。紧贴铜线圈壁和铜线圈底部支撑座的是一层稍加润湿的石棉布，在线圈底部石棉布上均匀地铺一层混合了适量水和硼酸的镁砂并夯实，紧接着将与线圈匹配的镁砂坩锅置于线圈中心，然后往线圈壁上的石棉布和坩锅之间的空隙中均匀填充混合了适量水和硼酸的镁砂，利用自制夯实棒夯实。

熔炼时，中频感应炉1炉口采用充填惰性气体保护，在线供气装置2可控制保护气体的流量，在钢液的流动、模拟铸轧过程中也均采用惰性气体进行保护，提高了钢液化学成分控制精度，提高了钢液的纯净度，改善了薄带质量。

在模拟器3的结晶器9上除结晶面以外的其它面以及快速伸缩杆上均匀地涂上一层涂料，用以绝热。该结晶器材质为铬锆铜等材料，强度、刚度高，导热性好，耐冷热交变载荷能力强，软化点高，且不与熔体反应。其内部充填冷却水或冷却气体，通过调节气压、气体流量，进一步改善结晶器9的表面导热能力。此外，将两个直径为0.25mm的K型热电偶安放在每一结晶器的内部(距表面约1mm)来测量模拟铸轧过程中表面附近的温度场，温度采集速率为2KHz以上。

在中频感应炉1的炉口斜上方设有在线熔池温度检测装置，它被固定于炉口斜上方的支架上。

中频感应炉1设有手动翻转清炉装置8，模拟铸轧过程结束后，通过该装置可以及时把炉内的钢液倾倒出来，能够延长感应炉寿命。

本发明的双辊薄带铸轧模拟技术中所采熔炼的钢种主要是中低碳钢，其化学成分组成范围(质量百分比)为：[C]≤0.5％，[Si]≤0.6％，[Mn]≤0.6％，[S]≤0.005％，[P]≤0.70％，[Cu]＝0.1～0.6％，[Sn]≤0.2％，[Zn]≤2.0％，[Pb]≤0.002％，Fe为余量。利用熔炼、除渣，结合模拟浇注速度、熔池液面、模拟铸轧辊缝等控制工艺，模拟铸轧出中低碳钢薄带，以便进行模拟双辊薄带铸轧的工艺和组织的研究，将模拟结果指导实际生产。

1)熔炼：炼钢原料预热至100～300℃后，放入中频感应炉中，当温度达到900℃～1200℃，由供气装置向感应炉中通入惰性气体，在惰性保护气体下进行熔炼。

2)除渣：当碳钢温度达到1200℃～1600℃时，添加碳钢造渣剂，进行搅拌精炼，精炼时间为2～30min，通入惰性性气体，气压为3～20个大气压，吹渣后静置2～20min；

3)恒温：在气体保护条件下，保持钢液温度(1400℃～1600℃)恒定。

4)模拟铸轧：图6是本发明的控制程序流程图①启动计算机程序，创建设备对象，比例阀同时获得启动信号，比例阀的常开触点闭合，油路接通；液压装置开始带动模拟器中的运动部件动作，模拟器上的两结晶器开始在钢液中开始做旋转运动，位移传感器则同时监测到液压装置的位移信号。②初始化设备对象的AD设备，并启动该设备，开始采集AD信号，连续读取100个位移信号。③系统询问是否需要继续采集，如果需要，则回到步骤②继续采集下一组信号，同时开始计时，否则释放AD设备，结束程序，系统运动过程随之结束。④设备继续采集信号的同时，先对步骤②采集的100个数据求平均，将该平均值送比例积分(PI)控制过程，PI过程吸收平均值后，返回一个信号。系统采集一组信号耗时10ms，如果求平均和PI过程耗时正好10ms，则每采集完一组信号，系统正好处理完上一组信号；如果求平均和PI过程耗时小于10ms，则等待，到刚好10ms时，开始处理信号⑤将步骤④的返回信号送比例阀，再一次对其进行控制，形成控制闭环，实现铸轧模拟的自动控制。

模拟器的起始位置在钢液面以上一定高度，系统启动后，当液压装置沿竖直方向运动时，将带动由上横梁20、大滑筒15、下横梁21、小滑块19、快速伸缩杆10、结晶器9、冷却管26整体沿竖直方向运动，同时由小滑块19、快速伸缩杆10、结晶器9、冷却管26构成的整体在弧形导轨18的作用下，沿水平方向靠拢，即由小滑块19、快速伸缩杆10、结晶器9、冷却管26构成的整体的运动轨迹为弧形，结晶器9在钢液中旋转，该旋转速度由液压装置的连接杆沿竖直方向的速度决定，很容易调节。当钢液在结晶面上凝固后，液压装置上推，模拟器的运动部件随之上升，停留于钢液面上方某位置。而在结晶器上凝固的1～9mm的薄带即为所需的模拟铸轧薄带。

5)清炉：模拟铸轧结束后，将中频感应炉1沿着模拟其上的轨道推出，并将其中的钢液倒入一坩锅内，以保持炉膛清洁。

Claims (8)

1.一种双辊薄带铸轧模拟设备，包括中频感应炉(1)、在线供气装置(2)、在线结晶面表面附近温度场测量装置(4)、在线熔池温度检测装置(7)，其特征在于，该设备所设的模拟器(3)结构是：底板(22)、底板上的底支架(13)、供中频感应炉(1)滑动的两条平行轨道(11)及紧固中频感应炉(1)的限位挡块(12)；底支架(13)和上端水平槽钢台(23)间有两条竖直滑杆(14)，每条滑杆上有一个能在杆上滑动的大滑桶，两个大滑桶(15)间连有上下两横梁(21，20)；槽钢台(23)上有液压装置(25)，液压装置(25)和下横梁(20)间螺纹连接；铬锆铜制成的结晶器(9)通过快速伸缩杆(10)固定在小滑块上，小滑块能够在下横梁上滑动；小滑块上的辊轮(24)能够沿着弧形导轨(18)滚动，从而带动快速伸缩杆(10)上的结晶器(9)运动；弧形导轨(18)紧固在支板(17)上，支板(17)固定于底支架(13)内侧的槽内。

2.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备，其特征在于：所述的小滑块(19)与下横梁(20)之间通过花键连接，迫使小滑块(19)与下横梁(20)之间只能产生水平相对滑动。

3.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备，其特征在于：所述的紧固连接的支板(17)和弧形导轨(18)在槽内的固定位置能够左右移动，通过调整两个弧形导轨(18)之间的距离就可实现模拟铸轧辊缝的调整。

4.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备，其特征在于：所述的结晶器内设置有热电偶，同外面的测温仪和计算机顺次连接而形成在线结晶表面附近温度场测量装置(4)。

5.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备，其特征在于：所述的结晶器上设有内部冷却结构。

6.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备，其特征在于：所述的中频感应炉外设置有由一个测温仪与计算机相连而成的在线熔池温度检测装置(7)。

7.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备的使用方法，其特征在于按以下步骤进行：先要将炼钢原料预热至100～300℃后，放入中频感应炉中，当温度达到900℃～1200℃，由供气装置向感应炉中通入惰性气体在惰性保护气体下进行熔炼，当碳钢温度达到1200℃～1600℃时，添加碳钢造渣剂，进行搅拌精炼，精炼时间为2～30min，通入惰性气体，气压为3～20个大气压，吹渣后静置2～20min；在惰性气体保护条件下，在1400℃～1600℃保持钢液温度恒定，启动模拟器上的至少一个快速伸缩杆，随着辊轮在弧形导轨上的运动，结晶器将在钢液中做旋转运动，钢液在结晶器表面凝固的同时受到两结晶器的挤压作用，这就是模拟铸轧过程，结晶器上凝固的1～9mm的薄带即为所需的模拟铸轧薄带。

8.根据权利要求1所述的双辊薄带铸轧模拟设备的控制方法，其特征在于：所述的控制步骤是①启动计算机程序，创建设备对象，比例阀同时获得启动信号，比例阀的常开触点闭合，油路接通；液压装置连接杆开始带动模拟器中的运动部件动作，模拟器上的两结晶器开始在钢液中开始做旋转运动，位移传感器则同时监测到液压装置连接杆的位移信号；②初始化设备对象的AD设备，并启动该设备，开始采集AD信号，连续读取100个位移信号；③系统询问是否需要继续采集，如果需要，则回到步骤②继续采集下一组信号，同时开始计时，否则释放AD设备，结束程序，系统运动过程随之结束；④设备继续采集信号的同时，先对步骤②采集的100个数据求平均，将该平均值送比例积分(PI)控制过程，PI过程吸收平均值后，返回一个信号；系统采集一组信号耗时10ms，求平均和PI过程耗时正好10ms时，则每采集完一组信号，系统正好处理完上一组信号；求平均和PI过程耗时小于10ms，则等待，到刚好10ms时，开始进行信号处理；⑤将步骤④的返回信号送比例阀，再一次对其进行控制，形成控制闭环，实现铸轧模拟的自动控制，模拟器的起始位置在钢液面以上一定高度，系统如上启动后，在液压装置连接杆的下推作用下，模拟器上的两结晶器在钢液中做旋转运动，当钢液在结晶面上凝固后，液压装置连接杆上推，模拟器的运动部件随之上升，停留于钢液面上方某位置上。

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