CN101704079B - 用于连铸坯浇铸的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于连铸坯浇铸的控制方法，通过在连铸生产过程中在线采集连铸浇铸工艺，实时跟踪凝固末端位置，预测凝固组织结构，给出相应的动态轻压下控制策略，从而保证动态轻压下系统能长期、稳定地发挥轻压下效果的控制模型。克服了现有的动态自动控制系统只能判断凝固末端的变化，而无法判断凝固组织的变化，导致无法长期地保证轻压下系统最佳功能的稳定实现的问题。

Description

用于连铸坯浇铸的控制方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体而言，涉及一种用于连铸坯浇铸的控制方法。

背景技术

在连铸生产中，铸坯内部尤其是板坯内部一般都会存在中心偏析、中心疏松及内裂等中心质量问题，影响连铸坯的性能及后续加工。为了提高连铸坯质量，人们开发出一系列方法抑止中心偏析的产生。其中轻压下技术是经过多年生产实践验证，最有效且经济的方法之一。

轻压下技术是一种在连铸过程中对凝固末端前沿某段区域内，由连铸扇形段(板坯)或是拉矫机架(方坯)通过相对常规辊缝设置加大了辊缝收缩，从而使凝固中的连铸坯在经过这个区间时受到一定的压下力而主要在厚度方向上产生一定变形，这些变形一方面给予铸坯凝固末端前的快速凝固造成的较大凝固收缩进补偿，防止中心疏松；另一方面促成了连铸坯凝固前沿和糊状区发生一系列轻微变化，阻止了中心偏析的形成。在这项技术的发展经过两个阶段，从早期的静态轻压下技术到近年得到快速发展的动态轻压下技术。静态轻压下技术，是在开浇前预先设定轻压下参数，即每个机架的辊缝值，在整个开浇过程中维持此辊缝值不变，虽然静态轻压下能稳定地实现轻压下的功能，但它无法适用于复杂的连铸生产条件。所谓动态轻压下技术，是在连铸生产过程中，根据连铸工艺的变化，动态跟踪连铸坯凝固末端的变化，实时下达轻压下指令的一种连铸工艺自动控制技术。动态轻压下的连铸工艺变化的情况下能快速进行反应，从而更好实现轻压下的效果。

经过多年的动态轻压下开发和应用实践，现在的动态轻压下主要根据传热模型在线地跟踪凝固末端位置，实时判断轻压下区间是否需要变动，而压下量和压下速率的设置实际上一直以来都是根据经验设定。因此存在这样的现象一台连铸机的动态轻压下系统在刚刚安装时，一般都要经过数个月的调试期，保证动态轻压下的传热模型能正确反映连铸机的冷却能力和设置的轻压下参数能发挥作用。然而在调试后当工艺发生较大改变或是时间较长，一般是一到两年的时间后，连铸机的生产工艺相对在调试期间的情况发生一定的变化，动态轻压下系统虽然能正常实施动态轻压下动作，但是其效果往往不如最开始调试期的效果好。

在连铸现场，由于浇铸工艺的复杂多变，往往存在同一种钢种今天浇出来的连铸坯组织结构与昨天拉出来的连铸坯组织存在较大区别，如果对比两年的连铸坯凝固组织的变化情况，则存在非常大的波动。

发明人发现现有的动态自动控制系统，只能判断凝固末端的变化而无法判断凝固组织的变化，导致无法长期地保证轻压下系统最佳功能的稳定实现。

发明内容

本发明旨在提供一种用于连铸坯浇铸的控制方法，能够解决现有的动态自动控制系统，只能判断凝固末端的变化而无法判断凝固组织的变化，导致无法长期地保证轻压下系统最佳功能的稳定实现的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于连铸坯浇铸的控制方法，包括以下步骤：

采集连铸机状态，当连铸机处于浇铸状态时，采集连铸机的浇铸工艺参数；

根据凝固末端跟踪模型计算连铸坯的温度分布、凝固末端位置和固相率fs，并估算出连铸坯的第一压下区间；

根据温度分布判断连铸坯在各个阶段的凝固速度，并根据凝固速度和浇铸工艺参数采用凝固组织预测模型预测第一压下区间内的凝固组织结构，以及得到连铸坯的中心等轴晶区面积与柱状晶区的面积比f_ec和晶粒尺寸φ；

根据凝固末端位置和固相率fs，以及凝固组织结构、面积比f_ec和晶粒尺寸φ，确定轻压下的压下区间、压下量δ和压下速率v，并转化成目标执行机架和目标辊缝值S；

读取实际轻压下工艺参数，将目标辊缝值S与实际辊缝值进行比较，如果目标辊缝值S与实际辊缝值的差值大于预设阈值，根据目标执行机架和目标辊缝值S执行相应动作。

在上述实施例中，通过在连铸生产过程中在线采集连铸浇铸工艺，实时跟踪凝固末端位置，预测凝固组织结构，给出相应的动态轻压下控制策略，从而保证动态轻压下系统能长期、稳定地发挥轻压下效果的控制模型。克服了现有的动态自动控制系统，只能判断凝固末端的变化而无法判断凝固组织的变化，导致无法长期地保证轻压下系统最佳功能的稳定实现的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的用于连铸坯浇铸的控制方法流程图；

图2示出了根据本发明一个优选实施例的连铸坯切片示意图；

图3示出了根据图2实施例的采用差分法计算切片内温度的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

要保证动态轻压下系统长期稳定地发挥其作用不但要求连铸机进行定期有效的维护，更要求保证在调试期间累积下来的经验和长期生产过程中得到的经验耦合入合金凝固基础理论中，由系统本身根据中心偏析产生的原因，跟踪连铸状态的变化，自动学习和调整动态轻压下控制模型。

关于连铸坯中心偏析的产生，有以下研究结论：要达到最佳的轻压下效果需要有一定的等轴晶；柱状晶发达的连铸坯与等轴晶比率大的连铸坯其中心偏析产生的机制不相同；柱状晶发达的连铸坯不可以实施较大的压下量，以防加重中心偏析和造成内裂；等轴晶发达的连铸坯V型偏析严重，轻压下作用实施要早。

图1示出了根据本发明一个实施例的用于连铸坯浇铸的控制方法流程图，包括以下步骤：

S102，采集连铸机状态，当连铸机处于浇铸状态时，采集连铸机的浇铸工艺参数；

S104，根据凝固末端跟踪模型计算连铸坯的温度分布、凝固末端位置和固相率fs，并估算出连铸坯的第一压下区间；

S106，根据温度分布判断连铸坯在各个阶段的凝固速度，并根据凝固速度和浇铸工艺参数采用凝固组织预测模型预测第一压下区间内的凝固组织结构，以及得到连铸坯的中心等轴晶区面积与柱状晶区的面积比f_ec和晶粒尺寸φ；

S108，根据凝固末端位置和固相率fs，以及凝固组织结构、面积比f_ec和晶粒尺寸φ，确定轻压下的压下区间、压下量δ和压下速率v，并转化成目标执行机架和目标辊缝值S；

S110，读取实际轻压下工艺参数，将辊缝值S与实际辊缝值进行比较，如果目标辊缝值S与实际辊缝值的差值大于预设阈值，根据目标执行机架和目标辊缝值S执行相应动作。

在本实施例中，通过在连铸生产过程中在线采集连铸浇铸工艺，实时跟踪凝固末端位置，预测凝固组织结构，给出相应的动态轻压下控制策略，从而保证动态轻压下系统能长期、稳定地发挥轻压下效果的控制模型。克服了现有的动态自动控制系统，只能判断凝固末端的变化而无法判断凝固组织的变化，导致无法长期地保证轻压下系统最佳功能的稳定实现的问题。

在本发明的实施例中，每隔固定时间周期(时间周期可根据具体的设备和现场条件确定，参考范围为1s～2min。)，利用凝固末端跟踪模型计算连铸坯的温度分布，预测凝固末端位置和压下区间，利用凝固组织预测模型预测压下区间范围内的铸坯凝固组织结构，确定压下量和压下速率，并下达新的轻压下工艺指令。

优选地，在上述控制方法中，浇铸工艺参数包括以下至少之一：钢种和成分、中包温度Tc、结晶器冷却水量、进出水温差、二冷水量、二冷水温以及电磁搅拌方式和电流。

图2示出了根据本发明一个优选实施例的连铸坯切片示意图，图3示出了根据图2实施例的采用差分法计算切片内温度的示意图。如图2所示，将整个连铸坯看成是沿拉坯方向上顺序排列的众多切片1，而对每个切片对其从浇铸入结晶器开始考虑其厚度方向和宽度方向的传热，直至凝固末端。每个切片的计算如图3所示，取切片1某一端点为原点，取宽度方向为x方向和厚度方向为y方向，切片温度计算采用的热传导方程为：

$\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\stackrel{.}{P}---\left(1\right)$

其中：ρ、c分别为连铸坯的密度和热容，λ为热传导系数，

为铸坯内热源强项。

求解传热方程(1)，需要给予相应的边界条件和初始条件：

铸坯表面边界条件：

$k\frac{\∂T}{\∂x}=q---\left(2\right)$

式中q为表面热流。

表面热流的获得与铸坯所在位置有关，当计算结晶器内的温度时，表面热流通过计算结晶器进出水温差所带走的热量求得结晶器内铸坯表面热流。当计算二冷区内铸坯温度时，则表面换热为辐射带走热量、二冷水带走热量与辊子传热之和。

铸坯中心边界条件为：

${\frac{\∂T}{\∂x}}_{x=d/2}=0---\left(3\right)$

式中x＝d/2，是铸坯厚度的一半。

初始条件为：

t＝0时，T＝T_c，式中T_c为浇注温度，在实际计算中用中包温度进行表示。

依据以上热传导方程、边界条件和初始条件，如图3所示，分别对x方向、y方向进行等分，采用有限差分法计算每个节点的温度。当计算完从结晶器到凝固末端(或是铸机出口位置)每个切片的温度时，即可得到整个铸坯的三维温度分布，也得到凝固末端位置所在和坯壳生长曲线，根据固相率f_s的定义可得到f_s在整个正在凝固中铸坯上的分布，根据钢种即可初步判断轻压下的压下区间，一般压下起始位置取铸坯中心固相率f_s＝0.2～0.5，压下终了位置取f_s＝0.7～1。普通情况下提取出中心温度、界面中心温度和坯壳生长曲线在控制系统操作界面上进行实时显示。

固相率f_s＝(Tl-T)/(Tl-Ts)，其中T表示该点的温度值，Tl为所浇铸钢种的液相线温度，Ts为所浇铸钢种的固相线温度。

凝固组织预测模型采用的是确定性凝固动力学模型进行凝固组织预测。所谓确定性模型是指在给定时刻，一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速度是确定的函数，该函数由凝固末端跟踪模型结果和中包温度、电磁搅拌参数给出，由多次试验进行校正。确定性模型是建立在经典形核和枝晶生长理论上的，对晶粒形态进行近似，将等轴晶视为球状，柱状晶视为圆柱状。模型以C元素为主要溶质元素，在柱状生长过程中，按照非平衡杠杆模型，即Scheil模型进行凝固，其中假设溶质在液相中充分扩散且固相无扩散，有：

$C_L=C_0{(1-f_S)}^{k_p-1}---\left(4\right)$

其中C_L为液相溶质溶度，C₀为初始液相溶质浓度，κ_p为溶质平衡分配系数，铸坯断面上的温度分布由凝固末端跟踪模型给出，柱状晶生长速度等于坯壳生长速度。其形核过冷度为ΔT_N＝Tl(C₀)-T_N，Tl(C₀)为对应合金初始成分C₀的液相温度，T_N为形核温度。柱状晶尖端的过冷度为ΔT_t＝Tl(C₀)-T_t，T_t为柱状晶尖端的温度。当柱状晶前沿的温度梯度(G)满足式(5)时，组织将发生柱状晶-等轴晶转变(CET)转变。

$G<0.617n^{1/3}\mathrm{\&Delta;}{T}_t(1-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_N}{\mathrm{\&Delta;}{T}_t})---\left(5\right)$

等轴晶的形核率

由中包温度、钢种成分和电磁搅拌参数共同确定，可用经验公式(6)表示。

${\stackrel{.}{f}}_e=F+{\mathrm{HTc}}^{\mathrm{\&beta;}}+{\mathrm{Ii}}^{\mathrm{\&chi;}}---\left(6\right)$

其中，F、H和I分别为由钢成分确定的、过热度和电磁搅拌位置确定的形核经验参数，需要在连铸调试现场进行修正。由于最终凝固位置已经由凝固末端跟踪模型确定，因此在凝固末端有限的时间内和确定的温度梯度下，等轴晶进行生长直到完全凝固。从以上柱状晶和等轴晶生长的计算得到连铸坯大致的凝固组织结构，并可提取出中心等轴晶区面积S_e与柱状晶区面积S_c的比率f_ec和晶粒尺寸φ随着厚度d的变化。

确定轻压下总量δ和压下速率v办法主要还是依据现场调试结果和合金各种晶体结构特征所获得。其中压下量由经验公式(7)确定：

$\mathrm{\&delta;}={\mathrm{Af}}_{\mathrm{ec}}\mathrm{\&mu;}+{\&Integral;}_{d1}^{d/2}{\mathrm{Bf}}_{\mathrm{ec}}^{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(d\right)\mathrm{dt}+C---\left(7\right)$

其中，μ为液固相变的凝固收缩率，A为与钢种相关的常数，d1为中心等轴晶区起始厚度，B、α和C为经验参数，需要在连铸调试现场进行修正。

压下总量确定后，就需要将压下总量科学的分配到相应的扇形段，即最终确定压下区间，并转化成目标辊缝值S或是各个液压缸的位移值。最终压下区间一般与第一压下区间重合，但仍然要考虑到组织结构对于中心偏析的影响，因此将等轴晶与柱状晶面积比f_es作为权值来确定起始压下点和终了压下点，权值系数的大小与钢种相关，通过实验确定。在压下区间各个部分所需要的压下率也是不一样的，而不能简单的将压下总量进行平均分配，而压下量的分配原则与压下量的确定原理一样，与各扇形段区间内的凝固速度和晶粒尺寸有关，因此压下量的分配方法为

${\mathrm{\&delta;}}_1:{\mathrm{\&delta;}}_2:\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;:{\mathrm{\&delta;}}_n={\&Integral;}_{d1}^{d2}{\mathrm{Bf}}_{\mathrm{ec}}^{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(d\right)\mathrm{dy}:{\&Integral;}_{d2}^{d3}{\mathrm{Bf}}_{\mathrm{ec}}^{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(d\right)\mathrm{dy}:\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;:{\&Integral;}_{\mathrm{dn}}^{d/2}{\mathrm{Bf}}_{\mathrm{ec}}^{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}\left(d\right)\mathrm{dy}---\left(8\right)$

其中n表示执行轻压下动作的最后一个区间，实际上实施轻压下的扇形段不会太多，对板坯也就两到三个。确定好每个扇形段的所要执行的压下量后，即可转化为相应的辊缝值。

优选地，在上述控制方法中，还包括以下步骤：

对连铸坯按照钢厂铸坯质量检测工艺定期进行取样和低倍检测，将所检测结果反馈至凝固组织预测模型，进一步修正连铸工艺与凝固组织结构的函数关系。

在本发明的实施例中，确定是否下达指令的原则为实际辊缝值与目标辊缝值是否相同，如果差别小于预设阈值，就认为两者相同，则不下达目标辊缝值到相应的执行机构；反之则下达。预设阈值可设置为轻压下系统的允许的最小执行辊缝变化值。轻压下系统允许的最小执行辊缝变化值一般由连铸机轻压下硬件系统所决定，如液压缸性能、传感器性能和扇形段辊子使用情况等，一般为0.2～1mm。

优选地，在上述控制方法中，修正连铸工艺与凝固组织结构的函数关系具体包括：

当预测的凝固组织与检测出来的实际连铸坯凝固组织存在明显区别时，对凝固组织预测模型中钢种和成分、中包温度和电磁搅拌与形核率的关系进行修改。

在本发明的实施例中，可保证长期有效地发挥动态轻压下功能，主要表现在当出现预测的凝固组织与检测出来的实际铸坯凝固组织存在明显区别时，对凝固组织预测模型中由钢种成分、中包温度和电磁搅拌与形核率的关系进行修改，主要体现在F、H和I经验参数上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于连铸坯浇铸的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集连铸机状态，当所述连铸机处于浇铸状态时，采集所述连铸机的浇铸工艺参数；

根据凝固末端跟踪模型计算连铸坯的温度分布、凝固末端位置和固相率fs，并估算出所述连铸坯的第一压下区间；

根据所述温度分布判断所述连铸坯在各个阶段的凝固速度，并根据所述凝固速度和所述浇铸工艺参数采用凝固组织预测模型预测所述第一压下区间内的凝固组织结构，以得到所述连铸坯的中心等轴晶区面积与柱状晶区的面积比f_ec和晶粒尺寸φ；

根据所述凝固末端位置和所述固相率fs，以及所述凝固组织结构、所述面积比f_ec和所述晶粒尺寸φ，确定轻压下的压下区间、压下量δ和压下速率v，并转化成目标执行机架和目标辊缝值S；

读取实际轻压下工艺参数，将所述辊缝值S与实际辊缝值进行比较，如果所述辊缝值S与实际辊缝值的差值大于预设阈值，根据所述目标执行机架和所述辊缝值S执行相应动作。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述浇铸工艺参数包括以下至少之一：

钢种和成分、中包温度Tc、拉速u、结晶器冷却水量、进出水温差、二冷水量、二冷水温以及电磁搅拌方式和电流。 

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据凝固末端跟踪模型计算连铸坯的温度分布、凝固末端位置和固相率fs分布具体包括：

将连铸坯映射成沿拉坯方向上顺序排列的多个切片，以所述切片某一端点为原点，取宽度方向为x方向和厚度方向为y方向，计算所述切片的温度T的热传导方程为：

其中，ρ、c分别为所述连铸坯的密度和热容，λ为热传导系数， 

为所述连铸坯内热源强项；

所述连铸坯的铸坯表面边界条件：

其中q为表面热流；

所述连铸坯的铸坯中心边界条件：

其中，x＝d/2为所述连铸坯厚度的一半；

初始条件为：

t＝0时，T＝T_c

式中T_c为浇注温度，在实际计算中用中包温度表示；

依据所述热传导方程、所述边界条件和所述初始条件，分别对x方向、y方向进行等分，采用有限差分法计算每个节点的温度，当计算完从所述连铸坯的结晶器到凝固末端或铸机出口位置的每个切片的温度时，得到整个所述连铸坯的三维温度分布和凝固末端位置；

固相率f_s＝(Tl-T)/(Tl-Ts)，其中T表示该点的温度值，Tl为所浇铸钢种的液相线温度，Ts为所浇铸钢种的固相线温度。 

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述凝固末端位置和固相率fs分布，以及所述凝固组织结构、所述面积比f_ec和所述晶粒尺寸φ，确定轻压下的压下区间、压下量δ和压下速率v，并转化成目标执行机架和目标辊缝值S具体包括：

压下量δ由如下公式确定：

其中，μ为液固相变的凝固收缩率，A为与钢种相关的常数，d1为中心等轴晶区起始厚度，B、α和C为经验参数,

所述压下量δ的分配方法为

其中n表示执行轻压下动作的最后一个区间。根据压下量的分布，确定个区间的压下率

而相应的压下速率为

u为拉速。

5.根据权利要求1-4任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对所述连铸坯按照钢厂铸坯质量检测工艺定期进行取样和低倍检测，将所检测结果反馈至所述凝固组织预测模型，进一步修正连铸工艺与凝固组织结构的函数关系。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，修正连铸工艺与凝固组织结构的函数关系具体包括：

当预测的凝固组织与检测出来的实际连铸坯凝固组织存在明显区别时，对所述凝固组织预测模型中钢种和成分、中包温度和电磁搅拌与形核率的关系进行修改。 

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