CN102489680B - 一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统及方法，属于钢铁冶金的连铸二冷温度控制技术领域。系统：包括测温装置、导流装置及控制系统，测温装置由测温管和红外测温探头组成，红外测温探头设置在测温管上端，测温管上端与压缩空气管道相连通；导流装置的支撑架连接杆顶端与水平支撑架相连，支撑架连接杆底端与冷却水收集导流管相连；测温管与测温装置液压推进器相连，导流装置的水平支撑架与导流装置液压推进器相连，液压推进器与控制系统相连。方法：以连铸坯矫直区内弧角部表面实际测温结果作为二冷强度的反馈，利用其与目标表面温度的差距，通过调整导流装置位置，实现对喷淋宽度动态调整，达到精确控制铸坯内弧角部进矫直区温度的目的。

Description

一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金的连铸二冷温度控制技术领域，特别是涉及一种智能精确控制宽厚板坯连铸机二冷矫直区铸坯内弧角部温度的系统及方法，主要应用于精确控制宽厚板连铸坯内弧角部进入矫直区的温度。

背景技术

以连铸生产含Nb、B等微合金钢种为典型代表、广泛发生于宽厚板坯内弧角部表面的微横裂纹是制约宽厚板坯连铸机稳定、高效化生产高品质连铸坯的普遍性难题，严重影响产品的最终质量，极大地限制了现代化钢铁企业走品种效益路线。宽厚板坯内弧角部表面的微横裂纹在连铸坯上的表现形式为细微的跨角裂纹，经轧制扩展后在钢板边部形成“结疤”状裂纹，极易造成钢板降级甚至判废。经研究发现，该类型裂纹的成因主要为：受宽厚板坯连铸机自身冷却特性以及二冷配水工艺不当影响，连铸坯通过矫直区时其角部区域的温度恰好落入钢的第三脆性温度区，连铸坯内弧受到矫直扇形段较大的矫直拉应力作用，引发连铸坯内弧角部产生连续性高温沿晶韧性断裂。目前，针对该类型裂纹的有效解决方法主要有两种：一、加大连铸坯内弧角部区域的冷却强度，使连铸坯“冷行”通过矫直区；二、降低连铸坯内弧角部区域的冷却强度，使连铸坯“热行”通过矫直区，从而达到连铸坯过矫直区时坯壳角部温度避开钢的第三脆性温度区，并降低其微横裂纹发生的目的。然而，在实际宽厚板坯连铸生产中，因第一种方法易引发连铸坯三角区裂纹而普遍采用第二种方法。

在实际连铸生产过程中，一方面由于宽厚板坯具有断面大的特点，为确保连铸坯在生产过程中不产生鼓肚行为和有效消除连铸坯凝固潜热，二冷水喷淋强度相比常规板坯连铸大，受喷淋管直接喷淋至连铸坯角部的冷却水和由连铸坯内弧表面中部流向连铸坯边部的冷却水共同冷却作用，连铸坯角部温度下降速度较快；另一方面受宽厚板坯连铸拉速相对低的影响，坯壳角部在铸流内受二维传热作用的时间增加，进一步加剧了坯壳角部区域的降温，极易引起连铸坯边角部通过矫直区时落入钢的第三脆性温度区。因此，降低连铸坯边角部区域受水量，减缓坯壳角部区域的降温速度是有效提高连铸坯进矫直区温度的方法。

为此，为了有效解决该难题，近年来部分钢铁企业在新引进的宽厚板连铸机配装了二冷幅切控制系统，通过在连铸机铸流横向上配备两套独立供水回路，分别独立控制铸坯中部和边部区域的冷却水量，以降低铸坯边角部的冷却强度，一定程度上减轻了铸坯内弧角部表面微横裂纹的产生。然而，由于多数宽厚板连铸机具备生产多个宽度规格断面铸坯的能力，在实际连铸生产过程中需频繁切换连铸断面的宽度，两套独立的供水回路无法满足多个断面宽度铸坯的冷却要求；当铸坯宽度由大宽度规格调整为较小宽度断面时，受喷嘴流量特性的影响，由喷淋管喷射至连铸坯边角部表面的冷却水量加大，连铸坯角部降温依然显著，连铸坯内弧角部表面的微横裂纹依然难以控制，因此，幅切控制系统具有一定的适用局限性。此外，在未配装二冷幅切控制系统的宽厚板连铸机上引入此系统，需重新对连铸机二冷各冷却区的供水回路进行全面改造，扇形段上原有喷淋管的位置及数量也需重新优化，而现有的宽厚板坯连铸机的供水回路一般都是固化在扇形段内部，重新改造供水回路势必要对扇形段进行结构改造，不仅影响生产节奏，而且成本也较高。两套独立供水回路的协调工作也需要重新开发二冷水表，精确的二冷配水控制系统研发周期较长且十分复杂。

近年来，部分常规宽厚板连铸机未配备二冷幅切控制系统的钢铁企业为了解决连铸坯角部降温过快的难题，除了开发二冷弱冷技术外，还采用封堵铸流部分弧形段和矫直段扇形段边部喷嘴的方法，大幅降低连铸坯边角部区域的冷却强度，达到了有效提升连铸坯边角部温度的目的，一定程度上也解决了连铸坯内弧角部微横裂纹频发的困扰；但却由于较大范围封堵铸流边部的喷淋管导致连铸坯在铸流横向上冷却极度不均，连铸坯1/4宽度处坯壳温度过高，引起连铸坯中心偏析加剧，恶化了连铸坯内部质量。此外，封堵喷淋管所对应的扇形段支撑辊常因辊表面缺乏水膜润滑保护和连铸坯表面温度过高影响，而导致连铸坯表面的保护渣与氧化铁皮混合物粘于其上，影响了设备的正常运转。

此外，中国专利CN1958193A公开了一种连铸坯表面目标温度监控分析方法及其装置，实现了测温结果与工艺数据的在线纪录，解决了现有铸坯表面温度监控无法与连铸工艺等参数联系起来的技术问题，但该发明的铸坯表面温度监控系统无法根据铸坯表面温度变化情况反控制于铸坯温度场分布。

因此，综合不同钢种连铸坯角部高温过矫直区的温度要求和高内部质量连铸坯生产要求，开发一种既能确保连铸坯过矫直区高温避开对应钢种的第三脆性温度区，又能最大化保证连铸坯的内部质量，并精确监控连铸坯二冷温度场变化，且能够反控制于连铸坯温度场分布的连铸坯内弧角部温度精确控制系统显得十分有必要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可确保连铸坯过矫直区时高温避开钢的第三脆性温度区，且不影响连铸坯的整体内部质量，减少连铸坯边角部微横裂纹发生的智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统，包括测温装置、导流装置及控制系统，所述测温装置由测温管和红外测温探头组成，所述红外测温探头设置在测温管的上端，所述测温管的上端与压缩空气管道相连通；所述导流装置由水平支撑架、支撑架连接杆和冷却水收集导流管组成，所述支撑架连接杆的顶端与水平支撑架相连接，所述支撑架连接杆的底端与冷却水收集导流管相连接；所述测温管与测温装置液压推进器相连接，所述导流装置的水平支撑架与导流装置液压推进器相连接，所述测温装置液压推进器和导流装置液压推进器分别与控制系统相连接；所述控制系统包括工控机、PLC控制器及A/D转换器，所述工控机分别经PLC控制器与导流装置液压推进器和测温装置液压推进器相连接，所述红外测温探头经A/D转换器与工控机相连接。

所述水平支撑架包括第一固定杆、第二固定杆和连接杆机械臂，所述连接杆机械臂的一端与第一固定杆相连接，另一端通过第二固定杆并与所述支撑架连接杆的顶端相连接。

为了减小在液压推进过程中导流装置与扇形段之间的摩擦阻力和精确控制导流装置的整体推进距离，在所述第二固定杆的两端设置有带轨滑轮。

一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：根据所生产钢种的断面收缩率确定连铸坯角部高温过矫直区的目标表面温度T；

步骤二：根据计算机对主流工况下连铸坯二冷温度场的模拟和现场试验结果，确定导流装置的初始位置；

步骤三：根据所生产的连铸坯的断面宽度确定测温装置的位置；

步骤四：通过红外测温探头读入当前连铸坯的角部表面温度Tm；

步骤五：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于或等于目标表面温度T，若是，则执行步骤六；否则，转去执行步骤九；

步骤六：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于最大允许角部表面温度Tmax，若是，则转去执行步骤八；否则，执行步骤七；

步骤七：固定导流装置的位置，并转去执行步骤十一；

步骤八：回缩导流装置Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤九：判断导流装置的推进量Lm是否大于或等于最大推进距离Lmax，若是，则转去执行步骤七；否则，执行步骤十；

步骤十：推进导流装置Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤十一：结束。

本发明的控制系统的控制原理为：

以铸流矫直段入口处连铸坯内弧角部表面的实际测温结果作为当前连铸坯内弧角部附近区域冷却强度的反馈，然后利用其与目标表面温度间的差距，通过小幅调整导流装置的位置，实现对铸流冷却水喷淋宽度的动态调整，从而改变连铸坯角部附近区域的冷却强度，使得连铸坯角部温度向目标表面温度方向逼近，并使其最终稳定于目标表面温度附近。

本发明的有益效果：

(1)本发明可有效防止因铸流两侧喷淋管直接喷射二冷水而导致的连铸坯内弧角部区域快速冷却降温；

(2)通过本发明的导流装置可有效减少铸流中部流至连铸坯角部的冷却水量，防止因该部分冷却而造成连铸坯内弧角部快速冷却降温；

(3)本发明可精确控制连铸机铸流矫直段入口处连铸坯内弧角部的温度在目标温度±5℃范围内小范围波动，且具有智能性；

(4)本发明具有较强的适用性，适用于目前钢铁企业主流宽厚板坯连铸机任意断面宽度和关键钢种的连铸坯生产。

附图说明

图1为本发明的智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统的结构示意图；

图2为本发明的导流装置的结构示意图；

图3为本发明的智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统的控制方法的程序流程图；

图4为连铸生产中45#钢在不同温度下的断面收缩率变化曲线图；

图5为本发明的控制系统的原理框图；

图中，1-冷却水收集导流管，2-支撑架连接杆，3-喷淋管，4-连铸坯，5-导流装置液压推进器，6-测温装置液压推进器，7-红外测温探头，8-测温管，9-压缩空气管道，10-控制系统，11-第-固定杆，12-第二固定杆，13-连接杆机械臂，14-带轨滑轮，15-测温装置，16-导流装置，17-水平支撑架，θ-喷嘴喷射角度，l-冷却水收集导流管入口与喷嘴口之间的距离，L-喷嘴与连铸坯上表面之间的距离。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统，包括测温装置15、导流装置16及控制系统10，所述测温装置15由不锈钢材质的测温管8和非接触式红外测温探头7组成，所述红外测温探头7设置在测温管8的上端，所述测温管8的上端与压缩空气管道9相连通；所述导流装置16由水平支撑架17、支撑架连接杆2和冷却水收集导流管1组成，所述支撑架连接杆2的顶端与水平支撑架17相连接，所述支撑架连接杆2的底端与冷却水收集导流管1相连接；所述测温管8与测温装置液压推进器6相连接，所述导流装置16的水平支撑架17与导流装置液压推进器5相连接，所述测温装置液压推进器6和导流装置液压推进器5分别与控制系统10相连接。所述水平支撑架17包括第一固定杆11、第二固定杆12和连接杆机械臂13，所述连接杆机械臂13的一端与第一固定杆11相连接，另一端通过第二固定杆12并与所述支撑架连接杆2的顶端相连接。为了减小在液压推进过程中导流装置16与扇形段之间的摩擦阻力和精确控制导流装置16的整体推进距离，在所述第二固定杆12的两端设置有带轨滑轮14。

如图5所示，所述控制系统10包括工控机、PLC控制器及A/D转换器，所述工控机分别经PLC控制器与导流装置液压推进器和测温装置液压推进器相连接，所述红外测温探头经A/D转换器与工控机相连接。

所述测温装置15的工作原理为：

非接触式红外测温探头7自身具有测温信号输出装置，压缩空气管道9将带有一定压力的压缩空气吹入测温管8内，并由测温管8下端吹出；利用压缩空气可打散连铸坯角部表面附近的水蒸汽，实现连铸坯角部温度准确连续测量；并将温度测量结果通过红外测温探头7的测温信号输出装置传送至控制系统10。该测温装置15的主要优点是：可最大化减轻连铸二冷由于过大水汽造成的测温误差。

所述导流装置16的工作原理为：

导流装置液压推进器5根据控制系统10下发的位移推进指令，精确带动水平支撑架17作水平推进或回缩运动，进而整体带动固定于支撑架连接杆2下端的冷却水收集导流管1，收集并导流由扇形段边部喷淋管3喷射至连铸坯4边部、理想喷淋宽度以外区域的多余二冷水；实现对扇形段内弧二冷水喷淋宽度的在线自动精确幅切控制，达到自由控制连铸坯4角部附近区域冷却强度的目的。

在所述导流装置16中，冷却水收集导流管1由直径为40～55mm的钢管，以及焊接在其上并与其呈15～30°角度、长40～60mm的开口状收集口组成，且二者均为不锈钢材质；冷却水收集导流管1的整体长度

并整体以向下倾斜10～30°方式固定于支撑架连接杆2上，冷却水收集导流管1的个数与扇形段内的喷淋管3排数一致。所述第一固定杆11、第二固定杆12、连接杆机械臂13、支撑架连接杆2和带轨滑轮14均为不锈钢材质。其中，第一固定杆11的设计是为了保证在导流装置液压推进器5的推动下水平推进整个水平支撑架17；第二固定杆12保持与第一固定杆11平行，其设计的主要目的是固定并支撑连接杆机械臂13；连接杆机械臂13根据扇形段内各排喷嘴的位置穿透于第二固定杆12，并与第一固定杆11固定连接，其主要作用是固定连接具有冷却水收集导流管1的支撑架连接杆2，其长度为保证液压推进行程为0时，冷却水收集导流管1的收集口与扇形段各边部喷嘴喷出的二冷水扇形面距离为10～20mm，其个数与冷却水收集导流管1个数相同；支撑架连接杆2的顶端垂直固定于连接杆机械臂13上，底端与冷却水收集导流管1相连，其长度为保证冷却水收集导流管1入口与喷嘴口之间的距离l处于30～50mm范围内。所述的导流装置液压推进器5由一套液压缸构成，液压缸的推进端与第一固定杆11的中部固定相连，其推进距离由控制系统10下发指令决定，最大行程选择100～150mm。

在所述测温装置15中，红外测温探头7采用插入方式设置于测温管8上端，测温管8由测温装置液压推进器6固定，且确保垂直于连铸坯4角部表面，测温管8下端与连铸坯4上表面距离保证在40～60mm范围内，测温管8的直径根据红外测温探头7大小确定，一般选择40～50mm，长度选为100～120mm。为了保证连铸坯4表面上方水汽有效消除，最大限度减轻水汽对红外测温结果的影响，压缩空气管道9通入的压缩空气气压保证大于0.2Mpa。测温装置液压推进器6主要由伸缩式的液压缸构成，液压缸最大行程由连铸坯4的最小断面宽度决定。

所述控制系统10主要由温度数据接收模块、智能分析模块以及指令下发模块组成。其中，温度数据接收模块按Δt时间频率接收红外测温探头7传送来的温度测量结果，接收时间Δt主要受连铸坯冷却效果与连铸坯温度响应决定，根据实际宽厚板坯拉速情况，一般选择为2min。智能分析模块则根据实测的连铸坯角部表面温度与目标表面温度的差距，分析调整导流装置的位置。指令下发模块则根据智能分析模块分析所得的导流装置推进方向和位移大小结果下发指令至导流装置液压推进器5，从而实现对导流装置位置的精确控制。

一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统的控制方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤一：由Gleeble高温热模拟机测定所生产钢种在不同温度下的断面收缩率变化曲线，并确定其断面收缩率达到60％时对应的温度T；将该温度T作为该钢种连铸生产时，连铸坯角部高温过矫直区的目标表面温度T，(例如连铸生产45#钢时的连铸坯角部目标表面温度T取912℃，如图4所示)；

步骤二：覆盖宽度是确定导流装置初始位置的依据，根据连铸现场主流工况(包括拉速、过热度、二冷强度等)，通过计算机利用Ansys有限元软件建立所生产钢种的连铸坯二冷温度场二维有限元仿真计算模型，对连铸坯二冷温度场进行模拟；然后，在二维有限元仿真计算模型中通过改变不同的连铸坯角部二冷水覆盖宽度计算条件，获得相应的连铸坯二冷温度场分布；并对照步骤一中所确定的连铸坯角部目标表面温度T，根据对照结果所确定的连铸坯角部二冷水覆盖宽度确定导流装置的初始位置；最后，通过连铸现场试验最终确定该初始位置；

步骤三：根据所生产的连铸坯的断面宽度确定测温装置的位置；

步骤四：通过红外测温探头读入当前连铸坯的角部表面温度Tm；

步骤五：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于或等于目标表面温度T，若是，则执行步骤六；否则，转去执行步骤九；

步骤六：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于最大允许角部表面温度Tmax，若是，则转去执行步骤八；否则，执行步骤七；

步骤七：固定导流装置的位置，并转去执行步骤十一；

步骤八：回缩导流装置Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤九：判断导流装置的推进量Lm是否大于或等于最大推进距离Lmax，若是，则转去执行步骤七；否则，执行步骤十；

步骤十：推进导流装置Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤十一：结束。

其中，Tmax＝T+ΔT，ΔT-动温度，取值一般为5℃；最大推进距离Lmax一般取为确保其不超过各扇形段边部喷嘴喷射角度3/4所对应的水平距离；导流装置每次的调整幅度Δl一般选取为1～2mm。

Claims (4)

1.一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统，其特征在于包括测温装置、导流装置及控制系统，所述测温装置由测温管和红外测温探头组成，所述红外测温探头设置在测温管的上端，所述测温管的上端与压缩空气管道相连通；所述导流装置由水平支撑架、支撑架连接杆和冷却水收集导流管组成，所述支撑架连接杆的顶端与水平支撑架相连接，所述支撑架连接杆的底端与冷却水收集导流管相连接；所述测温管与测温装置液压推进器相连接，所述导流装置的水平支撑架与导流装置液压推进器相连接，所述测温装置液压推进器和导流装置液压推进器分别与控制系统相连接；所述控制系统包括工控机、PLC控制器及A/D转换器，所述工控机分别经PLC控制器与导流装置液压推进器和测温装置液压推进器相连接，所述红外测温探头经A/D转换器与工控机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统，其特征在于所述水平支撑架包括第一固定杆、第二固定杆和连接杆机械臂，所述连接杆机械臂的一端与第一固定杆相连接，另一端通过第二固定杆并与所述支撑架连接杆的顶端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统，其特征在于在所述第二固定杆的两端设置有带轨滑轮。

4.权利要求1所述的一种智能控制宽厚板坯矫直区内弧角部温度的系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据所生产钢种的断面收缩率确定连铸坯角部高温过矫直区的目标表面温度T；

步骤二：根据计算机对主流工况下连铸坯二冷温度场的模拟和现场试验结果，确定导流装置的初始位置；

步骤三：根据所生产的连铸坯的断面宽度确定测温装置的位置；

步骤四：通过红外测温探头读入当前连铸坯的角部表面温度Tm；

步骤五：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于或等于目标表面温度T，若是，则执行步骤六；否则，转去执行步骤九；

步骤六：判断当前连铸坯的角部表面温度Tm是否大于最大允许角部表面温度Tmax，若是，则转去执行步骤八；否则，执行步骤七；

步骤七：固定导流装置的位置，并转去执行步骤十一；

步骤八：回缩导流装置调整幅度Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤九：判断导流装置的推进量Lm是否大于或等于最大推进距离Lmax，若是，则转去执行步骤七；否则，执行步骤十；

步骤十：推进导流装置调整幅度Δl距离，并转去执行步骤四；

步骤十一：结束。

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