CN104493121A - 一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大方坯生产技术领域，具体涉及一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法。本发明首先采用射钉法测定凝固坯壳厚度，建立热跟踪模型，计算得到不同固相率、不同浇注温度和拉速下沿铸流方向的坯壳厚度的预测结果，然后测定拉矫机对铸坯进行压下时不同的坯壳厚度处的压下量，建立坯壳厚度-压力-压下量关系曲线，建立钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库，在实际生产过程中，在线测量各拉矫机进行周期性压下时的钢种-压力-压下量对应关系数据与数据库进行比对，判定当前连铸坯的实际坯壳厚度，确定凝固末端位置。本发明方法紧密结合大方坯连铸生产实际，不需要新增检测设备，利用现有拉矫机完成凝固末端在线检测过程。

Description

一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法

技术领域

本发明属于大方坯生产技术领域，具体涉及一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法。

背景技术

连铸坯凝固的特点决定了其凝固过程中易形成中心偏析和疏松。凝固末端压下计算是解决这一问题的有效手段，已经得到了广泛应用。连铸坯凝固末端压下技术是指通过在连铸坯凝固末端施加一定压力，迫使铸坯两相区液芯变形，从而将凝固前沿富含溶质偏析元素的钢铁向液相区挤压排出，同时补偿凝固收缩。压下区间，压下量，压下率与压下效率是常用的凝固末端压下参数。对于大方坯连铸机而言，由于多采用空冷区的拉矫机进行压下，因此常用压下量表征各拉矫机的压下工艺。此外，压下区间是指凝固末端压下的作用区域，多用连铸坯中心固相率表征；压下效率指压下过程中液芯变形量与坯壳变形量之比，其常用于表征表面压下量向液芯传递并引起液芯变形的效率。

凝固末端压下技术是在连铸坯凝固末端的一段区域进行压下，其技术核心在于：准确检测并控制液芯位置与形貌，并通过合理的压下施加稳定有效控制液芯变形。因此，准确定位凝固末端位置是实施凝固末端压下技术的前提。目前用来确定凝固末端位置主要有两种方法，一是通过在线热跟踪模型的实时计算结果判定，另一种是通过安装在扇形段上压力传感器的实时探测判定。

其中热跟踪模型计算方法要求模型计算结果准确，计算时间短(周期为秒级)。如Danieli开发的LPC模型就能根据钢种、浇铸温度、拉速等变化因素在线计算铸坯的凝固末端位置(Metallurgical Plant and Technology International,2003(2):44-51.)，VAI的也可根据不同的浇铸条件在线预测凝固终点位置(Metallurgical Plant and Technology International,2004(4):46-48.)。现有技术中常常采用射钉法获取坯壳厚度数据以校正热跟踪模型计算的准确性，但一方面，受限于实验成本等，无法对铸坯每个位置均进行射钉试验；另一方面，非稳态浇铸过程中也不可能采用射钉试验实时校正热跟踪模型计算的准确性，所以仅仅依靠热跟踪模型将不可避免的导致凝固坯壳预测偏差。

不同研究者提出的压力传感器探测判定方式有所差别，但基本原理都是对比检测分析带液芯与不带液芯铸坯的差异，判定凝固末端位置。主要的检测方法包括：振动法，压力反馈法，电磁超声检测法等。振动法：CYBERLINK扇形段通过上框架的周期性低幅(约2mm)低频(约2Hz)振动，可在线探测铸坯凝固终点位置，与之相类似，专利CN103048242A、专利CN102029368A均通过振动法检测连铸坯液固相分数和液芯末端位置。压力反馈法：DDD开发了实际液相穴末端监测技术(ALCEM)应用于OPTIMUM扇形段，即通过压力反馈信号来判断压下位置是否准确；与之相类似，专利CN 101912952B提出了一种动态轻压下的控制方法和压下区间的确定方法，其根据多个连续的扇形段中压力值的突变来确定凝固末端位置，根据凝固末端位置确定压下区间；专利CN101920323B提出了一种基于压力反馈检测铸坯凝固液芯末端的动态轻压下方法，其通过变化各扇形段辊缝收缩大小，检测辊缝变化时各扇形段内铸坯受力差异，从而判断被压下铸坯是否含有液芯，以确定凝固末端位置。电磁超声检测法：新日铁提出了一种采用电磁超声在线测定连铸板坯凝固坯壳厚度和液相穴终点的方法(钢铁，1985.11，41-44)，与之相类似，专利CN102500747A也采用电磁超声方法测定凝固坯壳厚度。

通过扇形段在线检测铸坯压力反馈值进行凝固末端定位已成为动态轻压下技术的发展趋势之一，但采用热跟踪模型进行在线“软测量”仍然是必不可少的手段。上述研究大多是针对采用扇形段机构的板坯连铸生产过程开展，在采用压力反馈检测过程中，由于板坯连铸多采用扇形段内外弧形成锥度进行压下，其检测的压力反馈数据大多为一个压下面上的平均反馈力，往往难以准确定位凝固末端在压下面内的具体位置。采用电磁超声法存受限于高温下电磁超声测厚回波的差异性较大和可测定性较差，大尺寸下的波形衰减严重，信噪比上升等技术瓶颈，往往不能稳定预测。因此进一步提高在线热跟踪模型的计算精度成为了研究的热点和难点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法，目的是根据拉矫机铸辊的压下时的压力与压下量反馈数据，对比得到液芯厚度，并辅以热跟踪模型，准确定位凝固末端位置。

实现本发明目的的技术方案具体按照以下步骤进行：

(1)在稳态浇铸过程中，即稳定浇铸温度范围、钢种和拉速条件下，采用射钉法，将带有硫化物的钢钉射入某钢种的铸坯内部，对铸坯凝固后的射钉位置进行切边，经过硫印显示得到硫化物沿铸流方向的扩散规律，得到射钉位置处的凝固坯壳厚度与液固两相区的厚度；

(2)采用步骤(1)中的具体浇铸条件，基于有限差分方法建立热跟踪计算模型，计算得到坯壳厚度生长规律，采用步骤(1)实测得到的坯壳厚度进行比对校正，得到稳态浇铸条件下坯壳厚度沿铸流方向的生长分布；

(3)测定在步骤(1)中的具体浇铸条件下，各拉矫机采用不同压力对铸坯进行压下，得到记录压力值-压下量关系，同时比对步骤(2)得到的不同拉矫机位置处的坯壳厚度数据，建立坯壳厚度-压力-压下量关系曲线；

(4)按照步骤(1)～(3)所述的内容，测定不同钢种的坯壳厚度与压力和压下量的关系曲线，建立钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库；

(5)在实际生产中的稳态或非稳态浇铸条件下，在线测量各拉矫机进行周期性压下时的钢种-压力-压下量对应关系数据，将在线测定的钢种-压力-压下量对应关系数据与步骤(4)中建立的钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库进行比对，判定当前连铸坯的实际坯壳厚度，确定凝固末端位置。

本发明所述的稳态浇铸条件是指浇铸温度和拉矫机拉速等都在稳定范围内保持不变；所述的非稳态浇注条件是指浇注温度和拉矫机拉速等在实际生产中随时间有波动变化的不稳定现象。

本发明中所述的热跟踪模型为基于切片法的传热计算模型，其基本原理在于在开浇和浇铸过程中，在结晶器弯月面处定时的不断“出生”大小不一的跟踪单元，并将跟踪单元与浇铸工艺参数相关联；在开浇时产生第一个跟踪单元，间隔一定的时间△t后在产生第二个跟踪单元，以后如此反复直至停浇；每个单元“出生”于结晶器弯月面，“消逝”于铸坯切割点；在每一个计算周期内，实时计算整个铸流线上所有跟踪单元内部节点的温度分布从而得到铸坯表面温度，中心温度，固相线位置，液相线位置，凝固终点位置；这样就实现了温度场的计算从静态转为动态，并且该计算方法还时刻与连铸工艺相关，从而实现了真正意义上的实时温度场计算。

具体步骤是：

选取铸坯1/4建立二维凝固传热数学模型，如式1所示。

$\mathrm{\ρ}\left(T\right)c\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\right)---\left(1\right)$

其中，T为铸坯温度；t为时间；ρ(T)，c(T)和λ(T)分别为密度、比热、热传导系数，均为温度T的函数。采用有限差分方法求解该方程。

为提高模型的预测准确性，本发明采用实测水流密度分布作为二冷区的边界条件，根据钢凝固过程各相分率与温度之间的关系获得钢的高温物性参数，采用红外热成像与射钉法对模型进行校验。

(1)结晶器边界条件：

准确的边界条件是求解方程的基本保障，结晶器中的铸坯传热如式(2)所示：

$-\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂n}=q_{\mathrm{mold}}---\left(2\right)$

其中，代表维度(为铸坯窄面，为铸坯宽面)；q_mold是结晶器热流密度，Mw/m²。考虑到铸坯角部收缩引起的热流密度衰减，采用式(3)计算热流密度。

q_mold＝q_center·(1-exp(a₁x-a₂))         (3)

其中，a₁，a₂是根据结晶器高度设置的热流密度，a₁＝68.5，a₂＝11.7；x是铸坯中心至角部的距离，m；q_center是铸坯表面中心线热流密度，Mw/m²，其根据公式(4)确定

$q_{\mathrm{center}}=A-B\sqrt{t}---\left(4\right)$

其中，A，B是系数，A＝1.25-1.45×10⁶，B＝5.5-6.5×10⁴；t是铸坯在结晶器内的停留时间。

(2)二冷区边界条件：

二冷区内的传热由公式(5)计算得出。

$-\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂n}=q_{\sec }=h_{\sec }\·(T_{\mathrm{surf}}-T_{\mathrm{amb}})---\left(5\right)$

其中，T_surf和T_amb分别是铸坯表面的和环境温度；h_sec是二冷区综合换热系数，可表示为：

$h_{\sec }=h_{\mathrm{rad}}+h_{\mathrm{ec}}^i+h_w^i---\left(6\right)$

其中，和h_rad分别是二冷水、辊接触和辐射传热的等效换热系数。可表示为：

$h_w^i=a_i\·W_i{\left(x\right)}^{0.55}\·(1-{0.0075T}_w)---\left(7\right)$

其中，a_i是根据铸机类型决定的修正系数；T_w是二冷水温；W_i(x)是第i区的水流密度分布，L·m^-2·min^-1，其根据水流密度测试结果确定。

计算公式如下：

$h_{\mathrm{ec}}^i=\frac{h_c^i\·N_R^i\·R_L^i}{Z_L^i}---\left(8\right)$

其中，N_R ⁱ是第i区内弧辊总数；Rⁱ _L i区内每个辊的辊-坯接触长度,m；Zⁱ _L是第i区的长度。根据前人研究经验，h_c ⁱ为0.3-3.6kW·m^-2·℃^-1，Rⁱ _L设为0.02m。

h_rad计算公式如下：

$h_{\mathrm{rad}}=\mathrm{\σ}\·\mathrm{\ϵ}\·(T_{\mathrm{surf}}+T_{\mathrm{amb}})\·(T_{\mathrm{surf}}^2+T_{\mathrm{amb}}^2)---\left(9\right)$

其中σ是斯蒂芬波尔兹曼常数，5.67×10^-8W·m^-2·K^-4；ε是辐射率。

(3)空冷区边界条件

在空冷区，仅依靠辐射和辊接触散热，可表达为：

$q_{\sec }^i=(h_{\mathrm{ec}}^i+h_{\mathrm{rad}})\·(T_{\mathrm{surf}}-T_{\mathrm{amb}})---\left(10\right)$

(4)物性参数

本发明采用有限差分法建立了正六边形横断面枝晶模型的钢凝固过程两相区溶质微观偏析模型，并以所求得的钢凝固过程各相分率与温度的关系为纽带获取各高温物性参数与温度间的定量关系，从而最终确定凝固传热计算所需的密度、焓、传热系数等物性参数。

(5)模型验证

本发明采用红外热成像技术对铸坯表面温度进行空间与时间上的联系测定，并与模型计算结果相对比，从而校正铸坯表面对流换热系数、辐射发生率等关键参数选取的准确性。同时，本文以射钉实验测得的铸坯厚度对模型计算得到的坯壳厚度进行比对校正，从而确保模型最终计算结果的准确性。

本发明适用的大方坯连铸机特点主要为：断面尺寸≥150mm×150mm；钢种为中、高碳钢与中、高碳合金钢；拉矫机≥5台。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

如说明书附图图3所示，连铸坯凝固过程中由液态逐渐凝固为固态，凝固坯壳厚度逐渐增大，在固相与液相间存在一个固液混合的两相区。一般铸坯的抗压变形量主要由凝固坯壳决定，因此相同钢种条件下，铸坯坯壳厚度-压下量-压力的关系是基本不变的，即在非稳态浇铸或稳态浇铸过程中关系基本不变。实际生产过程中，通过拉矫机的压下，可得到压下量-压力关系曲线。因此，本发明在准确测定钢种-坯壳厚度-压下量-压力关系的前提下，并将在线测得的钢种-压下量-压力关系与之相对比，即可得到非稳态浇铸过程中该拉矫机下的凝固坯壳厚度。

现有技术中想要准确使用热跟踪模型计算凝固末端位置的前提是在稳态浇铸条件下进行射钉试验，但是在线生产过程常常是一个非稳态过程，也无法对铸坯进行射钉试验，所以仅仅采用热跟踪模型计算就会产生偏差。无论是非稳态浇铸还是稳态浇铸过程，钢种-坯壳厚度-压力-压下量关系是基本相同的。鉴于此，本发明首先对铸坯进行射钉试验并经过模型准确计算，然后建立了压力和坯壳厚度关系的数据库，在线生产的非稳态浇铸检测中直接调用数据库中的数据进行比，提高了在线凝固末端位置检测的精确度。

本发明的优点是：

(1)本发明方法紧密结合大方坯连铸生产实际，不需要新增检测设备，利用现有拉矫机完成凝固末端在线检测过程；

(2)与传统的压力反馈检测方法相比，本发明通过拉矫机的单点压下与射钉验证等手段，建立了准确的钢种-坯壳厚度-压力-压下量关系，并以此为坯壳厚度在线判定的依据，其预测更为准确；

(3)本发明以热跟踪计算结果作为压力反馈检测结果的辅助校验手段，进一步证明了预测的准确性。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图2是本发明实施例1中的坯壳厚度-压力-压下量关系曲线；

图3是本发明实施例1中的在线检测的压力-压下量与坯壳厚度的关系曲线；

图4是本发明进行大方坯连铸的凝固端位置示意图；

其中：1：坯壳厚度；2：凝固末端位置；A：钢液区；B：凝固坯壳；C：固液两相区；D：拉矫机。

具体实施方式

本发明应用于某钢厂380mm×490mm大方坯连铸机，其有12台拉矫机，其中可压下拉矫机10台，以生产轴承钢、冷镦钢等中、高碳合金钢为主。

实施例1

本发明实施例的技术方案如图1所示，按照以下步骤进行：

(1)本实施例是1486～1496℃的浇铸温度和以0.45m/min拉速条件下，采用射钉法，将带有硫化物的钢钉射入某矿山钢种的铸坯内部，钢种的成分见表1所示，对铸坯凝固后的射钉位置进行切边，经过硫印显示得到硫化物沿铸流方向的扩散规律，得到射钉位置处的凝固坯壳厚度与液固两相区的厚度；

(2)以步骤(1)中得到的特定浇铸条件下，基于有限差分方法建立热跟踪计算模型，在开浇和浇铸过程中，在结晶器弯月面处定时的不断“出生”大小不一的跟踪单元，并将跟踪单元与浇铸工艺参数相关联；在开浇时产生第一个跟踪单元，间隔一定的时间△t后在产生第二个跟踪单元，以后如此反复直至停浇；每个单元“出生”于结晶器弯月面，“消逝”于铸坯切割点；在每一个计算周期内，实时计算整个铸流线上所有跟踪单元内部节点的温度分布从而得到铸坯表面温度，中心温度，固相线位置，液相线位置，凝固终点位置；

每一个计算周期的数学模型是选取铸坯1/4建立的二维凝固传热模型，如式(1)所示，

$\mathrm{\ρ}\left(T\right)c\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\right)---\left(1\right);$

其中，T为铸坯温度；t为时间；ρ(T)，c(T)和λ(T)分别为密度、比热、热传导系数，均为温度T的函数，采用有限差分方法求解该方程，计算得到坯壳厚度生长规律等，同时以步骤(1)得到的坯壳厚度对模型进行比对校正，从而得到稳态浇铸条件下坯壳厚度沿流线的分布，如图2所示；

(3)测定在步骤(1)中的具体浇铸条件下，各拉矫机采用不同压力值，即500、750、1000、1250、1500、1750kN，得到的压下量；同时对应步骤(2)得到在不同拉矫机位置处的坯壳厚度，建立坯壳厚度-压力-压下量关系曲线，如图3所示；

(4)按照步骤(1)～(3)所述的内容，可测得不同钢种的坯壳厚度与压力和压下量的关系曲线，建立钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库；

(5)在实际生产过程某一时刻(3分钟内)，在非稳态浇铸或稳态浇铸条件下，在线测量各拉矫机对成分如表1所示的矿山钢进行周期性压下时的该钢种-压力-压下量对应关系数据，4#～6#拉矫机分别采用1000kN与1500kN压力压坯，此时刻压下量如表2所示，将在线测定的钢种-压力-压下量对应关系数据与步骤(4)中建立的钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库进行比对，可知此时刻4#、5#、6#拉矫机下坯壳厚度约为0.144mm、0.170mm和0.194mm，如图4所示，当坯壳厚度1确定时，凝固末端位置2也就确定了。

表1 某矿山钢种的成分表

成分

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Al

Ti

Nb

质量百分比,％

0.80

0.25

1.00

≤0.02

≤0.02

1.0

0.05

0.03

0.02

0.03

表2 不同压力下拉矫机压下量

Claims (1)

1.一种大方坯连铸生产过程的凝固末端位置在线检测方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）在稳态浇铸过程中，即稳定浇铸温度范围、钢种和拉速条件下，采用射钉法，将带有硫化物的钢钉射入某钢种的铸坯内部，对铸坯凝固后的射钉位置进行切边，经过硫印显示得到硫化物沿铸流方向的扩散规律，得到射钉位置处的凝固坯壳厚度与液固两相区的厚度；

（2）采用步骤（1）中的具体浇铸条件，基于有限差分方法建立热跟踪计算模型，计算得到坯壳厚度生长规律，采用步骤（1）实测得到的坯壳厚度进行比对校正，得到稳态浇铸条件下坯壳厚度沿铸流方向的生长分布；

（3）测定在步骤（1）中的具体浇铸条件下，各拉矫机采用不同压力对铸坯进行压下，得到记录压力值-压下量关系，同时比对步骤（2）得到的不同拉矫机位置处的坯壳厚度数据，建立坯壳厚度-压力-压下量关系曲线；

（4）按照步骤（1）~(3)所述的内容，测定不同钢种的坯壳厚度与压力和压下量的关系曲线，建立钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库；

（5）在实际生产中的稳态或非稳态浇铸条件下，在线测量各拉矫机进行周期性压下时的钢种-压力-压下量对应关系数据，将测定得到的钢种-压力-压下量对应关系数据与步骤（4）中建立的钢种-坯壳厚度-压力-压下量对应关系数据库进行比对，判定当前连铸坯的实际坯壳厚度，确定凝固末端位置。