CN104690242B - 一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法，属于钢铁冶金连铸生产控制领域。采用通过连铸跟踪单元组成的双向链表建立连铸动态跟踪模型、实时采集连铸工艺参数，并计算连铸坯凝固信息。通过当前电磁搅拌位置与最佳电磁搅拌位置的比对，实时计算凝固末端电磁搅拌器所需位移量，确保凝固末端电磁搅拌器始终位于所浇钢种的最佳搅拌位置；装置包括弧形导轨、滑动机构、驱动机构和控制器；凝固末端电磁搅拌器固定安装在滑动机构上；滑动机构位于弧形导轨上；驱动机构的一端连接滑动机构，驱动机构的另一端连接控制器；本发明较好地解决了传统凝固末端电磁器不能随连铸工艺实时调节的难题，且现场实施效果良好。

Description

一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金连铸生产控制领域，具体涉及一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法。

背景技术

由于溶质元素在固液两相中溶解度存在差异，钢连铸凝固枝晶生长过程伴随着溶质元素从固相向液相中排除，并逐渐富集在枝晶臂之间形成溶质微观偏析。同时，凝固末端铸坯凝固收缩和辊间铸坯鼓肚极易造成富含偏析元素的钢液聚集到铸坯中心位置处形成严重的中心偏析，且在后期加热、轧制过程中难以有效消除，对产品的机械性能和热加工性能产生有害影响。

电磁搅拌作为一种改善铸坯内部质量的有效手段，正广泛地应用于钢连铸生产过程。通常根据电磁搅拌器安装位置，电磁搅拌可分为结晶器电磁搅拌(MEMS)、二冷区电磁搅拌(SEMS)，凝固末端电磁搅拌(FEMS)。凝固末端电磁搅拌技术为通过安装在连铸坯凝固末端的电磁搅拌器产生电磁力，打断连铸坯凝固末端固液两相区内相互交错的枝晶，促使富集的浓缩钢液流动，消除因选分结晶造成的钢液中各成分浓度不均匀现象，消除铸坯中心偏析、中心疏松和V型偏析，从而达到改善铸坯内部质量的目的。为此，连铸坯凝固末端电磁搅拌效果与凝固末端电磁搅拌器位置和连铸工艺参数密切相关。

传统的凝固末端电磁搅拌技术均在假定连铸典型钢种和浇铸条件的情况下，确定最佳的电磁搅拌器安装位置。从而使得凝固末端电磁搅拌器安装位置相对固定，不能随连铸工艺参数(钢种、拉速、浇铸温度、结晶器冷却、二冷配水等)的改变而变化，仅通过调整电磁搅拌参数(电压、电流、频率等)来满足不同连铸工艺参数变化。为此，要充分发挥连铸凝固末端电磁搅拌功效需连铸工艺参数相对稳定。然而，连铸生产过程通常难以完全保持稳定，连铸工艺参数变化将直接影响电磁搅拌效果。特别是连铸钢种和拉速的变化，将显著影响凝固末端电磁搅拌器内铸坯液芯温度和厚度，从而影响凝固末端电磁搅拌功效。为此，传统采用固定位置安装凝固末端电磁搅拌器的方式，不能完全适应连铸生产要求，凝固末端电磁搅拌功效不明显，铸坯内部质量不稳定，难以满足高品质连铸坯生产要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法。

本发明的技术方案：

一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立连铸动态跟踪模型；

沿拉坯方向将连铸结晶器弯月面到最后一个拉矫辊位置之间的铸流划分为多个连续的跟踪单元；在浇铸过程中，从结晶器弯月面处等时间间隔不断“出生”新的跟踪单元，并对所述的不断“出生”的跟踪单元进行动态存储，将所有存储的跟踪单元依次串联起来形成双向链表；每个新“出生”的跟踪单元从双向链表表头插入，并使双向链表头指针指向该新“出生”的跟踪单元；当双向链表尾部的跟踪单元离开最后一个拉矫辊时，则将该跟踪单元从双向链表中删除，并将尾部指针指向与该跟踪单元相邻的前一个跟踪单元；

步骤2：针对每个跟踪单元，实时采集连铸工艺参数，进行连铸凝固传热计算，得到各个跟踪单元的连铸凝固信息；

所述连铸工艺参数包括：浇铸钢种、浇铸温度、拉速、铸坯断面尺寸、结晶器液面高度、结晶器冷却水量、进出口水温差、二冷各区的实际喷水量和水温度；

所述连铸凝固信息，包括：铸坯表面温度、铸坯中心温度、凝固坯壳厚度和铸坯中心固相率；

步骤3：利用连铸动态跟踪模型，将各个跟踪单元的连铸凝固信息结合起来，获得当前时刻铸坯各位置处对应的固相率；

步骤4：通过工业试验和模拟计算获取浇铸钢种的铸坯最佳固相率f_s ^opt，并结合步骤3所确定的铸坯各位置的固相率f_s，确定铸坯最佳固相率f_s ^opt所对应的电磁搅拌位置，即当前的最佳电磁搅拌位置P^opt；

步骤5：获取当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置P，并将其与最佳电磁搅拌位置P^opt进行比较，得到位置偏差δ＝P-P^opt；

步骤6：判断位置偏差δ是否为零，是，则当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置为最佳电磁搅拌位置；否，则当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置不是最佳电磁搅拌位置，执行步骤7；

步骤7：根据位置偏差值，实时调整凝固末端电磁搅拌器位置直至凝固末端电磁搅拌器位于最佳搅拌位置处。

一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制装置，包括凝固末端电磁搅拌器，还包括：弧形导轨、用于沿弧形导轨滑动的滑动机构、用于驱动滑动机构运动的驱动机构和控制器；

所述凝固末端电磁搅拌器固定安装在所述滑动机构上；所述滑动机构位于弧形导轨上；所述驱动机构的一端连接所述滑动机构，所述驱动机构的另一端连接控制器；

所述控制器，用于确定凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置与最佳电磁搅拌位置的 位置偏差，并根据该位置偏差通过驱动机构和滑动机构实时控制凝固末端电磁搅拌器始终处于最佳电磁搅拌位置。

所述弧形导轨安装在钢连铸工位，弧形导轨与连铸机弧线平行，即弧形导轨与弧形连铸机同心。

有益效果：本发明提出的一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法，具有以下优点：能够根据连铸工艺参数实时调整末端电磁搅拌位置，从而充分发挥末端电磁搅拌功效，改善铸坯内部质量。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的某钢厂方坯连铸机示意图；

图2为本发明一种实施方式的钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制装置结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的固定机构示意图；

图4为本发明一种实施方式的钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法流程图；

图5为本发明一种实施方式的连铸动态跟踪模型示意图；

图6为本发明一种实施方式的以跟踪单元的1/4作为实时计算区域的计算网格示意图；

图7为本发明一种实施方式的不同拉速条件下方坯固、液相线变化规律曲线图；

图8(a)为本发明一种实施方式的电磁搅拌位置固定的70#钢铸坯低倍照片；(b)为本发明一种实施方式的利用本发明的方法和装置对电磁搅拌位置进行动态控制的70#钢铸坯低倍照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。

如图1所示的国内某钢厂方坯连铸机，连铸机流数为十流，包括结晶器区、四个二次冷却区(如图1所示的I区、II区、III区和IV区)和一个空冷区，其中结晶器总高度为0.9m，有效高度为0.8m。二次冷却一区至二次冷却四区各区长度分别为0.308m、2.071m、2.4m和1.57m。方坯尺寸为160mm×160mm。

本实施方式为了在对该方坯连铸机上实施的钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法二专门设计的钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制装置如图2所示，由凝固末端电磁搅拌器、固定机构、两条弧形导轨201、用于支撑两条弧形导轨的支撑架202、滑动小车203、用于驱动滑动小车运动的液压驱动机构、PLC206和计算机207构成。本实施方式的固定机构，如图3所示，为具有4个通孔的矩形钢架，长600mm～800mm，宽150mm～200mm；本实施方式通过所述4个通孔利用螺栓紧固方式将凝固末端电磁搅拌器固定于固定机构之上，然后 将该固定机构固定在滑动小车203上；滑动小车203位于两条弧形导轨201上，滑动小车203由4个车轮、前后两个横梁和连接机构构成；本实施方式的弧形导轨的材质为T型钢，弧形导轨安装于钢连铸工位，弧形导轨与连铸机弧线平行，即弧形导轨与弧形连铸机同心，且导轨有效长度为2.3m，两条导轨之间的宽度小于流间距，取1m。本实施方式的液压驱动机构由液压缸204和液压泵205构成，液压缸204输出端连接滑动小车前轮的横梁，液压泵205连接PLC206；液压泵205根据PLC206的位移指令通过调整油阀开口度来调节进出油量，实现调整液压缸204的收缩，从而控制滑动小车203的位置，本实施方式滑动小车203的可移动位置范围为距离弯月面7.2～9.5m之间。本实施方式中PLC206的输入端连接计算机207。本实施方式正是在计算机207上实时确定凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置与最佳电磁搅拌位置的位置偏差的，并将该位置偏差下传至PLC206，PLC根据该位置偏差，即凝固末端电磁搅拌器的位移量，通过液压驱动机构和滑动小车，实时控制凝固末端电磁搅拌器始终处于最佳电磁搅拌位置。

本实施方式的钢连铸凝固末端电磁搅拌的动态控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：建立连铸动态跟踪模型；

如图5所示，沿拉坯方向将连铸结晶器弯月面到最后一个拉矫辊位置之间的铸流划分为多个连续的跟踪单元，将所有存储的跟踪单元依次串联起来形成双向链表；在浇铸过程中，从结晶器弯月面处等时间间隔不断“出生”新的跟踪单元，将新“出生”的跟踪单元，从双向链表表头插入并使头指针指向该新“出生”的跟踪单元，当双向链表尾部的跟踪单元离开最后一个拉矫辊时，则将该跟踪单元从双向链表中删除，并将尾部指针指向前一个跟踪单元。这样建立起了铸流的动态跟踪模型，其时刻与连铸工艺参数相匹配。

步骤2：针对每个跟踪单元，实时采集连铸工艺参数，进行连铸凝固传热计算，得到各个跟踪单元的连铸凝固信息；

所述连铸工艺参数包括：浇铸钢种、浇铸温度、拉速、铸坯断面尺寸、结晶器液面高度、结晶器冷却水量、进出口水温差、二冷各区的实际喷水量和水温度；所述连铸凝固信息，包括：铸坯表面温度、铸坯中心温度、凝固坯壳厚度和铸坯中心固相率；

步骤2-1：根据连铸工艺参数，建立连铸二维凝固传热模型：

式中：T—温度，℃；ρ—密度，kg/m³；c—热容，kJ/(kg·℃)；k_eff—导热系数，W/m·℃；S_o—内热源项；t—时间，s；x，y分别为坐标，m。

步骤2-2：由于二维凝固传热模型具有对称特性，因此选择跟踪单元的1/4作为实时计算区域，如图6所示，将计算区域分割成无数小网格，并采用内节点法将公式(1)在计算区域离散化，得到如下方程：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+a_NT_N+a_ST_S+S₀ (2)

a_P＝a_E+a_W+a_N+a_S (3)

式中T_P为单元中心点温度，℃；T_E，T_W，T_N，T_S分别为左侧，右侧，上侧，下侧单元中心点的温度，℃；K_P单元中心点导热系数，W/m·℃；K_E，K_W，K_N，K_S分别为中心点左侧，右侧，上侧，下侧单元的中心点导热系数，W/m·℃；Δx，Δy分别是横、纵坐标网格间距，m；(δx)_e为计算中心点与左侧网格中心点间距，m；(δx)_w计算中心点与右侧网格中心点间距，m；(δy)_n计算中心点与上侧网格中心点间距，m；(δy)_s计算中心点与下侧网格中心点间距，m；S₀为内热源项。

步骤3：利用连铸动态跟踪模型将各个跟踪单元的连铸凝固信息结合起来建立凝固传热动态模型，获得铸坯当前时刻铸坯各位置处对应的固相率；

在每一个计算周期(5s)内，从双向链表头部开始到尾部，结合跟踪单元所在位置的边界条件，对连铸凝固传热离散化方程(2)进行求解，从而得到整个铸流不同位置处铸坯温度、液相厚度、两相区厚度、凝固末端位置、坯壳厚度和中心固相率。

连铸坯凝固固相率f_s计算方法如下：

式中：T_l—液相线温度，℃；T_s—固相线温度，℃；T—铸坯中心温度，℃。

将跟踪单元中网格节点温度T与液相线温度T_l和固相线温度T_s进行比较，当T＞T_l时， 认为该节点为液相；当T＜T_s时，认为该节点为固相；当T_l≥T≥T_s时，认为该节点为两相区；从而可确定铸坯液相厚度，坯壳厚度以及两相区厚度；

步骤4：根据浇铸钢种的铸坯最佳固相率f_s ^opt，并结合步骤3所确定的铸坯各位置的固相率f_s，确定铸坯最佳固相率f_s ^opt所对应的电磁搅拌位置，即当前的最佳电磁搅拌位置P^opt；

浇铸钢种的铸坯最佳固相率及其最佳电磁搅拌位置处搅拌电流和搅拌频率，均是通过实验室数值模拟和现场工业实验确定；

步骤5：获取末端电磁搅拌器当前位置P，并将其与最佳电磁搅拌位置P^opt进行比较，得到位置偏差δ＝P-P^opt，即末端电磁搅拌器需移动的位移量；

本实施方式的末端电磁搅拌器当前位置P是通过液压缸的位移传感器获得。

步骤6：判断位置偏差δ是否为零，是，则末端电磁搅拌器的当前位置为最佳电磁搅拌位置；否，则末端电磁搅拌器的当前位置不是最佳电磁搅拌位置，执行步骤7；

步骤7：根据位置偏差值，实时调整末端电磁搅拌器位置直至末端电磁搅拌器位于最佳搅拌位置处。

如图7为该钢厂连铸生产70#钢时，不同拉速条件下方坯固、液相线变化规律，从图中可以看出拉速对方坯凝固终点的影响比较大，当拉速分别为1.80m/min、1.90m/min和2.00m/min时，方坯分别移动到距月面7.82m，8.33m和8.79m时，液相线消失，方坯移动到距弯月面分别为11.24m、11.93m和12.67m时，坯壳厚度达到80mm，固相线消失。拉速增大0.2m/min，方坯的液相线消失位置往后推移0.97m，方坯的完全凝固点往后推移1.43m，为此需要对电磁搅拌器安装位置实时调节。

根据70#钢最佳搅拌模式，见表1所示，该搅拌模式通过数值模拟和现场工业实验确定。从而根据70#末端电磁搅拌最佳固相率，确定1.80m/min、1.90m/min和2.00m/min不同拉速条件电磁搅拌最佳位置分别为7.8m，8.2m和8.6m。将不同时刻凝固传热动态模型确定的最佳末端电磁搅拌位置下传PLC，控制末端电磁搅拌动态装置移动，从而确保任何时刻末端电磁搅拌器始终位于该浇铸钢种最佳搅拌位置。

表1 70#钢凝固末端电磁搅拌最佳参数

中心固相率，fs opt	搅拌电流，A	搅拌频率，Hz	搅拌方式
				0.1	360A	8Hz	连续

如图8为采用本发明的方法及装置前后，70#钢铸坯低倍照片，从图中可以看出采用本发明的方法及装置后铸坯中心缩孔得到消除，内部质量得到明显改善。

Claims (1)

1.一种钢连铸凝固末端电磁搅拌位置的动态控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立连铸动态跟踪模型；

沿拉坯方向将连铸结晶器弯月面到最后一个拉矫辊位置之间的铸流划分为多个连续的跟踪单元；在浇铸过程中，从结晶器弯月面处等时间间隔不断“出生”新的跟踪单元，并对所述的不断“出生”的跟踪单元进行动态存储，将所有存储的跟踪单元依次串联起来形成双向链表；每个新“出生”的跟踪单元从双向链表表头插入，并使双向链表头指针指向该新“出生”的跟踪单元；当双向链表尾部的跟踪单元离开最后一个拉矫辊时，则将该跟踪单元从双向链表中删除，并将尾部指针指向与该跟踪单元相邻的前一个跟踪单元；

步骤2：针对每个跟踪单元，实时采集连铸工艺参数，进行连铸凝固传热计算，得到各个跟踪单元的连铸凝固信息；

所述连铸工艺参数包括：浇铸钢种、浇铸温度、拉速、铸坯断面尺寸、结晶器液面高度、结晶器冷却水量、进出口水温差、二冷各区的实际喷水量和水温度；

所述连铸凝固信息，包括：铸坯表面温度、铸坯中心温度、凝固坯壳厚度和铸坯中心固相率；

步骤3：利用连铸动态跟踪模型，将各个跟踪单元的连铸凝固信息结合起来，获得当前时刻铸坯各位置处对应的固相率；

步骤4：通过工业试验和模拟计算获取浇铸钢种的铸坯最佳固相率并结合步骤3所确定的铸坯各位置的固相率f_s，确定铸坯最佳固相率所对应的电磁搅拌位置，即当前的最佳电磁搅拌位置P^opt；

步骤5：获取当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置P，并将其与最佳电磁搅拌位置P^opt进行比较，得到位置偏差δ＝P-P^opt；

步骤6：判断位置偏差δ是否为零，是，则当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置为最佳电磁搅拌位置；否，则当前凝固末端电磁搅拌器所在的电磁搅拌位置不是最佳电磁搅拌位置，执行步骤7；

步骤7：根据位置偏差值，实时调整凝固末端电磁搅拌器位置直至凝固末端电磁搅拌器位于最佳搅拌位置处。