CN105127390B - 连铸用电磁搅拌控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连铸用电磁搅拌控制方法及系统，包括：构建温度场计算模型；通过温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率；根据铸坯坯壳凝固率确定搅拌位置，其中，搅拌位置为铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置；将电磁搅拌装置移动到搅拌位置，对铸坯施加电磁场。系统包括：输入单元，用于输入连铸生产的工艺参数；模型构建单元，构建温度场计算模型；跟踪单元，根据输入的工艺参数和温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率；确定单元，将铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置确定为搅拌位置；移动装置，将电磁搅拌装置移动到搅拌位置。本发明将温度场、搅拌装置及其移动装置相结合，实现在最佳搅拌位置对铸坯进行电磁搅拌，改善铸坯内部质量。

Description

连铸用电磁搅拌控制方法及系统

技术领域

本发明涉及连铸领域，更加具体地，涉及一种连铸用电磁搅拌控制方法及系统。

背景技术

在连铸过程中，如图1所示，钢水从钢包1和中间包2通过结晶器3一次冷却结晶后形成外壳凝固中心为钢液的铸坯100并从结晶器3下口拉出，在结晶器3内形成钢水液面30(弯月面)。铸坯100从结晶器下口拉出后，在二冷区进行二次冷却，经过拉矫辊列(注意，图中只示出了一部分拉矫辊)的矫直后，通过切前辊道到达火切机4进行铸坯切割，其中，二冷区是指结晶器以下到切割辊道4前的区域。在上述过程中，铸流在外界冷却作用下，从外向内不断凝固，产生的凝固收缩量由中心可以流动的自由钢液补充进来，但是在凝固末期，由于钢液在类似多空介质的两相区中流动阻力的增加，凝固收缩量无法得到及时补偿，形成的压降将导致铸坯中心附近枝晶间的富集偏析元素钢液向中心流动、汇集并最终凝固，从而形成中心宏观偏析，同时得不到补偿的凝固收缩量将最终形成中心疏松。

钢坯在连铸凝固过程中产生的中心偏析和中心疏松，对产品性能危害很大，恶化了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性以及产品的抗疲劳性能和焊接性能；严重的中心偏析和中心疏松还可引起中心裂纹和缩孔，已成为提高铸坯质量的制约因素之一。

为了改善铸坯的内部质量，减少中心偏析和中心疏松，提出了“末端电磁搅拌”技术，即，通过在铸机二冷结束位置，施加行波磁场来促进钢液旋流，折断铸坯凝固末端凝固状前沿的柱状晶，并将其破碎成小颗粒，以便形成等轴晶，细化组织，从而提高铸坯内部质量，如图1所示，在连铸机二冷区结束位置安装电磁搅拌装置200(例如，搅拌器)。但是，电磁搅拌装置200安装位置有一定要求，铸坯的液芯厚度占铸坯厚度的30～55％的位置为最佳搅拌位置。然而，目前末端搅拌器安装在一个固定的位置，当钢种、拉速或水量等因素变化时，该搅拌器并不能满足上述最佳搅拌位置要求，导致末端电磁搅拌对铸坯内部质量的改善不佳，铸坯产生严重的铸坯疏松、缩孔和偏析，例如，钢种、拉速或水量等因素变化时，其安装搅拌器位置处的液芯厚度会产生较大变化，极有可能不在铸坯厚度的30～55％范围内，达不到减少中心偏析和中心疏松的效果。

申请号为201110434639.7，发明名称为“一种提高铸坯末端电磁搅拌强度的方法”的发明专利公开了一种在连铸坯末端安装电磁搅拌装置，通过调节二冷各段配水水量，使该处铸坯表面温度T_i>＝T_居，使得末端电磁搅拌强度最大的方法。

但是，该专利公开的方法电磁搅拌装置的位置依然是固定的，就改善铸坯内部质量而言，该方法具有以下几个缺点：

第一，电磁强度大并不一定能改善铸坯内部质量，因为过大的搅拌强度反而易导致铸坯白亮带组织，影响轧材性能；

第二，钢种不同，若液相线相差过大，或者拉速变化大时，在需要保证铸坯质量的前提下，仅仅通过调整二冷水量，不能满足安装电磁搅拌处的铸坯表面温度要求；

第三，在连铸生产过程中，有的钢种其二冷水量是不能随意调整，该专利公开的方法不能实施。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的上述技术问题而做出，其目的在于提供一种适应各钢种和各种工艺条件的改善铸坯内部质量的连铸用电磁搅拌控制方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种连铸用电磁搅拌控制方法，包括构建温度场计算模型；通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率；根据铸坯坯壳凝固率确定搅拌位置，其中，所述搅拌位置为铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置；将电磁搅拌装置移动到上述搅拌位置，对该位置的铸坯施加电磁场。

根据本发明的另一个方面，提供一种连铸用电磁搅拌控制系统，包括电磁搅拌装置，对铸坯施加电磁场，其中，该连铸用电磁搅拌控制系统还包括：输入单元，用于输入连铸生产的工艺参数；模型构建单元，构建温度场计算模型；跟踪单元，根据输入单元输入的工艺参数和模型构造单元构造的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率；确定单元，将跟踪单元得到的铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置确定为搅拌位置；移动装置，将电磁搅拌装置移动到确定单元确定的搅拌位置。

本发明所述连铸用电磁搅拌控制方法及装置将铸坯实时温度场计算模型、末端电磁搅拌装置及其移动装置结合起来，不管是钢种发生变化，还是拉速发生变化，以及二冷水量发生变化，均能实现铸坯坯壳凝固率的实时准确追踪，保证在最佳搅拌位置对铸坯施加电磁场，有效减少中心疏松和中心偏析，提高了铸坯内部质量。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是现有技术采用电磁搅拌技术生产铸坯的示意图；

图2是本发明连铸用电磁搅拌控制方法的流程图；

图3是本发明连铸用电磁搅拌控制方法中构建温度场计算模型的方法的流程图；

图4是本发明连铸用电磁搅拌控制方法中构建铸坯凝固传热模型的坐标系的示意图；

图5是本发明通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率方法的流程图；

图6是本发明连铸用电磁搅拌控制系统的构成框图；

图7是本发明连铸用电磁搅拌控制系统中移动装置的示意图；

图8a和8b是根据本发明连铸用电磁搅拌控制方法及装置一个实施例的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图2是本发明连铸用电磁搅拌控制方法的流程图，如图2所示，所述连铸用电磁搅拌控制方法包括：

在步骤S210中，构建温度场计算模型，其具体过程将在图3的描述中进行详细说明；

构建了温度场计算模型以后，在步骤S220中，通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率，具体地，将在图5的描述中进行详细说明；

得到实时的铸坯坯壳凝固率以后，在步骤S230中，根据铸坯坯壳凝固率确定搅拌位置，其中，所述搅拌位置为铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置；

确定了搅拌位置以后，在步骤S240中，将电磁搅拌装置移动到上述搅拌位置，对该位置的铸坯施加电磁场。

上述连铸用电磁搅拌控制方法采用温度场追踪铸坯坯壳凝固率确定搅拌位置和将搅拌装置移动到该搅拌位置相结合的电磁搅拌控制方法，保证在最佳搅拌位置对铸坯施加电磁场，减少了铸坯的疏松、缩孔、偏析等铸坯内部质量缺陷，改善铸坯内部质量，达到提高成材率和产品质量，减少废坯的目的。

图3是本发明连铸用电磁搅拌控制方法中构建温度场计算模型的方法的流程图，如图3所示，所述构建温度场计算模型包括：

首先，在步骤S310中，建立铸坯凝固传热模型，图4示出了铸坯凝固传热模型的坐标系，Z方向为拉坯方向，由于拉坯方向上的温度梯度变化不大，忽略拉坯方向中的热扩散效应，采用铸坯二维非稳态传热拉格朗日(Lagrangian)微分方程描述铸坯凝固传热模型：

其中，ρ是钢液固相和液相密度，t是时间，T温度，H是热焓，单位KJ.kg^-1；；C_P是比热，单位J.kg^-1.℃^-1，λ是导热系数，单位W.m^-1.℃^-1。

然后，在步骤S320中，设定上述铸坯凝固传热模型求解过程中的假设条件，其中，所述假设条件包括：1)通过放大导热系数方法来体现钢液在结晶器内的强烈流动对传热的影响；2)钢液固相和液相密度视为常数ρ；3)热物性参数，导热系数λ、比热均视为温度的函数；4)将合金的凝固温度视为常数，凝固开始的温度为液相线温度T_l，凝固结束的温度为固相线温度T_s，T_l和T_s由合金成分确定。

设定了铸坯凝固传热模型求解过程中的假设条件后，在步骤S330中，设定铸坯凝固传热模型的初始条件和边界条件，其中，

初始条件为：结晶器弯月面钢水温度与浇铸温度相同，取中包温度；

结晶器段边界条件为:

其中，n是铸坯表面的外法线方向；q是热流密度，单位W/m²；

二冷段边界条件为：

其中，T_∞为环境温度，h为铸坯表面与周围环境的传热系数，单位KW.m^-2.℃^-1，h＝a+bw^C，其中，a和b是常数，w是水流密度，单位为l.m^-2.s^-1,指数c取值0.4至0.7。

图5是本发明通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率方法的流程图，如图5所示，所述通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率方法包括：

首先，在步骤S510中，根据连铸生产的工艺参数和温度场计算模型，实时计算铸坯的温度分布，其中，工艺参数为连铸生产钢种、中包温度、拉坯速度、断面尺寸、过热度、结晶器水量、结晶器水温差、二冷各区水量、铸坯总厚度等；

得到铸坯的温度分布情况后，在步骤S520中，根据铸坯厚度方向的温度分布情况，利用钢种的液相温度和固相温度确定铸坯凝固壳厚度，具体地，首选根据钢种中各元素的含量确定钢种的液相线温度T₁和固相线温度T_S，其中，钢种的液相线温度T₁＝1599℃-107*(％C)-26.6*(％Si)-61.4*(％P)-21.7*(％Cr)+9.7*(％Mn)+7.6*(％S)+0.5*(％Ni)，钢种的固相线温度T_S＝1536℃-[415.3*(％C)+12.3*(％Si)+124.5*(％P)+183.9*(％S)+1.4*(％Cr)+6.8*(％Mn)+4.1*(％Al)+4.3*(％Ni)]，其中，％i表示元素i在钢种中的质量百分数含量；然后，将铸坯的温度分布中温度不大于固相线温度T_S的地方作为已凝固的地方，从而得到铸坯凝固壳厚度。

得到铸坯凝固壳厚度之后，在步骤S530中，根据铸坯总厚度和铸坯凝固壳厚度得到铸坯坯壳凝固率，其中，铸坯坯壳凝固率R_S＝铸坯凝固壳厚度/铸坯总厚度。

图6是本发明连铸用电磁搅拌控制系统的构成框图，如图6所示，所述连铸用电磁搅拌控制系统包括电磁搅拌装置200，对铸坯施加电磁场，其中，还包括：

输入单元610，用于输入连铸生产的工艺参数；

模型构建单元620，构建温度场计算模型，包括：铸坯凝固传热模型构建单元621，采用铸坯二维非稳态传热Lagrangian微分方程描述铸坯凝固传热模型；设定单元622，设定铸坯凝固传热模型的初始条件、边界条件和假设条件；

跟踪单元630，根据输入单元610输入的工艺参数和模型构造单元620构造的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率；

确定单元640，将跟踪单元630得到的铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置确定为搅拌位置；

移动装置650，将电磁搅拌装置200移动到确定单元640确定的搅拌位置，具体地，将在图7的描述中进行详细说明。

上述连铸用电磁搅拌控制系统包括模型构建单元620和移动装置660，模型构建单元620构建温度场计算模型，可根据连铸生产情况(钢种、断面、中包温度、结晶器水量和二冷各区水量)，计算出该工况下铸坯凝固进程，按照铸坯坯壳凝固率为45％至70％的原则，给出距结晶器的钢水液面一定距离的最佳搅拌位置，并且移动装置660，则是根据温度场计算模型给出的最佳搅拌位置，通将末端电磁搅拌装置自动运行到该位置，实施电磁搅拌达到最佳的搅拌效果。

图7是本发明连铸用电磁搅拌控制系统中移动装置的示意图，如图7所示，所述移动装置包括：

定位车710，其上表面安装有电磁搅拌装置200，下表面安装有导向滚轮(未示出)，以连铸机的立柱5作为导轨进行滑动；

升降驱动装置720，驱动定位车710移动；

控制单元(未示出)，通过控制升降驱动装置720，将定位车710的移动到确定单元640确定的搅拌位置。

优选地，升降驱动装置720，包括：电机(未示出)，与控制单元电连接，通过控制单元控制电机的转矩；滑轮721，安装到电机的转轴，通过电机转动带动滑轮721转动；钢缆722，一端环绕在滑轮721上，另一端连接定位车710，通过滑轮721转动改变连接到定位车710的钢缆722的长度，从而控制定位车710的移动。

优选地，控制单元为可编程逻辑控制器(PLC)，通过PID调节使得定位车710精确移动到搅拌位置。

图7示出了采用电机和滑轮的升降驱动装置720，但是本发明并不限于此，升降驱动装置720可以为活塞结构的电动驱动装置。

在拉速范围1.9～2.1m/min下，生产60Si2Mn钢种，150×150mm²尺寸的铸坯时，不采用电磁搅拌技术生产时，中心偏析和中心疏松严重；在二冷区结束位置采用电磁搅拌技术，中心缩孔≤1.0级和中心偏析≤1.0级所占比例均在10％以下；采用本发明所述连铸用电磁搅拌控制方法及装置在铸坯壳凝固率为55％～60％时采用电磁搅拌技术对铸坯施加电磁场，未出现中间裂纹，中心缩孔≤1.0级和中心偏析≤1.0级所占比例均在30％以上，具体到地，如图图8a和8b所示，图8a示出了随着拉坯进行其铸坯表面温度和中心温度的变化，横坐标为距离结晶器的钢水液面的距离，单位为m，纵坐标为温度，单位为℃，图中靠下的曲线为铸坯表面温度，靠上的曲线为铸坯中心温度，结合该钢种的固相线温度，即可计算出距离结晶器的钢水液面不同位置其铸坯的凝固率。图8b示出了铸坯凝固过程的坐标图，横坐标为距离结晶器的钢水液面的距离，单位为m，纵坐标为铸坯的凝固率，单位为％，其中，曲线表示距离钢水液面不同位置铸坯的凝固率变化情况，根据末端电磁搅拌最佳搅拌位置凝固率为45％～75％的原则，取凝固率55％施加电磁搅拌，相应搅拌位置为距离结晶器钢水液面10.58m，则将电磁搅拌装置移动到上述搅拌位置，对铸坯施加电磁场。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明范围的前提下，可以进行多种改变和修改。这里描述的发明实施例所述的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

Claims (9)

1.一种连铸用电磁搅拌控制方法，包括：

构建温度场计算模型；

通过构建的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率，包括：根据连铸生产的工艺参数和温度场计算模型，实时计算铸坯的温度分布；根据铸坯厚度方向的温度分布情况，利用钢种的液相温度和固相温度确定铸坯凝固壳厚度，包括：根据钢种中各元素的含量确定钢种的液相线温度T_l和固相线温度T_s，钢种的液相线温度T_l＝1599℃-107*(％C)-26.6*(％Si)-61.4*(％P)-21.7*(％Cr)+9.7*(％Mn)+7.6*(％S)+0.5*(％Ni)，钢种的固相线温度T_s＝1536℃-[415.3*(％C)+12.3*(％Si)+124.5*(％P)+183.9*(％S)+1.4*(％Cr)+6.8*(％Mn)+4.1*(％Al)+4.3*(％Ni)]，其中，％i表示元素i在钢种中的质量百分数含量；将铸坯的温度分布中温度不大于固相线温度T_s的地方作为已凝固的地方，从而得到铸坯凝固壳厚度；根据铸坯总厚度和铸坯凝固壳厚度得到铸坯坯壳凝固率，其中，铸坯坯壳凝固率R_S＝铸坯凝固壳厚度/铸坯总厚度；

根据铸坯坯壳凝固率确定搅拌位置，其中，所述搅拌位置为铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置；

将电磁搅拌装置移动到上述搅拌位置，对该位置的铸坯施加电磁场。

2.根据权利要求1所述的连铸用电磁搅拌控制方法，其中，所述构建温度场计算模型包括：

建立铸坯凝固传热模型，其中，所述铸坯凝固传热模型为铸坯二维非稳态传热拉格朗日微分方程为：

<mrow> <mi>&amp;rho;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>H</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mo>&amp;part;</mo> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mo>&amp;part;</mo> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&amp;part;</mo> <mi>y</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，ρ是钢液固相和液相密度，t是时间，T温度，H是热焓，单位KJ.kg^-1；λ是导热系数，单位W.m^-1.℃^-1；c_p是比热，单位J.kg^-1.℃^-1；

设定上述铸坯凝固传热模型求解过程中的假设条件；

设定初始条件和边界条件。

3.根据权利要求2所述的连铸用电磁搅拌控制方法，其中，所述假设条件包括：

1)通过放大导热系数方法来体现钢液在结晶器内的强烈流动对传热的影响；

2)钢液固相和液相密度视为常数ρ；

3)热物性参数，导热系数λ、比热c_p均视为温度的函数；

4)将合金的凝固温度视为常数，凝固开始的温度为液相线温度T_l，凝固结束的温度为固相线温度T_s，T_l和T_s由合金成分确定。

4.根据权利要求2所述的连铸用电磁搅拌控制方法，其中，所述初始条件为：结晶器弯月面钢水温度与浇铸温度相同，取中包温度。

5.根据权利要求2所述的连铸用电磁搅拌控制方法，其中，所述边界条件包括：

结晶器段边界条件:

-λ▽T·n＝q

其中，n是铸坯表面的外法线方向，q是热流密度，单位W/m²；

二冷段边界条件：

-λ▽T·n＝h(T-T_∞)

其中，T_∞为环境温度，h为铸坯表面与周围环境的传热系数，单位KW.m^-2.℃^-1，h＝a+bw^c，其中，a和b是常数，w是水流密度，单位为l.m^-2.s^-1,指数c取值0.4至0.7。

6.一种连铸用电磁搅拌控制系统，包括电磁搅拌装置，对铸坯施加电磁场，其中，该连铸用电磁搅拌控制系统还包括：

输入单元，用于输入连铸生产的工艺参数；

模型构建单元，构建温度场计算模型；

跟踪单元，根据输入单元输入的工艺参数和模型构造单元构造的温度场计算模型追踪铸坯坯壳凝固率，包括：根据连铸生产的工艺参数和温度场计算模型，实时计算铸坯的温度分布；根据铸坯厚度方向的温度分布情况，利用钢种的液相温度和固相温度确定铸坯凝固壳厚度，其中，根据钢种中各元素的含量确定钢种的液相线温度T₁和固相线温度T_s，钢种的液相线温度T_l＝1599℃-107*(％C)-26.6*(％Si)-61.4*(％P)-21.7*(％Cr)+9.7*(％Mn)+7.6*(％S)+0.5*(％Ni)，钢种的固相线温度T_s＝1536℃-[415.3*(％C)+12.3*(％Si)+124.5*(％P)+183.9*(％S)+1.4*(％Cr)+6.8*(％Mn)+4.1*(％Al)+4.3*(％Ni)]，其中，％i表示元素i在钢种中的质量百分数含量；将铸坯的温度分布中温度不大于固相线温度T_s的地方作为已凝固的地方，从而得到铸坯凝固壳厚度；根据铸坯总厚度和铸坯凝固壳厚度得到铸坯坯壳凝固率，其中，铸坯坯壳凝固率R_S＝铸坯凝固壳厚度/铸坯总厚度；

确定单元，将跟踪单元得到的铸坯坯壳凝固率为45％至70％的位置确定为搅拌位置；

移动装置，将电磁搅拌装置移动到确定单元确定的搅拌位置。

7.根据权利要求6所述的连铸用电磁搅拌控制系统，其中，所述模型构建单元包括：

铸坯凝固传热模型构建单元，根据铸坯二维非稳态传热拉格朗日微分方程建立铸坯凝固传热模型；

设定单元，设定铸坯凝固传热模型的初始条件、结晶器段边界条件以及二冷段边界条件。

8.根据权利要求6所述的连铸用电磁搅拌控制系统，其中，所述移动装置包括：

定位车，其上表面安装有电磁搅拌装置，下表面安装有导向滚轮，以主机的立柱作为导轨进行滑动；

升降驱动装置，驱动定位车移动；

控制单元，通过控制升降驱动单元，将定位车的移动到确定单元确定的搅拌位置。

9.根据权利要求8所述的连铸用电磁搅拌控制系统，其中，所述升降驱动装置包括：

电机，与控制单元电连接，通过控制单元控制电机的转矩；

滑轮，安装到电机的转轴，通过电机转动带动滑轮转动；

钢缆，一端环绕在滑轮上，另一端连接定位车，通过滚轮转动改变连接到定位车的钢缆的长度，从而控制定位车的移动。