CN106513617B - 一种改善连铸生产铸坯质量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善连铸生产铸坯质量的装置及方法，包括沿铸流方向设置的多个铸轧机架、电磁直线周期对称搅动装置和主动调节式二冷水控制装置；其中，铸轧机架用于人工强制形成凝固末端，设置于铸流的水平区；电磁直线周期对称搅动装置设置于铸流的弧形区；主动调节式二冷水控制装置基于实时测量铸坯表面温度进行无级喷水冷却。人工强制形成凝固末端的液芯大压下量铸轧装置和技术在铸坯厚度方向上形成大的压下量，从而在铸坯内形成人工强制形成的凝固末端，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止了铸坯内部富集溶质元素钢液的流动，提高了铸坯内部的均质化和致密度的效果。

Description

一种改善连铸生产铸坯质量的装置及方法

技术领域

本发明属于冶金过程控制技术领域，涉及一种改善连铸生产铸坯质量的装置及方法。

背景技术

在连铸生产过程中，高温液态钢水经过结晶器一次冷却区、垂直区、弯曲区、弧形区、矫直区、水平区等连续冷却形成带有一定厚度液芯的铸坯，最终完全凝固。连铸坯的凝固过程条件是决定铸坯质量的主要因数，如何提高铸坯的质量多年来一直是冶金领域坚持不懈技术攻关的重要课题。近年来随着海洋平台、重型机械、核电军工等工程项目对板坯的质量要求越来越高，提高铸坯产品质量的任务也更加紧迫。但是，连铸坯的表面横裂纹、表面纵裂纹、中心裂纹、中心偏析、中心疏松等质量缺陷一直没有得到很好的解决。

铸坯的表面缺陷主要取决于钢液在结晶器中的凝固过程，与结晶器的初生坯壳形成、钢水弯月面上下扰动等因数有关。研究试验表明：等间距辊列是造成钢水弯月面上下扰动的主要原因；连铸坯的表面横裂纹、表面纵裂纹在结晶器中产生，在二冷区由于弯曲矫直应力过大、不合理的冷却制度等原因加以扩展。

铸坯的中心裂纹、中心偏析、中心疏松等内部缺陷是铸坯质量的关键。带液芯的铸坯以一定速度在连铸机内运动，边传热边凝固，形成一个很长的液相穴，直到完全凝固。当作用于坯壳的外力超过了临界值时，就会在固液界面产生裂纹，形成偏析线裂纹等内部缺陷。另外，由于在凝固过程中钢液发生了凝固收缩，如果凝固收缩得不到完全补充，在铸坯中心部位可形成偏析、疏松、缩孔和裂纹等内部缺陷。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种改善连铸生产铸坯质量的装置及方法，通过包括人工强制形成凝固末端、电磁直线周期对称搅动装置在内的多项措施，能够改善铸坯的质量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种改善连铸生产铸坯质量的装置，包括沿铸流方向设置的多个铸轧机架18、电磁直线周期对称搅动装置和主动调节式二冷水控制装置；

其中，铸轧机架18用于人工强制形成凝固末端，设置于铸流的水平区；

电磁直线周期对称搅动装置设置于铸流的弧形区；

主动调节式二冷水控制装置基于实时测量铸坯表面温度进行无级喷水冷却，其铸坯表面温度实时测量装置设置位置包括铸坯弯曲段出口位置、铸坯圆弧段出口位置、铸坯矫直前位置、铸坯矫直后位置和铸坯二冷出口位置。

所述的铸轧机架18包括承载铸坯3的固定框架24、浮动下压的浮动框架20和连接装置23，其中固定框架24设有若干组支撑导辊25，浮动框架20设有若干组铸轧导辊21和直线位置传感器22。

所述的支撑导辊25的结构形式为圆柱结构，铸轧导辊21结构形式为鼓形结构；浮动框架20朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊21挤压承载在固定框架24上的铸坯3，在铸坯厚度方向上形成压下量。

电磁直线周期对称搅动装置包括带电磁激发器导辊31、PLC控制系统和冷却系统；其中电磁直线周期对称搅动装置的PLC控制系统与连铸机的铸流PLC和远程计算机通过网络交换信息及操作。

主动调节式二冷水控制装置包括铸坯表面温度实时测量装置、主动调整式二冷水控制器和喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置；

铸坯表面温度实时测量装置包括测温构件9、冷却及吹扫构件10和控制系统11组成，测温构件9依次通过冷却及吹扫构件10、控制系统11与PLC铸流控制系统12相连接；

主动调整式二冷水控制器由水量模型计算部分和水量执行部分组成，其中，水量模型计算部分包括基本参数模块38、目标表面温度模块42和实际测量表面温度模块43，计算基本水量模块39接收基本参数模块38提供的参数获取基本水量信息，表面温度差水量计算模块44接收目标表面温度模块42和实际测量表面温度模块43提供的参数获取表面温度差水量信息，水量修正计算模块40获取计算基本水量模块39和表面温度差水量计算模块44提供的信息获取冷却水量信息，并发送给PLC水量闭环控制系统41；执行部分包括构成闭环控制方式的PLC水量闭环控制系统41、调节阀45、流量计47和喷嘴46；

喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置包括由升降架50驱动的喷嘴46，升降架50端头上设有驱动测量装置49，中间部分上设有导向装置48，驱动测量装置49接收PLC控制装置52发送的升降信息。

一种改善连铸生产铸坯质量的方法，包括以下操作：

1)人工强制形成凝固末端：在连铸机铸流导向区域布置若干架具备远程挤压功能的铸轧机架18，在铸坯完全凝固前的一段位置，通过铸轧机架18的浮动框架20朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊21挤压承载在固定框架24上的铸坯3，在铸坯厚度方向上形成压下量，从而在铸坯内人工强制形成凝固末端28，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止铸坯内部富集溶质元素钢液26的流动；

2)电磁直线周期对称搅动：通过布设电磁激发器33激发的交变磁场渗透到铸坯3的液芯内产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力推功铸坯内部的液芯钢水32流动，使液芯钢水32形成旋流37，使铸坯内部液芯钢水冷却更加均匀，冲断了坯壳内部初生柱状晶35，使之重新结晶形成等轴晶；

3)基于铸坯表面温度实时测量的主动调节式二冷水控制：铸坯表面温度实时测量装置周期性的所处铸坯的表面温度传输给PLC铸流控制系统12，由PLC铸流控制系统12实时传输给主动调整式二冷水控制器；二冷水控制器根据基本参数实时计算基本水量，然后通过对比设定目标表面温度和实际测量表面温度来计算消除表面温度差的水量，经过水量修正后形成最终水量并把计算结果传送给执行喷水的PLC水量闭环控制系统；PLC水量闭环控制系统中的喷水宽度由喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置控制，其根据浇注钢种的断面、拉速、冷却策略等参数动态计算出喷水宽度，通过驱动装置测量装置带动升降架升降来调整喷水宽度；

4)上下周期扰动的辊列设置：在连铸机直线区6、弯曲区7和圆弧区15采用不同导辊直径和相邻导辊不同导辊间距的排列方式，打乱铸坯在通过弯曲区7和圆弧区15时铸坯的液芯钢水容纳空间同时增大和同时缩小的一致性，使液芯钢水容纳空间的增大和缩小相互抵消，消除钢水弯月面上下周期扰动。

还在浮动框架20上安装位置传感器22，计算和测量浮动框架20上的铸轧导辊21的压下位置，以控制铸坯厚度方向上的压下量以及铸坯在厚度方向上的减少量；

对设置在铸坯未完全凝固区域29的铸轧机架18，在其浮动框架20上施压相对高的压力；而对设置在铸坯已经完全凝固区域30的铸轧机架18，在其浮动框架20上施压相对低的压力；铸轧机架18的浮动框架20可单独调节，调节位置取决于压下量。

所述铸坯表面温度实时测量装置分别设置在连铸机铸坯弯曲段出口位置、铸坯圆弧段出口位置、铸坯矫直前位置、铸坯矫直后位置、铸坯二冷出口位置；铸坯表面温度实时测量装置只测量铸坯内弧表面温度；

所述的二冷水控制器中涉及的水量包括计算获取的基本水量、设定最大水量、设定最小水量、设定极限最小水量，设定极限最小水量用于保护喷嘴；当基本水量和表面温度差水量之和大于设定最大水量时，按设定最大水量执行；当基本水量和表面温度差水量之和小于设定最小水量时，按设定最小水量执行。

所述的辊列设置采取沿连铸机铸流方向，从结晶器足辊直线区到二冷矫直区末辊，辊径逐级由小变大、相邻导辊间距逐级由小变大；

辊列设计导辊分组时，弯曲段的辊列58由部分垂直区53、弯曲区55和部分圆弧区57组成，并且垂直区和弯曲区的外弧线交界点59相交于导辊54处，弯曲区和圆弧区的外弧线的交界点61相交于导辊56处；

辊列设计导辊分组时，第一个矫直段由部分圆弧区64、矫直区66的一部分组成，并且弧形区与矫直区的外弧线交界点62位于第一个矫直导辊65上；最后一个矫直段由矫直区66的一部分和部分水平区68组成，并且矫直区与水平区的外弧线交界点69位于最后一个矫直导辊67上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的改善连铸生产铸坯质量的装置，为解决连铸生产中的铸坯质量问题，从连铸坯的凝固过程条件加以着手，通过多项措施以改善铸坯的质量：人工强制形成凝固末端的液芯大压下量铸轧装置、电磁直线周期对称搅动、基于实时测量铸坯表面温度和喷嘴升级式无级喷水宽度调整的主动调节式二冷水控制、铸坯承受更小应变及等应变速率和消除钢水弯月面上下周期扰动的辊列设计。

人工强制形成凝固末端的液芯大压下量铸轧：在铸坯厚度方向上形成大的压下量，从而在铸坯内形成人工强制形成的凝固末端，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止了铸坯内部富集溶质元素钢液的流动，提高了铸坯内部的均质化和致密度的效果；

电磁直线周期对称搅动：通过电磁装置产生辊式行波磁场，推功铸坯内部的液芯钢水从一个方向向另一个方向流动，一方面通过对流作用使铸坯内部液芯钢水冷却更加均匀；另一方面流动的钢水冲断了柱状晶，使之重新结晶形成等轴晶，从而提高铸坯内部等轴晶比例和致密度，减少偏析和疏松，改善铸坯内部质量；

基于实时测量铸坯表面温度和喷嘴升级式无级喷水宽度调整的主动调节式二冷水控制：实现了二冷区冷却更加均匀，铸坯表面温度分布均匀，铸坯鼓肚量小，在弯曲和矫直区避开了浇注钢种的脆性区，从而使铸坯避免了产生表面裂纹和中心裂纹，提高了铸坯质量。

铸坯承受更小应变及等应变速率和消除钢水弯月面上下周期扰动的辊列设计：消除了因液芯钢水容纳空间的变化而引起的钢水弯月面上下周期扰动，减少了铸坯表面振痕深度，铸坯在弯曲和矫直时应变及等应变速率更小，避免铸坯表面出现表面横裂纹和表面纵裂纹等质量问题。

附图说明

图1为连铸机装置及辊列示意图；

图2为铸轧机架结构示意图；

图3为铸坯自然凝固时凝固末端的液芯示意图；

图4为人工强制形成凝固末端的液芯示意图；

图5为铸坯凝固过程的状态示意图；

图6为电磁直线周期对称搅动装置安装示意图；

图7为电磁直线周期对称搅动装置工作示意图；

图8为电磁直线周期对称搅动装置作用下的液芯钢水流动示意图；

图9为主动调整式二冷水控制模型示意图；

图10为喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置结构示意图；

图11为弯曲段辊列结构示意图；

图12为矫直段辊列结构示意图。

其中，1为钢水弯月面；2为结晶器；3为铸坯；4为导辊；5为导辊间距；6为垂直区；7为弯曲区；8为弯曲段；9为测温构件；10为冷却及吹扫构件；11为控制系统；12为PLC铸流控制系统；13为铸坯表面温度实时测量装置安装位置；14为弧形段；15为弧形区；16为矫直段；17为矫直区；18为铸轧机架；19为水平区；20为浮动框架；21为铸轧导辊；22为直线位置传感器；23为连接装置；24为固定框架；25为支撑导辊；26为富集溶质元素钢液；27为铸坯自然凝固过程形成的凝固末端；28为人工强制形成的凝固末端；29为铸坯未完全凝固区域；30为铸坯已经完全凝固区域；31为带电磁激发器的导辊；32为液芯钢水；33为电磁激发器；34为钢水流动方向；35为柱状晶；36为等轴晶；37为旋流；38为基本参数；39计算基本水量；40为水量修正计算；41为水量闭环控制系统；42目标表面温度；43为测量表面温度；44为表面温度差水量计算；45为调节阀；46为喷嘴；47为流量计；48为导向装置；49为驱动测量装置；50为升降架；51为喷水宽度；P52为LC控制装置；53为部分垂直区；54为导辊；55为弯曲区；56为导辊；57为部分圆弧区；58为弯曲段的辊列；59为垂直区和弯曲区的外弧线交界点；60为弯曲半径；61为交界点；62为交界点；63为弯曲半径；64为部分圆弧区；65为矫直导辊；66为矫直区；67为矫直导辊；68为部分水平区；69为交界点。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的改善连铸生产铸坯质量的装置，通过多项措施在连铸生产中改善铸坯的质量，包括沿铸流方向设置多个人工强制形成凝固末端的液芯大压下量铸轧机架、电磁直线周期对称搅动装置、基于实时测量铸坯表面温度和喷嘴升级式无级喷水宽度调整的主动调节式二冷水控制装置。

参见图1～图12，一种改善连铸生产铸坯质量的装置，包括沿铸流方向设置的多个铸轧机架18、电磁直线周期对称搅动装置和主动调节式二冷水控制装置；

其中，铸轧机架18用于人工强制形成凝固末端，设置于铸流的水平区；

电磁直线周期对称搅动装置设置于铸流的弧形区；

主动调节式二冷水控制装置基于实时测量铸坯表面温度进行无级喷水冷却，其铸坯表面温度实时测量装置设置位置包括铸坯弯曲段出口位置、铸坯圆弧段出口位置、铸坯矫直前位置、铸坯矫直后位置和铸坯二冷出口位置。

下面对各个措施进一步说明。

所述的铸轧机架18用于对铸坯液芯实施大压下量以人工强制形成凝固末端，包括承载铸坯3的固定框架24、浮动下压的浮动框架20和连接装置23，其中固定框架24设有若干组支撑导辊25，浮动框架20设有若干组铸轧导辊21和直线位置传感器22。

所述的支撑导辊25的结构形式为圆柱结构，铸轧导辊21结构形式为鼓形结构；浮动框架20朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊21挤压承载在固定框架24上的铸坯3，在铸坯厚度方向上形成压下量。

具体的，固定框架24安装有若干组支撑导辊25，支撑导辊结构形式为圆柱结构，浮动框架20安装若干组铸轧导辊21和直线位置传感器22，铸轧导辊21结构形式为鼓形结构。

电磁直线周期对称搅动装置包括带电磁激发器导辊31、PLC控制系统和冷却系统；其中电磁直线周期对称搅动装置的PLC控制系统与连铸机的铸流PLC和远程计算机通过网络交换相关信息及操作。

电磁直线周期对称搅动装置控制系统系统功率因数≥0.9；电磁直线周期对称搅动装置控制系统实现搅动电流精确闭环控制，电流稳定度高，误差小于3％，波形畸变率小于3％，频率误差小于0.1Hz，电流上升时间小于0.5秒，超调小于±5％；电磁直线周期对称搅动装置控制系统确保操作运行顺序规范合理，操作安全，即使突然停电，也不致造成元器件损坏，并保存数据不丢失；

电磁直线周期对称搅动装置控制系统具有多种故障诊断和报警功能，如过/欠电压、过电流、过热、短路、三相不平衡、水流量小、漏电流过大、接地、水温等报警和故障停机功能。

主动调节式二冷水控制装置包括铸坯表面温度实时测量装置、主动调整式二冷水控制器和喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置；

铸坯表面温度实时测量装置包括测温构件9、冷却及吹扫构件10和控制系统11组成，测温构件9依次通过冷却及吹扫构件10、控制系统11与PLC铸流控制系统12相连接；具体的，测温构件由双色红外测温仪组成；冷却及吹扫构件由耐高温阻燃金属软管、连接器、空气导流管和瞄准管组成；控制构件由显示仪表、控制显示灯、进气控制阀、油水过滤器、流量计、压力变送器、电磁阀、加热器、控制继电器、空气开关等组成；

主动调整式二冷水控制器由水量模型计算部分和水量执行部分组成，其中，水量模型计算部分包括基本参数模块38、目标表面温度模块42和实际测量表面温度模块43，计算基本水量模块39接收基本参数模块38提供的参数获取基本水量信息，表面温度差水量计算模块44接收目标表面温度模块42和实际测量表面温度模块43提供的参数获取表面温度差水量信息，水量修正计算模块40获取计算基本水量模块39和表面温度差水量计算模块44提供的信息获取冷却水量信息，并发送给PLC水量闭环控制系统41；执行部分包括构成闭环控制方式的PLC水量闭环控制系统41、调节阀45、流量计47和喷嘴46；

喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置包括由升降架50驱动的喷嘴46，升降架50端头上设有驱动测量装置49，中间部分上设有导向装置48，驱动测量装置49接收PLC控制装置52发送的升降信息。

下面给出一种改善连铸生产铸坯质量的方法，包括以下操作：

1)人工强制形成凝固末端：在连铸机铸流导向区域布置若干架具备远程挤压功能的铸轧机架18，在铸坯完全凝固前的一段位置，通过铸轧机架18的浮动框架20朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊21挤压承载在固定框架24上的铸坯3，在铸坯厚度方向上形成大的压下量，从而在铸坯内人工强制形成凝固末端28，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止铸坯内部富集溶质元素钢液26的流动；提高了铸坯内部的均质化和致密度的效果；

人工强制形成的凝固末端28并不是铸坯自然凝固过程形成的凝固末端27，而是在铸坯完全凝固前的一段位置，通过强行在铸坯厚度方向上形成大的压下量，形成人工强制形成凝固末端；

2)电磁直线周期对称搅动：通过布设电磁激发器33激发的交变磁场渗透到铸坯3的液芯内产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力推功铸坯内部的液芯钢水32流动(从一个方向朝另一个方向流动34)，使液芯钢水32形成旋流37，旋流一方面通过对流作用使铸坯内部液芯钢水冷却更加均匀；另一方面流动的钢水冲断了坯壳内部初生柱状晶35，使之重新结晶形成等轴晶，从而提高铸坯内部等轴晶比例和致密度，减少偏析和疏松，改善铸坯内部质量；

进一步的，电磁激发器33激发的磁场形式为辊式行波磁场，冷却形式为扁线绕组外冷；根据不同钢种、断面采取不同的搅动电流，在引锭拉坯过程、热换中间包、换水口和拉尾坯过程中，禁止使用电磁直线周期对称搅动技术，以防止出现漏钢事故；

电磁直线周期对称装置的控制系统的PLC与连铸机的铸流PLC和远程计算机通过网络交换相关信息及操作，并且具有多种故障诊断和报警功能，如过/欠电压、过电流、过热、短路、三相不平衡、水流量小、漏电流过大、接地、水温等报警和故障停机功能；

3)基于铸坯表面温度实时测量的主动调节式二冷水控制：铸坯表面温度实时测量装置周期性的所处铸坯的表面温度传输给PLC铸流控制系统12，由PLC铸流控制系统12实时传输给主动调整式二冷水控制器；二冷水控制器根据基本参数实时计算基本水量，然后通过对比设定目标表面温度和实际测量表面温度来计算消除表面温度差的水量，经过水量修正后形成最终水量并把计算结果传送给执行喷水的PLC水量闭环控制系统；PLC水量闭环控制系统中的喷水宽度由喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置控制，其根据浇注钢种的断面、拉速、冷却策略等参数动态计算出喷水宽度，通过驱动装置测量装置带动升降架升降来调整喷水宽度；

4)上下周期扰动的辊列设置：在连铸机直线区6、弯曲区7和圆弧区15采用不同导辊直径和相邻导辊不同导辊间距的排列方式，打乱铸坯在通过弯曲区7和圆弧区15时铸坯的液芯钢水容纳空间同时增大和同时缩小的一致性，使液芯钢水容纳空间的增大和缩小相互抵消，消除钢水弯月面上下周期扰动。该排列方式，打乱了铸坯在通过弯曲区7和圆弧区15时铸坯受到挤压作用而引起的液芯钢水容纳空间同时增大和同时缩小的一致性，使液芯钢水容纳空间的增大和缩小相互抵消，维持液芯钢水容纳空间基本不变，从而消除了因液芯钢水容纳空间的变化而引起的钢水弯月面上下周期扰动，减少了铸坯表面振痕深度，避免铸坯表面出现表面横裂纹和表面纵裂纹等质量问题。

进一步的，还在浮动框架20上安装位置传感器22，计算和测量浮动框架20上的铸轧导辊21的压下位置，以控制铸坯厚度方向上的压下量以及铸坯在厚度方向上的减少量；

对设置在铸坯未完全凝固区域29的铸轧机架18，在其浮动框架20上施压相对高的压力；而对设置在铸坯已经完全凝固区域30的铸轧机架18，在其浮动框架20上施压相对低的压力；铸轧机架18的浮动框架20可单独调节，调节位置取决于压下量。铸轧机架18的浮动框架20上的铸轧导辊21采用鼓形结构来挤压铸坯，更加符合坯壳的凝固规律和力学规律，提高了铸坯液芯的挤压效率。

铸坯表面温度实时测量装置分别安装在连铸机铸坯弯曲段出口位置13a、铸坯圆弧段2段出口位置13b、铸坯矫直前位置13c、铸坯矫直后位置13d、铸坯二冷出口位置13e等；铸坯表面温度实时测量装置只测量铸坯内弧表面温度；

铸坯表面温度实时测量装置周期性把安装位置所处铸坯的表面温度传输给PLC铸流控制系统12，由PLC铸流控制系统12实时传输给主动调整式二冷水控制模型；

所述的二冷水控制器中涉及的水量包括计算获取的基本水量、设定最大水量、设定最小水量、设定极限最小水量，设定极限最小水量用于保护喷嘴；设定极限最小水量用于保护喷嘴；

当基本水量和表面温度差水量之和大于设定最大水量时，按设定最大水量执行；当基本水量和表面温度差水量之和小于设定最小水量时，按设定最小水量执行。喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置根据浇注钢种的断面、拉速、冷却策略等参数动态计算出喷水宽度，通过驱动装置测量49带动升降架50升降来调整喷水宽度51。

所述的辊列设置采取沿连铸机铸流方向，从结晶器足辊直线区到二冷矫直区末辊，辊径逐级由小变大、相邻导辊间距逐级由小变大；

辊列设计导辊分组时，弯曲段的辊列58由部分垂直区53、弯曲区55和部分圆弧区57组成，并且垂直区和弯曲区的外弧线交界点59相交于导辊54处，弯曲区和圆弧区的外弧线的交界点61相交于导辊56处；

辊列设计导辊分组时，第一个矫直段由部分圆弧区64、矫直区66的一部分组成，并且弧形区与矫直区的外弧线交界点62位于第一个矫直导辊65上；最后一个矫直段由矫直区66的一部分和部分水平区68组成，并且矫直区与水平区的外弧线交界点69位于最后一个矫直导辊67上。

在辊列的弯曲区导辊所在处的弯曲半径60，由无穷大逐渐变为圆弧半径的连续变径弯曲曲线，弯曲半径60中初始弯曲半径R1为无穷大，后续弯曲半径R1>R2>R3>R4>R5>R6>R7>R8>R9>R10>R11，R11与R12相等且为圆弧半径；

在辊列的矫直区导辊所在处的矫直半径63，由圆弧半径逐渐变为无穷大的连续变径矫直曲线，初始矫直半径R13与R14相等且为圆弧半径，并且后续始矫直半径R14<R15<R16<R17<R18<R19<R20<R21<R22<R23<R24<R25，R25为无穷大。

下面结合附图给出具体实施例。

参见图1，在连铸机铸流方向上设置铸轧机(18a、18b、18c)，用带电磁激发器的导辊31替换导辊4d，铸坯表面温度实时测量装置分别设置在连铸机铸坯弯曲段出口位置13a、铸坯圆弧段2段出口位置13b、铸坯矫直前位置13c、铸坯矫直后位置13d、铸坯二冷出口位置13e；

参见图2、图3，在生产过程中，当带有液芯的铸坯位于铸轧机架所处位置时，铸轧机架18的浮动框架20朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊21挤压铸坯3，在铸坯厚度方向上形成大的压下量，从而在铸坯内形成人工强制形成的凝固末端28，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止了铸坯内部富集溶质元素钢液的26流动，提高了铸坯内部的均质化和致密度的效果。其中，通过位置传感器22计算和测量铸轧导辊21的压下位置来控制铸坯厚度方向上的压下量以及铸坯在厚度方向上的减少量；

通过铸轧机架在铸坯厚度方向上形成大的压下量，形成了如图4所示的人工强制形成凝固末端的液芯，这样终止了铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止了铸坯内部富集溶质元素钢液的26流动，提高了铸坯内部的均质化和致密度的效果。

参见图7和图8，通过电磁激发器33激发的交变磁场渗透到铸坯的液芯内产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力推功铸坯内部的液芯钢水32从一个方向朝另一个方向流动34，使液芯钢水32形成旋流37，一方面通过对流作用使铸坯内部液芯钢水冷却更加均匀；另一方面流动的钢水冲断了坯壳内部初生柱状晶35，使之重新结晶形成等轴晶，从而提高铸坯内部等轴晶比例和致密度，减少偏析和疏松，改善铸坯内部质量；

参见图9，水量模型根据基本参数如钢种成份、铸坯断面、浇注速度、浇注温度等，实时计算基本水量，同时通过对比设定目标表面温度和实际测量表面温度来计算消除表面温度差的水量，经过水量修正计算形成最终水量并把计算结果传送给PLC水量闭环控制系统；

参见附图1，实际测量表面温度通过设置在连铸机铸坯弯曲段出口位置13a、铸坯圆弧段2段出口位置13b、铸坯矫直前位置13c、铸坯矫直后位置13d、铸坯二冷出口位置13e的铸坯表面温度测量装置获得；

参见附图1，辊列设计采取在连铸机直线区6、弯曲区7和圆弧区15采用不同导辊直径4和相邻导辊不同导辊间距5的排列方式，打乱了铸坯在通过弯曲区7和圆弧区15时铸坯受到挤压作用而引起的液芯钢水容纳空间同时增大和同时缩小的一致性，使液芯钢水容纳空间的增大和缩小相互抵消，维持液芯钢水容纳空间基本不变，从而消除了因液芯钢水容纳空间的变化而引起的钢水弯月面上下周期扰动，减少了铸坯表面振痕深度，避免铸坯表面出现表面横裂纹和表面纵裂纹等质量问题。

参见图1，辊列设计采取沿连铸机铸流方向，从结晶器足辊直线区到二冷矫直区末辊辊径逐级由小变大。

参见图1，辊列设计采取沿连铸机铸流方向，从结晶器足辊到二冷矫直区末辊相邻导辊间距逐级由小变大。

参见图11，在辊列的弯曲区导辊所在处的弯曲半径60由无穷大逐渐变为圆弧半径的连续变径弯曲曲线，也就是说弯曲半径60中R1为无穷大，并且R1>R2>R3>R4>R5>R6>R7>R8>R9>R10>R11，R11与R12相等且为圆弧半径。

参见图12，在辊列的矫直区导辊所在处的矫直半径63由圆弧半径逐渐变为无穷大的连续变径矫直曲线，也就是说R13与R14相等且为圆弧半径，并且R14<R15<R16<R17<R18<R19<R20<R21<R22<R23<R24<R25，R25为无穷大。

参见图11，辊列设计导辊分组时，弯曲段的辊列58由部分垂直区53、弯曲区55和部分圆弧区57组成，并且垂直区和弯曲区的外弧线交界点59正好相交于导辊54处，弯曲区和圆弧区的外弧线的交界点61正好相交于导辊56处；

参见图12，辊列设计导辊分组时，第一个矫直段16a由部分圆弧区64、矫直区66的一部分组成，并且弧形区与矫直区的外弧线交界点62正好位于第一个矫直导辊65上；最后一个矫直段16b由矫直区66的一部分和部分水平区68组成，并且矫直区与水平区的外弧线交界点69正好位于最后一个矫直导辊67上。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种改善连铸生产铸坯质量的装置，其特征在于，包括沿铸流方向设置的多个铸轧机架(18)、电磁直线周期对称搅动装置和主动调节式二冷水控制装置；

其中，铸轧机架(18)用于人工强制形成凝固末端，设置于铸流的水平区；

所述的铸轧机架(18)包括承载铸坯(3)的固定框架(24)、浮动下压的浮动框架(20)和连接装置(23)，其中固定框架(24)设有若干组支撑导辊(25)，浮动框架(20)设有若干组铸轧导辊(21)和直线位置传感器(22)；

电磁直线周期对称搅动装置，通过交变磁场渗透到铸坯的液芯内产生感应电流，设置于铸流的弧形区；

主动调节式二冷水控制装置基于实时测量铸坯表面温度进行无级喷水冷却，其铸坯表面温度实时测量装置设置位置包括铸坯弯曲段出口位置、铸坯圆弧段出口位置、铸坯矫直前位置、铸坯矫直后位置和铸坯二冷出口位置；

主动调节式二冷水控制装置包括铸坯表面温度实时测量装置、主动调整式二冷水控制器和喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置；

铸坯表面温度实时测量装置包括测温构件(9)、冷却及吹扫构件(10)和控制系统(11)组成，测温构件(9)依次通过冷却及吹扫构件(10)、控制系统(11)与PLC铸流控制系统(12)相连接；

主动调整式二冷水控制器由水量模型计算部分和水量执行部分组成，其中，水量模型计算部分包括基本参数模块(38)、目标表面温度模块(42)和实际测量表面温度模块(43)，计算基本水量模块(39)接收基本参数模块(38)提供的参数获取基本水量信息，表面温度差水量计算模块(44)接收目标表面温度模块(42)和实际测量表面温度模块(43)提供的参数获取表面温度差水量信息，水量修正计算模块(40)获取计算基本水量模块(39)和表面温度差水量计算模块(44)提供的信息获取冷却水量信息，并发送给PLC水量闭环控制系统(41)；执行部分包括构成闭环控制方式的PLC水量闭环控制系统(41)、调节阀(45)、流量计(47)和喷嘴(46)；

喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置包括由升降架(50)驱动的喷嘴(46)，升降架(50)端头上设有驱动测量装置(49)，中间部分上设有导向装置(48)，驱动测量装置(49)接收PLC控制装置(52)发送的升降信息。

2.如权利要求1所述的改善连铸生产铸坯质量的装置，其特征在于，所述的支撑导辊(25)的结构形式为圆柱结构，铸轧导辊(21)结构形式为鼓形结构；浮动框架(20)朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊(21)挤压承载在固定框架(24)上的铸坯(3)，在铸坯厚度方向上形成压下量。

3.如权利要求1所述的改善连铸生产铸坯质量的装置，其特征在于，电磁直线周期对称搅动装置包括带电磁激发器的导辊(31)、PLC控制系统和冷却系统；其中电磁直线周期对称搅动装置的PLC控制系统与连铸机的铸流PLC和远程计算机通过网络交换信息及操作。

4.一种改善连铸生产铸坯质量的方法，其特征在于，包括以下操作：

1)人工强制形成凝固末端：在连铸机铸流导向区域布置若干架具备远程挤压功能的铸轧机架(18)，在铸坯完全凝固前的一段位置，通过铸轧机架(18)的浮动框架(20)朝铸坯中心方向运动，带动鼓形结构铸轧导辊(21)挤压承载在固定框架(24)上的铸坯(3)，在铸坯厚度方向上形成压下量，从而在铸坯内人工强制形成凝固末端(28)，终止铸坯自然凝固过程缺陷形成的条件，阻止铸坯内部富集溶质元素钢液(26)的流动；

2)电磁直线周期对称搅动：通过布设电磁激发器(33)激发的交变磁场渗透到铸坯(3)的液芯内产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力推功铸坯内部的液芯钢水(32)流动，使液芯钢水(32)形成旋流(37)，使铸坯内部液芯钢水冷却更加均匀，冲断了坯壳内部初生柱状晶(35)，使之重新结晶形成等轴晶；

3)基于铸坯表面温度实时测量的主动调节式二冷水控制：铸坯表面温度实时测量装置周期性的所处铸坯的表面温度传输给PLC铸流控制系统(12)，由PLC铸流控制系统(12)实时传输给主动调整式二冷水控制器；二冷水控制器根据基本参数实时计算基本水量，然后通过对比设定目标表面温度和实际测量表面温度来计算消除表面温度差的水量，经过水量修正后形成最终水量并把计算结果传送给执行喷水的PLC水量闭环控制系统；PLC水量闭环控制系统中的喷水宽度由喷嘴升级式无级喷水宽度调整装置控制，其根据浇注钢种的断面、拉速和冷却策略计算出喷水宽度，通过驱动装置测量装置带动升降架升降来调整喷水宽度；

4)上下周期扰动的辊列设置：在连铸机直线区(6)、弯曲区(7)和圆弧区(15)采用不同导辊直径和相邻导辊不同导辊间距的排列方式，打乱铸坯在通过弯曲区(7)和圆弧区(15)时铸坯的液芯钢水容纳空间同时增大和同时缩小的一致性，使液芯钢水容纳空间的增大和缩小相互抵消，消除钢水弯月面上下周期扰动。

5.如权利要求4所述的改善连铸生产铸坯质量的方法，其特征在于，还在浮动框架(20)上安装位置传感器(22)，计算和测量浮动框架(20)上的铸轧导辊(21)的压下位置，以控制铸坯厚度方向上的压下量以及铸坯在厚度方向上的减少量；

对设置在铸坯未完全凝固区域(29)的铸轧机架(18)，在其浮动框架(20)上施压相对高的压力；而对设置在铸坯已经完全凝固区域(30)的铸轧机架(18)，在其浮动框架(20)上施压相对低的压力；铸轧机架(18)的浮动框架(20)可单独调节，调节位置取决于压下量。

6.如权利要求4所述的改善连铸生产铸坯质量的方法，其特征在于，所述铸坯表面温度实时测量装置分别设置在连铸机铸坯弯曲段出口位置、铸坯圆弧段出口位置、铸坯矫直前位置、铸坯矫直后位置、铸坯二冷出口位置；铸坯表面温度实时测量装置只测量铸坯内弧表面温度；

所述的二冷水控制器中涉及的水量包括计算获取的基本水量、设定最大水量、设定最小水量、设定极限最小水量，设定极限最小水量用于保护喷嘴；当基本水量和表面温度差水量之和大于设定最大水量时，按设定最大水量执行；当基本水量和表面温度差水量之和小于设定最小水量时，按设定最小水量执行。

7.如权利要求4所述的改善连铸生产铸坯质量的方法，其特征在于，所述的辊列设置采取沿连铸机铸流方向，从结晶器足辊直线区到二冷矫直区末辊，辊径逐级由小变大、相邻导辊间距逐级由小变大；

辊列设计导辊分组时，弯曲段的辊列(58)由部分垂直区(53)、弯曲区(55)和部分圆弧区(57)组成，并且垂直区和弯曲区的外弧线交界点(59)相交于导辊(54)处，弯曲区和圆弧区的外弧线的交界点(61)相交于导辊(56)处；

辊列设计导辊分组时，第一个矫直段由部分圆弧区(64)、矫直区(66)的一部分组成，并且弧形区与矫直区的外弧线交界点(62)位于第一个矫直导辊(65)上；最后一个矫直段由矫直区(66)的一部分和部分水平区(68)组成，并且矫直区与水平区的外弧线交界点(69)位于最后一个矫直导辊(67)上。

8.如权利要求4所述的改善连铸生产铸坯质量的方法，其特征在于，在辊列的弯曲区导辊所在处的弯曲半径，由无穷大逐渐变为圆弧半径的连续变径弯曲曲线，弯曲半径中初始弯曲半径R1为无穷大，后续弯曲半径R1>R2>R3>R4>R5>R6>R7>R8>R9>R10>R11，R11与R12相等且为圆弧半径；

在辊列的矫直区导辊所在处的矫直半径，由圆弧半径逐渐变为无穷大的连续变径矫直曲线，初始矫直半径R13与R14相等且为圆弧半径，并且后续始矫直半径R14<R15<R16<R17<R18<R19<R20<R21<R22<R23<R24<R25，R25为无穷大。