CN1094983C - 确定和控制连铸板坯材料流程的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连铸板坯在连铸设备与轧机之间的输送路径上，借助于跟踪和优化，确定和控制连铸板坯尤其扁钢的材料流程的方法。按此方法，为了确定板坯热量和温度剖面，从连铸设备结晶器出口处已知的液态温度和对板坯物理参数的了解出发，借助于一种数学物理模型，计算在板坯内所含热量的对流掺混及不均匀冷却的板坯向当时的周围介质取决于时间的散热，计算结果必要时与测量的板坯表面温度一起应用于控制材料在现有的板坯跟踪系统内的流程。
Description
本发明涉及连铸板坯在连铸设备与轧机之间的传送路径上，借助于温度跟踪和优化，确定及控制连铸板坯尤其扁钢的材料流程的方法。
对于运行连接轧机的连铸设备和在设计作为在连铸设备与轧机之间的连接环节的板坯连铸的精整工段时，重要之点始终是，了解刚刚浇铸好或中间存放的板坯存在的含热量，以便将板坯经济和优化地置于与其内部尚存在的含热量相应的材料流程之中。因为刚刚铸造好的板坯有不均匀的温度剖面并经过较长的时间趋于均匀的温度剖面，所以人们不可能借助于可测量的表面温度推断出平均的板坯温度。因此也不可能在一定的时间后了解板坯的温度剖面，以便例如使板坯通过再加热设备置于均匀的最佳轧制温度。最后，离开铸造设备后固化的板坯通过不同的输送和工艺路线，它们将导致各不相同的板坯温度剖面。取决于板坯是否在隔热状态下在辊道上输送、是否一个或多个板坯堆垛存放、是否所涉及的是开式板坯支架或板坯是否存放在开式或闭式的存储槽内，造成不同的温度剖面。此外，与在喷水设备内迟缓的冷却相比在浸水池内加速冷却板坯时也会导致不同的温度剖面。由此可知，应谋求发现和了解各种板坯的冷却过程，以便将获得的认识有目的地使用于材料跟踪和材料流程控制，迄今这些主要是建立在经验数据和试验结果的基础上。
以所描述的问题为出发点，本发明的目的是发明一种确定和控制连铸板坯尤其扁钢的材料流程的方法，这种方法可以确定连铸板坯在连铸设备与轧机之间的路径上的热含量和温度剖面并可有目的地利用，以便将找到的数据应用于现有的板坯跟踪系统中，从而获得在能量上最佳的亦即经济和可靠的材料流程。
为达到此目的，按本发明建议，为了确定板坯热量和温度剖面，从连铸设备结晶器出口处已知的液态温度和对板坯物理参数的了解出发，借助于一种数学物理模型，计算在板坯内所含热量的对流混合及不均匀冷却的板坯向当时的周围介质取决于时间的散热，计算结果必要时与测量的板坯表面温度一起应用于控制材料在现有的板坯跟踪系统内的流程。
采用按本发明的建议，板坯可以有控制地通过连铸设备不同的材料流程引入轧机，如温装料轧、热装料轧、冷装料轧或热直接轧。同样可以找到堆垛中不同板坯的冷却过程，如确定不同板坯表面的冷却过程，以便借助于检查测量推断出在板坯内部的温度。用计算得到的数值和附加的设备生产数据，例如可以确定存储槽的尺寸以及可以预测在运行中不同平均温度下的热量利用状况。
在按本发明方法的一种优先选用的设计中规定，为了计算数学物理模型采用二维有限元素法。有限元计算方法允许模拟不同的过程，这种模拟用来支持结构发展、逐步处理、销售和在这里的情况下还用来支持未来的设备运行。结构设计时经常使用这种方法，以便通过结构力学的分析能认识到潜在的危险并将它减少到最低程度。人们可以通过应力应变分析、温度计算、热力学模拟以及通过确定固有频率及本构方程达到结构优化的目的。往往在设计阶段就已经要求作建立在有限元计算的基础上的设备运行模拟，并签订在设备供应协议中作为合同的固定组成部分。
借助于有限元素法的计算也在设计数学物理模型时实施，这些计算必须在线用很短的时间提供准确的结果，提供的结果主要涉及参数讨论，由此最终导出分析公式。
对于本发明，为了计算数学物理模型采用二维的有限元素法、有限差分法或具有脱线研究导出的公式的软件。
为了使方法可以实现，可以在脱线研究中使用通用的商业有限元程序包。也许对在线而言它过大和太慢。因此应采用一种方法(这种方法也可以是一种有限元素法或有限差分法)，也就是说应是一种可编成程序的方法，它专门适应板坯的几何形状(矩形)并因而足够迅速。这种在线的方法可以用脱线的有限元程序包检验。
作为板坯的物理参数最好使用与温度有关的材料参数，如密度ρ、比热Cp、热导率λ和氧化性能。
在方法的一种优化中，按本发明将计算结果和测量的板坯表面温度与在板坯跟踪系统中材料流程的自动化结合。
本发明可以按有利的方式借助于数学物理模型最好用有限元模拟或有限差分法在规定的冷却条件下确定不同尺寸的板坯和板坯堆垛的温度变化过程。通过评估板坯平均温度以及选出的表面温度随时间的变化过程，以后借助于测量表面温度便可以良好地估算板坯的平均温度。因此，用按本发明方法的结果可例如作出说明，规定的板坯平均温度在精整工段中将保持多少小时；可以对有关在板坯跟踪系统中的整个温度谱作出说明。业已证实，按本发明的方法和所说明的有限元素法操作中的灵活性很大，适用于达到按本发明的目的，可以在连铸设备与轧机之间实现经济和可靠的材料流程。本发明可以代替迄今以经验和经验数据为基础的控制板坯。设备不需要如长期以来那样出自于安全的原因使尺寸过大；采用按本发明的方法现在人们有能力确定并掌握在连铸设备与轧机之间的材料流程中的实际状况。
下面可以借助于一个实际例子最简单地说明本发明。在此例子中的出发点是，多个连铸板坯堆垛地存放在开口的存储槽内。在堆垛中不同板坯的平均冷却过程应与堆垛中不同板坯在表面上的冷却过程一样加以确定。一个应用目的可以是确定存储槽的尺寸，或预测在生产运行过程中在不同的平均温度下板坯的热量利用状况。
现在从一个说明的模型出发，例如讨论各有420个元素的13个板坯。在相应地给予对称的边界条件的情况下以半块板坯作为模型就够了，有限元网格可例如按这样的方式生成，即，使得以后能易于确定平均温度和堆垛过程取决于时间的控制。
模拟可分为以下部分：
1.在通过铸造机时板坯截面的温度跟踪，它相应于开始堆垛时每块板坯的起始温度剖面；
2.模拟各板坯的堆垛；
3.模拟板坯堆垛的冷却。
在第一个部分中，为了产生接近实际的在存储槽内板坯的起始温度剖面，模拟在连铸中板坯的凝固。材料密度、比热和热导率均与温度有关。
虽然在液态也发生对流换热，不过并不对其进行模拟。但为了模拟由于对流掺混达到的温度均化，代之以将热导率相对于固态提高100倍。一个重要的边界条件是在一次和二次冷却区范围内不同的水冷。按照一种传热模型，将可能的表面温度的温度区再分为不同传热类型的区段(稳定的膜态蒸发，不稳定区，烧毁点等)，因为对这些区域传热值适用不同的公式。在有些区域内传热值还取决于此被冷却体表面的材料参数，在本例中尤其涉及强烈氧化的表面，在这些表面应采用氧化皮的材料参数。
板坯堆垛的模拟从第一块板坯置入存储槽中开始。然后每60秒将下一块板坯堆放在以前放置的一些板坯上。堆垛过程以将一块冷的板坯放置在至此为12块堆垛好的板坯上时终止。这块冷的板坯通过其自重减少最上面那块热板坯的弯曲变形。
在放入第一块板坯后起动此板坯相应的元素，从而在存储槽内就已对此板坯实施有限元模拟。接着是起动第二块板坯和板坯的元素两者。这一步骤类似地进行，直至置入最后一块冷的板坯。现在开始模拟存储槽内的全部板坯堆垛。在这里重要的边界条件仍是板坯表面和周围环境之间的导热系数。除了下部支承面外，对于板坯堆垛的所有表面假设都是通过空气对流加上辐射进行传热。
空气对流用专门的函数计算；其中水平和垂直表面产生不同大小的导热值。在高温下与辐射传热量相比空气对流的传热量还较小，然而在温度低的情况下它却占优势。此外，在此计算中环境温度按宽敞的车间环境或存储槽的壁来考虑。不过从一个代表性的堆垛出发这些只能认为是在一个规定的立体角部分内，在其他一些立体角部分内有具有类似温度的相邻堆垛。
堆垛的下部水平面与车间底部接触。可以将车间底部本身一起进入有限元计算中，也可以将车间底部按简化方式模拟为半无限大体，它持续地保持为其起始温度，于是在此无限大体上存在取决于时间的传热量。
现在，给定板坯尺寸可以确定沿板坯截面或板坯堆垛截面的温度分布。为了在铸造机与轧机之间的材料流程中再整合，在扁钢的情况下平均板坯温度应在500℃与600℃之间。在开始冷却时第一块板坯还有相当于从铸造机出口的温度剖面。在堆垛过程结束时，若底部较好地隔热，则在堆垛内存在比较均匀的温度分布。堆垛最上面的板坯由于放置了冷的板坯所以在第一时段失去较多的热量，堆垛中最下面的板坯在很短的起始时间内迅速冷却到因底部隔热造成的结果。
按本发明的方法可通过物理数学模型与传统的板坯材料流程相结合实现各板坯在连铸设备与轧机之间经济和可靠的控制。通过板坯表面的检查测量再加上借助于计算模型得到的值，只要计入相应的边界条件，便可用简单的方式推断板坯热量及温度剖面。以此方式可以在连铸设备与轧机之间的任何地点，尤其在存放位置，确定各板坯含有多少热量和必须供入或排出多少能量，以获得对于后续的过程为最佳的温度剖面。本发明明摆着为从事此项工作的技术人员提供了一种工具，使他们可以优化地设计此设备，因而设备能经济地制造和运行。
Claims (5)
1.连铸板坯在连铸设备与轧机之间的输送路径上，借助于温度跟踪和优化，确定和控制连铸板坯的材料流程的方法，其特征为：为了确定板坯热量和温度剖面，从连铸设备结晶器出口处已知的液态温度和对板坯物理参数的了解出发，借助于一种数学物理模型，计算在板坯内所含热量的对流掺混及不均匀冷却的板坯向当时的周围介质取决于时间的散热，计算结果必要时与测量的板坯表面温度一起应用于控制材料在现有的板坯跟踪系统内的流程。
2.按照权利要求1所述确定和控制连铸板坯的材料流程的方法，其特征为：为了计算数学物理模型采用二维的有限元素法、有限差分法或具有由脱线研究导出的公式的软件。
3.按照权利要求1和2之一所述确定和控制连铸板坯的材料流程的方法，其特征为：作为板坯的物理参数采用了与温度有关的材料参数：密度ρ、比热Cρ、热导率λ和氧化性能。
4.按照权利要求3所述确定和控制连铸板坯的材料流程的方法，其特征为：计算结果和板坯测量的表面温度与在板坯跟踪系统中材料流程的自动化结合。
5.按照权利要求1所述确定和控制连铸板坯的材料流程的方法，其特征为：所述连铸板坯材料是扁钢。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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