CN110605366B

CN110605366B - 一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法

Info

Publication number: CN110605366B
Application number: CN201911025847.4A
Authority: CN
Inventors: 兰鹏; 王小松; 张家泉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-10-25
Also published as: CN110605366A

Abstract

本发明提供了一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法，涉及钢铁冶金技术领域，根据连铸钢种和断面尺寸等参数进行长区间、多模式、高精度的动态搅拌调控，能够提高连铸磁搅拌的冶金功能和效果，扩大连铸工艺参数的调控窗口；该系统在连铸机的不同位置设置若干搅拌器单元组，每组所述搅拌器单元组包括若干独立控制的搅拌器单元；同一搅拌器单元组内不同搅拌器单元的搅拌模式相同或不同，搅拌模式是时间和空间的函数；搅拌单元组之间可进行联动控制；搅拌模式包括时空函数下的旋转搅拌、线性搅拌、连续搅拌和交替搅拌以及顺时针、逆时针的任意组合。本发明提供的技术方案适用于钢铁冶金的连铸过程中。

Description

一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法

【技术领域】

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法。

【背景技术】

连铸是钢铁生产中的关键流程。连铸坯中常出现中心偏析、疏松、缩孔等质量缺陷，严重影响产品性能。当前，磁搅拌技术已成为铸坯凝固质量调控的重要手段，在方坯(矩形坯)、板坯、圆坯和异形坯连铸中等均有应用。磁搅拌可加强铸坯内部钢水的强制流动，既可以减少凝固前沿对气泡和夹杂物的捕捉，又能均匀化温度和成分，抑制凝固末端枝晶搭桥。

传统连铸磁搅拌器的长度一般为0.6～1.0m，且拉坯方向上磁场作用范围固定。由于同一连铸机生产的钢种和断面较多，加之冶炼节奏不稳定引起的工况波动，现场拉速往往在很大范围内变化。

拉速变动导致铸坯在传统搅拌器内历经的时间不同，坯壳厚度和热状态也不一致，常出现搅拌作用过强或过弱的情况，冶金效果极不稳定，不同钢种和断面下铸坯质量高低难以调和。即使某些搅拌器可移动，但范围多小于2m，其适应性非常有限。

同时，传统磁搅拌器的工作模式仅为时间的函数，因易形成白亮带(负偏析)限制了其对均质性和致密度缺陷的改善效果，工艺调控窗口极窄、效用极为有限。

因此，有必要研究一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法，根据连铸钢种和断面尺寸等参数进行长区间、多模式、高精度的动态搅拌调控，能够提高连铸磁搅拌的冶金功能和效果，扩大连铸工艺参数的调控窗口。

一方面，本发明提供一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统，其特征在于，在连铸机的不同位置设置若干搅拌器单元组，每组所述搅拌器单元组包括若干独立控制的搅拌器单元；同一搅拌器单元组内不同搅拌器单元的搅拌模式相同或不同，搅拌模式是时间和空间的函数；搅拌单元组之间能够进行联动控制。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述搅拌器单元组包括2个及以上搅拌器单元。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，同一搅拌器单元组内不同搅拌器单元的搅拌模式相同或不同的具体方式为：相邻的两个搅拌器单元在同一时刻的搅拌模式不同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述搅拌器单元的搅拌模式包括顺时针或逆时针的旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续搅拌模式和/或顺时针或逆时针的交替搅拌模式，搅拌模式为时间的函数，P＝f(t)，P为搅拌模式参数，如电流、频率、方向等，t为时间。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述搅拌器单元组的搅拌模式包括：顺时针或逆时针的连续旋转+连续旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的连续线性+连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+交替旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的交替线性+交替线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+交替线性搅拌模式或者顺时针或逆时针的交替旋转+交替线性搅拌模式，搅拌模式为时间和空间的函数，P＝f(x,y,z,t)，P为搅拌模式参数，x、y、z分别为沿拉坯方向不同位置坐标，t为时间。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述搅拌器单元组全覆盖式或部分覆盖式的设置在连铸机范围内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，任一所述搅拌器单元组能够读取其他搅拌器单元组的工作参数，并根据其他单元组的数据变动对自身工作参数进行调整。

另一方面，本发明提供一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌方法，其特征在于，使用如上任一所述的磁搅拌系统；

根据工况参数实时预测铸坯的热状态；根据预测的热状态以及搅拌器单元组的冶金功能对每个搅拌器单元的工作状态、搅拌模式和励磁参数进行动态调整；搅拌模式由单元组和单元与时间和空间变量相关的函数协同控制；当某一搅拌器单元组的工作参数变化时，其他单元组读取到变动数据后，基于智能算法并根据冶金功能最优化原则对各自单元组的工作参数进行联动调整。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述磁搅拌方法所作用的连铸坯的等轴晶率能够在0～80％之间进行调控，中心疏松评级不超过1.5级，中心缩孔评级不超过1级，中心偏析评级不超过1级。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，浇铸大方坯GCr15钢的等轴晶率为48％～52％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，浇铸大方坯Q345钢的等轴晶率为28％～32％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，浇铸大圆坯50钢的两个断面下铸坯等轴晶率均在30％以上。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明能够根据连铸钢种和断面尺寸等参数进行进行长区间、多模式、高精度的动态搅拌调控，冶金效果更高效、更稳定；本发明采用时间和空间函数协同控制的工作模式，克服了传统搅拌器作用时间短，且随时间换向时的滞后和搅拌模式简单的不足；本发明搅拌系统的工作模式更灵活、更多样化、更智能化；本发明可提高连铸磁搅拌的冶金功能和效果，扩大连铸工艺参数的调控窗口。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的全覆盖式时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的部分覆盖式时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的图1中A-A截面的剖面示意图。

其中，图中：

065-结晶器；066-足辊；067-支撑辊；068-拉矫辊；069-第一搅拌器单元；070-第二搅拌器单元；071-第三搅拌器单元；072-第四搅拌器单元；073-第五搅拌器单元；074-第六搅拌器单元；075-第七搅拌器单元；076-第八搅拌器单元；077-第九搅拌器单元；078-第十搅拌器单元；079-第十一搅拌器单元；080-第一搅拌器单元组；081-第二搅拌器单元组；082-第三搅拌器单元组；083-第四搅拌器单元组；084-第五搅拌器单元组；085-连铸坯。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统和方法，即在连铸机范围内设置多节彼此相邻的磁搅拌器单元构成若干组联动控制的搅拌器单元组，并基于时空函数控制搅拌模式参数。搅拌器布置不影响铸坯二次冷却设计，铸坯凝固进程不受磁搅拌系统的影响；磁搅拌系统由若干个搅拌单元组和搅拌单元构成，方便吊运、安装和维修，尤其对方坯、矩形坯、圆坯和异形坯弧形和直弧形连铸机结构具有较强的适应性；磁搅拌系统的作用范围较长，与现有的单搅拌器结构相比，可根据钢种和断面尺寸等参数进行动态精准调控，工作模式灵活、多样化，冶金效果更高效、更稳定。

本发明在连铸机结晶器和足辊外部和/或二冷区支撑辊之间安装具有独立控制系统的磁搅拌单元，如图1中069-079。可根据铸坯截面积及其对铸机支撑强度的要求，将其设置为全覆盖式或部分覆盖式。

全覆盖式多节联动控制式搅拌系统(如图1所示)优选用于铸坯截面积不大于0.04m²的工况，部分覆盖式多节联动控制式搅拌系统(如图2所示)优选用于铸坯截面积大于0.04m²的工况。

本发明提出时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统。多个单元联用成一个单元组，相较于现有技术每组只有一个搅拌器单元的情况，可以增加搅拌器的作用空间和时间，更好的发挥搅拌功能。同时，在连铸机设置多个搅拌器单元组，如图1和图2的080-084，根据每个搅拌器单元组的空间位置设定为不同的工作参数和冶金效果；每个搅拌器单元组内的搅拌器单元可根据单元组的冶金功能进行工作方式和励磁参数调控，比如下面介绍的CRS、CLS、ARS、ALS等。搅拌器单元组之间具有通讯和联动控制功能，任意单元组均能够读取其他单元组的工作参数，并根据变动数据对各自单元组工作参数进行联动调整。搅拌系统区域设计与铸机其他区域一致的铸坯冷却结构，可实现动态或静态的二次冷却。

根据连铸钢种、断面、拉速、过热度和冷却强度等工况参数实时预测铸坯热状态，并基于磁搅拌器冶金功能最优化原则对系统内每个独立搅拌器单元的工作状态、方式和参数进行动态调整，构建连铸磁搅拌器的智能控制系统和方法。

根据产品要求设置搅拌系统不同的运行方式，如旋转搅拌(RS)或线性搅拌(LS)、连续搅拌(CS)或交替搅拌(AS)、多种搅拌模式的组合形式。多种搅拌模式的组合形式包括：连续旋转搅拌(CRS)、连续线性搅拌(CLS)、交替旋转搅拌(ARS)、交替线性搅拌(ALS)或多个单元的时空函数组合。以包含2个单元为例，时空函数组合的搅拌模式包括：顺时针或逆时针的连续旋转+连续旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的连续线性+连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+交替旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的交替线性+交替线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+连续线性(连续线性+连续旋转)搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+连续线性(连续线性+交替旋转)搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+交替线性(交替线性+连续旋转)搅拌模式或者顺时针或逆时针的交替旋转+交替线性(交替线性+交替旋转)搅拌模式。

实施例1：

某一直径350～650mm大圆坯铸机生产50钢，其时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统由一个搅拌器单元组构成，即在二冷区设有由3个搅拌器单元(第一搅拌器单元，第二搅拌器单元和第三搅拌器单元)构成的二冷搅拌(S-EMS)单元组，距结晶器下口约0.8m，沿拉坯方向总长度2.4m，设有铸坯冷却装置。350mm铸坯拉速为0.6m/min。搅拌器单元组内3个搅拌器单元同时工作，采用第一搅拌器单元顺时针、第二搅拌器单元逆时针、第三搅拌器单元顺时针的交替旋转模式，搅拌器单元中心的磁感应强度约为300Gs；650mm铸坯拉速为0.24m/min，搅拌器单元组内前2个单元工作，采用第一搅拌器单元顺时针、第二搅拌器单元顺时针的连续旋转搅拌，搅拌器单元中心的磁感应强度约为200Gs。两个断面下铸坯等轴晶率均在30％以上，比传统单搅拌器提高约40％，轧材探伤合格率均提高30％以上。

实施例2：

某一410mm×530mm大方坯生产GCr15和Q345钢，其时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统由两个搅拌器单元组构成。其中一个搅拌器单元组包括两个搅拌器单元，即在二冷区设有由2个搅拌器单元(第一搅拌器单元，第二搅拌器单元)构成的二冷搅拌(S-EMS)单元组，距结晶器下口约0.9m，沿拉坯方向总长度1.8m；另外一个搅拌器单元组包括3个搅拌器单元，即设有由3个搅拌器单元(第三搅拌器单元、第四搅拌器单元和第五搅拌器单元)构成的凝固末端搅拌(F-EMS)单元组，距结晶器下口约16.5m，沿拉坯方向总长度2.6m，两单元组均设有铸坯冷却系统。浇铸GCr15钢时二冷搅拌单元组中2个搅拌器单元均工作，采用第一搅拌器单元顺时针、第二搅拌器单元逆时针的交替搅拌模式，搅拌器单元的中心磁感应强度约为250Gs；末端搅拌单元组中后2个搅拌器单元工作，采用第四搅拌器单元顺时针、第五搅拌器单元逆时针的交替搅拌模式，搅拌器单元的中心的磁感应强度约为350Gs，对应铸坯等轴晶率约为50％；浇铸Q345时二冷搅拌单元组中第一搅拌器单元工作，采用顺时针连续搅拌模式，搅拌器单元中心磁感应强度约为200Gs；末端搅拌单元组中前2个搅拌器单元工作，第一搅拌器单元采用顺时针、第二搅拌器单元采用逆时针的交替搅拌模式，搅拌器单元的中心磁感应强度约为300Gs，对应铸坯的等轴晶率30％。两钢种等轴晶率均比单个搅拌器提高约30％，轧制Φ80mm圆棒的探伤合格率提高约20％。

本发明的时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统，其目的在于提高和强化磁搅拌的冶金效果，实现对钢坯均质性和致密度进行动态精准控制。根据工况参数进行动态、精准搅拌，可使铸坯芯部的钢水进行可控的强制流动；一方面可提高连铸磁搅拌的冶金功能和效果，另一方面可扩大连铸工艺参数的调控窗口。本发明的磁搅拌系统所作用连铸坯的等轴晶率可在0～80％之间进行调控，中心疏松评级不超过1.5级，中心缩孔评级不超过1级，中心偏析评级不超过1级。

本发明突破了连铸钢种、断面和拉速变动对搅拌器冶金效果的限制，弥补了搅拌器长度不够和位置不当的不足，提出了全新的协同搅拌系统结构及其工作模式，可显著提高磁搅拌效果及其工艺窗口。其中涉及的设备和操作简单，可大规模推广和应用。

以上对本申请实施例所提供的一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统及其方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统，其特征在于，在连铸机的不同位置设置若干搅拌器单元组，每组所述搅拌器单元组包括若干独立控制的搅拌器单元；同一搅拌器单元组内不同搅拌器单元的搅拌模式相同或不同，搅拌模式是时间和空间的函数；搅拌单元组之间能够进行联动控制；所述搅拌器单元组包括2个搅拌器单元；

所述搅拌器单元组的搅拌模式包括：顺时针或逆时针的连续线性+逆时针或顺时针的连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+逆时针或顺时针的交替旋转搅拌模式、顺时针或逆时针的交替线性+逆时针或顺时针的交替线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+顺时针或逆时针的连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+顺时针或逆时针的连续线性搅拌模式、顺时针或逆时针的连续旋转+顺时针或逆时针的交替线性搅拌模式、顺时针或逆时针的交替旋转+顺时针或逆时针的交替线性搅拌模式，搅拌模式为时间和空间的函数，P=f(x,y,z,t) ，P为搅拌模式参数，x、y、z分别为沿拉坯方向不同位置坐标，t为时间；

同一搅拌器单元组内不同搅拌器单元的搅拌模式相同或不同的具体方式为：相邻的两个搅拌器单元在同一时刻的搅拌模式不同；

任一所述搅拌器单元组能够读取其他搅拌器单元组的工作参数，并根据其他单元组的数据变动对自身工作参数进行调整。

2.根据权利要求1所述的时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌系统，其特征在于，所述搅拌器单元组全覆盖式或部分覆盖式的设置在连铸机范围内。

3.一种时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌方法，其特征在于，使用如权利要求1-2任一所述的磁搅拌系统；

根据工况参数实时预测铸坯的热状态；根据预测的热状态以及搅拌器单元组的冶金功能对每个搅拌器单元的工作状态、搅拌模式和励磁参数进行动态调整。

4.根据权利要求3所述的时空函数控制的多节联动式连铸磁搅拌方法，其特征在于，所述磁搅拌方法所作用的连铸坯的等轴晶率能够在0~80%之间进行调控，中心疏松评级不超过1.5级，中心缩孔评级不超过1级，中心偏析评级不超过1级。