CN111531144B - 一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法 - Google Patents

一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法 Download PDF

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    • B22D11/22—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould
    • B22D11/225—Controlling or regulating processes or operations for cooling cast stock or mould for secondary cooling

Abstract

本发明涉及一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，属于冶金技术领域。本发明的技术方案是：喷嘴的实际工作水量低于或远低于其喷嘴的正常水量调节范围的最小值时，采用脉冲式冷却控制；喷嘴的实际工作水量超过或远超过其喷嘴的正常水量调节范围的最大值时，采用气体压力随阀门开度分区台阶式分段函数控制；当连铸机拉速大幅变化时，采用目标拉速控制法动态调节二冷强度。本发明的有益效果是：达到和保证工艺设计的冷却效果和冷却均匀性，从而保证连铸的正常生产和产品质量，增加企业效益和市场竞争力。

Description

一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法
技术领域
本发明涉及一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，属于冶金技术领域。
背景技术
连铸二次冷却的目的是对离开结晶器后的铸坯进行连续冷却，使之在切割前完全凝固。二次冷却是连铸过程中十分重要的一个工序，对保证铸坯质量、提高连铸生产率起着至关重要的作用。而连铸喷嘴是连铸机二次冷却系统最关键的构成部分，是铸机最大拉速、作业率、铸坯品种质量和消耗水平的决定性因素之一。
由于设备结构原因，所有连铸喷嘴在工作时都存在一个能维持其良好雾化性能的正常水量调节范围。所以，连铸机在正常浇铸时应保证各喷嘴的实际工作水量变化范围都处于其喷嘴的正常水量调节范围之内。否则，就无法达到和保证设计的冷却效果和冷却均匀性，从而影响连铸的生产和质量。
随着连铸技术的发展和品种质量要求的提高，高拉速的高效连铸和多品种连铸生产已成为各大钢铁企业的必然要求。高拉速必然要求大水量，导致连铸机在高拉速浇铸时喷嘴的实际工作水量超过或远超过其喷嘴的正常水量调节范围的最大值；多品种连铸生产必然连铸机拉速范围和二次冷却工艺的多样化，低拉速、超低拉速和弱冷、超弱冷，导致连铸机喷嘴的实际工作水量低于或远低于其喷嘴的正常水量调节范围的最小值，最终无法达到和保证设计的冷却效果和冷却均匀性，从而严重影响连铸的正常生产和产品质量。
如何有效解决连铸机浇铸时实际二冷水量不在其喷嘴的最佳正常水量调节范围内的二冷水流量控制，满足连铸的正常生产和质量要求，已成为各大钢铁企业的迫切需求和连铸工作者急需攻克的技术难题。
发明内容
本发明目的是提供一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，提供了连铸机浇铸时实际二冷水量不在其喷嘴的最佳正常水量调节范围内的二冷水流量控制方法，以保证最优气水雾化和最佳冷却效果；满足了生产过程中连铸机高拉速、超高拉速和低拉速、超低拉速的宽范围拉速变化以及弱冷、超弱冷，强冷，超强冷的多钢种多品种不同铸坯二次冷却工艺的需要，达到和保证工艺设计的冷却效果和冷却均匀性，从而保证连铸的正常生产和产品质量，增加企业效益和市场竞争力，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，包含以下步骤：
（1）低于最小值时的水流量脉冲控制：
当喷嘴实际的水流量Qr小于喷嘴最佳调节范围的最小值Q0时，采用一个比Qr大且处于喷嘴正常工作范围内的流量Qr ＊进行脉冲式的喷水冷却，即以Qr ＊，喷水ton分钟后，停止喷水toff分钟，以保证在一个喷水周期tint中，实际的喷水量与理论计算要求的喷水量相同；
间歇喷水时间为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中：
ton—喷水时间，min；
tint—脉冲喷水周期，min；
Qr ＊—脉冲喷水实际流量，L/min；
Qr—实际要求某时刻喷水量L/min；
（2）高于最大值时的气体压力随阀门开度分区进行台阶式分段函数控制，不
同冷却区气体压力随阀门开度百分比变化规则如下：
在二冷区上部（铸机弯曲段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为3MPa；
在二冷区中部（铸机弧形段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.0MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.75MPa；
在二冷区下部（铸机水平段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为0.5MPa；阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.0MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.25MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.0MPa；
（3）二次冷却强度的目标拉速控制：
通过经验确定铸机在一定条件下某标准拉速（如1.4m/min）的二次冷却强度（此值称为标准冷却强度Q标准)，然后确定实际拉速与标准拉速二次冷却强度之间的关系；当实际拉速发生变化时，二次冷却强度也发生相应变化；
目标拉速控制法中计算机实际给定的二次冷却强度（用流量表示）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
Vc—计算机根据铸机实际拉速计算后确定的生命周期拉速，m/min； Vi—某一时刻的瞬时速度，m/min； Vp—某一段时间内的平均速度，m/min； COE—动态系数，取值范围为0-1； Q实际—计算机实际给定的二次冷却水量，L/min； Q标准—设定的二次冷却标准水量（与标准拉速对应)，L/min； f—系数（包括温度调节、宽度调节及比例系数，取值范围一般为0.5-1.5）。
所述步骤（1）低于最小值时的水流量脉冲控制中，在实际设定脉冲喷水时，通常取Qr ＊=nQ0，Q0为喷嘴调节范围最小值（L/min），n为系数，取1.1-1.8。
本发明的有益效果是：提供了连铸机浇铸时实际二冷水量不在其喷嘴的最佳正常水量调节范围内的二冷水流量控制方法，以保证最优气水雾化和最佳冷却效果；满足了生产过程中连铸机高拉速、超高拉速和低拉速、超低拉速的宽范围拉速变化以及弱冷、超弱冷，强冷，超强冷的多钢种多品种不同铸坯二次冷却工艺的需要，达到和保证工艺设计的冷却效果和冷却均匀性，从而保证连铸的正常生产和产品质量，增加企业效益和市场竞争力。
附图说明
图1是脉冲喷水控制模式示意图；
图中：脉冲喷水实际喷水量1、一个喷水周期tint时间内要求喷水量2、喷嘴流量最小值3。
具体实施方式
为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。
一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，包含以下步骤：
（1）低于最小值时的水流量脉冲控制：
当喷嘴实际的水流量Qr小于喷嘴最佳调节范围的最小值Q0时，采用一个比Qr大且处于喷嘴正常工作范围内的流量Qr＊进行脉冲式的喷水冷却，即以Qr＊，喷水ton分钟后，停止喷水toff分钟，以保证在一个喷水周期tint中，实际的喷水量与理论计算要求的喷水量相同；
间歇喷水时间为：
式中：
ton—喷水时间，min；
tint—脉冲喷水周期，min；
Qr＊—脉冲喷水实际流量，L/min；
Qr—实际要求某时刻喷水量L/min；
（2）高于最大值时的气体压力随阀门开度分区进行台阶式分段函数控制，不
同冷却区气体压力随阀门开度百分比变化规则如下：
在二冷区上部（铸机弯曲段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为3MPa；
在二冷区中部（铸机弧形段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.0MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.75MPa；
在二冷区下部（铸机水平段），阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为0.5MPa；阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.0MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.25MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.0MPa；
（3）二次冷却强度的目标拉速控制：
通过经验确定铸机在一定条件下某标准拉速（如1.4m/min）的二次冷却强度（此值称为标准冷却强度Q标准)，然后确定实际拉速与标准拉速二次冷却强度之间的关系；当实际拉速发生变化时，二次冷却强度也发生相应变化；
目标拉速控制法中计算机实际给定的二次冷却强度（用流量表示）为：
式中：
Vc—计算机根据铸机实际拉速计算后确定的生命周期拉速，m/min；
Vi—某一时刻的瞬时速度，m/min；
Vp—某一段时间内的平均速度，m/min；
COE—动态系数，取值范围为0-1；
Q实际—计算机实际给定的二次冷却水量，L/min；
Q标准—设定的二次冷却标准水量（与标准拉速对应)，L/min；
f—系数（包括温度调节、宽度调节及比例系数，取值范围一般为0.5-1.5）。
所述步骤（1）低于最小值时的水流量脉冲控制中，在实际设定脉冲喷水时，通常取Qr＊=nQ0，Q0为喷嘴调节范围最小值（L/min），n为系数，取1.1-1.8。
喷嘴的实际工作水量低于或远低于其喷嘴的正常水量调节范围的最小值时，采用脉冲式冷却控制；喷嘴的实际工作水量超过或远超过其喷嘴的正常水量调节范围的最大值时，采用气体压力随阀门开度分区台阶式分段函数控制；并且当连铸机拉速大幅变化时，采用目标拉速控制法动态调节二冷强度，以达到最优气水雾化和最佳冷却效果。具体如下：
1、低于最小值时的水流量脉冲控制
连铸机浇铸过程中，当实际二冷水量低于其喷嘴的最佳水量范围的最小值Q0时，喷嘴的喷雾状态及冷却效果都会急剧恶化。在保证冷却水量符合工艺要求的同时，并维持喷嘴良好的冷却效果，采用脉冲式冷却控制方式，如图1。
当喷嘴实际的水流量Qr小于喷嘴最佳调节范围的最小值Q0时，可采用一个比Qr大且处于喷嘴正常工作范围内的流量Qr ＊进行脉冲式的喷水冷却，即以Qr ＊，喷水ton分钟后，停止喷水toff分钟，以保证在一个喷水周期tint中，实际的喷水量（阴影区1）与理论计算要求的喷水量（曲线下阴影区2）相同。由于实际喷水过程中流量Qr ＊处于喷嘴正常工作范围，这样既保证了喷嘴的雾化效果又保证了冷却水流量。
间歇喷水时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中：
ton—喷水时间，min；
tint—脉冲喷水周期，min；
Qr ＊—脉冲喷水实际流量，L/min；
Qr—实际要求某时刻喷水量L/min。 在实际设定脉冲喷水时，通常可取Qr ＊=nQ0。
Q0为喷嘴调节范围最小值（L/min），n为系数，可取1.1-1.8 。
、高于最大值时的气体压力随阀门开度分区台阶式分段函数控制
现代连铸机，尤其是板坯连铸机，一般都采用气水喷嘴的气水混合雾化冷却。因为相比传统的水喷嘴，气水喷嘴使水的雾化程度更高，覆盖面更大，冲击力大，被蒸发的水量多，冷却效率高，铸坯表面冷却更均匀。其次，气水喷嘴冷却水流量可调范围大，通常为水喷嘴流量调节范围的3-10倍。目前气水喷嘴的气压控制一般采用恒定气压控制（如恒定气压0.2MPa）或恒定的气水比控制。
连铸机浇铸过程中，当实际二冷水量高于其喷嘴的最佳水量范围的最大值QMAX时，喷嘴水流量无法继续增大且喷嘴的喷雾状态及冷却效果都会恶化。在保证冷却水量符合工艺要求的同时，并维持喷嘴良好的冷却效果，本发明采用气体压力随阀门开度分区台阶式分段函数控制方法，如下表1。
表1 不同冷却区气体压力随阀门开度百分比变化规则表
Figure DEST_PATH_IMAGE005
本发明区别于传统气水比控制的创新点如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
气体压力随阀门开度百分比变化，而非传统的气体压力随冷却水流量设定值 百分比变化。
连铸机浇铸不同的钢种需采用不同的二冷水工艺，有的需弱冷（小水量）；有的需强冷（大水量）；有的需中冷（中等水量）等等。需强冷的水量很大，需弱冷的水量很小，有时强冷水量甚至是弱冷水量的倍数关系。
传统的气体压力随冷却水流量设定值百分比变化，导致随不同二冷水工艺设定水量的不同，气体压力变化很大，难以达到最佳的气水混合效果。例如：某一弱冷工艺，所需水量1000l/min；某一强冷工艺，所需水量2000l/min。在流量百分比50%-70%时，气体压力2.0MPa，对于弱冷工艺，水流量是500-700l/min时；对于强冷工艺，水流量则是1000-1400l/min，这样，对于强冷和弱冷，气水混合雾化的效果大不相同，不利于冷却效果的控制。
而阀门开度与冷却水流量是一一对应的，气体压力随阀门开度百分比变化，不管是哪种冷却工艺，气体压力与冷却水流量范围是一一对应的，气水混合比是相对稳定的，即对于所有钢种，所有的冷却工艺，都保证了稳定的最佳气水混合雾化的效果。
Figure DEST_PATH_IMAGE007
根据不同的二冷区特性采用不同的气水比控制（气水比分区控制），而非传统 的所有二冷区相同气水比控制。
连铸坯的二次冷却工艺依据连铸坯的凝固特点从上到下冷却强度时依次减弱的，一般都采用分区控制，二冷区上部（铸机弯曲段）铸坯温度高，需强冷，水量最大；二冷区中部（铸机弧形段）冷却强度次之，水量中等；二冷区下部（铸机水平段）冷却强度最弱，水量最小。因此，本发明二冷水气压的控制也适应二冷区的特性分区控制，始终保证最佳的气水雾化效果。
而且在铸坯的高温区域，由于Leidenfrost(莱顿弗罗斯特)效应，增大气压，有利于冷却水穿透蒸汽膜，增强二次冷却效果。
、二次冷却强度的目标拉速控制
现代连铸工艺一般都需要根据浇铸过程中工艺条件的变化而适时调整冷却强度，不仅要考虑拉坯速度、浇铸温度及浇铸宽度，还要考虑浇铸状态等因素，以保证最佳的气水雾化效果和铸坯二次冷却效果。
本发明二冷强度的动态控制采用目标拉速控制法，其原理是通过经验确定铸机在一定条件下某标准拉速（如1.4m/min）的二次冷却强度（此值称为标准冷却强度)，然后确定实际拉速与标准拉速二次冷却强度之间的关系。当实际拉速发生变化时，二次冷却强度也发生相应变化。 需要说明的是，此时铸机拉速具有特定的含义，即：
Figure 808224DEST_PATH_IMAGE008
式中：Vc—计算机根据铸机实际拉速计算后确定的生命周期拉速，m/min。 Vi—某一时刻的瞬时速度，m/min； Vp—某一段时间内的平均速度，m/min； COE—动态系数，取值范围为0-1。由上式可以看出： 当COE=1时，Vc=Vp，即冷却强度取决于平均速度； 当COE=0时，Vc=Vi，即冷却强度取决于瞬时速度。
目标拉速控制法中计算机实际给定的二次冷却强度（用流量表示）为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
式中：Q实际—计算机实际给定的二次冷却水量，L/min； Q标准—设定的二次冷却标准水量（与标准拉速对应)，L/min； f—系数（包括温度调节、宽度调节及比例系数，取值范围一般为0.5-1.5）。
本发明的实施例如下：
实施例1
某厂230*1650mm板坯连铸机，现浇铸的微合金高强钢种二次冷却第1冷却区工艺 需要的二冷水流量Qr是40l/min，而该连铸机二次冷却第1冷却区喷嘴最佳流量调节范围的 最小值Q0是60l/min，远小于喷嘴的最小流量Q0。连铸二冷模型自动启动该回路的脉冲控制 方式，根据流量阀的反应时间和流量特性，确定脉冲周期为1.5min，根据脉冲喷水实际流量 Qr ＊=nQ0，n取1.5，则脉冲喷水实际流量Qr ＊=1.5*60=90l/min，由
Figure 289146DEST_PATH_IMAGE010
，计算可 得脉冲喷水时间=0.8min。
该连铸机现浇铸的超低碳铝镇静钢种，拉速1.8m/min,二次冷却第1冷却区工艺需要的二冷水流量Qr是380l/min，而该连铸机二次冷却第1冷却区喷嘴最佳流量调节范围的最大值QMAX是300l/min，大于喷嘴的最小流量QMAX。连铸二冷模型自动启动该回路的气体压力随阀门开度分区台阶式分段函数控制方式，检测到该回路二冷水调节阀开度为80%，且该回路属于二冷区上部（铸机弯曲段），根据表1 不同冷却区气体压力随阀门开度百分比变化规则表，该回路二冷压力自动设定为2.75MPa。
该连铸机现浇铸的超低碳铝镇静钢种的过程中，需进行更换浸入式水口作业，连 铸机实际拉速降为0.8m/min,模型计算该连铸机二次冷却第1冷却区速度参数为1.0m/min (二冷水模型计算的生命周期拉速)，此时的二次冷却强度（用流量表示）：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，f取值0.8，二冷水模型设定的Q标准（1.4m/min）=240l/min，，则Q实际= 0.8*1.0*240=192l/min，检测到阀门开度为28%，该回路二冷压力自动设定为1.5MPa。其它 回路以此类推，不再赘述。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）低于最小值时的水流量脉冲控制：
当喷嘴实际的水流量Qr小于喷嘴最佳调节范围的最小值Q0时，采用一个比Qr大且处于喷嘴正常工作范围内的流量Qr ＊进行脉冲式的喷水冷却，即以Qr ＊，喷水ton分钟后，停止喷水toff分钟，以保证在一个喷水周期tint中，实际的喷水量与理论计算要求的喷水量相同；
间歇喷水时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：
ton—喷水时间，min；
tint—脉冲喷水周期，min；
Qr ＊—脉冲喷水实际流量，L/min；
Qr—实际要求某时刻喷水量L/min；
（2）高于最大值时的气体压力随阀门开度分区进行台阶式分段函数控制，不
同冷却区气体压力随阀门开度百分比变化规则如下：
在二冷区上部，阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为3MPa；
在二冷区中部，阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为1MPa；
阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为2.0MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为2.5MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.75MPa；
在二冷区下部，阀门开度百分比为0-10%时，气体压力为0.5MPa；阀门开度百分比为11-30%时，气体压力为1.0MPa；阀门开度百分比为31-50%时，气体压力为1.25MPa；阀门开度百分比为51-70%时，气体压力为1.5MPa；阀门开度百分比为71-90%时，气体压力为1.75MPa；阀门开度百分比为91-100%时，气体压力为2.0MPa；
（3）二次冷却强度的目标拉速控制：
通过经验确定铸机在一定条件下某标准拉速的二次冷却强度,此值称为标准冷却强度Q标准，然后确定实际拉速与标准拉速二次冷却强度之间的关系；当实际拉速发生变化时，二次冷却强度也发生相应变化；
目标拉速控制法中计算机实际给定的二次冷却强度,用流量表示为：
Figure 155438DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Vc—计算机根据铸机实际拉速计算后确定的生命周期拉速，m/min； Vi—某一时刻的瞬时速度，m/min； Vp—某一段时间内的平均速度，m/min； COE—动态系数，取值范围为0-1； Q实际—计算机实际给定的二次冷却水量，L/min； Q标准—设定的二次冷却标准水量,与标准拉速对应，L/min； f—系数，取值范围为0.5-1.5。
2.根据权利要求1所述的一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，其特征在于：所述步骤（1）低于最小值时的水流量脉冲控制中，在实际设定脉冲喷水时，取Qr ＊=nQ0，Q0为喷嘴调节范围最小值L/min；n为系数，取1.1-1.8。
3.根据权利要求1所述的一种超宽流量及拉速变化范围的连铸喷嘴水流量控制方法，其特征在于：所述二次冷却强度的目标拉速控制中的标准拉速为1.4m/min。
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