CN116652143A - 一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法。根据连铸坯三维凝固传热离线模型及热‑力耦合下连铸坯三维压下模型，准确确定了极限压下量与压下位置的定量关系；采用连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时计算铸坯热状态、轻压下和重压下区间、总压下量；基于实时等效中心固相率及各压下辊极限压下量，在线计算和分配轻压下和重压下各辊的实际压下量，实现大方坯连铸轻压下和重压下的在线协同控制。本发明的极限压下量综合考虑了铸坯裂纹敏感性及设备压下能力的实时变化，协同了轻压下和重压下的综合效果，快速调节了设备状态及工艺参数变化带来的误差，在线协同控制效果显著，对大规格产品压下的在线协同控制具有普适性和参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁连铸技术领域，提供了一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，可用于大规格连铸坯压下工艺过程的在线协同控制和优化。此方法也可以推广应用到小方坯或板坯等连铸压下工艺过程中。
背景技术
中心偏析和疏松缩孔是典型的质量缺陷之一，是造成大规格铸坯合格率低的重要原因。在连铸工序实施轻压下和重压下是解决大规格产品中心偏析和疏松缩孔的重要技术手段之一。采用单一的轻压下或重压下工艺已经很难满足客户对大规格铸坯的质量要求。针对特定的连铸工况，简单的轻压下和重压下组合实施方式虽然能一定程度上改善铸坯的质量，但在生产现场面临着协同调控困难、在线实时调整不便、缺乏理论指导、适用性差等一系列问题。如何准确确定压下区间内各位置处的极限压下量、在线实时计算轻压下和重压下压下区间、实时计算与分配各压下辊的压下量、实时输出压下辊数量及辊号等是轻压下和重压下在线协同控制的关键问题。为了适应大规格、高品质钢产品的生产和研发，亟需找到一种科学高效、准确稳定、简单快速的连铸轻压下和重压下在线协同控制的方法，为大方坯连铸动态压下工艺模型的研发、压下工艺智能控制水平的提升奠定基础。
通过专利搜索引擎对连铸轻压下重压下技术的相关研究进行搜索，直接相关的专利技术主要如下：(1)专利“一种连铸坯组合压下方法”【CN201911101751.1】中，通过偏析最终形成的临界固相率m和疏松初始成形的临界固相率n划分出了轻压下和重压下的压下区间，在fs＜m的区域进行轻压下，在fs＞n的区域采用单辊重压下。虽然该专利给出了确切的轻压下和重压下压下区间，但并未提供各压下辊实际压下量分配的理论依据，也未考虑压下设备的压下能力，不利于连铸压下工艺模型在现场的调试，适用性受限。(2)专利“一种改善高碳钢大方坯连铸坯内部质量的方法”【CN201811578543.6】以液相点和固相点之间的距离计算的固相率确定压下区间，在压下区间根据固相率、总压下量和系数k确定各压下辊的压下量。但该专利并未提供系数k的来源及依据，无法评判各压下辊之间压下量的分配原则，无法实现轻压下重压下的在线协同调控。(3)专利“一种改善齿轮钢内部质量的压下工艺确定方法”【CN202110589729.7】中，通过热/力耦合模型计算铸坯表面与液芯在压下过程中的变形情况，获得压下效率η，在所述压下区间内计算该钢种所需液芯压下量以及表面压下量；当超过所述压下区间达到凝固区域内时，不再计算所述压下效率η，压下量由现场压下设备能力所限制。虽然该专利通过热/力耦合模拟计算了压下量，但并未关注连铸坯内部和表面裂纹产生的问题，没有从根源上解决铸坯可能产生裂纹缺陷的问题；此外，压下设备的压下能力直接通过现场情况给出，无法根据铸坯的实时热状态在线的定量考虑设备的压下能力，普适性受到了限制。(4)专利“一种大方坯连铸动态轻压下压下量在线控制方法”【CN200910187338.1】利用液芯压下量与压下效率对铸坯压下量进行计算，并对辊缝进行调节。然而该专利压下量的计算仅依据轻压下压下量补偿液芯凝固收缩才能消除中心偏析和疏松的基本原则，并未直接对连铸生产状态下的铸坯复杂的形变和受力状况进行模拟分析，没有考虑连铸坯内部和表面是否会产生裂纹，不利于轻压下工艺效果的可靠稳定发挥，也无法考虑重压下的情况。
针对现有技术存在的不足，本发明通过ABAQUS有限元模拟计算，综合考虑了不同热状态下连铸坯裂纹敏感性和设备压下能力的变化，直接、准确、科学的得到了既可以确保铸坯压下效果、又可以避免裂纹产生的极限压下量与压下位置的定量关系。基于实时等效中心固相率及各压下辊的极限压下量，提供了一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，实现了轻压下和重压下各压下辊实际压下量的实时在线计算和分配、压下辊数量及辊号的输出，为连铸动态压下工艺模型的研发及实际生产应用提供理论指导和基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，科学高效、准确稳定、简单快速的解决大规格连铸坯中心偏析和疏松等缺陷的控制方法。
本发明的主要内容为：
1)连铸坯三维凝固传热离线模型的建立及不同大类钢种的连铸坯的三维温度场计算
将生产的钢种进行分类，收集钢种的液/固相线温度、密度、比热、导热系数、凝固潜热等热物性参数。根据连铸机的结构参数及二冷水量分布情况，构建连铸坯三维凝固传热离线模型。根据离线模型，计算不同钢种大类的连铸坯的三维温度场。
2)热-力耦合下连铸坯三维压下模型的构建及铸坯不同热状态下压下过程的模拟
对压下过程中连铸坯的受力情况进行分析，采用ABAQUS有限元软件，构建连铸坯压下过程的几何模型。采用顺序耦合的方式进行连铸坯压下过程的数值模型，即先将步骤1)中计算出的连铸坯三维温度场导入几何模型进行传热计算，再将计算结果耦合到连铸坯三维压下模型中，最后再进行热-力耦合下连铸坯压下过程的模拟计算。
通过等效中心固相率fs来表示连铸坯的压下位置，连铸坯等效中心固相率fs＝(Tl-Tc)/(Tl-Ts)，其中Tl为液相线温度、Ts为固相线温度、Tc为连铸坯中心温度。值得注意的是，本发明中的等效中心固相率fs可以大于1，fs＞1说明连铸坯已经完全凝固。根据热-力耦合下连铸坯三维压下模型模拟连铸坯在不同压下位置处施加不同压下量y的压下过程，获得压下辊及连铸坯上的应力、应变分布。
3)铸坯不同热状态下考虑设备压下能力的最大压下量的确定
根据步骤2)中铸坯不同压下位置处压下辊上的应力分布，直接读取压下辊上的应力值和网格面积，计算出压下力。通过分析铸坯不同压下位置处施加不同压下量的结果，得到不同等效中心固相率下轻压下压下力与压下量的定量关系Fs(y,fs)及重压下压下力与压下量的定量关系Fh(y,fs)。根据Fs(y,fs)及Fh(y,fs)，指导设备的压下能力的设计。根据设计的轻压下和重压下压下设备的实际压下能力(即Fs＝A，Fh＝B)，确定轻压下设备在不同位置处的最大压下量ys’(fs)以及重压下设备在不同位置处的最大压下量yh’(fs)。
4)不同热状态下考虑铸坯裂纹敏感性的最大压下量的确定
根据步骤2)中得到的连铸坯的应力、应变分布，对各工况下铸坯裂纹敏感区域(整个铸坯横断面上最容易产生裂纹的区域，即fs＝0.9-1.0所对应的区域)的最大应变εmax(y,fs)进行读取，判断其与临界应变εcri的相对大小；通过一系列工况下最大应变与临界应变的相对大小，得到轻压下铸坯不产生内部裂纹的最大压下量与压下位置的定量关系ys(fs)。对于重压下工艺而言，根据一系列工况下连铸坯上的应力分布情况，通过应力与钢种抗拉强度的关系，计算出一系列工况下连铸坯的最大裂纹指数ψmax(y,fs)；根据裂纹指数的大小，得到重压下过程中铸坯不产生表面和角部裂纹的最大压下量与压下位置的定量关系yh(fs)。
5)综合考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的极限压下量的确定
根据步骤3)和4)，在综合考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的基础上，得到整个压下区域内不同压下位置处的极限压下量ymax(fs)：
式中fs,n和fs,m分别表示连铸机第n对压下辊及第m对压下辊位置处对应的连铸坯等效中心固相率，其中n为轻压下辊的总对数，m为压下辊的总对数。k1、k2、k3和k4为调节系数，初始值均为1，为适应生产现场，取值可在1附近小幅调整。调节系数k1、k2、k3和k4的作用如下：①在遵循不同热状态下铸坯极限压下量与压下位置变化规律的基础上，考虑了设备状态及工艺参数变化带来的误差，实现了简单快速的实时误差的调整修正，确保了压下效果更加可靠和稳定；②预留了调试的参数接口，可以适应复杂多变的生产现场，方便现场软件调试和生产应用；③对于同一个钢种大类，当生产的具体钢种发生变化时，现有钢种的结果在一定程度上可以作为新钢种调试的初始数据。
6)连铸坯三维凝固传热在线计算模型的建立及铸坯热状态的实时计算
以连铸坯三维凝固传热离线计算模型为基础，根据时间步长与拉速，将连铸坯由结晶器沿拉坯方向分成一个个小截片，截片在结晶器弯月面处不断更新注入结晶器，经过凝固冷却的截片不断从剪切点位置处离开。在截片进入结晶器到离开剪切点的过程中，模型采用阵列存储记忆方法，在线计算并记录连铸过程每个截片所经历的冷却边界条件和温度场变化，据此准确确定连铸坯热状态及凝固末端位置的实时变化。根据建立的连铸坯三维凝固传热在线计算模型，模拟计算连铸坯实时的三维温度场分布及连铸坯等效中心固相率。
7)轻压下和重压下区间相对位置及铸坯总压下量的实时计算
连铸过程中轻压下和重压下区间的相对位置变化对最终轻压下和重压下工艺的实施具有重要的影响。根据步骤6)建立的连铸坯三维凝固传热在线计算模型，实时计算轻压下区间(0.3≤fs≤1.0)的相对位置、重压下区间(1.0＜fs≤fs,m)的相对位置。
连铸坯的自然收缩会随着工况的变化而变化，导致铸坯目标厚度以及压下冶金效果的不稳定。为了确保铸坯目标厚度以及压下冶金效果的稳定，通过连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时计算连铸坯的自然收缩量b(t)。总压下量YToT由结晶器断面厚度a、连铸坯自然收缩量b(t)及铸坯目标厚度c的关系确定，即YTOT(t)＝a-b(t)-c；设置的初始轻压下总量YS＝2～4％a；设置的初始重压下总量YH(t)＝YToT(t)-YS。在实施轻压下和重压下在线协同控制时，受限于压下设备、压下区间及最终压下效果的限制，YToT(t)、YS和YH(t)需实时进行适当调整。当实际的轻压下总量YS,Pract小于设置的初始轻压下总量YS时，初始的重压下总量YH(t)＝YToT(t)-YS,Pract。
8)连铸轻压下和重压下的在线协同控制及执行结果的在线输出
在线协同控制主要包含：轻压下和重压下各辊实际压下量的实时计算与分配、轻压下和重压下压下辊数量及辊号的在线输出、警报系数h的实时计算与信息反馈。
轻压下重压下各辊实际压下量的实时计算与分配的内置逻辑及实施方案的关键在于：根据步骤7)，确定实施轻压下功能的最后一对压下辊，辊号记为i。结合步骤5)和6)，实时计算各压下辊的极限压下量，依次逐个向前分配轻压下各辊压下量，依次逐个向后分配重压下各辊压下量。值得注意的是，第一对实施轻压下的压下辊(辊号记为k)和最后一对实施重压下的压下辊(辊号记为p)的实时极限压下量yk和yp分别为：
式中fs,k和fs,p分别为第一对实施轻压下的压下辊和最后一对实施重压下的压下辊位置处对应的连铸坯等效中心固相率。将上述实时计算的轻压下和重压下各辊的实际压下量、压下辊数量及辊号进行在线输出。
根据在线输出的轻压下和重压下各辊实际压下量，对警报系数h进行实时计算，其中警报系数h＝Ypract/YTOT×100％，Ypract为根据在线输出结果计算得到的实际总压下量。若h＞95％，则报警等级为绿色，说明实际压下量基本达到了设定的总压下量，生产运行正常；若警报系数h≤95％，报警等级为红色，此时在线协同控制系统需要将信息反馈到连铸二冷控制系统，对连铸二冷工艺参数进行调整优化。在连铸二冷工艺参数调整之后，通过连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时计算铸坯实时的热状态及凝固点位置，然后重复步骤6)～8)，直至警报系数h＞95％，最后对轻压下和重压下各辊实际压下量、压下辊数量及辊号再次输出。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明综合考虑了不同热状态下连铸坯裂纹敏感性及压下设备的压下能力的变化，得到了准确科学的极限压下量与压下位置的定量关系，在确保显著的压下效果的同时，又可以避免铸坯裂纹的产生和压下设备的损坏。
2、本发明采用三维凝固传热在线计算模型，实时考虑了连铸过程中铸坯热状态的变化，结合极限压下量与压下位置的定量关系，实现了轻压下和重压下各压下辊实际压下量的实时计算与分配，轻压下和重压下各压下辊的实际压下量、压下辊数量及辊号的在线输出，警报系数h的实时计算与信息反馈。
3、本发明通过热-力耦合下连铸坯三维压下模型，准确科学的确定了轻压下和重压下过程中压下辊的压下力、压下位置、压下量的定量关系，可以为压下设备的设计提供依据和指导；结合三维凝固传热在线计算模型，根据压下辊位置处连铸坯的实时热状态，可以定量考虑轻压下和重压下压下设备的实时压下能力的变化。
4、本发明在遵循不同热状态下铸坯极限压下量变化规律的基础上，考虑了设备状态及工艺参数变化带来的误差，实现了简单快速的实时误差调节，确保了压下效果更加可靠和稳定；预留了调试的参数接口，可以适应复杂多变的生产现场，能够满足现场软件和生产试验的调试。
附图说明
图1为本发明构建的热-力耦合下连铸坯三维压下模型(a)及典型特征面(b)的示意图(断面尺寸：420×530mm；钢种：GCr15钢)。
图2为一系列典型轻压下压下辊的压下力与压下量的关系(a)，以及设计的轻压下辊实际压下能力下(250吨)最大压下量ys’(fs)与压下位置的关系(b)。
图3为一系列典型重压下压下辊的压下力与压下量的关系(a)，以及设计的重压下辊实际压下能力下(365吨)最大压下量yh’(fs)与压下位置的关系(b)。
图4为轻压下过程中连铸坯横断面上裂纹敏感区的示意图(a)(以压下位置处为fs＝0.5时为例)，以及模拟钢种的临界应变εcri的取值(b)。
图5为一系列典型轻压下工况下裂纹敏感区的最大应变εmax(y,fs)与压下量的关系(a)，以及轻压下铸坯不产生内部裂纹的理论最大压下量ys(fs)与压下位置的关系(b)。
图6为重压下连铸坯最大裂纹指数与压下量的关系(以压下位置处为fs＝1.0，压下量为5-30mm的工况为例)。
图7为考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的极限压下量ymax(fs)与压下位置的关系示意图，图7(a)为正常生产情况，图7(b)为凝固终点位置靠前的生产情况，图7(c)为凝固终点位置靠后的生产情况。
图8为大方坯连铸轻压下重压下在线协同控制方法的逻辑框架图。
图9为大方坯连铸轻压下重压下在线协同控制方法的实施方案图。
图10为本发明提出的大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法的初始计算结果(a)，以及经过连铸二冷工艺调整后在线协同控制方法的最终计算结果(b)。
具体实施方式
本发明提供了一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，下面将结合附图及实施例对本发明进行清楚、完整的描述。
具体来说，包含如下步骤：
1)根据连铸机的主要参数(断面尺寸、结晶器有效长度、二冷各区长度、喷嘴排列及型号、比水量分布等)、边界条件(初始边界条件、结晶器边界条件、喷淋水与铸坯表面之间的传热边界条件、辐射区和空冷段传热边界条件等)、钢种热物性参数(包括液/固相线温度、密度、比热、导热系数、凝固潜热等)等关键信息，构建不同钢种大类的大方坯连铸坯三维凝固传热离线模型，计算出整个连铸过程中铸坯的三维温度场信息。
2)将连铸坯三维温度场进行坐标转换后导入ABAQUS有限元软件建立的热-力耦合下连铸坯三维压下模型中，通过ABAQUS传热模型计算连铸坯的传热过程，之后再模拟整个压下过程中连铸坯及压下辊上应力应变的分布及变化。
具体包括：①采用凝固传热模型计算得到铸坯从结晶器出口到剪切位置域完整的温度场，选取合适长度的温度场信息(根据具体的工况确定，需要确保实施压下功能的压下辊位置处的温度与所模拟的具体工况的温度一致)，通过坐标转换，将三维温度场导入到ABAQUS传热模型内，对模型进行温度场赋值。②在热-力耦合下连铸坯三维压下模型中，为了简化计算，采用压下在铸坯表面的相对运动来模拟实际的连铸压下过程，即压下辊的运动状态为先压下、后运动。由于铸坯的应力应变分布与温度直接相关，为了确保最终能够得到铸坯准确的应力应变信息，需要在压下辊运动过程中考虑铸坯的温降，从而保证压下辊运动时其下方铸坯的中心固相率总是保持不变，即等同于实际生产中的压下辊的压下位置恒定的情况。通过ABAQUS软件中的传热模型对铸坯断面各个切片之间的温度进行差值自洽计算，确保整个铸坯都附上温度。③将ABAQUS传热模型的计算结果作为预定义场导入热-力耦合下连铸坯三维压下模型中，并进行应力应变模拟计算。通过设定分析步类型，确保压下辊压下结束后，即当压下辊开始运动时开始读取传热模型的计算结果，确保压下辊运动时间与传热计算时间保持一致。④采用热-力耦合下连铸坯三维压下模型模拟在不同压下位置处实施不同压下量的压下工况，获得不同工况下(即在不同的连铸坯中心固相率位置fs处施加不同的压下量y)压下辊以及连铸坯上的应力应变分布。
构建的热-力耦合下连铸坯三维压下模型及典型特征面的示意图如图1所示。模拟的断面尺寸为420mm×530mm，钢种为GCr15钢，拉速为0.5m/min。对一系列典型工况进行模拟(压下位置：fs＝0.3～2.5，压下量：轻压下1～10mm、重压下5～30mm)，分析每个工况下压下辊及连铸坯上的应力和应变分布。
3)通过对上述一系列典型工况进行模拟，分析每个工况下压下辊上的等效应力分布。通过对每个网格节点上等效应力的提取，结合压下辊与连铸坯的接触面积，计算每个工况下的压下力。在不同的压下位置处，轻压下压下辊的压下力与压下量的关系如图2(a)所示；重压下压下辊的压下力与压下量的关系如图3(a)所示。这部分的计算结果，可以为设备压下能力的设计提供参考和指导。在实际新建的某钢厂项目中，设计了轻压下压下辊的压下力为250吨，重压下压下辊的压下力为365吨。在这样的压下能力下，轻压下和重压下设备在不同压下位置处的最大压下量如图2(b)和3(b)所示，即ys’(fs)＝13.40517-9.02650×fs和yh’(fs)＝14.93977-3.22846×fs，符合一次函数的形式。因此，可以根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时定量考虑铸坯不同热状态下考虑设备压下能力的最大压下量ys’(fs)及yh’(fs)的变化，即ys’(fs)＝a1+b1×fs(0.3≤fs≤fs,n)、yh’(fs)＝a2+b2×fs(0.3≤fs≤fs,m)，式中a1、b1、a2、b2为回归系数，需要一系列典型工况下的模拟结果及设备实际设计的压下力Fs和Fh共同确定。
4)对于轻压下而言，任何一个压下位置处的工况条件下，其横断面上均会存在一个裂纹敏感区域，以压下位置为fs＝0.5的工况为例，其裂纹敏感区如图4(a)中的网格区域所示。当该区域内的最大应变εmax(y,fs)超过临界应变εcri时，连铸坯就会产生裂纹。不同钢种成分下铸坯的临界应变εcri如图4(b)所示。对于本模拟所采用的GCr15钢，其临界应变εcri取0.5％。将上述一系列典型工况下连铸坯裂纹敏感区域的最大应变提取出来，得到了一系列典型轻压下工况下裂纹敏感区的最大应变εmax(y,fs)与压下量的关系，如图5(a)所示。结合GCr15钢的临界应变εcri，得到了轻压下铸坯不产生内部裂纹的理论极限压下量ys(fs)与压下位置的关系，如图5(b)所示，即ys(fs)＝-0.33504+2.15470×fs+9.75575×fs 2，符合二次函数的形式。因此，可以根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时定量考虑轻压下连铸坯的裂纹敏感性的变化，即ys(fs)＝a3+b3×fs+c3×fs 2(0.3≤fs≤1)，式中a3、b3、c3为回归系数，需要一系列典型工况下的模拟结果来确定。
对于重压下工艺而言，目前的研究认为连铸坯不会产生内部裂纹，可能存在产生表面和角部裂纹的风险。因此，直接提取一系列工况条件下连铸坯表面和角部附近的最大应力及对应的温度，最大应力与该温度条件下钢种的抗拉强度的比值称为连铸坯的最大裂纹指数ψmax(y,fs)。图6表示在fs＝1.0位置处施加5～30mm压下量时铸坯的最大裂纹敏感指数。由图可知，在fs＝1.0位置处实施重压下，即使压下量为30mm也不会产生裂纹。对于更后面的位置而言，连铸坯表面的温度会进一步降低，其抵抗裂纹产生的风险会进一步增强。故对于模拟的钢种和工况而言，重压下不会产生裂纹，重压下辊的压下量主要由压下辊的压下能力所决定。即使重压下连铸坯不会产生裂纹，但仍然可以根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时定量考虑重压下连铸坯的裂纹敏感性的变化，即yh(fs)＝a4+b4×fs(0.3≤fs≤fs,m)，式中a4、b4为回归系数，需要一系列典型工况下的模拟结果来确定。
5)在生产实践现场，在使用极限压下量ymax(fs)时引入了一组系数k1、k2、k3和k4。正常情况下，系数k1、k2、k3和k4均为1，在生产实践时，为了适应现场的生产，系数k1、k2、k3和k4应该在1附近轻微波动。因此，断面尺寸为420mm×530mm，钢种为GCr15钢，拉速为0.5m/min的生产情况下，极限压下量ymax(fs)可以表示为：
6)在步骤3)-5)的基础上，图7给出了综合考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的极限压下量ymax(fs)与压下位置fs的关系示意图。压下辊总共m对，轻压下辊n对，重压下辊m-n对。图中region I区域为轻压下区间，region II区域为重压下区间。图7(a)为正常生产情况，此时凝固终点位于最后一个轻压下辊和第一个重压下辊之间，A点表示最后一个轻压下辊应该施加的实际压下量，B点则为第一个重压下辊应该施加的实际压下量；图7(b)为凝固终点位置靠前的生产情况，此时部分轻压下辊将实施重压下功能(轻压下设备存在损害风险)，最后一个轻压下辊实施重压下功能时的实际压下量可用C点表示；图7(c)为凝固终点位置靠后的生产情况，此时重压下辊实施轻压下功能(可能会导致重压下总量达不到预设值)，第一个重压下辊实施轻压下功能时的实际压下量可用D点表示。因此，有必要实时在线计算连铸坯的热状态，合理控制连铸坯的凝固终点位置，保证压下工艺顺利稳定的实施和铸坯质量的提升。在生产实践过程中，构建了连铸坯三维凝固传热在线计算模型，实时计算铸坯热状态、轻压下和重压下区间相对位置、铸坯总压下量、轻压下总量及重压下总量的变化。
7)在连铸坯三维凝固传热在线计算模型的基础上，图8和图9给出了大方坯连铸轻压下重压下在线协同控制方法的逻辑框架及实施方案。根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型计算的实时铸坯热状态，划分出实施轻压下和重压下的区间，从最后一个轻压下辊开始，依次逐个向前分配各辊的压下量，各辊实际压下量由步骤4)中确定的极限压下量ymax(fs)确定，第一个轻压下辊的压下量由轻压下总量减去第二个到最后一个轻压下辊的压下量之和，并据此确定轻压下压下辊的辊号和数量。在此基础上，在线输出轻压下各压下辊的实际压下量及分配、轻压下压下辊的辊号及数量。
若轻压下实际的压下总量未达到预先设定的压下总量，则将未达到部分转移到重压下部分，重压下的总量包含该部分与初始预设的重压下总量之和。对于重压下而言，最后一个轻压下辊之后的压下辊为第一个重压下辊，从第一个重压下辊开始，逐次向后分配各压下辊的压下量，并确定压下辊辊号和数量。最后一个重压下辊的压下量为重压下总量减去之前的重压下压下量之和。在此基础上，在线输出重压下各压下辊的实际压下量及分配、轻压下压下辊的辊号及数量。
根据轻压下和重压下各辊实际压下量得到实际的总压下量Ypract，设定的总压下量为YTOT，引入警报系数h＝Ypract/YTOT×100％，并对警报系数h进行实时计算。若警报系数h＞95％，则报警等级为绿色，说明实际压下量基本达到了设定的总压下量，生产运行正常；若警报系数h≤95％，报警等级为红色，此时在线协同控制系统需要将信息反馈到连铸二冷控制系统，对连铸二冷工艺参数进行调整优化，然后重复步骤5)，直至警报系数h＞95％，对轻压下和重压下各辊实际压下量及分配、压下辊数量及辊号再次进行在线输出。
实施例
断面尺寸420mm×530mm，工作拉速0.5m/min，钢种GCr15钢；10对压下辊(即m＝10)，辊间距为1.45m，其中1#-7#号压下辊为轻压下辊(即n＝7)，压下能力为250吨(即Fs＝250t)，8#-10#号压下辊为重压下辊，压下能力为365吨(即Fh＝365t)；轻压下的区间为fs＝0.3～1.0。
图10表示本发明提出的大方坯连铸轻压下重压下在线协同控制方法的初始计算结果(a)，以及经过连铸二冷工艺参数调整后在线协同控制方法的最终执行结果(b)。初始状态下，预设的压下量为YTOT(t)＝a-b(t)-c＝420-4.2-380＝35.8mm、YS＝3.5％a＝3.5％×420＝14.7mm、YH(t)＝YToT(t)-YS＝35.8-14.7＝21.1mm。5#-9#号辊实施5辊轻压下，实际轻压下量分别为0.33mm、2.18mm、2.56mm、4.60mm、5.04mm；10#号辊实施单辊重压下，实际重压下量为8.72mm。警报系数h＝(0.33+2.18+2.56+4.60+5.04+8.72)/35.8×100％＝65.4％＜95％，总压下量未达到预定目标，原因为连铸坯的凝固点太靠后，轻压下辊使用不充分。需调整连铸二冷工艺参数(如二冷水量分配、拉速等)，并重新在线计算铸坯热状态及各压下辊的实际压下量。
经过调整连铸二冷工艺参数，连铸坯凝固终点位于7#～8#号辊之间。在该生产条件下，预设的压下量为YTOT(t)＝a-b(t)-c＝420-3.7-380＝36.3mm、YS＝3.5％a＝3.5％×420＝14.7mm、YH(t)＝YToT(t)-YS＝36.3-14.7＝21.6mm。实时在线计算了各压下辊的实际压下量及其总压下量的分布情况，即3#-7#号辊实施5辊轻压下，实际轻压下量分别为0.39mm、1.82mm、2.76mm、4.86mm和4.87mm；8#-10#号辊实施3辊重压下，实际重压下量分别为8.66mm、7.02mm和5.75mm。警报系数h＝(0.39+1.82+2.76+4.86+4.87+8.66+7.02+5.75)/36.3×100％＝99.5％＞95％，总压下量达到预定目标，在线输出执行结果。
需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制技术方案，已揭示了本发明的技术内容及特征，本领域普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)连铸坯三维凝固传热离线模型的建立及不同大类钢种的连铸坯的三维温度场计算
将生产的钢种进行分类，收集钢种的液/固相线温度、密度、比热、导热系数、凝固潜热等热物性参数。根据连铸机的主要参数和边界条件等关键信息，构建连铸坯三维凝固传热离线模型。根据离线模型，计算不同钢种大类的连铸坯的三维温度场。
2)热-力耦合下连铸坯三维压下模型的构建及铸坯不同热状态下压下过程的模拟
采用ABAQUS有限元软件构建连铸坯压下过程的几何模型。采用顺序耦合的方式进行连铸坯压下过程的数值模型，即先将步骤1)中凝固传热模型计算的三维温度场作为初始条件导入模型中，然后通过ABAQUS传热模型对温度场进行模拟计算，再将计算结果耦合到连铸坯三维压下模型中，最后再进行热-力耦合下连铸坯压下过程的模拟计算。
通过等效中心固相率fs来表示连铸坯的压下位置，fs＝(Tl-Tc)/(Tl-Ts)，其中Tl为液相线温度、Ts为固相线温度、Tc为连铸坯中心温度。等效中心固相率fs可以大于1，fs＞1说明连铸坯已经完全凝固。根据热-力耦合下连铸坯三维压下模型模拟连铸坯在不同压下位置处施加不同压下量y的压下过程，获得压下辊及连铸坯上的应力、应变分布。
3)铸坯不同热状态下考虑设备压下能力的最大压下量的确定
根据步骤2)中铸坯不同压下位置处压下辊上的应力分布，直接读取压下辊上的应力值和网格面积来计算压下力。通过分析铸坯不同热状态下施加不同压下量的结果，得到不同固相率下轻压下和重压下压下力与压下量的定量关系Fs(y,fs)及Fh(y,fs)，根据该定量关系指导设备压下能力的设计。根据设计的实际压下能力，确定轻压下和重压下设备在不同位置处的最大压下量ys’(fs)及yh’(fs)。
4)不同热状态下考虑铸坯裂纹敏感性的最大压下量的确定
根据步骤2)中得到的连铸坯的应力、应变分布，对各工况下铸坯裂纹敏感区域的最大应变εmax(y,fs)进行读取，判断其与临界应变εcri的相对大小；通过一系列工况下最大应变与临界应变的相对大小，得到轻压下铸坯不产生内部裂纹的最大压下量与压下位置的定量关系ys(fs)。重压下工艺则根据一系列工况下连铸坯上的应力分布情况，通过应力与钢种抗拉强度的关系，计算出一系列工况下连铸坯的最大裂纹指数ψmax(y,fs)；根据裂纹指数的大小，得到重压下过程中铸坯不产生表面和角部裂纹的最大压下量与压下位置的定量关系yh(fs)。
5)综合考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的极限压下量的确定
根据步骤3)和4)，在综合考虑铸坯裂纹敏感性和压下设备压下能力的基础上，得到整个压下区域内不同压下位置处的理论极限压下量ymax(fs)：
式中fs,n和fs,m分别表示连铸机第n对压下辊及第m对压下辊位置处对应的连铸坯等效中心固相率，其中n为轻压下辊的总对数，m为压下辊的总对数。
6)连铸坯三维凝固传热在线计算模型的建立及铸坯热状态的实时计算
以连铸坯三维凝固传热离线计算模型为基础，根据时间步长与拉速，将连铸坯由结晶器沿拉坯方向分成一个个小截片，截片在结晶器弯月面处不断更新注入结晶器，经过凝固冷却的截片不断从剪切点位置处离开。在截片进入结晶器到离开剪切点的过程中，模型采用阵列存储记忆方法，在线计算并记录连铸过程每个截片所经历的冷却边界条件和温度场变化，据此准确确定连铸坯热状态及凝固末端位置的实时变化。根据建立的连铸坯三维凝固传热在线计算模型，模拟计算连铸坯实时的三维温度场分布及连铸坯等效中心固相率。
7)轻压下和重压下区间相对位置及铸坯总压下量的实时计算
连铸过程中轻压下和重压下区间的相对位置变化对最终轻压下和重压下工艺的实施具有重要的影响。根据步骤6)建立的连铸坯三维凝固传热在线计算模型，实时计算轻压下区间(0.3≤fs≤1.0)的相对位置、重压下区间(1.0＜fs≤fs,m)的相对位置。
连铸坯的自然收缩会随着工况的变化而变化，导致铸坯目标厚度以及压下冶金效果的不稳定。为了确保铸坯目标厚度以及压下冶金效果的稳定，通过连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时计算连铸坯的自然收缩量b(t)。总压下量YToT由结晶器断面厚度a、连铸坯自然收缩量b(t)及铸坯目标厚度c的关系确定，即YTOT(t)＝a-b(t)-c；设置的初始轻压下总量YS＝2～4％a；设置的初始重压下总量YH(t)＝YToT(t)-YS。在实施轻压下和重压下在线协同控制时，受限于压下设备、压下区间及最终压下效果的限制，YToT(t)、YS和YH(t)需实时进行适当调整。当实际的轻压下总量YS,Pract小于设置的初始轻压下总量YS时，初始的重压下总量YH(t)＝YToT(t)-YS,Pract。
8)连铸轻压下和重压下的在线协同控制及执行结果的在线输出
在线协同控制主要包含：轻压下和重压下各辊实际压下量的实时计算与分配、轻压下和重压下压下辊数量及辊号的在线输出、警报系数h的实时计算与信息反馈。
轻压下重压下各辊实际压下量的实时计算与分配的内置逻辑及实施方案的关键在于：根据步骤7)，确定实施轻压下功能的最后一对压下辊，辊号记为i。结合步骤5)和6)，实时计算各压下辊的极限压下量，依次逐个向前分配轻压下各辊压下量，依次逐个向后分配重压下各辊压下量。值得注意的是，第一对实施轻压下的压下辊(辊号记为k)和最后一对实施重压下的压下辊(辊号记为p)的实时极限压下量yk和yp分别为：
式中fs,k和fs,p分别为第一对实施轻压下的压下辊和最后一对实施重压下的压下辊位置处对应的连铸坯等效中心固相率。将上述实时计算的轻压下和重压下各辊的实际压下量、压下辊数量及辊号进行在线输出。
根据在线输出的轻压下和重压下各辊实际压下量，对警报系数h进行实时计算，其中警报系数h＝Ypract/YTOT×100％，Ypract为根据在线输出结果计算得到的实际总压下量。若h＞95％，则报警等级为绿色，说明实际压下量基本达到了设定的总压下量，生产运行正常；若警报系数h≤95％，报警等级为红色，此时在线协同控制系统需要将信息反馈到连铸二冷控制系统，对连铸二冷工艺参数进行调整优化。在连铸二冷工艺参数调整之后，通过连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时计算铸坯实时的热状态及凝固点位置，然后重复步骤6)～8)，直至警报系数h＞95％，最后对轻压下和重压下各辊实际压下量、压下辊数量及辊号再次输出。
2.根据权利要求1所述一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于步骤3)中所述铸坯不同热状态下考虑设备压下能力的最大压下量ys’(fs)及yh’(fs)为一次线性函数的形式，可以根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时定量考虑轻压下和重压下压下设备的压下能力的变化。即：
y's(fs)＝a1+b1×fs 0.3≤fs≤fs,n (4)
y'h(fs)＝a2+b2×fs 0.3≤fs≤fs,m (5)
式中a1、b1、a2、b2为回归系数，需要一系列典型工况下的模拟结果及设备实际设计的压下力Fs和Fh共同确定。当Fs＝250t、Fh＝365t时，420mm×530mm断面，GCr15钢，拉速为0.5m/min的工况下，a1＝13.40517、b1＝-9.02650、a2＝14.93977、b2＝-3.22846。
3.根据权利要求1所述一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于步骤4)中所述考虑不同热状态下连铸坯裂纹敏感性的最大压下量ys(fs)为二次函数的形式，yh(fs)为一次函数的形式，可以根据连铸坯三维凝固传热在线计算模型实时定量考虑轻压下和重压下连铸坯的裂纹敏感性的变化。即：
ys(fs)＝a3+b3×fs+c3×fs 2 0.3≤fs≤1 (6)
yh(fs)＝a4+b4×fs 0.3≤fs≤fs,m (7)
式中a3、b3、c3、a4、b4为回归系数，需要一系列典型工况下的模拟结果来确定。420mm×530mm断面，GCr15钢，拉速为0.5m/min的工况下，a3＝-0.33504、b3＝2.15470、c3＝9.75575。
4.根据权利要求1所述一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于步骤5)中所述的极限压下量ymax(fs)综合考虑了不同热状态下连铸坯裂纹敏感性及压下设备的压下能力的变化，在确保显著的压下效果的同时，又可以避免铸坯裂纹的产生和压下设备的损坏。通过εmax(y,fs)≤εcri(轻压下)及ψmax(y,fs)≤1(重压下)的标准来确定考虑铸坯裂纹敏感性的最大压下量ys(fs)和yh(fs)；通过压下力与压下量的定量关系Fs(y,fs)＝A(轻压下)及Fh(y,fs)＝B(重压下)来确定考虑设备压下能力的最大压下量ys’(fs)和yh’(fs)；通过取ys(fs)、yh(fs)、ys’(fs)和yh’(fs)中的最小值来确定极限压下量ymax(fs)。
5.根据权利要求1所述一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于步骤5)中所述的极限压下量ymax(fs)在生产实践现场使用时，需要引入了一组调节系数k1、k2、k3和k4。在遵循铸坯极限压下量与压下位置变化规律的基础上，考虑了设备状态及工艺参数变化带来的误差，实现了简单快速的实时误差调节，确保了压下效果更加可靠和稳定；预留了调试的参数接口，可以适应复杂多变的生产现场，能够满足现场软件和生产试验的调试；当同一个钢种大类中生产的具体钢种变化时，当前结果可以作为新钢种调试的初始数据。即：
正常情况下，系数k1、k2、k3和k4均为1，在生产实践时，为了适应实际的生产应用，系数k1、k2、k3和k4应该在1附近轻微波动。
6.根据权利要求1所述一种大方坯连铸轻压下和重压下在线协同控制方法，其特征在于：采用连铸坯三维凝固传热在线计算模型，实时考虑连铸过程中铸坯热状态的变化，结合极限压下量与压下位置的定量关系，能够实现轻压下和重压下各压下辊实际压下量的实时计算与分配，轻压下和重压下各压下辊的实际压下量、压下辊数量及辊号的在线输出，警报系数h的实时计算与信息反馈。
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