CN101698224B - 连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌器的动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属铸造领域，特别是对连铸生产过程中对连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌器的动态控制方法。本发明的主要发明点在于：建立了电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的计算模型，使得在连铸生产过程中，工艺参数变化时，可以通过调整二冷冷却水量来动态控制电磁搅拌参数，从而获得更高质量的连铸坯。

Description

连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌器的动态控制方法

技术领域

本发明涉及金属铸造领域，特别是对连铸生产过程中对连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，使得连铸二冷与电磁搅拌组合控制的效果更为理想，得到较好内部质量的铸坯和凝固组织。

背景技术

为了改进连铸坯的内部质量及改进铸坯的凝固组织结构，如减轻铸坯的中心偏析，增加铸坯的等轴晶比率等。因此在连铸生产过程中，在连铸机的不同部位设有电磁搅拌装置(电磁搅拌器)，较为典型的有结晶器电磁搅拌装置(MEMS)，二冷电磁搅拌装置(SEMS)，凝固末端电磁搅拌(FEMS)，有时是两种或两种以上电磁搅拌装置同时存在，配合使用，这样其搅拌效果更为明显。电磁搅拌是通过对搅拌器线圈设定不同的电流及电流频率，从而使未流动的钢水产生流动，加速钢水的凝固传热，打碎已经形成的柱状晶的“前端”，在未凝固液态钢液中形成大量的固体质点，容易形成非均质形核，增加铸坯凝固组织中的等轴晶比率，减少微观及宏观偏析。

目前对连铸坯实施的电磁搅拌，其工艺为搅拌器线圈的电流、频率固定，尽管连铸生产浇注过程其工艺参数会发生变化，如拉速、钢水过热度、二冷水量的变化，但搅拌器线圈的电流及频率不变化，仍然采用固定的搅拌参数对铸坯实施电磁搅拌，这就会影响到铸坯的搅拌效果。几乎所有的应用电磁搅拌的厂家，国内大设计院(中冶连铸工程技术有限公司、中冶京城工程技术有限公司，中冶赛迪工程技术股份有限公司、西安重型机械研究所等)或国外公司(奥钢联、西玛克，达涅利等)所设计的连铸机其电磁搅拌方式如上所述，都不根据工艺参数的变化而改变电磁搅拌参数，同时不对电磁搅拌器位置处的凝固坯壳厚度及未凝固液相体积分数进行控制，存在着搅拌效果不稳定，铸坯质量时好时坏的缺陷。其原因是由于工艺参数的变化，造成在搅拌器位置(连铸机已设置的搅拌器位置固定)铸坯的凝固坯壳厚度及未凝固液相的体积已经变化，因此电磁搅拌器的搅拌参数也应该相应的予以调节；此外即使生产过程中连铸的工艺参数(拉速、钢水过热度、二冷水量等)变化不大，也应尽量保证电磁搅拌器位置处的凝固坯壳厚度及未凝固液相比率不变或变化很少，这样采用固定的电磁搅拌参数(搅拌线圈电流、频率)才能使铸坯获得较好的搅拌效果，搅拌效果也较为稳定，满足各钢 种偏析要求，凝固组织获得满意的等轴晶比率。

发明内容

本发明的目的，在于通过对连铸生产过程中工艺参数的采集，在工艺参数变化时，通过连调整二冷冷却水量和电磁搅拌器的参数，使得连铸二冷与电磁搅拌组合控制的效果更为理想，得到较好内部质量的铸坯和凝固组织。

本发明所述方法如下：

(1)采集连铸生产过程中工艺参数，采集的参数包括：拉速，二冷区冷却水量，结晶器冷却水量，进出口水温差，钢种，钢水过热度；

(2)实时监测并计算电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率；

(3)工艺参数变化时，调整二冷冷却水量，使得电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率逼近该位置处的设定值；

(4)当调整二冷区水量使电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，电磁搅拌器的电流和频率无需调整；

(5)当调整二冷区水量不能使电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，根据实时计算出的搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率，确定电磁搅拌器采用的电流和频率。

上述技术方案中，步骤(1)实时计算电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的方法如下：

(21)建立计算铸坯内部每点的固相率的模型： $f_s(i,j)=\frac{T_l-T(i,j)}{T_l-T_s},$ 其中T(i，j)：为铸坯内部某网格点的温度，单位℃；Tl：为液相线温度，℃；Ts：为固相线温度，℃

(22)确定铸坯所有固相率＞0.7的凝固节点；

(23)根据凝固节点计算凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率。

上述步骤中，在计算铸坯内部每点的固相率时还采用了坯龄跟踪模型，即：连铸坯上每隔一定长度就设置一个切片并跟踪，每个切片记录了生成时间、经历时间和距弯月面距离等信息。拉速稳定时，每一个切片的生成时间都相同，在任何位置的距弯月面距离除以经历时间为恒定值；拉速变化时，切片的生成时间发生变化，即在拉速变化时，每个切片的温度计算下移速度是不同的。因此，所述坯龄跟踪模型反应了拉速的变化。即在铸坯内部每点的固相率的模型计算中，考虑了铸坯内部某网格点的温度T(i，j)中的拉速因素，使结果精确反映工艺参数变化时电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的实际值。

上述步骤(3)、(4)、(5)中，所述电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的设定值是通过大量的现场实验确定。

上述技术方案中，步骤(5)电磁搅拌器采用的电流和频率的调整是通过大量的现场实验而确立。

上述技术方案调整二冷区的冷却水量是通过现场的PLC来控制二冷区水阀开度来实现的。

本方法通过对二冷冷却水量的控制，在连铸过程中，能够实时根据工艺参数变化来对电磁搅拌器处的凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率进行控制，或者适时的改变电磁搅拌器的参数，使得连铸二冷与电磁搅拌组合控制的效果更为理想，得到较好内部质量的铸坯和凝固组织。

附图说明

图1为连铸机铸坯凝固过程及电磁搅拌器的示意图。

图2所示为凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的计算模型。

具体实施方式

本发明连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌具体包括如下实施方法：

(1)工艺参数的采集，采集的参数包括：拉速，二冷区冷却水量，结晶器冷却水量，进出口水温差，钢种，钢水过热度。工艺参数通过PLC采集，采集后传给2级计算机进行计算和处理并显示监测。

(2)实时监测并计算电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率。具体是用凝固传热基本解法：

根据铸坯传热特点建立连铸坯的凝固传热方程如下：

$\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)---\left(1\right)$

其中：

λ：导热系数，J/(m℃)；

C：比热，J/(kg℃)

J·kg^-1·℃^-1；

在固液两相区内有下式成立

$C_{\mathrm{sl}}=\frac{(C_s+C_l)}{2}+\frac{L_f}{T_l-T_s}---\left(2\right)$

Lf：结晶潜热，J/kg；

T1，Ts：分别为固液相线温度，℃；

给出相应的初始条件及边界条件，如下：

1)初始温度：T＝T_c(浇注温度)。

2)铸坯中心：铸坯中心线两边为对称传热 $\frac{\∂T}{\∂x}=0---\left(3\right)$

3)铸坯表面：

结晶器： $q=A-B\sqrt{\mathrm{\τ}},---\left(4\right)$

二冷区：q＝h(T_S-T_W)                                (5)

辐射区： $q=\mathrm{\ϵ\σ}(T_S^4-T_O^4)---\left(6\right)$

式中：q——热流密度，kW·m^-2；

h——传热系数，kW·m^-2·℃^-1；

T_S，T_W，T_O——铸坯表面、冷却水和环境温度，℃；

σ——波兹曼常数，5.67×10^-8kW·m^-2·℃^-4；

ε——辐射系数(黑度)，本模型取0.8。

根据铸坯的求解区域划分出计算网格，按照网格节点将上述方程(1)到(6)进行离散化，可以求出铸坯内部的温度场，然后通过下式可以计算出铸坯内部每点的固相率，

$f_s(i,j)=\frac{T_l-T(i,j)}{T_l-T_s}---\left(7\right)$

其中，T(i，j)：为铸坯内部某网格点的温度，单位℃。Ts，Tl：分别为固液相线温度，℃；

然后确定铸坯所有固相率＞0.7的凝固节点；再根据凝固节点计算凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率。如图2所示，计算出铸坯内部每点的固相率后，比如在厚度或宽度方向上有14个节点，其中厚度方向上4个节点(I，j，k，l)的固相率都大于0.7，则凝固壳厚度为S(S＝j与i间距离+i与k间的距离+k与l间的距离)，未凝固部分的比率为(L-S)/L，也可按照面积比率，则有未凝固部分的面积/总面积，如果是方坯的话，对称的话，即有：(L-S)²/L²。

上述铸坯内部每点的固相率的计算如果要获得更精确的数值，还必须考虑拉速变化对该模型的影响。因为在计算过程中，方程(1) $\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂t}\right)$ 受拉速变化的影响很大，进而影响到T(i，j)即铸坯内部某网格点的温度和铸坯内部每点的固相率模型的计算，因此必须考虑T(i，j)中的拉速因素。因此还采 用了坯龄跟踪模型，即连铸坯上每隔一定长度(如100mm)就按一个切片被跟踪，每个切片记录了生成时间、经历时间和距弯月面距离等信息。拉速稳定时，每一个切片的生成时间都相同，在任何位置的距弯月面距离除以经历时间为恒定值。拉速变化时，切片的生成时间发生变化，每个切片的温度计算时，下移速度是不同的。因而采用该坯龄跟踪模型计算结果能精确反映工艺参数变化时的实际情况。

(3)根据步骤(1)采集的工艺参数当其变化时，通过现场的PLC来控制二冷区水阀开度来实现的。调整二冷冷却水量，使得电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率逼近该位置处的设定值；当调整二冷区水量使电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，二冷区的冷却水量即为合理的冷却水量，停止调整，此时电磁搅拌器采用固定的电流、频率进行搅拌无需调整；当调整二冷区水量不能使得搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，根据实时计算出的搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率，调整电磁搅拌器采用的电流和频率。

上述步骤中电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的设定值，以及工艺参数变化过大时，电磁搅拌器采用的电流和频率的确定是通过大量的现场实验而确立的。而上述的实验方法是公知技术。下表所示的是国内某厂200×200mm的方坯连铸机末端电磁搅拌的位置在距弯月面7.5m，通过大量实验所得出的，工艺参数变化过大时，电磁搅拌器采用的电流和频率。

序号	未凝固液相比率％	电磁搅拌参数(电流A、频率Hz)
			1	80	200，3
2	70	200，5
			3	60	250，6
4	50	300，8
			5	40	350，10
6	30	400，12
			7	20	450，15
8	10	500，15
			9	0	0，0

如图1现有技术的连铸机生产过程，其中，1为液相线温度以上钢水，2为液相线与固相线温度之间的两相区，3为固相线温度以下的固相区，4为托辊，5为 电磁搅拌器，6为拉矫辊，7为二冷水喷嘴，8为结晶器，9为二冷区。

当钢水进入到图2结晶器8后，通过图1结晶器和二次冷却区9的冷却水量将钢水的热量带走，钢水的温度降低，液态钢水变成固态钢，当工艺参数稳定时，包括钢种、钢的成分、拉速、钢水过热度，结晶器水量，二冷水量等参数，上述参数均可以被测得并监测，电磁搅拌器5位置处凝固坯壳厚度及液相的比率一定，此时通过给搅拌器5施加一固定的电流及频率，便可对搅拌器内未凝固的钢水进行电磁搅拌。当工艺参数变化时，如拉速变化，电磁搅拌器位置的铸坯坯壳厚度及未凝固液相比率会发生变化，因此需要调整二冷水喷嘴7的水量即二次冷却区9的冷却水量，并实时监测，使得电磁搅拌器5位置处凝固坯壳厚度及液相的比率接近该处的设定值，如上所述该设定值是根据事先的大量实验来确定，当等于该设定值时，电磁搅拌器5的参数无需调整。

当工艺参数变化很大时，如拉速变化较大，调整连铸二冷冷却水量已经不能使得已安装电磁搅拌器5位置处的凝固坯壳厚度及液相比率与设定值相等，根据模型计算出的凝固坯壳厚度和未凝固液相的比率，再确定搅拌器参数的调整。从而保证铸坯和凝固组织的内部质量。

本方法可以实现连铸生产过程中连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，使得连铸二冷与电磁搅拌组合控制的效果更为理想，再经托辊4及拉矫辊6，完成连铸生产过程，得到较好内部质量的铸坯和凝固组织。

计算实例：

1、国内某厂的圆坯电磁搅拌控制。

计算参数

钢种

液相线温  度

固相线温  度

浇注温度

浇注直  径

结晶器水流  量

结晶器进出水  温差

45

1494℃

1410℃

1515℃

Φ270  mm

2500L/min

5.1℃

计算结果

2、国内某厂的方坯电磁搅拌控制。

计算参数

钢种

液相线温  度

固相线温  度

浇注温度

浇注断  面

结晶器水流  量

结晶器进出水  温差

82B

1478℃

1378℃

1505℃

150×  150mm2

2000l/min

7.2℃

计算结果

虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，就可使本发明有许多变形和变化，本发明的范围由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.连铸坯二冷冷却水量与电磁搅拌器的动态控制方法，其特征在于所述方法如下：

(1)采集连铸生产过程中工艺参数；

(2)实时监测并计算电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率；

(3)工艺参数变化时，调整二冷冷却水量，使得电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率逼近该位置处的设定值；

(4)当调整二冷区水量使电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，电磁搅拌器的电流和频率无需调整；

(5)当调整二冷区水量不能使得搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率与该位置处的设定值相等时，根据实时计算出的搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率，调整电磁搅拌器的电流和频率。

2.根据权利要求1所述的连铸坯二冷区冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，实时计算电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率的方法如下：

(2.1)建立计算铸坯内部每点的固相率的模型：

其中T(i，j)：为铸坯内部某网格点的温度，单位℃；T1：为液相线温度，℃；Ts：为固相线温度，℃

(2.2)确定铸坯所有固相率＞0.7的凝固节点；

(2.3)根据凝固节点计算凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率。

3.根据权利要求2所述的连铸坯二冷区冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，其特征在于：所述计算铸坯内部每点的固相率的模型，还采用了坯龄跟踪模型，使计算结果精确反映当工艺参数变化时，电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相比率的实际值；所述坯龄跟踪模型是：在连铸坯上每隔一定长度设置一个切片并跟踪，每个切片记录其生成时间、经历时间和距弯月面距离。

4.根据权利要求1所述的连铸坯二冷区冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，其特征在于：所述步骤(3)、(4)、(5)中，所述电磁搅拌器位置处凝固坯壳厚度及未凝固液相的比率设定值是通过现场实验确定。

5.根据权利要求1所述的连铸坯二冷区冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，电磁搅拌器采用的电流和频率的调整是通过现场实验确定。

6.根据权利要求1所述的连铸坯二冷区冷却水量与电磁搅拌的动态控制方法，其特征在于：所述调整二冷区的冷却水量是通过现场的PLC来控制二冷区水阀开度来实现的。

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