CN105598402B - 一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法 - Google Patents

Abstract

一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法，属于钢铁冶金连铸生产领域，钢连铸结晶器喂包芯线由外壳和内芯组成，采用钢连铸结晶器喂包芯线进行喂线过程的动态控制方法步骤包括：(1)建立结晶器最佳喂线速度的数据库；(2)从数据库中调取喂线机的最佳喂线速度；(3)获得速度偏差值；(4)判断速度偏差δ是否为零；(5)喂线速度的动态控制；连铸生产过程中，钢液过热度和铸机拉坯速度受到生产节奏的影响，工艺参数时刻变化，本方法能够根据连铸工艺参数实时动态调整喂线速度，促进钢液达到较大的过冷度，从而增加液相穴晶粒形核，细化晶粒尺寸，改善两相区的补缩行为，达到降低铸坯中心偏析和疏松，稳定铸坯内部质量的目的。

Description

一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金连铸生产领域，特别涉及一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法。

背景技术

在钢连铸生产过程中，高温的钢液在结晶器铜板和二冷区喷水作用下不断冷却，铸坯表面以柱状晶的方式生长形成一定厚度的坯壳，液相穴的温度不断降低，钢液过冷形核，并以等轴枝晶的方式生长。在枝晶的生长过程中，由于溶质元素在固相和液相中溶解度的差异和扩散行为，溶质元素(碳、磷、硫等)不断从固相中排出而富集于枝晶间的液相，从而形成微观偏析。在热浮力、凝固收缩、铸坯鼓肚变形等外力作用下，枝晶间溶质富集的钢液与贫瘠枝晶产生相对移动，促进溶质元素的长距离迁移。由于铸坯液相穴内过冷度较小，激发形成的晶粒数量有限，在凝固过程中等轴枝晶生长粗大，严重影响凝固后期的钢液的补缩，从而在铸坯中心形成偏析和缩孔。高碳钢、合金钢溶质元素含量较高，枝晶凝固过程中排出的溶质元素较多，富集的溶质元素随液相流动而长距离传输，因此铸坯偏析和缩孔表现严重。铸坯在凝固过程中形成的偏析和缩孔在后期的热处理和轧制过程中无法消除，严重影响钢材的机械性能和产品质量的稳定性。

为提高连铸坯的内部质量，需要抑制铸坯柱状晶发展，细化等轴晶晶粒尺寸，促进铸坯凝固后期两相区的流动补缩，减轻中心缩孔和偏析的产生，以获得内部质量良好的铸坯。目前主要有以下几种技术：1.低过热度浇注技术：中间包采用感应加热或等离子加热等方法实现钢液的低温浇注，以达到增加连铸坯等轴晶率的目的。但这种方法存在电能耗费较大、能量利用较低等缺点，造成钢材生产成本较高；2.结晶器电磁搅拌技术：通过交变电流产生的电磁力强迫铸坯两相区钢液的流动，有效的促进钢液过热的散失和等轴晶区的扩大，已经普遍应用到连铸生产过程中。然而在结晶器中，钢液温度较高，通过电磁搅拌技术达到的过冷程度较小，晶粒形核数量有限，在后期的凝固过程中，等轴晶生长粗大，从而铸坯中心偏析和缩孔的改善受到限制。3.振动激发形核技术：将冷却装置从结晶器顶部浸入钢液中，通过产生高振频低振幅的震荡，促进钢液过冷形核，晶核在振动的作用脱离冷却装置，从而增大铸坯等轴晶率。然而在冷却装置附近钢渣液面裸露而造成二次氧化，且连铸生产过程结晶器液面不稳定容易造成卷渣，目前，这种技术在现场生产应用较少。4.结晶器喂钢带技术：冷的钢带从结晶器喂入，通过自身的熔化降低钢液过热度，以促进晶粒的形核和生长。但钢带喂入时，结晶器液面波动较大，在结晶器中容易发生漂移而熔化速度无法控制。倘若熔断的钢带在铸坯凝固后仍然没有融化，则会造成铸坯钢质的不连续性，反而恶化铸坯的内部质量。

因此，为提高连铸坯内部质量，提出一种连铸结晶器喂线的方法及喂线过程的动态控制，以达到减轻和稳定铸坯中心偏析和疏松的目的。

发明内容

为解决铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷，本发明提供一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法。采用连铸结晶器喂线的方法，通过包芯线自身的熔化降低钢水过热度，促进液相穴钢液达到较大过冷度而大量形核，增加铸坯等轴晶率，细化晶粒尺寸，从而降低铸坯中心偏析和疏松。结晶器喂线速度是根据连铸工艺参数(钢种成分、拉速、过热度)，实时动态调整包芯线的喂入速度，达到稳定高碳钢、合金钢连铸坯内部质量的目的。

一种钢连铸结晶器喂包芯线，组成成分及尺寸如下：

包芯线的外壳：

采用碳钢钢带，碳钢的液相线与浇注钢的液相线相差-15～+5℃，厚度为0.1～0.5mm；

其中，浇注钢为合金钢或高碳钢；

包芯线的芯部：

采用铝线，直径为5～10mm；

其中，铝线材质为铝基合金或工业纯铝；当浇注钢中允许含有促进形核的溶质元素，铝线材质采用铝基合金，铝基合金中，除铝外的合金元素为钛、铌、钒、钼、钨、钽中的一种或几种，合金元素的质量百分含量为0.01～0.5％；当浇注钢中不允许含有促进形核的溶质元素，铝线材质采用工业纯铝。

所述的钢连铸结晶器喂包芯线，其外壳通过卷线机将芯部进行包裹密封，且钢带交界处采用搭接的方式进行密封。

一种钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法，采用钢连铸结晶器喂包芯线，包括以下步骤：

步骤1，建立结晶器最佳喂线速度的数据库：

步骤1.1，根据浇注钢液的密度、黏度、热导率、热焓和连铸结晶器尺寸，采用有限体积方法建立铸坯凝固传热数学模型，并对模型的施加不同的传热边界条件：

(1)水口壁面和钢渣界面导热较小，不考虑热量的散失，采用绝热边界条件：q＝0；

(2)结晶器区连铸坯表面与结晶器铜板接触，采用热流边界条件：q＝2.68-0.34(60z/v_c)^0.5；

(3)连铸坯从结晶器拉出进入二冷区，对连铸坯表面进行喷水冷却，采用对流换热边界条件：q＝β(T_sur-T_water)；

式中：q是热流密度，W/m²；z是铸坯表面网格单元距钢渣界面的距离，m；v_c是铸机拉坯速度，m/min；T_sur是连铸坯表面温度，K；T_water是冷却水的温度，K；β是对流换热系数，W/(m²·K)；

通过数值模拟计算，获得在不同铸机拉坯速度和过热度条件下，浇注钢液凝固传热过程；

其中，计算过程采用的公式为：

式中：ρ是浇注钢液密度，kg/m³；t是瞬态时间，s；v是浇注钢液流动速度，m/s；P是静压力，pa；μ_eff是浇注钢液的粘度，pa·s；S_m是动量源项，N/m³；h是浇注钢液的热焓，J/kg；k_eff是有效导热系数，W/(m·K)；T是铸坯温度，K；q_m是热量源项，J/kg；

步骤1.2，利用铸坯凝固传热数学模型中，不同铸机拉坯速度和过热度条件下，浇注钢液凝固传热过程，获得铸坯液相线距钢渣界面的距离；

步骤1.3，通过包芯线的熔化实验，确定包芯线的在高温钢液中的熔化时间；

其中，包芯线的熔化实验具体过程为：将盛有浇注钢液的坩埚放入电阻炉内，加热温度高于浇注钢液相线5℃并保温，将包芯线一端瞬时***高温的浇注钢液面下2～3cm，并开始计时，一段时间后取出包芯线，观察包芯线的熔化情况，重复多次，直至***钢液中的包芯线全部熔化时，确定为包芯线的在高温钢液中的熔化时间；

步骤1.4，铸坯液相线距钢渣界面的距离，除以包芯线在高温钢液中的熔化时间，得到最佳的喂线速度v_opt；

步骤1.5，将浇注钢的成分、铸机拉坯速度、过热度和最佳喂线速度存储至计算机，进而建立数据库；

步骤2，浇注钢液进入结晶器中，当铸机拉坯速度逐渐增大至设定值时，采用喂线机将包芯线以铸机拉坯速度从结晶器顶端***至高温的钢液中；根据计算机实时采集的浇注钢成分、过热度、铸机拉坯速度，从数据库中调取喂线机的最佳喂线速度v_opt；

步骤3，根据从数据库中调取的最佳喂线速度v_opt和当前喂线速度v_now对比，获得速度偏差值δ，δ＝v_now-v_opt；

步骤4，判断速度偏差δ是否为零，是，则当前喂线速度为最佳喂线速度；否，则当前喂线速度不是最佳喂线速度，执行步骤5；

步骤5，根据速度偏差值δ，通过PLC调整喂线机中变频电机转速，直至喂线速度达到最佳值，从而实现喂线速度的动态控制。

所述的步骤1中，过热度为浇注钢液温度与液相线的差值；

所述的步骤2中，浇注钢液在铜板冷却作用下形成一定厚度的坯壳；

所述的步骤2中，包芯线的初始喂线速度较小，在高温的钢液能够完全熔化；当包芯线以最佳喂线速度v_opt***结晶器时，包芯线外壳在钢液高温区中熔化；包芯线的芯部的铝线熔点较低，在钢液温度低于液相线温度时能够快速熔化，吸收热量使得钢液达到较大的过冷度，促进等轴晶晶粒形核和生长；

所述的步骤4中，若喂线速度的偏差值δ为正值，说明当前喂线速度较大，外壳的钢带不能在高温区完全融化，熔断的钢带滞留于铸坯内部，破坏钢基体的连续性，恶化铸坯的内部质量；若喂线速度的偏差值δ为负值，说明当前喂线速度较小，包芯线内部的铝线在结晶器的高温区熔化，铝基合金的熔化不能促进钢液充分过冷而形核。

所述的步骤5中，喂线速度的偏差值δ为正值时，计算机通过PLC控制器减小喂线机的变频电机转速，直至实际喂线速度达到最佳喂线速；喂线速度的偏差值δ为负值时，计算机通过PLC控制器加快喂线机变频电机的转速，直至实际喂线速度达到最佳喂线速度。

连铸生产过程中，钢液过热度和铸机拉坯速度受到生产节奏的影响，工艺参数时刻变化，因此应对连铸结晶器喂线速度进行严格控制，以改善并稳定连铸坯的内部质量。

本发明的一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法，与现有技术相比，其有益效果为：

本发明的一种钢连铸结晶器喂包芯线及喂线过程的动态控制方法，能够根据连铸工艺参数实时动态调整喂线速度，促进钢液达到较大的过冷度，从而增加液相穴晶粒形核，细化晶粒尺寸，改善两相区的补缩行为，达到降低铸坯中心偏析和疏松，稳定铸坯内部质量的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的铸坯凝固传热数学模型及边界条件；其中，11-水口壁面，12-钢渣界面，13-结晶器区，14-二冷区，15-模型网格，16-液相线，17-铸坯表面网格单元距钢渣界面的距离，A-绝热边界条件，B-热流边界条件，C-对流换热边界条件；

图2为本发明实施例的钢连铸结晶器喂包芯线横截面结构示意图；其中，21-搭扣，22-钢带外壳，23-铝线；

图3为本发明实施例的钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法的过程示意图；其中，31-保护渣层，32-结晶器铜板，33-钢液，34-晶粒形核，35-凝固坯壳，36-钢连铸结晶器喂包芯线，37-PLC控制器，38-喂线机，39-计算机；

图4为本发明实施例的钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法的流程图；

图5为本发明实施例的连铸结晶器中钢液凝固过程示意图；其中，51-高温区，52-低温区；

图6为本发明实施例的钢连铸结晶器喂包芯线在高温钢液中熔化示意图；其中，61-高温钢液，62-坩埚，63-炉膛内壁，64-电阻丝，65-炉膛外壁；

图7为本发明实施例的不同工艺条件下液相线距钢渣界面距离变化示意图，图中(a)为不同铸机拉坯速度下液相线位置变化的示意图，(b)为不同过热度下液相线位置变化的示意图；

图8为本发明实施例的铸坯的低倍照片，其中(a)为采用传统工艺方法生产的铸坯的低倍照片，(b)为采用本发明方法生产的铸坯的低倍照片。

具体实施方式

结合附图对本发明实施方式作详细说明。

结晶器喂包芯线过程是在国内某钢厂连铸机上进行的，其中结晶器有效高度为0.8m；成形后的铸坯横截面尺寸为230mm×1500mm；实施例中连铸的钢种为高强钢Q960，液相线温度为1518.6℃，钢中碳含量为0.12％，合金元素为钛、钼、铬；

一种钢连铸结晶器喂包芯线，组成成分及尺寸如下：

包芯线的外壳：

采用低碳钢钢带，其中，低碳钢成分按质量百分比为，C：0.1％，其余为Fe，液相线温度为1520.5℃，其厚度为0.3mm；

包芯线的芯部：

采用铝钛合金，其中铝钛合金成分按质量百分比为，Ti：0.15％，其余为Al，其直径为5mm。

钢连铸结晶器喂包芯线横截面结构示意图如图2所示，其中，低碳钢带通过卷线机将铝钛合金进行包裹密封，钢带交界处采用搭接的方式进行密封。

钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法的过程示意图如图3所示；

一种钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法，采用钢连铸结晶器喂包芯线，步骤包括：

步骤1，建立结晶器最佳喂线速度的数据库：

步骤1.1，根据浇注钢液的密度、黏度、热导率、热焓和连铸结晶器尺寸，采用有限体积方法建立铸坯凝固传热数学模型，并对模型的施加不同的传热边界条件，见图1：

(1)水口壁面11和钢渣界面12导热较小，不考虑热量的散失，采用绝热边界条件A：q＝0；

(2)结晶器区13连铸坯表面与结晶器铜板32接触，采用热流边界条件B：q＝2.68-0.34(60z/v_c)^0.5；

(3)连铸坯从结晶器拉出进入二冷区14，对连铸坯表面进行喷水冷却，采用对流换热边界条件C：q＝β(T_sur-T_water)；

式中：q是热流密度，W/m²；z是铸坯表面网格单元距钢渣界面的距离，m；v_c是铸机拉坯速度，m/min；T_sur是连铸坯表面温度，K；T_water是冷却水的温度，K；β是对流换热系数，W/(m²·K)；

通过数值模拟计算，获得在不同铸机拉坯速度和过热度条件下，Q960钢液凝固传热过程；

其中，计算过程采用的公式为：

式中：ρ是浇注钢液密度，kg/m³；t是瞬态时间，s；v是浇注钢液流动速度，m/s；P是静压力，pa；μ_eff是浇注钢液的粘度，pa·s；S_m是动量源项，N/m³；h是浇注钢液的热焓，J/kg；k_eff是有效导热系数，W/(m·K)；T是铸坯温度，K；q_m是热量源项，J/kg；

步骤1.2，利用铸坯凝固传热数学模型中，不同铸机拉坯速度和过热度条件下，Q960钢液凝固传热过程，获得铸坯液相线距钢渣界面的距离；连铸结晶器中钢液凝固过程示意图如图5所示；

步骤1.3，通过包芯线的熔化实验，确定包芯线的在高温钢液61中的熔化时间；钢连铸结晶器喂包芯线的在高温钢液中的熔化示意图如图6所示；

其中，包芯线的熔化实验具体过程为：将盛有浇注钢液的坩埚62放入电阻炉内，加热至1523.6℃并保温，将包芯线一端瞬时***高温的浇注钢液面下2～3cm，并开始计时，一段时间后取出包芯线，观察包芯线的熔化情况，重复多次，直至***钢液中的包芯线全部熔化时，确定为包芯线的在高温钢液中的熔化时间；

本实施例中，确定包芯线在高强钢Q960钢液中熔化时间约为6.0s；

步骤1.4，铸坯液相线距钢渣界面的距离，除以包芯线在高温钢液61中的熔化时间，得到最佳的喂线速度v_opt；

步骤1.5，将浇注钢的成分、铸机拉坯速度、过热度和最佳喂线速度存储至计算机，进而建立数据库；

数据库中，浇注钢为Q960，铸机拉坯速度为0.8m/min、1.0m/min和1.2m/min，过热度为15、25和35时，最佳喂线速度如表1所示；

表1

钢种	铸机拉坯速速，m/min	过热度，℃	最佳喂线速度，m/min
				Q960	0.8	25	9.0
Q960	1.0	25	10.9
				Q960	1.2	25	12.9
Q960	1.0	15	10.4
				Q960	1.0	35	11.5

根据表1可知，随着铸机拉坯速度和过热度的增加，喂线速度均有所增大；

步骤2，浇注钢液进入结晶器中，当铸机拉坯速度逐渐增大至设定值时，采用喂线机将包芯线以铸机拉坯速度从结晶器顶端***至高温的钢液中；根据计算机实时采集的浇注钢成分、过热度、铸机拉坯速度，从数据库中调取喂线机的最佳喂线速度v_opt；

步骤3，根据从数据库中调取的最佳喂线速度v_opt和当前喂线速度v_now对比，获得速度偏差值δ，δ＝v_now-v_opt；

步骤4，判断速度偏差δ是否为零，是，则当前喂线速度为最佳喂线速度；否，则当前喂线速度不是最佳喂线速度，执行步骤5；

步骤5，根据速度偏差值δ，通过PLC调整喂线机中变频电机转速，直至喂线速度达到最佳值，从而实现喂线速度的动态控制。

本发明实施例的钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法的流程图如图4所示。

图7为钢厂连铸生产高强钢Q960铸坯时，不同工艺条件下液相线距钢渣界面距离变化示意图，从图中可以看出在钢液对流换热的作用下，钢液过热度很快消失，铸机拉坯速度对铸坯液相线终点的影响比较大，当拉速分别为0.80m/min、1.00m/min和1.20m/min时，铸坯液相线距钢渣界面的距离分别为0.90m，1.09m和1.29m，此后铸坯内的钢液的过热完全散失，钢液进入过冷状态并逐渐形核；当浇注过热度增大10℃，铸坯的液相线距钢渣界面距离平均向后推移0.06m左右，为此需要对结晶器喂线速度进行实时调节。

图8为该钢厂生产的高强钢Q960钢铸坯的低倍照片，其中(a)为采用传统工艺方法生产的铸坯的低倍照片，(b)为采用本发明方法生产的铸坯的低倍照片；通过对比可以看出，采用本发明方法生产的铸坯中心偏析和缩孔基本消除，内部质量得到明显改善。

Claims (2)

1.一种钢连铸结晶器喂包芯线的喂线过程的动态控制方法，所述的钢连铸结晶器喂包芯线的组成成分及尺寸如下：

包芯线的外壳：

采用碳钢钢带，碳钢的液相线与浇注钢的液相线相差-15～+5℃，厚度为0.1～0.5mm；

其中，浇注钢为合金钢或高碳钢；

包芯线的芯部：

采用铝线，直径为5～10mm；

其中，铝线材质为铝基合金或工业纯铝；当浇注钢中允许含有促进形核的溶质元素，铝线材质采用铝基合金，铝基合金中，除铝外的合金元素为钛、铌、钒、钼、钨、钽中的一种或几种，合金元素的质量百分含量为0.01～0.5％；当浇注钢中不允许含有促进形核的溶质元素，铝线材质采用工业纯铝；

该钢连铸中喂包芯线过程的动态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立结晶器最佳喂线速度的数据库：

步骤1.1，根据浇注钢液的密度、黏度、热导率、热焓和连铸结晶器尺寸，采用有限体积方法建立铸坯凝固传热数学模型，并对模型施加不同的传热边界条件：

(1)水口壁面和钢渣界面导热较小，不考虑热量的散失，采用绝热边界条件：q＝0；

(2)结晶器区连铸坯表面与结晶器铜板接触，采用热流边界条件：q＝2.68-0.34(60z/v_c)^0.5；

(3)连铸坯从结晶器拉出进入二冷区，对连铸坯表面进行喷水冷却，采用对流换热边界条件：q＝β(T_sur-T_water)；

式中：q是热流密度，W/m²；z是铸坯表面网格单元距钢渣界面的距离，m；v_c是铸机拉坯速度，m/min；T_sur是连铸坯表面温度，K；T_water是冷却水的温度，K；β是对流换热系数，W/(m²·K)；

通过数值模拟计算，获得在不同铸机拉坯速度和过热度条件下，浇注钢液凝固传热过程；

其中，计算过程采用的公式为：

式中：ρ是浇注钢液密度，kg/m³；t是瞬态时间，s；v是浇注钢液流动速度，m/s；P是 静压力，pa；μ_eff是浇注钢液的粘度，pa·s；S_m是动量源项，N/m³；h是浇注钢液的热焓，J/kg；k_eff是有效导热系数，W/(m·K)；T是铸坯温度，K；q_m是热量源项，J/kg；

步骤1.2，利用铸坯凝固传热数学模型中，不同铸机拉坯速度和过热度条件下，浇注钢液凝固传热过程，获得铸坯液相线距钢渣界面的距离；

步骤1.3，通过包芯线的熔化实验，确定包芯线的在高温钢液中的熔化时间；

其中，包芯线的熔化实验具体过程为：将盛有浇注钢液的坩埚放入电阻炉内，加热温度高于浇注钢液相线5℃并保温，将包芯线一端瞬时***高温的浇注钢液面下2～3cm，并开始计时，一段时间后取出包芯线，观察包芯线的熔化情况，重复多次，直至***钢液中的包芯线全部熔化时，确定为包芯线的在高温钢液中的熔化时间；

步骤1.4，铸坯液相线距钢渣界面的距离，除以包芯线在高温钢液中的熔化时间，得到最佳的喂线速度v_opt；

步骤1.5，将浇注钢的成分、铸机拉坯速度、过热度和最佳喂线速度存储至计算机，进而建立数据库；

步骤2，浇注钢液进入结晶器中，当铸机拉坯速度逐渐增大至设定值时，采用喂线机将包芯线以铸机拉坯速度从结晶器顶端***至高温的钢液中；根据计算机实时采集的浇注钢成分、过热度、铸机拉坯速度，从数据库中调取喂线机的最佳喂线速度v_opt；

步骤3，根据从数据库中调取的最佳喂线速度v_opt和当前喂线速度v_now对比，获得速度偏差值δ，δ＝v_now-v_opt；

步骤4，判断速度偏差δ是否为零，是，则当前喂线速度为最佳喂线速度；否，则当前喂线速度不是最佳喂线速度，执行步骤5；

步骤5，根据速度偏差值δ，通过PLC调整喂线机中变频电机转速，直至喂线速度达到最佳值，从而实现喂线速度的动态控制。

2.根据权利要求1所述的钢连铸结晶器喂包芯线的喂线过程的动态控制方法，其特征在于，所述的钢连铸结晶器喂包芯线的外壳通过卷线机将芯部进行包裹密封，且钢带交界处采用搭接的方式进行密封。