一种连铸坯凝固过程温度和质量控制冷却方法

摘要

本发明涉及一种连铸坯凝固过程温度和质量控制冷却方法，首先通过实验确定不同钢种凝固坯壳的不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系，用于修正二冷配水冶金准则和确定合理的目标表面温度曲线，完善静态控制模型和动态控制模型，使铸坯表面温度避开移动的铸坯二冷低延性区域温度范围并充分接近目标表面温度。本发明可对坯壳温度变化特别是表面温度变化进行最优调节和控制，避免因二冷低延性区(奥氏体转变温度区间)移动引起的裂纹缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种连铸坯凝固过程温度控制冷却方法，主要应用于钢液的连铸冷却过程，也能用于有色金属的连铸冷却过程。应用此种连铸的工艺冷却控制方法能够通过对铸坯中凝固壳的温度变化特别是表面温度的变化进行最优调节和控制，制定合理的钢的连铸结晶器和二次冷却制度，对提高连铸坯的质量、减少裂纹缺陷特别是矫直表面横裂纹等具有重要意义。

背景技术

近年来，我国的连续铸钢生产继续保持快速发展的态势，2007年铸坯产量达到47430万吨，钢铁工业连铸比达到98.86％，连铸技术的发展促进了我国钢铁生产流程的进一步优化。由于连铸坯的质量对最终钢产品质量有重要的影响，因此如何更好的控制和提高铸坯质量一直是国内外冶金工作者研究的热点。在连铸技术发展过程中，凝固坯壳产生裂纹是提高铸坯质量的主要障碍。有关统计表明，在铸坯的各类缺陷中，裂纹缺陷所占的比例在50％以上；并且裂纹也是连铸生产过程中最难解决的质量问题之一。生产实践表明，连铸坯的裂纹缺陷可能在铸机的不同区域里产生，且裂纹形状各异，产生的原因也极其复杂，受设备、工艺等多方面因素的影响。

为了保证铸坯质量，充分控制铸坯温度特别是表面温度，防止产生裂纹缺陷，二冷配水优化与控制模型成为改善铸坯质量和提高产量的主要研究手段。目前，对连铸坯凝固过程温度(特别是表面温度)和质量控制的冷却方法主要有静态控制模型和动态控制模型。

静态控制模型主要包括三种控制方法：水表控制法、比例控制法和二次曲线控制法。水表控制法中，二冷各段水量与拉速的关系是由不同的拉速点对应的水量来表示的，没有采用公式法，其二冷配水随拉速的变化是间断或跳跃变化的。比例控制法，即采用比水量的方法，由Q＝KV(Q为喷水量，K为系数，v为拉速)确定各冷却段的冷却水量，二冷各段水量与拉速的关系为线性关系。二次曲线控制法根据不同钢种，按Q＝AV²+BV+C(Q为喷水量，A、B、C为控制参数，v为拉速)一元二次方程进行配水，其控制思路是制定出适合于生产钢种的目标表面温度曲线，离线仿真找出铸坯表面温度符合目标温度时各冷却循环水路的控制参数，浇注时选取对应钢种的控制参数，根据拉速配置各回路的冷却水量。然而，无论采用那一种控制方法，静态控制模型都存在两个最大的缺点：①各冷却段的配水量只随拉坯速度而变化，没有考虑不同连铸凝固行为(不同冷却速率和回温速率)对钢种二冷低延性区域温度范围(裂纹敏感温度范围)的影响；②对生产条件应变的能力较差，当拉速突然变化时，二冷配水也突然改变，引起铸坯表面温度波动较大，容易产生裂纹缺陷。

动态控制模型是目前冶金工作者致力研究的方向，其二冷配水不仅与拉速有关，而且与浇注温度、铸坯尺寸等工艺参数的变化有关。建立控制模型时，需要考虑整个生产过程工艺参数的变化，每隔t秒计算一次铸坯表面温度并与目标表面温度作比较，根据比较的差值在线调整各段冷却水量，使铸坯实际表面温度能够充分接近目标表面温度，以获得良好的铸坯质量。动态控制模型在生产应用时需要解决两个关键问题，一是目标表面温度的确定，二是模型计算速度。目标表面温度通常根据钢种的高温延性特性(如避开二冷低延性区等)以及考虑二冷配水的诸要素而定出，然后通过生产实践进一步修正和完善。但由于没有充分考虑钢种高温延性(二冷低延性区域温度范围)与不同连铸凝固行为(不同冷却速率和回温速率)之间的关系，目标表面温度的确定不够合理，不能满足实际生产的要求。

为了避免裂纹的产生，静态控制模型和动态控制模型在二冷配水时均应满足以下铸坯凝固冷却冶金准则：①沿拉坯方向，铸坯表面温度冷却速率小于200℃/m、回温速率小于100℃/m；②铸坯进入弯曲段和矫直段的表面温度应避开700-900℃左右的脆性敏感区。显然，以上两条冶金准则存在一定缺陷，即没有充分考虑不同冷却速率和回温速率对钢种二冷低延性区域温度范围(奥氏体转变温度范围)的影响。如对于某钢种连铸坯，在冷却速率为5℃/min条件下，冷却奥氏体转变温度范围为642-779℃；在冷却速率为10℃/min条件下，冷却奥氏体转变温度范围为645-798℃。这说明对于同一钢种或钢种大类，冷却速率和回温速率不同，其二冷低延性区域温度范围是移动的。在实际生产中，凝固坯壳的不同部位具有不同的冷却速率和回温速率，或凝固坯壳的同一部位在不同时刻也具有不同的冷却速率和回温速率。因此，在凝固坯壳的不同部位或凝固冷却的不同时刻，二冷低延性区域的温度范围是变化的，即钢种的裂纹敏感温度范围是变化的。因此，根据固定的二冷低延性区域温度范围制定冷却配水冶金准则，显然不够合理。

发明内容

针对现有连铸坯凝固过程温度和质量控制冷却方法存在的上述不足，本发明的目的是提供一种新的连铸坯凝固过程温度控制冷却方法，本方法能够确定合理的目标表面温度曲线，在线调节和控制各冷却段冷却水量以达到控制坯壳温度变化特别是表面温度变化的目的，避免因二冷低延性区域温度范围移动引起的裂纹缺陷。本发明可运用于静态控制模型和动态控制模型中。

本发明的目的是这样实现的：一种连铸坯凝固过程温度和质量控制冷却方法，其特征在于：它包括如下步骤：

(1)通过实验确定不同钢种凝固坯壳的不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系，据此修正二冷配水冶金准则特别是铸坯表面温度控制准则；

(2)充分考虑钢种高温延性特性(二冷低延性区域温度范围)受不同连铸凝固行为的影响，确定钢种的合理的目标表面温度曲线；

(3)在静态控制模型中，采用修正的配水冶金准则和具体钢种的合理的目标表面温度曲线完善模型，通过离线仿真找出铸坯表面温度符合目标温度时各冷却循环水路的控制参数，再根据拉速在线配置各回路的冷却水量，使铸坯表面温度充分接近目标表面温度；

(4)在动态控制模型中加入不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围定量关系的数据模块，通过在线仿真计算获得铸坯具体的连铸凝固行为，由此获得实时的铸坯二冷低延性区域温度范围，根据实时的二冷低延性区域温度范围在线调节和控制各冷却段冷却水量以达到控制铸坯表面温度变化的目的，使铸坯表面温度避开实际铸坯二冷低延性区域温度范围并充分接近目标表面温度。

所述步骤(1)是对不同的具体钢种或钢种大类，通过仿真计算获得其在实际生产中铸坯凝固壳的温度下降速率和温度回升速率，据此制定模拟连铸冷却过程的热膨胀性能测试实验，获得不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系。

相比现有技术，本发明在静态控制模型中，采用修正的配水冶金准则和具体钢种的合理的目标表面温度曲线完善模型，使铸坯温度(特别是表面温度)和质量得到最优控制；在动态控制模型中，增加不同连铸凝固行为与奥氏体转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)定量关系的数据模块，根据不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系确定合理的目标表面温度曲线，充分考虑各冷却段冷却水量与不同连铸凝固行为下铸坯裂纹敏感温度范围变化的关系进行在线配水，可对坯壳温度变化特别是表面温度变化进行最优调节和控制，避免因二冷低延性区(奥氏体转变温度区间)移动引起的裂纹缺陷。

附图说明

图1-升温到1250℃再降温某铸坯试样热膨胀(试样的相对伸长量dL/L₀)与温度的变化关系(升降温速度为5℃/min)；

图2-升温到1250℃再降温同样铸坯试样热膨胀(试样的相对伸长量dL/L₀)与温度的变化关系(升降温速度为10℃/min)。

具体实施方式

以下结合实例详细介绍本发明。

连铸冷却配水与铸坯质量、裂纹缺陷的产生密切相关，通过铸坯表面温度控制各冷却段冷却水量是目前连铸冷却的主要控制方式。为了充分考虑各冷却段冷却水量与不同连铸凝固行为下(即不同冷却速率和回温速率)铸坯裂纹敏感温度范围变化的关系进行在线配水，达到合理调节和控制铸坯温度变化特别是表面温度变化的目的，本发明主要包括如下步骤：

(1)通过实验确定不同钢种(连铸坯)凝固坯壳的温度变化速率与奥氏体转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)的定量关系。不同的钢种或钢种大类，其奥氏体转变温度范围是不同的。同一钢种或钢种大类，冷却速率和回温速率不同，其奥氏体转变温度范围是移动的。对于某一具体的钢种，通过仿真计算获得其在实际生产中铸坯凝固壳的温度下降速率和温度回升速率，据此制定模拟连铸冷却过程的热膨胀性能测试实验，获得不同连铸凝固行为与奥氏体转变(主要是冷却奥氏体转变)温度范围的定量关系。图1和图2为两个不同升温和降温速率条件下测试获得的某具体钢种连铸坯的热膨胀曲线。

由图1和图2可以看出，升温和降温速率不同，同一钢种连铸坯的奥氏体转变温度点和转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)均发生了改变。此外，我们通过大量连铸坯热膨胀性能的测试实验证明，不同的钢种或钢种大类，在相同测试条件下，其奥氏体转变温度范围是不同的。这说明，对于不同的钢种(连铸坯)，其连铸凝固行为与奥氏体转变(主要是冷却奥氏体转变)温度范围的定量关系也是不相同的。

(2)根据不同连铸凝固行为与奥氏体转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)的定量关系，修正二冷配水冶金准则特别是铸坯表面温度控制准则(即表面温度避开裂纹敏感温度范围，在不同冷却段具有不同的裂纹敏感温度范围，而原来裂纹敏感温度范围各段是一致的固定的)并确定合理的目标表面温度曲线。合理的目标表面温度曲线的确定跟现有方法类似，即根据钢种的高温延性特性(避开二冷低延性区)，并考虑二冷配水的实际情况以使铸坯能够平稳地降温而定出，但需要充分考虑钢种高温延性特性随不同连铸凝固行为发生移动的影响。

(3)在静态控制模型中，采用修正的配水冶金准则和具体钢种的合理的目标表面温度曲线完善模型，通过离线仿真找出铸坯表面温度符合目标温度时各冷却循环水路的控制参数，再根据拉速在线配置各回路的冷却水量，使铸坯表面温度充分接近目标表面温度。

(4)在动态控制模型中加入不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围定量关系的数据模块，通过在线仿真计算获得铸坯不同部位或同一部位不同时刻的温度变化情况(铸坯具体的连铸凝固行为)，根据上述数据模块可以获得实时的铸坯二冷低延性区域温度范围，根据实时的二冷低延性区域温度范围在线调节和控制各冷却段冷却水量以达到控制坯壳温度变化特别是表面温度变化的目的，使铸坯表面温度避开实际铸坯二冷低延性区域温度范围并充分接近目标表面温度。

具体处理时，特别考虑矫直区域和顶弯区域的冷却水量以实现温度和质量的有效控制，因为这两个区域是外力作用较为复杂且裂纹容易发生的地方。

矫直区域：在静态控制模型中，基于钢种奥氏体转变温度范围与不同连铸凝固行为的定量关系，修正矫直区域铸坯表面温度控制准则，调节和控制矫直区域冷却水量。在动态控制模型中，加入不同连铸凝固行为与奥氏体转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)定量关系的数据模块，在线仿真计算获得铸坯进入矫直区域的铸坯温度变化特别是表面温度变化情况，获得实时的铸坯二冷低延性温度范围(裂纹敏感温度范围)，及时调节和控制冷却水量以实现对冷却速率的控制，使铸坯表面温度避开实际裂纹敏感温度范围。

顶弯区域：对于直弧形铸机，借用矫直区域冶金准则，制定顶弯区域铸坯表面温度控制准则。与矫直区域相比，铸坯在顶弯区域的冷却速率较大，凝固坯壳较薄，钢液所占体积较大，温度回升速率也较大，铸坯抵抗外力的能力较差。在静态控制模型中，根据顶弯区域铸坯凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系，制定顶弯区域铸坯表面温度控制准则，调节和控制冷却水量；在动态控制模型中，在线仿真计算获得顶弯区域铸坯温度变化特别是表面温度变化的情况，获得实时的铸坯二冷低延性温度范围，及时调节和控制冷却水量以实现对冷却速率的控制，使凝固坯壳温度控制在钢种延性较好的温度范围。

此外，在实际生产中，凝固坯壳的不同部位具有不同的冷却速率和回温速率，或凝固坯壳的同一部位在不同时刻也具有不同的冷却速率和回温速率。因此，在凝固坯壳的不同部位或凝固冷却的不同时刻，二冷低延性区域温度范围是变化的，即钢种的裂纹敏感温度范围是变化的。根据不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围的定量关系确定具体钢种(连铸坯)合理的目标表面温度曲线，完善静态控制模型和动态控制模型，并通过仿真计算判定热应力(铸坯凝固收缩引起)和机械应力(拉坯力、顶弯力和矫直力)较大位置处凝固坯壳中容易产生裂纹的部位，通过调节和控制这些裂纹敏感部位的冷却水量和调整铸坯横向喷嘴的布置等来实现控制冷却速率的目的，避免产生裂纹缺陷。

本发明主要应用于钢液的连铸冷却过程，也能用于有色金属的连铸冷却过程。本发明通过对不同升温和降温速率条件下钢种(连铸坯)热膨胀性能进行测试研究，获得不同连铸凝固行为与二冷低延性区域温度范围(奥氏体转变温度区间)的定量关系，用于修正二冷配水冶金准则和确定合理的目标表面温度曲线，完善静态控制模型和动态控制模型。在动态控制模型中加入不同连铸凝固行为与奥氏体转变温度范围(二冷低延性区域温度范围)定量关系的数据模块，进一步完善并借助二冷动态控制模型在线仿真计算获得铸坯不同部位或同一部位不同时刻的温度变化情况和实时的铸坯二冷低延性温度范围(裂纹敏感温度范围)，在线调节和控制各冷却段冷却水量以达到控制坯壳温度变化特别是表面温度变化的目的，对铸坯温度变化特别是表面温度变化进行最优调节和控制，使铸坯温度特别是表面温度避开实际裂纹敏感温度范围。本发明可在各种类型连铸机上在线应用。