板坯连铸表面目标温度值二冷动态控制
大连重工·起重集团有限公司设计研究院 王叶婷 清华大学机械系 孙猛
摘要:详细阐述了180mm,200mm×1100mm双流板坯铸机表而目标温度值二冷动态控制的原理、遵循的原则及表而目标温度值的确定，探讨了二冷动态控制系统的开发，为今后新建与改造连铸机提供了完整的控制技术。
关键词:双流板坯连铸;二冷动态控制系统;表而目标温度值;二冷冶金原则;钢种高温力学性能。
1. 概述
近年，我公司与清华大学合作，为德龙钢铁有限公司2\双流板坯铸机提供了一冷动态控制系统VisualCast，即表面目标温度值动态控制系统。
VisualCast控制系统首先根据铸机特性、生产钢种的高温力学特性和一冷冶金原则制定一冷区 各段的铸坯表面目标温度值;连铸生产中根据钢种、铸坯断面尺寸、中间包钢水温度、拉坯速度、结品器传热、一冷水量等参数的变化，应用铸坯传热凝固数学模型，每隔一个时间段，在线计算一次一冷各段的铸坯表面温度;用计算得到的铸坯实际表面温度与预先设定的铸坯表面目标温度值进对比，根据与设定的目标值的差值结果，动态地改变一冷各回路的冷却水量，使铸坯的实际表面温度与目标表面温度相吻合，从而维持铸坯表面温度的合理性与均匀性，提高铸坯质量。该过程称为在线动态配水，属于一级配水技术，是现代连铸核心技术。文章针对该技术所做的研究和实进行总结介绍。
2. 典型钢种表面目标温度值的确定
铸坯表面目标温度是指特定的铸机、特定的钢种，在一定拉速下的铸坯表面最佳的温度分布。目标温度与铸机结构、一冷区冶金原则及钢种的高温力学性能密切相关。合理的表面目标温度，应满足所浇铸钢种在目标浇铸温度和常用工作拉速时的表面温度变化规律。能够减少铸坯表面裂纹，改善铸坯内部裂纹和中心偏析，提高铸坯质量，对实际生产中二冷制度的制定和二冷动态控制具有重要的意义。
a.
铸机特性
180mm , 200mm x 1100mm板坯连铸机在满足用 户要求的生产钢种、产品规格及年产量等基本工艺 参数前提下进行总体设计，确定铸机机型和铸机基 本弧半径、辊列等参数，划分一次冷却区。板坯连铸 机辊列如图1所示。
该板坯连铸机_次冷却区共分为8个区14条回路，具体划分详见表1。基于铸机结构和一冷冶金原则制定合理的表面目标温度，只需确定沿拉坯方向若干个控制点的目标温度。每个回路设置一个目标温度点，目标温度点选择在各个一次冷却区的终点位置处，共8个点。每条回路均设有电磁流量计和气动调节阀分别检测和控制水流量。电磁流量计检测各回路冷却水的实际流量，并将流量信号变送至 上位机PLC;通过PID算法动态得出达到目标温度时各个回路所需的实际水量。气动调节阀根据上位机PLC的指令调节各回路气动阀的开启度，进而调节各回路的冷却水流量。
2.2. 二冷冶金原则
连铸一冷区一冷配水制度的制定必须满足以下 基本原则:
（1） 铸坯完全凝固点距离定尺切割点至少2米。 （2） 矫直区矫直点处铸坯表面温度应控制在
1
900℃以上;避开低延性区温度，以免矫直时铸坯表面产生横向裂纹。
（3） 铸坯运行方向表面I度回升控制在100℃/m表面
温度的过度回升会在凝固前沿产生过大的张应力，应力超过凝固前沿的断裂强度将产生内部裂纹。铸坯接近凝固完毕时，过大的温度回升会产生中心偏析和中心裂纹。
（4） 铸坯运行方向表面冷却速度控制在150℃/m
以下。表面快速冷却会使铸坯表面处于张应力状态，从而可能扩大己形成的裂纹，并在表面温度处于低延性区域时产生新的裂纹。
（5） 结品器出日处铸坯凝固壳厚度保证在8~15 mm左
右，以避免发生漏钢事故。
（6） 一冷区铸坯表面温度波动范围在850~1150℃范围
内，波动范围越小越好，最好保持稳定。
钢种的高温力学性能
钢种的高温力学性能是制定铸坯在二冷各区的表面目标温度的基本依据，由于各钢铁企业对相同钢种化学成分的控制范围有所不同，钢种的高温力学性能一般通过高温力学实验的方法得到。不同钢种按照高温力学实验的要求做出试样，对试样与铸坯关系、试样在铸坯上的取样位置以及试样的尺寸数量等均有严格的要求。同时要求取试
样的铸坯的工艺条件包括钢种成分、拉速及浇注温度等都要做详细记录。
将德龙钢铁公司经常生产的钢种将德龙钢铁公司经常生产的钢种08Al、12MnCuCr、20MnSi、X60、Q195、Q215、Q235和45, 号钢，按照清华大学计算机辅助铸造实验室Gleeble拉仲实验试样要求做出连铸坯试样。结合实际连铸工艺特点，将连铸坯试样置于Gleeble实验机上在不同温度下进行拉仲实验，如图2,图3所示
通过Gleehle高温力学性能实验，测定钢种在不同温度下的断面收缩率和拉仲强度，得出不同钢种的高温热塑性曲线，即铸坯断面收缩率一温度关系曲线。通过处理和分析实验数据结果，确定钢种的高温力学性能，为制定不同钢种的目标温度值提供依据。表2为通过高温力学性能试验及二冷的冶金原则制定的德龙钢铁公司经常生产的八个典型钢种的表面目标温度值。
通过该组表面目标温度，就可以控制不同拉速 下铸坯表面温度达到该目标温度时的合理冷却水 分布和冷却水量。
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二维非稳态凝固传热方程的计算区域如图4所示。在
3. 二冷动态凝固一传热数学模型的建立
表面目标温度值二冷水动态控制的方法有两种:一是基于
实测铸坯表面温度的动态控制;二是基于铸坯凝固过程数 学模型的动态控制。
由于连铸生产中一冷水蒸汽及铸坯表面氧化铁皮等因素的影响，难以准确检测铸坯在冷却过程中的表面温度。因此，很难根据实测铸坯表面温度来控制一冷水量
基于铸坯凝固过程数学模型的动态控制方法则避开直接测量铸坯的表面温度，而改用数学模型来计算。建立铸坯凝固过程数学模型，使其能模拟计算铸坯温度场分布、坯壳厚度和液相穴位置等重要物理量。再根据计算出的铸坯表面温度同一冷各回路设定的表面日标温度相对比，进而来调节冷却水量显然，该控制方法的成功与否取决于模型计算结果能否真实地反映铸坯的实际表面温度及其变化规律以及二冷各回路日标温度的确定。
3.1 二维传热数学模型基本假设
连铸一冷动态模拟仿真控制系统中，铸坯凝固 传热过程的数学模型包含以下基本假设:
(1连铸二冷动态对于铸坯宽度远大于铸坯厚度的板坯，考虑板坯厚度方向x和拉坯方向:的传热，忽略铸坯宽度方向y.的传热，即二维传热;
(2}忽略由于铸坯凝固冷却收缩引起的铸坯尺寸的变化;
(3)假设钢液的对流传热可用等效增强导热系数处理。.
3.2 计算区域
铸坯中心面上取厚度方向平面的一半，可通过铸坯的对称关系推算铸坯厚度方向另一半的情况。该处理方法日的是简化计算并缩短计算时间。计算区域从结品器内钢水弯月
面开始到二冷段结束。
方程(D左边的第一项是时间项，表示瞬态传热效应，第一项表示随连铸拉坯速度传输下来的热量;方程右侧第一项是x方向(厚度方向)的热量传输，第一项是:方向(拉
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坯方向)的热量传输，第二项为凝固潜热。式(C1)一(4)中:
V拉坯速度，m/s ρ-钢水密度，kg/m;; ρ固相密度，kg/m;; ρ厂液相密度，kg/m;; C-%} )}.比热，J/(kg·K) ;
C,,一固相定压比热，J/(kg·K) ; C,n一液相定压比热，J/(kg·K) ; T温度，单位K;
k一有效导热系数，W/(m·K) ; k;固相导热系数，W/(m·K) ; k,一液相导热系数，W/(m·K) ; S一内热源> W/m}; 二一固相分数; 月一导热增强因数; :一时间，、;
S-凝固潜热，J/kg 3. 4初始条件
在连铸工艺参数保持不变的情况下，一冷动模拟仿真系统在各时间步长内计算结果保持不变，在这个相对稳定条件下的铸坯温度、反应凝固状态的固相分数分布即为动态模拟的初始条件。当工艺参数突然发生改变时，一冷动态模拟仿真系统将实时计算铸坯温度分布。
3.5边界条件
铸坯在整个凝固传热过程中，要依次经过结品器、一次冷却区及空冷区。在温度场的求解过程中，结品器内温度场求解采用第一类边界条件，一次冷却区和空冷区采用第二类边界条件。
一维动态凝固一传热数学模型的计算区域是一个一维平面，外部边界是铸坯内弧面的中心线，内部边界是铸坯中心。一冷区复杂的换热方式通过综合换热系数体现出来。综合换热系数考虑一冷区的四种传热方式:铸坯与支撑导向辊子间的接触传热;铸坯表面与周围环境间的自然对流传热;铸坯表面的辐射传热;铸坯表面与冷却水雾间的强制对流传热。一维模型对一冷喷嘴形状、水流密度等的差异进行等效处理，将两个辊子间的区域按照平均水流密度处理。综合传热系数表达式为:
式中：
h—铸坯与支撑导向辊了间的接触传热，W /㎡;
铸坯表面与周围环境的自然对流传热，W/㎡; 铸坯表面的辐射传热，W/m2;
铸坯表面与冷却水雾间的强制对流传热，W/㎡; A },A,,,A },A,)分别表示四种传热方式在铸坯表 面的有效区域，m` 3. 6结品器段热流处理
结品器内的边界条件可以用第一类边界条件来描述。根据一冷区的凝固冷却特征，对于结品器内的边界条件做了适当的简化。首先通过热流式计算结品器传热的平均热流密度ρ。
式中:
l}一结品器平均热流密度，W/T112 ; P,}结品器冷却水密度，
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C,厂结品器冷却水比热， }''/(',T11}; J/(} } I}) ;
W一结品器冷却水流量，〔flll3cm /s; T}结品器出水温度，K; T;一结品器进水温度，K;
S-铸坯与结品器的接触面积，cm2
根据连铸工艺，沿拉坯方向:将结品器内窄两个面的热流密度r1设置为与弯月面距离相关的函数，从而区分宽窄面的热流密度。如下式:
式中:
r1一结品器热流密度，W/m2;
B一与结品器冷却强度有关的系数，由结器内能量守恒积分求得; 3. 7凝固潜热的处理
由于金属液相内能E,大于固相内能ES，因此当铸坯凝固由液相变为固相时，必然要产生内能变化L=E,,-ES，这个内能的变化量L就成为凝固潜热。连铸坯在结品过程中要不断放出结品潜热。因此，在连铸过程中，可将由固相率的增加所释放的潜热看作相当于散失的热量，这样就可以大大降低凝固过程
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