專(zhuān)利名稱(chēng)：：連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌器的動(dòng)態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬鑄造領(lǐng)域，特別是對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，使得連鑄二冷與電磁攪拌組合控制的效果更為理想，得到較好內(nèi)部質(zhì)量的鑄坯和凝固組織。
背景技術(shù)：
：為了改進(jìn)連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量及改進(jìn)鑄坯的凝固組織結(jié)構(gòu)，如減輕鑄坯的中心偏析，增加鑄坯的等軸晶比率等。因此在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，在連鑄機(jī)的不同部位設(shè)有電磁攪拌裝置(電磁攪拌器)，較為典型的有結(jié)晶器電磁攪拌裝置(MEMS)，二冷電磁攪拌裝置(SEMS)，凝固末端電磁攪拌(FEMS)，有時(shí)是兩種或兩種以上電磁攪拌裝置同時(shí)存在，配合使用，這樣其攪拌效果更為明顯。電磁攪拌是通過(guò)對(duì)攪拌器線圈設(shè)定不同的電流及電流頻率，從而使未流動(dòng)的鋼水產(chǎn)生流動(dòng)，加速鋼水的凝固傳熱，打碎已經(jīng)形成的柱狀晶的"前端"，在未凝固液態(tài)鋼液中形成大量的固體質(zhì)點(diǎn)，容易形成非均質(zhì)形核，增加鑄坯凝固組織中的等軸晶比率，減少微觀及宏觀偏析。目前對(duì)連鑄坯實(shí)施的電磁攪拌，其工藝為攪拌器線圈的電流、頻率固定，盡管連鑄生產(chǎn)澆注過(guò)程其工藝參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，如拉速、鋼水過(guò)熱度、二冷水量的變化，但攪拌器線圈的電流及頻率不變化，仍然采用固定的攪拌參數(shù)對(duì)鑄坯實(shí)施電磁攪拌，這就會(huì)影響到鑄坯的攪拌效果。幾乎所有的應(yīng)用電磁攪拌的廠家，國(guó)內(nèi)大設(shè)計(jì)院(中冶連鑄工程技術(shù)有限公司、中冶京城工程技術(shù)有限公司，中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司、西安重型機(jī)械研究所等)或國(guó)外公司(奧鋼聯(lián)、西瑪克，達(dá)涅利等)所設(shè)計(jì)的連鑄機(jī)其電磁攪拌方式如上所述，都不根據(jù)工藝參數(shù)的變化而改變電磁攪拌參數(shù)，同時(shí)不對(duì)電磁攪拌器位置處的凝固坯殼厚度及未凝固液相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行控制，存在著攪拌效果不穩(wěn)定，鑄坯質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞的缺陷。其原因是由于工藝參數(shù)的變化，造成在攪拌器位置(連鑄機(jī)已設(shè)置的攪拌器位置固定)鑄坯的凝固坯殼厚度及未凝固液相的體積已經(jīng)變化，因此電磁攪拌器的攪拌參數(shù)也應(yīng)該相應(yīng)的予以調(diào)節(jié)；此外即使生產(chǎn)過(guò)程中連鑄的工藝參數(shù)(拉速、鋼水過(guò)熱度、二冷水量等)變化不大，也應(yīng)盡量保證電磁攪拌器位置處的凝固坯殼厚度及未凝固液相比率不變或變化很少，這樣采用固定的電磁攪拌參數(shù)(攪拌線圈電流、頻率)才能使鑄坯獲得較好的攪拌效果，攪拌效果也較為穩(wěn)定，滿(mǎn)足各鋼種偏析要求，凝固組織獲得滿(mǎn)意的等軸晶比率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，在于通過(guò)對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的采集，在工藝參數(shù)變化時(shí)，通過(guò)連調(diào)整二冷冷卻水量和電磁攪拌器的參數(shù)，使得連鑄二冷與電磁攪拌組合控制的效果更為理想，得到較好內(nèi)部質(zhì)量的鑄坯和凝固組織。本發(fā)明所述方法如下(1)采集連鑄生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)，采集的參數(shù)包括拉速，二冷區(qū)冷卻水量，結(jié)晶器冷卻水量，進(jìn)出口水溫差，鋼種，鋼水過(guò)熱度；(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并計(jì)算電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率；(3)工藝參數(shù)變化時(shí)，調(diào)整二冷冷卻水量，使得電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率逼近該位置處的設(shè)定值；(4)當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量使電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，電磁攪拌器的電流和頻率無(wú)需調(diào)整；(5)當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量不能使電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率，確定電磁攪拌器采用的電流和頻率。上述技術(shù)方案中，步驟(1)實(shí)時(shí)計(jì)算電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的方法如下(21)建立計(jì)算鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率的模型:/;V，其中T(i，I,一/,j):為鑄坯內(nèi)部某網(wǎng)格點(diǎn)的溫度，單位t:;T1:為液相線溫度，°C;Ts:為固相線溫度，°C(22)確定鑄坯所有固相率>0.7的凝固節(jié)點(diǎn)；(23)根據(jù)凝固節(jié)點(diǎn)計(jì)算凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率。上述步驟中，在計(jì)算鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率時(shí)還采用了坯齡跟蹤模型，S卩連鑄坯上每隔一定長(zhǎng)度就設(shè)置一個(gè)切片并跟蹤，每個(gè)切片記錄了生成時(shí)間、經(jīng)歷時(shí)間和距彎月面距離等信息。拉速穩(wěn)定時(shí)，每一個(gè)切片的生成時(shí)間都相同，在任何位置的距彎月面距離除以經(jīng)歷時(shí)間為恒定值；拉速變化時(shí)，切片的生成時(shí)間發(fā)生變化，即在拉速變化時(shí)，每個(gè)切片的溫度計(jì)算下移速度是不同的。因此，所述坯齡跟蹤模型反應(yīng)了拉速的變化。即在鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率的模型計(jì)算中，考慮了鑄坯內(nèi)部某網(wǎng)格點(diǎn)的溫度T(i，j)中的拉速因素，使結(jié)果精確反映工藝參數(shù)變化時(shí)電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的實(shí)際值。上述步驟(3)、(4)、(5)中，所述電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的設(shè)定值是通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。上述技術(shù)方案中，步驟(5)電磁攪拌器采用的電流和頻率的調(diào)整是通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)而確立。上述技術(shù)方案調(diào)整二冷區(qū)的冷卻水量是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的PLC來(lái)控制二冷區(qū)水閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本方法通過(guò)對(duì)二冷冷卻水量的控制，在連鑄過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)工藝參數(shù)變化來(lái)對(duì)電磁攪拌器處的凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率進(jìn)行控制，或者適時(shí)的改變電磁攪拌器的參數(shù)，使得連鑄二冷與電磁攪拌組合控制的效果更為理想，得到較好內(nèi)部質(zhì)量的鑄坯和凝固組織。圖1為連鑄機(jī)鑄坯凝固過(guò)程及電磁攪拌器的示意圖。圖2所示為凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的計(jì)算模型。具體實(shí)施例方式本發(fā)明連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌具體包括如下實(shí)施方法4(1)工藝參數(shù)的采集，采集的參數(shù)包括拉速，二冷區(qū)冷卻水量，結(jié)晶器冷卻水量，進(jìn)出口水溫差，鋼種，鋼水過(guò)熱度。工藝參數(shù)通過(guò)PLC采集，采集后傳給2級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理并顯示監(jiān)測(cè)。(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并計(jì)算電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率。具體是用凝固傳熱基本解法根據(jù)鑄坯傳熱特點(diǎn)建立連鑄坯的凝固傳熱方程如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中入:導(dǎo)熱系數(shù)，J/(m°C);C:比熱，J/(kg°C)Jkg-1°C-1;在固液兩相區(qū)內(nèi)有下式成立(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>Lf:結(jié)晶潛熱，j/kg;Tl，Ts:分別為固液相線溫度，°C;給出相應(yīng)的初始條件及邊界條件，如下1)初始溫度T=T。(澆注溫度)。(3)根據(jù)鑄坯的求解區(qū)域劃分出計(jì)算網(wǎng)格，按照網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)將上述方程(1)到(6)進(jìn)行離散化，可以求出鑄坯內(nèi)部的溫度場(chǎng)，然后通過(guò)下式可以計(jì)算出鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>/,《l1,/』=—7一—？-—.—其中，T(i，j):為鑄坯內(nèi)部某網(wǎng)格點(diǎn)的溫度，單位t:。Ts，Tl:分別為固液相線溫度，°C;然后確定鑄坯所有固相率>0.7的凝固節(jié)點(diǎn)；再根據(jù)凝固節(jié)點(diǎn)計(jì)算凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率。如圖2所示，計(jì)算出鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率后，比如在厚度或?qū)挾确?2)鑄坯中心:鑄坯中心線兩邊為對(duì)稱(chēng)傳熱7=03)鑄坯表面:結(jié)晶器q=A-二冷區(qū)q=h(Ts-Tw)(5)輻射區(qū)q=j(Ts4-;)式中q——熱流密度，kWm—2;h——傳熱系數(shù)，kWm—2。C—1;Ts，Tw，T?！T坯表面、冷卻水和環(huán)境溫度，°C;o——波茲曼常數(shù)，5.67X10—8kWm—2°C-4;e——輻射系數(shù)(黑度)，本模型取0.8。(4)(6)向上有14個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中厚度方向上4個(gè)節(jié)點(diǎn)(1，j，k，1)的固相率都大于0.7，則凝固殼厚度為S(S=j與i間距離+i與k間的距離+k與1間的距離)，未凝固部分的比率為(L-S)/L，也可按照面積比率，則有未凝固部分的面積/總面積，如果是方坯的話，對(duì)稱(chēng)的話，即有(L-S)2/L2。上述鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率的計(jì)算如果要獲得更精確的數(shù)值，還必須考慮拉速變化對(duì)該模型的影響。因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中，方程(1)拜!=4"^]+番^^^受拉速變化的汰、汰/孕v砂乂影響很大，進(jìn)而影響到T(i，j)即鑄坯內(nèi)部某網(wǎng)格點(diǎn)的溫度和鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率模型的計(jì)算，因此必須考慮T(i，j)中的拉速因素。因此還采用了坯齡跟蹤模型，即連鑄坯上每隔一定長(zhǎng)度(如100mm)就按一個(gè)切片被跟蹤，每個(gè)切片記錄了生成時(shí)間、經(jīng)歷時(shí)間和距彎月面距離等信息。拉速穩(wěn)定時(shí)，每一個(gè)切片的生成時(shí)間都相同，在任何位置的距彎月面距離除以經(jīng)歷時(shí)間為恒定值。拉速變化時(shí)，切片的生成時(shí)間發(fā)生變化，每個(gè)切片的溫度計(jì)算時(shí)，下移速度是不同的。因而采用該坯齡跟蹤模型計(jì)算結(jié)果能精確反映工藝參數(shù)變化時(shí)的實(shí)際情況。(3)根據(jù)步驟(1)采集的工藝參數(shù)當(dāng)其變化時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的PLC來(lái)控制二冷區(qū)水閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)整二冷冷卻水量，使得電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率逼近該位置處的設(shè)定值；當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量使電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，二冷區(qū)的冷卻水量即為合理的冷卻水量，停止調(diào)整，此時(shí)電磁攪拌器采用固定的電流、頻率進(jìn)行攪拌無(wú)需調(diào)整；當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量不能使得攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率，調(diào)整電磁攪拌器采用的電流和頻率。上述步驟中電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的設(shè)定值，以及工藝參數(shù)變化過(guò)大時(shí)，電磁攪拌器采用的電流和頻率的確定是通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)而確立的。而上述的實(shí)驗(yàn)方法是公知技術(shù)。下表所示的是國(guó)內(nèi)某廠200X200mm的方坯連鑄機(jī)末端電磁攪拌的位置在距彎月面7.5m，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)所得出的，工藝參數(shù)變化過(guò)大時(shí)，電磁攪拌器采用的電流和頻率。序號(hào)未凝固液相比率％電磁攪拌參數(shù)(電流A、頻率Hz)180200,3270200,5360250,6450300,8540350,106序號(hào)未凝固液相比率％<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如圖1現(xiàn)有技術(shù)的連鑄機(jī)生產(chǎn)過(guò)程，其中，1為液相線溫度以上鋼水，2為液相線與固相線溫度之間的兩相區(qū)，3為固相線溫度以下的固相區(qū)，4為托輥，5為電磁攪拌器，6為拉矯輥，7為二冷水噴嘴，8為結(jié)晶器，9為二冷區(qū)。當(dāng)鋼水進(jìn)入到圖2結(jié)晶器8后，通過(guò)圖1結(jié)晶器和二次冷卻區(qū)9的冷卻水量將鋼水的熱量帶走，鋼水的溫度降低，液態(tài)鋼水變成固態(tài)鋼，當(dāng)工藝參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，包括鋼種、鋼的成分、拉速、鋼水過(guò)熱度，結(jié)晶器水量，二冷水量等參數(shù)，上述參數(shù)均可以被測(cè)得并監(jiān)測(cè)，電磁攪拌器5位置處凝固坯殼厚度及液相的比率一定，此時(shí)通過(guò)給攪拌器5施加一固定的電流及頻率，便可對(duì)攪拌器內(nèi)未凝固的鋼水進(jìn)行電磁攪拌。當(dāng)工藝參數(shù)變化時(shí)，如拉速變化，電磁攪拌器位置的鑄坯坯殼厚度及未凝固液相比率會(huì)發(fā)生變化，因此需要調(diào)整二冷水噴嘴7的水量即二次冷卻區(qū)9的冷卻水量，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得電磁攪拌器5位置處凝固坯殼厚度及液相的比率接近該處的設(shè)定值，如上所述該設(shè)定值是根據(jù)事先的大量實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，當(dāng)?shù)扔谠撛O(shè)定值時(shí)，電磁攪拌器5的參數(shù)無(wú)需調(diào)整。當(dāng)工藝參數(shù)變化很大時(shí)，如拉速變化較大，調(diào)整連鑄二冷冷卻水量已經(jīng)不能使得已安裝電磁攪拌器5位置處的凝固坯殼厚度及液相比率與設(shè)定值相等，根據(jù)模型計(jì)算出的凝固坯殼厚度和未凝固液相的比率，再確定攪拌器參數(shù)的調(diào)整。從而保證鑄坯和凝固組織的內(nèi)部質(zhì)量。本方法可以實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，使得連鑄二冷與電磁攪拌組合控制的效果更為理想，再經(jīng)托輥4及拉矯輥6，完成連鑄生產(chǎn)過(guò)程，得到較好內(nèi)部質(zhì)量的鑄坯和凝固組織。計(jì)算實(shí)例1、國(guó)內(nèi)某廠的圓坯電磁攪拌控制。計(jì)算參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>計(jì)算結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌器的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述方法如下(1)采集連鑄生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)；(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并計(jì)算電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率；(3)工藝參數(shù)變化時(shí)，調(diào)整二冷冷卻水量，使得電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率逼近該位置處的設(shè)定值；(4)當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量使電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，電磁攪拌器的電流和頻率無(wú)需調(diào)整；(5)當(dāng)調(diào)整二冷區(qū)水量不能使得攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率與該位置處的設(shè)定值相等時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率，調(diào)整電磁攪拌器的電流和頻率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于在所述步驟(2)中，實(shí)時(shí)計(jì)算電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的方法如下(2.1)建立計(jì)算鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率的模型義.(I'J卜^31^，其中T(i，j):為鑄坯內(nèi)部某網(wǎng)格點(diǎn)的溫度，單位t:;T1:為液相線溫度，°C;Ts:為固相線溫度，°C(2.2)確定鑄坯所有固相率>0.7的凝固節(jié)點(diǎn)；(2.3)根據(jù)凝固節(jié)點(diǎn)計(jì)算凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述計(jì)算鑄坯內(nèi)部每點(diǎn)的固相率的模型，還采用了坯齡跟蹤模型，使計(jì)算結(jié)果精確反映當(dāng)工藝參數(shù)變化時(shí)，電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相比率的實(shí)際值。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述坯齡跟蹤模型是在連鑄坯上每隔一定長(zhǎng)度設(shè)置一個(gè)切片并跟蹤，每個(gè)切片記錄其生成時(shí)間、經(jīng)歷時(shí)間和距彎月面距離。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述步驟(3)、(4)、(5)中，所述電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率設(shè)定值是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述步驟(5)中，電磁攪拌器采用的電流和頻率的調(diào)整是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連鑄坯二冷區(qū)冷卻水量與電磁攪拌的動(dòng)態(tài)控制方法，其特征在于所述調(diào)整二冷區(qū)的冷卻水量是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的PLC來(lái)控制二冷區(qū)水閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。全文摘要本發(fā)明涉及金屬鑄造領(lǐng)域，特別是對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)連鑄坯二冷冷卻水量與電磁攪拌器的動(dòng)態(tài)控制方法。本發(fā)明的主要發(fā)明點(diǎn)在于建立了電磁攪拌器位置處凝固坯殼厚度及未凝固液相的比率的計(jì)算模型，使得在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，工藝參數(shù)變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整二冷冷卻水量來(lái)動(dòng)態(tài)控制電磁攪拌參數(shù)，從而獲得更高質(zhì)量的連鑄坯。文檔編號(hào)B22D11/16GK101698224SQ20091023843公開(kāi)日2010年4月28日申請(qǐng)日期2009年11月20日優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日發(fā)明者劉志明,張炯明申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)