板坯结晶器论文

板坯结晶器论文（精选7篇）

板坯结晶器论文 篇1

一、概述

连铸板坯角部横裂纹缺陷是国内外钢铁企业面临的共性难题, 角部横裂纹能够引起轧后板材边部裂纹缺陷, 严重的直接造成板材报废。目前从各钢铁企业连铸板坯生产情况来看, 角部横裂纹发生率最佳控制值在4%~5%, 首秦连铸板坯角部横裂纹发生率较高, 曾采取工艺优化措施, 如控制钢水氮含量、微钛合金化处理含铌钢、调整结晶器保护渣性能、采用结晶器非正弦波振动、优化连铸二冷配水及提高连铸设备安装精度等, 使角部横裂纹发生率有所降低, 但平均发生率仍在10%以上, 不能从根本上解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。采取切角方式处理产生角部横裂纹缺陷的铸坯, 造成降低金属收得率, 增加生产成本。

通过对连铸板坯结晶器角部结构优化设计, 将直角结晶器改进为倒角结晶器, 解决了连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。目前倒角结晶器已成功应用于首秦连铸板坯生产, 生产钢种有普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等。

首秦2号连铸机为直弧型多点矫直的单流板坯连铸机, 具有结晶器在线调宽装置、结晶器液面控制系统、结晶器液压非正弦振动、动态二冷自动配水系统、扇形段远程自动辊缝调节系统以及动态轻压下等多项先进技术, 设备主要参数为:断面宽面尺寸1500~2400 mm, 断面窄面尺寸200~320 mm, 冶金长度31 m, 平均拉速0.85~1.1 m/min, 主要生产碳素钢、低合金结构钢、桥梁钢、船板钢、锅炉容器钢、高强钢和管线钢等。

二、连铸板坯角部横裂纹形成分析

角部横裂纹是连铸板坯较多发生的表面缺陷, 发生在铸坯角部的振痕波谷处, 深度大多在2~7 mm, 裂纹长度通常在5~20 mm, 由铸坯表面内部沿钢的晶界展开。低碳钢、低合金钢和含铌、钒、钛微合金钢铸坯的角部横裂纹发生率高于其他成分钢, 连铸板坯角部横裂纹形成分析如下。

1. 连铸板坯在钢的高温脆性区矫直产生角部横裂纹

连铸板坯角部横裂纹的产生与钢的高温脆性温度区 (700~900℃) 有关, 实际连铸生产中, 多数钢种的高温脆性区在700~900℃之间。在连铸矫直区域, 如铸坯边角部温度位于钢的高温脆性温度区内, 由于钢延塑性降低, 在矫直变形时即容易在内弧侧铸坯角部的表面振痕波谷处生成角部横裂纹。

连铸坯高温脆性温度区范围和在该温度区内铸坯延塑性降低程度与钢的化学成分有关。在奥氏体低温区域, 含铌、钒、钛的微合金化钢和铝脱氧钢铸坯中氮化物、碳氮化物的析出造成钢的延塑性显著降低, 如铸坯在这一脆性温度区域进行矫直, 矫直应力会造成铸坯角横裂纹频繁发生。实际生产中, 含铌、钒、钛钢铸坯的角横裂纹绝大多数是在矫直过程产生的。

2. 铸坯角部应力集中导致产生角部横裂纹

对于直角铸坯, 铸坯角部存在拉应力。在铸坯矫直区域, 铸坯角部及靠近角部位置在矫直力作用下产生应力集中, 导致连铸坯角部产生横裂纹。直角铸坯角部拉应力是导致出现角部横裂纹的直接原因。

3. 首秦直角连铸板坯角部横裂纹成因分析

首秦直角连铸板坯角部横裂纹发生在铸坯宽面与窄面交汇的角部以及宽面侧偏离角部的部位, 垂直铸坯拉坯方向, 角部横裂纹长度5~15 mm, 深度4~12 mm, 中碳含铌钢直角连铸坯角部横裂纹形貌是从铸坯表面一直延伸至基体内部, 呈穿晶断裂。

连铸板坯角部横裂纹起源于角部粗大原奥氏体晶界, 在角部热应力和矫直应力的综合作用下, 裂纹沿原奥氏体晶界扩展并一直延伸至基体内部。为防止连铸板坯角部横裂纹, 采取以下措施:提高连铸板坯角部在矫直区的温度, 避免连铸板坯表层形成粗大的原奥氏体晶粒, 以及矫直时在原奥氏体晶界析出铁素体薄膜, 以减少角部横裂纹的产生。

三、连铸板坯倒角结晶器

由连铸板坯角部横裂纹形成分析可知, 为根本解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题, 应从温度和应力两方面改善铸坯角部状况, 即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区, 同时减少铸坯角部应力。

连铸板坯结晶器采用倒角结构能够满足以上要求, 通过结晶器倒角可改变连铸板坯角部的传热方式, 将二维传热改变为近一维传热, 提高矫直时连铸板坯的角部温度, 避开钢的高温脆性温度区;结晶器倒角能够消除铸坯角部的拉应力和应变集中, 以达到减少连铸板坯角部横裂纹, 提高铸坯表面质量。

首秦2号板坯连铸机采用倒角结晶器技术, 此连铸板坯倒角结晶器是将窄面铜板与倒角设计为一体, 即窄面铜板带有倒角的结晶器结构 (图1) 。

连铸板坯倒角结晶器角部的最佳倒角尺寸取35 mm×35 mm比较合理, 能使矫直时连铸板坯的角部温度高于钢的高温脆性区, 同时倒角铸坯能够完全消除角部应力和应变集中, 又能大幅度降低倒角连铸坯角部变形程度, 以减少连铸坯产生横裂纹的几率, 达到减少连铸坯角部横裂纹目的。

连铸板坯35 mm×35 mm倒角部位的形貌平整、光滑, 振痕均匀, 铸坯的宽面、倒角面及窄面的过渡面均很圆滑, 表明板坯倒角结晶器结构及尺寸设计均比较合理 (图2) 。

四、应用及效果

连铸板坯生产实践表明, 采用倒角结晶器生产的连铸板坯, 角部温度比直角铸坯明显升高, 如铌、钒、钛钢倒角坯矫直区角部温度在900~940℃之间, 高于钢的高温脆性区70℃以上;倒角结构消除了铸坯角部拉应力和应变集中, 有效控制了铸坯角横裂纹。

首秦连铸机应用倒角结晶器以来, 普碳钢、低合金钢、中碳含铌钢倒角铸坯平均角横裂纹发生率由10.6%降低至1.6%, 显著改善了铸坯质量, 采用倒角结晶器生产钢种的质量情况如下, 基本完全消除普碳钢、低合金钢铸坯角横裂纹缺陷;对中碳含铌钢铸坯, 能使未彻底消除的裂纹缺陷尺寸变小, 降低铸坯切角处理比率, 大幅度降低铸坯角横裂纹发生率, 提高钢板的成材率, 降低生产成本。

五、结论

(1) 为根本解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题, 从温度和应力两方面改善铸坯角部状况, 即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区, 同时减少铸坯角部应力。

(2) 倒角结晶器成功应用于首秦, 连铸生产实践表明, 在连铸矫直区, 倒角铸坯的角部温度比直角铸坯提高70℃以上, 避开了钢的高温脆性区, 能消除铸坯角部拉应力及应变集中, 显著减少了连铸坯角部横裂纹缺陷, 实现了普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等多钢种的稳定生产;

(3) 连铸板坯倒角结晶器技术的应用, 解决了国内外钢铁企业长期存在的连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。

参考文献

[1] 干勇.现代连续铸钢实用手册[M].北京:冶金工业出版社, 2010

[2] 蔡开科.连铸结晶器[M].北京:冶金工业出版社, 2008

[3] 王文军, 李本海, 等.板坯连铸倒角结晶器的开发与应用[J], 钢铁研究学报, 2012 (9) :21-26

[4] 朱志远, 王文军, 等.连铸板坯倒角结晶器的开发与应用[J], 世界金属导报, 2011.12.6

板坯连铸机结晶器调节阀优化控制 篇2

日照钢铁有限公司板坯连铸机结晶器冷却系统采用KOSO调节控制装置(EPL801电—气仪表机构、5227LA系列气动薄膜式执行机构、501T系列顶部导向型单座调节阀三者组合而成)。流量计的实时数值转换为模拟信号传输至PLC系统,根据工艺水流量要求通过程序输出的模拟信号作用于调节阀的电气元件,改变调节阀开度,控制水流量使之达到工艺要求。

板坯连铸机多次发生因流量计损坏,导致结晶器缺水造成铜板烧坏的设备事故。为此,分析调节阀的流量特性、流通能力与实际现场工艺要求(包括结晶器冷却最小值)后,建立了一套事故状态下的程序给定控制,使调节阀不会随流量计等其他设备故障而误动作,将其开度控制在一定范围内,确保结晶器不致缺水发生事故且能继续浇钢。同时发出报警提醒主控人员及时切换到手动配水模式,保证生产连续、稳定进行。

二、改进前分析

1. 调节阀的流量特性

调节阀接受来自调节器的模拟输出信号,通过气路与弹簧阻力的作用达到一个平

衡点使推杆动作,改变开度调节介质流量。调节阀的流量特性是阀位开度和流量的关系,是反映调节阀性能的重要指标[1],数学表达式如下。

式中Q———调节阀某一开度时的流量,mm3/s

Qmax———调节阀全开时流量，mm3/s

L———调节阀某一开度时行程，mm

Lmax———调节阀全开时行程，mm

f———控制对象的放大系数

现场使用的百分比调节阀对调节对象有一定自平衡能力,利用现场停机时间对调节阀的流量特性进行实际统计分析。选取调节阀的实际流量特性进行Matlab仿真曲线,得到的实际曲线虽然达不到理想百分比的特性,但其基本控制性能良好。流量特性在开度小时流量及放大倍数小,缓和平衡,开度大时流量大及放大倍数大,工作灵敏度高。

2. 调节阀自动控制系统

在无外界干扰、无故障等理想状态下,实际水流量与调节阀开度达到一个平衡点,但实际控制系统时刻存在波动干扰,调节控制系统是一个动态的平衡过程。从结晶器冷却系统设备工艺流程(图1)可看出,控制系统的设计只考虑到调节阀本身的选择方式与流量、阀开度的特性,忽略了整个自动系统中的检测元件(流量计、PLC等)若出现故障会直接导致调节阀执行错误动作,给生产带来极大隐患。

通过以上综合分析调节阀的流量特性与工艺要求,在控制中引入调节阀开度最小控制程序,确保设备故障时的安全生产。

三、改进实施

1. 调节阀最小开度控制

控制原理见图2,调节阀最小开度控制程序核心部分见图3,实际现场采用半自动调节控制系统(自动调节与手动调节DB540.DBX52.2),DB540.DBD48是调节阀输出的实际开度值,与25相比较若小于其值则连通后部程序以20736(现场实际验证冷却水量得出的经典参数,是保证调节阀输出的最小开度模拟量,是对应25%开度的数字量)再赋予调节阀进行强制干预保证最小开度状态。20736传输到PLC的模拟量输入模块,即20736/27648=75%,1-75%=25%,那么PLC实际对调节阀的输出为25%(事故状态下的最小阀门开度,4～20mA对应0～27648)。结合现场实际情况,25%的开度约为20m3/h。

2. PID优化

PID控制中的积分作用越强稳定性越差,现场反复试验,对P、I值进行优化设置后,P为0.00004,I为50.000,并应用在固有的PI调节参数模块中,使调节阀波动过程中有很好的响应动作,响应时间也较短且平稳(图4)。

四、改进效果

日照钢铁有限公司5#～9#板坯连铸机实施上述改进后,控制效果良好。2011年6月11日凌晨,8#机结晶器宽面回水FT301、FT302流量计报警出现流量最大情况(后确认是PLC模拟量输入模块损坏),调节阀控制程序自动切换到结晶器水最小开度控制保护,调节阀保持最小开度,保证了结晶器必要冷却水流量,避免了非计划停浇、两块宽面铜板损坏、漏钢和结晶器爆炸伤人等恶性事故。保证了生产的连续稳定进行、设备和人员的安全。

参考文献

板坯结晶器论文 篇3

1 结晶器铜板制造工艺创新

结晶器铜板作为连铸从液态钢水到凝固成固态坯壳的重要导热部件, 其质量好坏直接影响到铸坯的表面质量, 熔融的钢水流经结晶器铜板, 在外界冷却水的作用下结晶成坯, 并被引锭杆从结晶器拉出。长时间拉坯使结晶器铜板磨损严重, 更换频繁, 不仅降低生产效率, 而且消耗大量装配过程中易损部件。因此提高结晶器铜板使用寿命是迫在眉睫, 而铜板的合理加工过程是提高寿命的必须保障, 铜板表面镀层是关键所在。

1) 结晶器铜板制造工序较多, 工期长。制造工艺流程:原材料→真空熔炼→真空铸锭→分析化学成分→锻造→固溶处理→时效处理→粗加工→机械性能检测→超声波探伤→成品检验→粗加工周边平面→精加工→尺寸检验→表面处理→镀层检验→镀层加工→抛光→成品检验。

超声波探伤很是重要, 必须100%检验。因此引用了超声波探伤, 减少了许多铜板的损失, 节省了费用还保证了质量。基体中存在的夹渣导致铜板中杂质含量增加, 使合金的机械性能和导电率下降。铜板基体中完全避免夹渣是极为困难的。超声波探伤标准中允许有直径小的、单个缺陷存在, 直径极小的单个缺陷对铜板性能影响不大。不允许有连续的夹渣缺陷, 连续的夹渣缺陷不但导致机械性能和导电率的下降, 而且使镀层局部的结合强度降低, 使用时造成镀层脱落。

2) 结晶器铜板镀层主要有镀铬、镀镍钴与镀钴镍这三种。镀铬从开始引进技术到目前为止已经很成熟。而镀镍钴及镀钴镍现有的程度还不是很完善, 钴含量的多少以及镀镍钴、镀镍钴的工艺过程都满足不了钢厂的要求, 各大钢厂要求上机一次宽面铜板过钢量为12万吨, 窄面铜板为8万吨, 而我厂现有情况只有6万吨左右。为此我更深一步地学习相关方面的知识并请教专家, 改进了镀镍钴、镀钴镍的含量, 改进后铜板的硬度由原来的400~500HV降低到了250~300HV, 从而加工难度降低了, 节省了工时同时还节省刀具, 降低了公司的成本、提高了工作效率。还有铜板镀层以前总是在钢厂拉钢没多少的时候就脱落了, 其原因主要是镀层本来就不合格而出厂, 造成公司的名誉不好, 为此经过改进, 我们制定了铜板结合力检验标准, 要求铜板在出厂前必须进行结合力检验, 必须达到结合力检验标准后, 方可出厂。

进过工艺改进后的铜板基本都能满足用户的需求, 为公司赢得了市场空间。

2 结晶器水箱制造工艺创新

结晶器水箱是整套结晶器很重要的一部分, 它的主要作用是, 给钢坯起到冷却作用。具体过程是冷却水通过水箱进入铜板, 然后通过水箱的另一端又出去, 就这样不断的循环水, 从而达到冷却的目的。因此它的质量的好坏直接影响结晶器的使用性能。

2.1 宽面水箱的加工难点

由于宽面水箱材料为16Mn, 而且宽度都在1.5×2m, 要求加工后平面度为±0.1mm, 平面尺寸加工面积大, 而且钢板在加工后产生变形, 很难保证尺寸公差, 所以装配时的直接后果就是铜板安装有间隙造成打压漏水。

通过分析, 加工工艺是造成水箱加工后变形的主要原因, 只有改进加工工艺, 才能够解决水箱变形, 才能保证产品使用性能。

宽面水箱在加工完后, 发生变形, 平面度超差, 无法满足图纸要求, 其主要原因是:

1) 水箱焊接方式不合理;

2) 水箱机加前未退火, 焊后热处理不充分;

3) 粗、精加工留量不合理;

4) 精加工时取消压板, 应该用压板将两短边压住。

2.2 宽面水箱工艺改进

1) 宽面水箱在焊接前一定要预热, 预热时间根据材料选定, 并检测焊前温度;

2) 水箱焊接时, 要根据材料成分选择符合国家标准的焊条, 严格按焊接工艺执行;

3) 焊接后就进行退火, 以减少钢板气割时的应力, 根据板厚确定准确的热处理工艺路线图;

4) 宽面水箱粗加工和精加工要分开, 留合适的加工余量;

5) 严格执行修改后的工艺, 各道序操作者在每道工步应自检;

6) 对各主要工序留量应准确, 检验员应检测上道序机加工留量。

经过重新修定加工工艺, 宽面水箱的加工精度得到很大提高, 成功解决了宽面水箱加工变形产生的漏水问题, 保证了水箱平面度控制在±0.1mm, 使板坯核心件尺寸精度使用寿命得到提高, 通过对各钢厂使用的宽面水箱定期跟踪检测, 产品经过钢厂使用一个周期后, 各项检测指标达到要求, 满足了用户使用要求, 得到各大钢厂的好评。该加工技术的方法, 对于其他机械加工厂也有很大的借鉴意义。

3 结晶器足辊开口度的优化设计

板坯结晶器足辊开口度的设计, 关系着整个钢坯的质量, 钢坯从结晶器铜板出来经过足辊支撑、喷淋冷却做进一步的定型。一般的设计都是结晶器足辊的开口度随着结晶器铜板的开口度而定, 即足辊与铜板在一个面上。而最近有几家用户普遍反映铜板过钢量不够, 主要是铜板下口磨损严重, 导致下线。经过分析研究, 除了改善铜板镀层质量外, 足辊开口度优化是也能起关键作用。

经过作图与反复的演算, 优化的方案是:将窄面足辊相对于铜板提高0.3~0.5mm左右 (加大足辊开口度) , 具体定多大根据钢厂的实际情况而定, 提高之后足辊相当于承担了一部分铜板的支撑作用, 铜板磨损肯定会减轻, 提高过钢量。经过在首秦钢厂的实际使用, 将足辊高于铜板表面0.3mm, 铜板过钢量达7.1万吨下线, 这次是我公司窄面铜板有始以来最高的一次过钢量。之后首秦二号机安装铜板时都按上次试验数据安装, 过钢量都达到首秦过钢量要求。因此实践证明, 通过优化足辊开口度, 对提高窄面铜板的使用寿命起到了积极的作用, 有利于提高铜板过钢量。

之后推广了这种足辊优化方法, 大大地提高了铜板过钢量, 为钢厂及我公司带来了可观的经济效益, 也提高了钢厂对我公司的信誉度。

总之, 通过铜板制造工艺创新、水箱工艺改进、足辊开口度的优化设计, 提高板坯结晶器的过钢量。

摘要：本文介绍了板坯结晶器中几个关键部件的改进与优化设计, 即铜板制造工艺改进、水箱制造工艺创新、足辊开口度的优化设计, 提高板坯结晶器的过钢量。

板坯结晶器论文 篇4

1 结晶器区域铸坯的热/力耦合模型

模型采用运动坐标系的二维切片法, 即沿铸坯横断面方向, 按时间步长截取断面, 建立二维非稳态模型, 采用单元生死技术研究结晶器内不同部位的铸坯薄片, 从弯月面处开始以拉坯速度移动过程中所经历的热和力学过程。根据H2结晶器的对称性, 取1/4铸坯横断面作为模型研究对象, 如图1所示。

1.1 基本假设条件

(1) 拉速恒定;

(2) 忽略拉坯方向 (垂直方向) 的传热;

(3) 钢水在凝固过程中成分均匀;

(4) 满足小变形理论, 假设材料各向同性, 铸坯断面处于平面应力状态。

1.2 控制方程

结晶器的传热是连铸坯冷却凝固过程中最重要的环节, 它直接影响到铸坯的表面质量和铸机生产率。结晶器的传热应保证在规定的拉速下, 使铸坯出结晶器时, 形成具有足够厚度和均匀的坯壳[1]。

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式中:ρ为铸坯密度, (kg·m-3) ;C*为铸坯等效热容, [J· (kg·℃) -1];T为温度, (℃) ;t为时间, (s) ;λ为铸坯的导热系数, [W· (m·℃) -1];x和y为铸坯宽度和厚度方向的坐标, (m) 。

因薄板坯在高温状态下的应力状态比较复杂, 故采用冯米赛斯等向强化准则和普朗特-路斯塑性流变法则建立增量形式的应力应变关系式, 考虑温度变化所引起的应变增量, 热弹塑性模型增量关系的应力应变表达式如下[2]:

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式中:[D]为弹性矩阵;[D]ep为弹塑性矩阵;{σ}为应力矩阵;{ε}为应变矩阵;α为热膨胀系数。

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1.3 定解条件

(1) 初始条件

热分析初始条件:弯月面处钢水均匀分布, 以此作为时间t=0, 此时初始温度为钢水的浇铸温度TC。

力学分析初始条件:弯月面处钢水静压力为零。

(2) 边界条件

与传统板坯连铸相比, 薄板坯连铸的拉坯速度较大, 钢液在结晶器内的停留时间短, 传热上也存在较大的差异。结晶器内的热流密度表达式为[3]:

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式中:q为热流密度, (kW·m-2) ;τ为铸坯在结晶器内弯月面下停滞时间, (s) ;undefined (其中lm为钢水在结晶器内的高度, (mm) ;v为铸坯的拉坯速度, m·min-1) 。

上述方程仅给出了弯月面下不同高度处的热流量, 并未反映出沿坯壳周边的热流量变化。然而, 结晶器壁温度场测试结果表明:连铸坯凝固过程中, 在弯月面下一定位置, 气隙首先形成于坯壳角部, 并且随着位置下移, 气隙区域在横向上逐渐变宽, 纵向上逐渐变厚。因此, 角部的热流量明显低于中心区的热流量。为反映出此变化趋势, 引入一个与气隙相关的系数c。边角部热通量q*可以定义为:

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参照唐钢FTSC薄板坯连铸结晶器热相图, 模拟采用的系数c取值范围如下:把气隙的形成分为三个阶段:第一阶段是紧密接触区, 即弯月面以下 (0～0.1) lm, c取1;第二阶段是气隙的初步形成区, 即弯月面以下 (0.1～0.4) lm, c取0.95～0.85;第三阶段为气隙稳定存在区 (结晶器内剩余部分) , c取0.85～0.75[4]。

(3) 坯壳凝固前沿的钢水静压力

在薄板坯凝固过程中, 随着温度的降低, 固态坯壳不断增厚, 凝固前沿不断向铸坯内部推进, 在薄板坯未完全凝固之前, 坯壳内表面始终受到钢水静压力的作用。

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式中:P0为钢水静压力 (Pa) ;ρ为钢水密度 (kg·m-3 ) ;g为常数;h为钢水深度 (m) 。

(4) 结晶器的锥度

所建立的薄板坯二维薄片为结晶器铜板的内腔形状, 通过控制其运动轨迹来模拟结晶器锥度。

1.4 薄板坯的热力学参数

(1) 密度

薄板坯在凝固冷却过程中体积会发生变化, 其密度与钢种、温度和相变有关。本研究液相密度取7000kg·m-3, 固相密度取7400kg·m-3。

(2) 导热系数和凝固潜热

导热系数与温度和钢种有关;钢液在两相区内凝固时会释放出凝固潜热, 在计算中采用热焓法处理凝固潜热, 即ΔH=∫ρc (T) dT。

此外, 弹性模量、泊松比、热膨胀系数等均随温度而变化[5], 模拟铸坯在结晶器内的热变形所用工况条件见表1。

由图3结晶器内薄板坯宽面中心处的坯壳厚度变化曲线可以看出, 注入结晶器内的钢水, 在弯月面附近与结晶器壁直接接触进行对流热交换, 铸坯向外传热的热流密度较大, 钢水沿结晶器内壁逐渐凝固形成初生坯壳, 由于此处不仅有钢液凝固潜热的释放, 而且还有部分显热的放出, 因此初生坯壳生长速度较慢;随着铸坯切片与弯月面距离的增加, 坯壳逐渐增厚, 当坯壳凝固到一定厚度时, 其外表面温度的降低使坯壳开始收缩, 并企图离开结晶器。

2 模拟结果及分析

2.1 薄板坯横断面温度场的分布

铸坯在结晶器不同位置的温度场分布如图2所示。薄板坯角部冷却较快, 温度最低。当薄板坯到达结晶器出口处时, 宽面中心位置的表面温度为1208℃, 角部温度为753℃。

内壁, 但因坯壳较薄, 铸坯内部的钢水静压力又强迫坯壳紧贴结晶器壁, 导致坯壳与结晶器内壁之间动态地存在着气隙的产生及消失。坯壳降温收缩形成气隙后, 界面热阻增加, 热交换速率降低, 坯壳增厚变缓, 气隙处的坯壳可能出现回温膨胀, 或抵抗不住内部高温钢水静压力而重新紧贴到铜壁上, 迫使气隙消失, 气隙消失后, 界面热阻也随之消失, 导热量增加, 坯壳增长趋势加快;如此反复, 直至坯壳的厚度增加到其强度和刚度足以承受钢水静压力时, 坯壳才脱离结晶器壁, 形成稳定的气隙, 致使坯壳的增厚进一步趋缓。

2.2 薄板坯横断面应力场的分布

随着薄板坯向下移动, 钢水静压力成为影响坯壳应力的主要因素。由图4可以看出, 在距离弯月面0～400mm处, 坯壳承受的最大等效应力值上升非常迅速;在距弯月面400mm直至出结晶器的区域内, 坯壳应力增加趋缓, 原因是坯壳增厚导致的凝固收缩以及漏斗区“萎缩”现象、由于锥度原因等结晶器壁对坯壳法向的挤压作用抵消了一部分钢水静压力。

从图5铸坯在结晶器内不同部位上的等效应力分布可以看出, 在凝固初期, 因角部冷却速度快, 薄板坯的最大等效热应力出现在角部区域, 随着凝固的进行, 由于漏斗区较其它区域有较大的形变, 致使漏斗区域, 特别是漏斗区的起始端点处坯壳产生较大的应力。

3 结论

(1) 薄板坯被拉出结晶器时宽面中心位置的表面温度为1208℃, 角部温度为753℃, 坯壳厚度为8mm, 与现场实际较为吻合。

(2) 铸坯角部为坯壳最大应力处, 漏斗区始端应力亦较大。

(3) 漏斗区“萎缩”现象及锥度导致的结晶器壁对坯壳的挤压可抵消一部分钢水静压力。

摘要：基于SPHC钢在H2结晶器内的凝固过程, 利用有限元软件ANSYS中的单元生死技术, 通过改变薄板坯单元的状态建立其在结晶器内随时间变化的二维非稳态模型。模拟出薄板坯在结晶器不同部位处的温度场及应力场分布情况, 其结果可为优化结晶器锥度及改善薄板坯质量提供理论依据和技术基础。

关键词：薄板坯,传热分析,应力场

参考文献

[1]张家泉, 崔立新, 陈志平, 等.板坯连铸结晶器内温度/应力场耦合模型[J].北京科技大学学报, 2004, 26 (4) :373-376.

[2]干勇, 仇圣桃, 萧泽强.连续铸钢过程数学物理模拟[M].北京:冶金工业出版社, 2001.

[3]杨刚, 李宝宽, 于洋, 等.薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热分析[J].金属学报, 2007, 43 (3) :332-336.

[4]杨晓江, 白健, 杨春政.薄板坯连铸结晶器传热行为的研究[J].河南冶金, 2004, 12 (3) :13-14.

板坯结晶器论文 篇5

关键词：结晶器,热电耦,温度

唐钢薄板坯连铸机采用了国际上先进成熟的技术和装备, 高度集中的自动化控制系统, 其中结晶器漏钢预报系统的技术更是处于国内领先水平。

一系统概述

结晶器是整个连铸机的核心部分, 钢水将在此处由液态转化为固态, 由于钢水温度、保护渣、结晶器等因素, 在生产过程中, 可能发生钢坯某点凝固于结晶器铜板上造成黏结, 如果黏结没有被及时发现, 钢坯在此处将产生断裂, 造成漏钢。漏钢预报系统就是针对此种情况, 当钢水在结晶器中有发生黏结和漏钢的趋势时, 提前发出警告, 以提示相关操作人员, 及时做出相应操作, 将事故的损失降到最小或避免事故的发生。

二算法描述

结晶器的宽面和窄面上布满了热电耦, 通常我们选择宽面上数第二行热电耦作为标准热电耦, 我们称之为meniscus (弯月面) 行。Meniscus行的热电耦的温度值 (m e n i s c u s temperature, 简称TC_meniscus) 将作为一个标准值被用来和行中每个热电耦所处列中的其它热电耦的温度值 (我们称之为check thermocouple temperature, 简称TC_check) 作比较, 以防止温度接近黏结点, 避免黏结和漏钢的发生。

漏钢预报系统主要有以下两种功能:

黏结预报功能

漏钢预报功能

算法中将会用到以下参数:

Sticking Check Value:热电耦实际检测的温度值和同一列中meniscus热电耦平均温度的差值;被认为是绝对正值。

Sticking Deviation Limit:超过这个值就会被认定是产生了黏结条件;被认为是绝对正值。

C h e c k I n t e r v a l:保证正确的meniscus倾斜度条件的后台检验时间。

Sticking Warning Count Limit:产生黏结警告所需的最少符合黏结条件的热电耦数量。

Sticking Alarm Count Limit:产生黏结报警所需的最少符合黏结条件的热电耦数量。

Breakout Deviation Limit:热电耦的温度超过这个值就会被标定为符合漏钢条件点 (Hot spot) 。

以上这些参数的值将由相关技术人员根据不同的钢水等级、不同的浇铸条件进行设定。

(1) 黏结预报功能

Meniscus行的热电耦的温度值将会被用来和行中的每个热电耦所处列中的其它热电耦的温度值作以下的算法判定:

(1) 设定Deltatemperature=TC_meniscus-TC_check

判定Delta temperature>Sticking Check Value是否成立

(2) 设定M e n i s c u s G r a d i e n t=[TC_meniscus (Now) -TC_meniscus (Previous) ]/[Time (Now) -Time (Previous) ]其中TC_meniscus (Now) 为本次检验循环的T C_m e n i s c u s值, T C_m e n i s c u s (Previous) 为上次检验循环的TC_meniscus值, Time (Now) 为本次检验循环的实际时间, Time (Previous) 为上次检验循环的时间。

判定Meniscus Gradient>Sticking Deviation Limit是否成立。

如果以上两个比较均成立的化, 那么这个和meniscus热电耦作比较的热电耦将被标识为“Sticking On”, 并且程序中的每一列的计数变量“Sticking On Count (SOC) ”会自动加“1”。然后程序将执行以下算法来估计黏结的可能性:

如果两个相邻列的S O C值的和大于或等于Sticking Warning Count Limit的话, 系统将会发出黏结警告 (Sticking W a r n i n g) 。

如果两个相邻列的S O C值的和大于或等于Sticking Alarm Count Limit的话, 系统将会发出黏结警告 (Sticking A l a r m) 。

(2) 漏钢预报功能

漏钢预报功能执行的运算操作主要是检查每个结晶器热电耦是否有不正常的温度曲线 (meniscus热电耦不考虑) 。

如上图所示, 作为第i行第j列热电偶的检测曲线TC_Grad (i, j) 被定义为:TC_Grad (i, j) =[TC_Temp (i, j) (tnow) -TC_Temp (i, j) (tprev) ]/ (tnow-tprev)

其中TC_Temp (i, j) (tnow) : (i, j) 热电耦的实时温度

TC_Temp (i, j) (tprev) : (i, j) 热电耦上个检测循环的温度

T n o w:当前检测循环实际时间

Tprev:上个检测循环执行时间

当某个热电耦温度曲线的值在两个连续的检测循环中均大于B r e a k o u t Deviation Limit时, 即TC_Grad (i, j) (tnow) >Breakout Deviation Limit A N D T C_G r a d (i, j) (t p r e v) >Breakout Deviation Limit, 那么该热电耦被标定为“Hot Spot”。

当相邻的两个热电耦均被标定为“Hot Spot”时, 系统将会发出漏钢报警。

三结语

板坯结晶器论文 篇6

薄板坯连铸连轧是上世纪80年代末, 90年代初被开发成功的生产热轧板卷的一项短流程工艺。它是当今世界钢铁冶金工业具有革命性的前沿技术, 它具有流程短, 能耗低劳动生产率高, 设备简单, 投资省, 成本低等一系列优点。它不仅促进传统流程的产品结构优化, 还大大提高了经济效益。

一、概述

薄板坯连铸连轧工艺技术的突破口是薄板坯连铸, 其中结晶器是关键, 在结晶器的关键技术中, 结晶器液位控制是一项非常重要的技术, 在板坯连铸生产过程中, 结晶器内钢水液位自动控制对提高铸坯质量和拉速, 开发新钢种, 稳定生产过程起着关键的作用。

结晶器液位控制的目的在于:

1) 防止夹杂物卷入铸坯, 避免铸坯表面和内部产生夹杂缺陷。

2) 防止结晶器保护渣的不均匀流入, 避免产生裂纹。

3) 使铸坯初期的凝固状态比较稳定, 保证在结晶器内部产生均匀的凝固坯壳。

4) 减少和避免漏钢溢钢等事故, 稳定生产操作。

二、应用实例

唐钢热轧薄板厂连铸机采用了意大利人丹涅利 ( (FTSR) 结晶器液位控制技术, 控制方式是调节钢水从中间包到结晶器的流量。结晶器液位的高度是由塞棒控制, 塞棒控制从中包到结晶器的流量。塞棒升/降由液压驱动, 驱动液压缸的是伺服阀和位置传感器。

1 结晶器液位控制系统配置包括:

一套塞棒控制机构

一个液压阀台:包括:开关阀比例伺服阀, 旁路阀。

一个限位开关检测手柄的位置。

一个安装到液压缸上的位置传感器 (磁尺) 。

一套检测液位的射线控制系统。一套铸流P L C系统包含有控制塞棒动作的程序。

塞棒的控制机构如图1。

2 射线型结晶器液位控制系统包括

一个线状放射源

一个闪烁计数器, 带有特殊电缆

一个用于系统控制的电器和电子系统。

射线液位控制系统采用Co 60, 利用r射线可穿透金属层的特性, 当r射线穿过水冷结晶器后, 被闪烁计数器所接收, 若钢钢水水液液面面低低于于射射线区, 射线将穿透结晶器的内腔, 此时被闪烁计数器所接收到射线强度最大, 若液面升高, 使射线源的部分射线被遮挡或吸收, 这样闪烁计数器所接收到的射线将随液面的增高而成比例减少。结晶器控制系统嵌入到结晶器宽面。自动化系统可根据结晶器液位实现自动开浇, 同时进行液位控制, (高低液位事故处理及停浇等) 。

三 结晶器液面控制的功能

自动开浇

结晶器液面控制

侵入式水口侵蚀的优化

在故障或断电情况下人工控制钢流。

1 铸机的自动开浇

当中间包达到预告设定的重量, 并接收到响应信号时, 打开塞棒。 (操作者可以通过本地操作项箱上的人工指令, 将塞棒由自动转为手动控制。) 结晶器内钢水达到设定液位后, 并由控制塞棒的位置来保持液位的目标值, 控制采用2级闭环控制控制器不断的将结晶器当前液位与目标液位相比较, 由PID算法计算的差值产生塞棒的位置参数, 该参数给到第二个PID, 根据液压缸的位置传感器检测的塞棒的实际位置来控制液压缸的伺服阀, 其控制的原理图如图2。

铸流PLC功能块输出一个速度参考值, 此参考值的变化范围为目标值的1%-100%且依已定义的加速曲线自动提高, 当达到目标值的100%时, 以目标值浇铸, 这种开浇曲线用以避免开浇时提速过快, 其自动开浇塞棒程序曲线示意如图3。

2 结晶器液面控制

在正常浇铸期间结晶器钢液面的液面波动会堵塞液态渣向结晶器和坯壳间的填充通道破坏液态渣的连续稳定, 恶化结晶器传热和润滑条件, 同时也易使杂质卷入铸坯内部, 结晶器的液面自动控制非常重要。从结晶器液位探测器获取结晶器内钢液面高度, 并将之与设定值进行比较, 通过调整塞棒位置来控制结晶器内钢液面。

3 漏钢及溢钢预防

此功能对结晶器内钢液面的超常变化进行监控, 如果检测到钢液面的快速下降, 则启动铸流P L C漏钢预防程序, 如果监测到液面的快速上升则启动铸流PLC中溢钢预防程序。

4 浸入式水口 (SEN) 侵蚀的优化

正常浇铸期间, 浸入式水口 (SEN) 的侵蚀集中在一个很窄的空间, 通过中间包按一定规律变化, 使得侵入式水口在结晶器内位置也按一定规律变化, 这样浸入式水口的侵蚀也是分布在一个较宽的区间, 以延长寿命。

四 结晶器液位控制系统在应用中的改进

唐钢薄板坯连铸机结晶器液位自动控制系统在应用中出现一些问题, 并在以下两个方面进行了改进:

1.液位控制系统的电缆长期工作在高温环境中, 并且中包在烘烤过程中经常出现封堵不严密情况, 造成对控制系统电缆火焰烫损, 原有的耐热电缆经过改进换成了铜管绝热电缆, 基本上避免了由于高温造成的控制系统电缆故障。

2.丹涅利公司提供的射线型液位控制器采用的射源是Co60, Co60的辐射量大, 而且使用寿命短, 由于是国外进口设备, 备品备件供应周期长, 成本高, 经过改进, 采用国产镭目公司的液位检测系统, 它的工作原理与Co60技术相同, 射源采用艳Sc-137代替Co-60, 它的照射剂量降低了22倍, 寿命延长了6倍, 源罐重量轻了5倍, 极大地方便了仪器的拆装和保护, 同时仪表接收采用新型高灵敏晶体, 使灵敏度提高40倍, 同国外产品比较使用的艳源更小, 成本大大降低。

结语

结晶器液位控制系统在连铸中的多项应用, 保证了铸坯质量和连铸生产顺利进行, 而结晶器钢液面的稳定性取决于结晶器钢液面自动控制系统以及中包塞棒的有效控制, 液位检测系统的准确性。

摘要：本文介绍了薄板坯连铸连轧工艺中, 薄板坯连铸机结晶器液位控制系统的主要功能, 原理。

关键词：结晶器塞棒位置传感器,射线液位控制

参考文献

[1]连铸

板坯结晶器论文 篇7

1 连铸机工艺参数

安钢第二炼轧厂2#、3#双流板坯连铸机的工艺参数如下。

铸机类型:直结晶器弧形连铸机;

铸坯断面:(210mm、230mm)×(800~1650mm);

结晶器振动:正弦振动,振幅±3.5mm(3#铸机振幅为4.0mm),频率50~300Hz;

铸机半径:10m;

冶金长度:29.4m。

2 结晶器液面波动现象

安钢第二炼轧厂2#、3#双流板坯连铸机在生产X65管线钢时,结晶器内液面呈现大幅波动,波动幅度达到±20mm,见图1。结晶器液面的大幅波动,容易导致渣壳被卷入到钢水中,影响钢的纯净度,使铸坯出现夹渣缺陷;另一方面当初生坯壳捕捉到被卷入的渣壳后,容易出现漏钢等恶性生产事故,导致被迫停浇。

3 原因分析

3.1 钢水成分及温度的影响

X65管线钢主要化学成分见表1。

%

3.1.1 碳含量

碳含量0.07%~0.15%的钢在凝固时要发生从δ-Fe到γ-Fe的包晶反应,伴随着较大的体积收缩,使得坯壳生长不均匀。在二冷区内钢水静压力导致铸坯在两个辊子中间产生鼓肚,铸坯鼓肚时产生泵吸效应,导致结晶器液面迅速下降,这时结晶器液面控制系统会提高塞棒位置,向结晶器填充钢水;鼓肚区域到达两个辊子中间时被压缩,液相穴内钢水也向结晶器内填充钢水,从而使液面迅速上涨。如此反复,使结晶器液面波动迅速加剧[1]。

3.1.2 锰硫比及钢水过热度

国外有资料表明[2],现代生产包晶钢要求钢中锰硫比大于180,以减少硫化物在振痕处的聚集,降低钢的热脆倾向,缓解液面波动。安钢在X65管线钢成分设计时,已经考虑了锰硫比对铸坯表面质量及结晶器液面波动的影响,其锰硫比大于180。

降低钢水的过热度,可减小钢水与铜板的温差,降低坯壳层的热应力和收缩应力,且降低过热度本身又能增加凝固速率,缓解液面波动,进一步减少在薄壳中的应力和开裂的可能性,提高生产率[2]。安钢第二炼轧厂2#、3#双流板坯连铸中包过热度控制在15~30℃左右,能满足生产要求。

3.2 冷却制度的影响

生产X65管线钢时,为防止铸坯表面纵裂和角横裂,结晶器和二冷均采用弱冷。结晶器弱冷可以有效抑制坯壳的不均匀生长,适当降低结晶器冷却水量可使坯壳生长均匀,防止液面波动的产生。目前安钢2#、3#铸机230mm厚度宽面水流量为3 600L/min,窄面水量500L/min,210mm厚度宽面水流量为3 200L/min,窄面水量450L/min,进出水温差7~8℃。二次冷却采用弱冷制度避免裂纹的扩大化,也可以提高铸坯表面温度,避免低温矫直,减少铸坯角横裂,但这会造成二冷区坯壳生长缓慢和坯壳表面温度较高,加剧铸坯鼓肚倾向,导致结晶器液面波动加大。因此,发生液面波动时均会采取降低拉速、增大结晶器足辊冷却和弯曲段(0段)、1段二冷水量来增加坯壳厚度、降低铸坯表面温度的办法来缓解。

3.3 保护渣的影响

初生坯壳在结晶器内生长的不均匀性会造成液面波动,而保护渣对初生坯壳的生长有重要的影响。理论研究结果表明[3],结晶器使用的保护渣采用高碱度、高粘度和高结晶温度时,结晶器铜板与初生坯壳间的渣膜中结晶相增加,坯壳稳定,可以避免由于不均匀性造成的结晶器液面波动。在开始生产X65管线钢时使用A保护渣(其成分见表2),其液面波动大,铸坯表面质量差,无法满足生产要求,于是更换使用B保护渣,液面波动得到了明显改善,见图2。

4 改进措施

综上所述,安钢生产X65管线钢时连铸结晶器液面波动产生的主要原因是结晶器内初生坯壳生长不均匀导致坯壳薄弱部位在二冷区鼓肚变形。控制结晶器液面波动应采取以下措施:

(1)降低钢水中硫含量,提高锰硫比,同时将中包钢水过热度控制在15~30℃之间。

(2)结晶器冷却采用弱冷,确保铸坯坯壳生长均匀;增大二冷区上部的冷却强度,减轻铸坯鼓肚倾向,抑制结晶器液面波动的产生。

(3)选择合适的结晶器保护渣,根据钢种特性适当提高保护渣的溶化温度、粘度和碱度,稳定连铸生产。

5 结束语

安钢生产X65管线钢时连铸结晶器液面波动产生的主要原因是结晶器内初生坯壳生长不均匀导致坯壳薄弱部位在二冷区鼓肚变形。通过降低钢水中的硫含量、提高锰硫比,同时将中包钢水过热度控制在15~30℃之间,结晶器冷却采用弱冷,增大二冷区上部的冷却强度,选择合适的结晶器保护渣等工艺控制措施,结晶器液面波动现象得到了很大的改善,基本控制在±3mm以内,铸坯质量得到了明显的提高。

参考文献

[1]温维新,刁承民,唐立冬,等.中薄板坯连铸包晶钢结晶器液面波动原因分析[J].山东冶金,2007,2(29):35-36.

[2]Samyon Royzm en.Continuous Casting of Peritectic Steel[J].Steel Technology International,2000:80.