基于高質(zhì)量鑄坯的連鑄凝固結(jié)構(gòu)及溫度控制的研究.pdf

1、連鑄坯的質(zhì)量對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)及最終產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。隨著鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)與飽和，高質(zhì)量連鑄坯已經(jīng)成為連鑄生產(chǎn)以及連鑄技術(shù)研究的核心目標(biāo)。連鑄坯的冷卻凝固行為與鑄坯的質(zhì)量有著密切聯(lián)系。研究分析連鑄過(guò)程中的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)并對(duì)凝固行為過(guò)程進(jìn)行有效控制，有利于提高連鑄坯質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鑄坯的連鑄生產(chǎn)。
　　 中心偏析、裂紋、夾雜為連鑄坯的重要質(zhì)量缺陷。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鑄坯的連鑄生產(chǎn)，必須減少甚至消除這些質(zhì)量缺陷。以高質(zhì)量連鑄坯為目標(biāo)，本論文對(duì)連

2、鑄過(guò)程中鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度研究，掌握連鑄坯的凝固機(jī)理，從宏觀和微觀層面研究分析鑄坯凝固結(jié)構(gòu)與中心偏析、裂紋、夾雜之間的關(guān)系，并提出相應(yīng)的優(yōu)化改善的方法，提高連鑄坯的質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)連鑄坯凝固過(guò)程控制方法進(jìn)行了研究，建立基于連鑄坯溫度在線測(cè)量的二冷閉環(huán)動(dòng)態(tài)模型及控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連鑄坯溫度的長(zhǎng)期穩(wěn)定控制，有助于高質(zhì)量鑄坯的連鑄生產(chǎn)。
　　 論文研究分析連鑄凝固結(jié)構(gòu)與中心偏析的關(guān)系，提出了一種基于擴(kuò)大偏析溶質(zhì)元素分配面積的改善連

3、鑄坯中心偏析的新方法。采用獨(dú)立節(jié)點(diǎn)方式加載實(shí)際水流密度，細(xì)化區(qū)分連鑄坯橫向和縱向上的傳熱邊界條件差異，研究建立了連鑄宏觀凝固傳熱模型，并針對(duì)一臺(tái)板坯鑄機(jī)的連鑄宏觀凝固結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。仿真結(jié)果表明，鑄機(jī)不均勻的橫向水流密度分布造成了不規(guī)則的凝固殼生長(zhǎng)形貌，鑄坯最先凝固點(diǎn)與最終凝固點(diǎn)的距離長(zhǎng)2-3 m。不規(guī)則的凝固末端形態(tài)導(dǎo)致了鑄坯中心偏析局部富集惡化，且不利于動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的有效實(shí)施；不均勻的冷卻強(qiáng)度分布增加了鑄坯裂紋的產(chǎn)生。據(jù)此研究獲

4、得了連鑄機(jī)噴嘴布置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模式。實(shí)際連鑄生產(chǎn)優(yōu)化應(yīng)用表明，均勻的橫向冷卻可有效改善連鑄板坯中心偏析局部富集問(wèn)題，提高了連鑄板坯的探傷合格率，且有助于鑄坯裂紋的減少。
　　 研究分析了連鑄凝固過(guò)程中的微觀晶體生長(zhǎng)機(jī)制；結(jié)合連鑄工藝特點(diǎn)，構(gòu)建了符合連鑄實(shí)際的枝晶生長(zhǎng)速率與連鑄拉坯速度之間的定量關(guān)系。采用確定性方法，研究建立了連鑄坯微觀枝晶生長(zhǎng)模型；并模擬討論了不同條件下枝晶生長(zhǎng)速率、一次枝晶間距、二次枝晶間距、枝晶尖端半徑、枝晶尖

5、端溫度、固液界面溫度梯度、固液界面液相濃度等參數(shù)在拉坯方向、厚度方向和橫向上的分布規(guī)律，及其與連鑄坯夾雜分布和裂紋產(chǎn)生的關(guān)系。依據(jù)夾雜顆粒在晶體界面的推移/捕捉理論可分析得知，在距離鑄坯表面34-73 mm區(qū)域(1/4斷面處和鑄坯中心之間)最容易沉積、捕捉夾雜物；拉速越大此區(qū)域越寬，冷卻強(qiáng)度越大此區(qū)域越窄。研究表明，在結(jié)晶器區(qū)域的凝固前沿溫度梯度較大，易導(dǎo)致鑄坯表面裂紋和皮下裂紋的產(chǎn)生。
　　 為更好地控制連鑄過(guò)程中的鑄坯溫度，

6、本文研究建立了基于表面溫度在線測(cè)量的二冷閉環(huán)動(dòng)態(tài)模型及控制方法。基于動(dòng)態(tài)溫度反饋控制的影響因素分析，采用模式識(shí)別方法，有效解決了拉速和水量變化歷史，以及二冷各區(qū)冷卻效果滯后性對(duì)鑄坯溫度動(dòng)態(tài)控制的影響。采用模式識(shí)別方法的反饋控制算法為：
　　 連鑄二冷閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制模型在測(cè)溫控制點(diǎn)前后采用反饋控制與前饋控制互補(bǔ)的模式；同時(shí)，引入了微調(diào)溫度區(qū)和最佳溫度區(qū)兩個(gè)控制區(qū)域，有效減小了控制調(diào)節(jié)中鑄坯表面溫度的波動(dòng)，縮短了溫度控制調(diào)節(jié)時(shí)間，提高

7、了控制的穩(wěn)定性和時(shí)效性。實(shí)際連鑄生產(chǎn)應(yīng)用表明，溫度閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)(OTCS)可對(duì)鑄坯溫度進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定地控制。在更換中間包或拉速波動(dòng)較大等非正常澆鑄狀態(tài)下，OTCS能將鑄坯表面溫度快速、穩(wěn)定地控制到目標(biāo)設(shè)定值。OTCS的應(yīng)用有效改善了鑄坯的表面質(zhì)量，提高了連鑄生產(chǎn)率。
　　 綜上所述，以高質(zhì)量連鑄坯為目標(biāo)，本論文從宏觀、微觀連鑄凝固結(jié)構(gòu)優(yōu)化和連鑄過(guò)程控制兩個(gè)方面著手，研究討論了改善鑄坯質(zhì)量的方法，并在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中取得良好的效