1、连铸坯的动态轻压下技术,内 容 提 要, 背景 减少中心偏析与疏松技术方案 国内外发展、应用现状及趋势 实现动态轻压下的关键技术 动态轻压下技术的开发与应用,一、背 景, 中心偏析与疏松是连铸坯的 主要缺陷之一； 引起钢材的一系列质量问题 延展性能 焊接性能 抗氢致裂纹 已成为提高铸坯质量的制约因素之一。,大方坯纵向和横向截面硫印图,大方坯连铸过程中碳含量对等轴晶结构的影响,等轴晶宽度对中心线偏析的影响,宏观偏析,宏观偏析是合金凝固主要特征之一。在连铸坯中，宏观偏析体现为中心偏析。 宏观偏析是指铸坯中合金成分在大于晶粒尺度范围内的不均匀分布。宏观偏析程度与溶质分配系数密切相关，溶质分配系数越小
2、，宏观偏析越严重。,宏观偏析的成因,合金以平直界面定向凝固时，固液界面前沿的不稳定现象和端面效应（end effects）；液相内中等强度的搅动对固液界面的枝晶臂的冲刷；等轴晶的迁移和沉积；糊状区内枝晶骨架的变形；糊状区内枝晶间液相纵深的循环流动(in-depth circulation)、自然对流包括温度差和浓度差引起的。,宏观偏析的表现形式,宏观偏析通常是由以上几种基本的因素互相竞争，导致最后凝固铸坯的宏观偏析。 宏观偏析的各种表现形式如正偏析、负偏析、A型偏析、V型偏析。,小钢锭理论（mini ingot theory)，针对方坯和圆坯,1：柱状晶均匀生长；2：柱状晶不稳定生长 （不易控
3、制的对流和温度梯度）；3：部分长大的柱状晶搭桥；4: 凝固末端凝固伴随偏析和缩孔 5：铸坯最后的宏观结构,低过热度、大断面铸坯“V”型偏析 的形成过程,宏观偏析的危害:,高碳线材：拉拔性能降低，拉断率增大；管线钢：H扩散产生裂纹并扩展；海洋钻探、平台用钢：降低其焊接性能。,二、减少中心偏析与疏松 技术方案,中心偏析是存在于铸坯凝固末端附近的富集偏析元素钢液的流动造成的； 中心疏松是在钢液凝固时发生体积收缩而得不到钢液的及时补充时形成的。 凝固末端附近钢液流动的动力来源于： 坯壳的鼓肚 钢液凝固时的体积收缩,减少或消除中心偏析和疏松技术可分三类： 减少钢中的有害元素（洁净钢冶炼，去除夹杂物或控制
4、其分布形态）；为液相穴提供和产生等轴晶（低过热度浇铸，电磁搅拌）；通过补偿铸坯末端的凝固收缩，或防止铸坯鼓肚，抑制凝固末端吸收富集偏析溶质的钢液（小辊径分节辊，凝固末端轻压下，凝固末端连续锻压，凝固末端强冷等）。,几种常用消除中心偏析和疏松方法比较,类别,因此，要消除宏观偏析和半宏观偏析，首先要阻止这些含富集偏析元素钢液的流动，同时在凝固末端要进行适当及时的变形量以补偿两相区内钢液凝固时形成的体积收缩。 目前比较理想的手段是由轻压下来实现。轻压下技术自问世至今，主要出现了三种方式，见下表。,表 轻压下压下方式分类,到目前为止，轻压下通过辊式轻压下、热应力轻压下或凝固末端连续锻压技术来实现的。
5、热应力轻压下应用范围小等局限性，应用很有限。 凝固末端连续锻压技术由于其设备复杂等原因，应用也受到了限制。 辊式轻压下成为一种常见和成功的技术，在国内外被广泛应用。,轻压下机理,通过在连铸坯液芯末端附近施加压力，产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；轻压下所产生的挤压作用促进液芯中心富集溶质元素钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密。,轻压下示意图,图 经过和未经过轻压下铸坯断面比较,不同铸坯厚度的轻压下效果比较,SSAB Oxeloesund 公司在不同板坯厚度
6、进行轻压下后 的偏析指数比较图,三、国内外发展、应用现状 及趋势,轻压下技术始于20世纪70年代末、80年代初，是在收缩辊缝技术的基础上发展而来，也是近年来推广较快的连铸机技术之一。目前的观点：中厚板坯、薄板坯的轻压下不仅具有减薄板坯厚度效果，它也是减小中心疏松和中心偏析的手段之一。,表 轻压下技术发展,小辊径分节辊轻压下扇形段示意图,图 板坯凝固末端形状a“W”形状 b“一”字状,图 平辊、圆盘压下方式示意图,图 奥钢联扇形段简图,应用现状,在世界大部分连铸机上，正常使用的能够远程调整辊缝的扇形段为蜗轮丝杆传动的机械式结构。这种夹紧结构只能进行静态轻压下。正在使用的液压夹紧式扇形段是垫块式结
7、构，这种结构不能远距离快速调整辊缝，须人工调整。,各国钢铁企业在短短几年里迅速采用了动态轻压下技术。在薄板上实现动态轻压下以德国的SMS Demag为代表；在中厚板和方坯上应用动态轻压下以VAI为代表。 VAI的动态轻压下技术在1997年在芬兰的Rautaruukki投入使用后，意大利、韩国、奥地利、美国都引进了VAI的动态轻压下技术。,我国引进的动态轻压下技术先后在梅钢、济钢、武钢、攀钢、南钢、沙钢投入生产。其中，攀钢是在六机六流的方坯连铸机上进行动态轻压下。,发展趋势,动态轻压下关键技术由压下模型、凝固模型、二冷控制系统、自动铸坯锥度控制系统和能够远程快速调整辊缝的扇形段这几个组成部分，只
8、有它们的有机结合才能在动态变化的压下位置迅速自动调整辊缝以实施轻压下。,未来的发展趋势：建立更精确的凝固模型，为压下和二冷控 制提供更可靠的依据；提出更合理的压下模型，以获得更好中心质量；完善二冷和压下控制系统，以便及时、精确地实现控制；开发出更合理的扇形段，以便实现更好的可靠性、机动性和压下效率。,由于设备和技术等原因，静态轻压下首先被应用。 通过调整过热度、拉速等浇铸条件，使凝固末端固定在设定的压下位置。,生产过程中，很难保证浇铸条件不变，拉速、过热度的变化，会使凝固末端的位置相应发生变化。 在静态压下基础上又发明了动态压下，即轻压下随着浇铸条件的变化（对应凝固末端的变化）而变化的压下方式
9、。,四、动态轻压下的关键技术, 液压夹紧式扇形段 压下位置模型 轻压下模型,连铸机结构图,液压夹紧式扇形段,动态轻压下技术要求快速远程调整铸辊的辊缝值，以实现随着凝固末端位置的变化进行轻压下。 目前铸坯的辊道采用段式结构，一段内包括7对左右的辊子；采用液压驱动系统，既保证速度，又保证精度。 扇形段以奥钢联公司的SMART扇形段和西马克公司的Cyberlink扇形段为代表，两者的结构虽不完全相同，但功能基本相同，厚度精度误差在0.1mm内。,液芯位置变化,铸机上液芯位置的变化,压下位置模型,轻压下是对凝固末端的一段区域进行压下，凝固末端位置的确定是实施轻压下的前提。 目前用来确定凝固末端位置方法
10、： 在线计算的传热模型 安装在铸机上传感器的适时探测 采用传热模型计算凝固末端的位置要求模型准确，计算时间短。如Danieli的LPC和VAI的DYNACS。SMS Demag在扇形段上可以在线检测。,轻压下模型,轻压下模型包括压下区间、压下量和压下率。只有合理的模型才能最大程度地消除铸坯中心偏析与疏松。 对压下区间的研究已经多年，目前一致认为，中心偏析和疏松发生在凝固末端的液固两相区内。凝固末端两相区如图所示。,q2区流动将不会造成中心 偏析的形成，反而均匀了 该区内的溶质分布。 q1区的收缩则将导致富集 杂质元素钢液的集中，从 而促进中心偏析的形成。 p区的凝固收缩因没有钢 液的补充将形成
11、疏松。,凝固末端两相区示意图,A到B区间为产生偏析的区域。对fs=0.5 -0.95对应的区间进行压下。 P1=PO+POB *0.5 P2=PO+POB * 0.95 利用凝固模型确定PO及PB的位置，进而求出压下位置P12。,有研究表明：q1和q2分界处的固相率为0.30.4，而q1和p分界处的固相率为0.60.7。 对于压下区间目前没有一个定值，一般企业都是根据试验修正后取得最佳值。很显然该值和钢的成分、铸坯断面及生产设备有关。,济钢新引进奥钢联的新中厚板坯在压下区间为0.5- 0.95；芬兰的Rautaruukki 6号板坯连铸机，含碳为0.088%的微合金钢，浇铸210mm1250-
12、1475mm尺寸时的最佳压下区间fs为0.3-0.9，210mm1825mm的最佳压下区间为0.15-0.8；台湾中钢的大方坯连铸机生产表明，在0.55-0.75的区域进行压下能取得很好的效果；韩国浦项对S82尺寸为250mm330mm的方坯实施压下的位置为fs=0.3-0.7的区域 。,压下量要完全补偿压下区间内钢液在凝固过程中的体积收缩量，才能防止富集溶质钢液的流动。但是压下量过大会使铸坯内部产生裂纹，并使轻压下区夹辊受损。压下量过小，对中心偏析和疏松改善不明显。 压下量大小必须满足： 能够补偿压下区间内的凝固收缩； 避免铸坯产生内裂； 压下时产生的反作用力要在铸机扇形段许可载荷 范围内。
13、,压下速率是单位时间的压下量（mm/s），最佳压下速率应和凝固速率一致。 在实际的轻压下过程中，铸坯的变形是非连续的，压下速率控制只能通过对总压下量的分解来实现，铸坯经多对压辊分步压下之后，总的压下量就可以达到应用要求。 最大压下速率首先是钢种本身所要求的，与钢种能承受的最大形变速率有关；其次与冷却条件及铸机设备本身条件有关。,压下量小，凝固收缩得不到充分补偿，仍有残存V偏析；压下量增加，V偏析不断减少；液芯厚度越大，所需压下量越大；压下量大，发生白亮带负偏析和逆V偏析；压下量过大时，还将产生裂纹。液芯厚度过大，压下已不起作用。, 压下速率小于0.02mm/s时，增加压下量，也不能防止V偏析；
14、 压下速率的增大导致应变率增加，相应的临界应变变小，上临界压下量减少； 压下速率的增加，必要压下量增加，压下量区间变窄。,芬兰的Rautaruukki浇铸尺寸为210mm1625-1825mm的低合金钢时的最佳压下量为1.5mm，压下率小于1.0mm/m，压下不会对铸坯表面质量产生影响； 韩国浦项发现，随着压下量的增加，中心偏析不断降低，但压下量超过6mm之后，中心偏析并无进一步改善，铸坯内部裂纹增加，但总压下量低于6mm时，铸坯内部裂纹极其微小。具体的压下量和压下速率与钢种、铸坯断面及生产条件有关。一般情况下，板坯的压下速率为0.55-1.1mm/m，方坯为1.0-1.2mm/m，板坯和方坯
15、的总压下量为3-14mm。,五、 动态轻压下技术的开发与应用,生产实践表明，动态轻压下技术能减少中心偏析50%。该技术还带来了其他附加收益 ： 减少钢材氢至裂纹（HIC）约50； 采用新的扇形段减少换辊时间，提高生产率； 提高铸坯厚度的适应性，增加铸机生产能力； 提高拉速，增加产量。,我国钢铁企业已经意识到单纯依靠引进国外动态轻压下技术是不能长久，开始进行自主研发。 上海梅山钢铁股份有限公司与东北大学合作，开发具有自主知识产权的动态轻压下工艺控制技术，研究开发工作取得了较大进展，2005年4月份通过了在线无负荷调试，2005年12月份热负荷调试获得成功，标志着板坯动态轻压下自主知识产权已经形成
16、。,动态二冷和动态轻压下控制模型,准确的实时温度场计算是动态二冷控制实现的前提条件，准确的在线凝固末端位置预测是动态轻压下实现的必要条件，将直接影响轻压下效果的好坏。,实时温度场计算及二冷动态控制模型的建立 结合设备参数、生产数据建立温度场离线凝固模型； 通过反复计算修正，确定传热系数、边界条件、基本水量 等实时温度场计算模型所须参数； 采用动态跟踪小单元方法建立实时温度场计算模型； 建立基本水量模型和目标温度控制水量模型； 利用调试数据和实验数据修正动态控制模型参数； 建立动态静态复合二冷控制系统。,图 实时温度场计算及二冷控制模型的建模过程,建立板坯凝固的二维传热微分方程模型建模及分析方法
17、：采用内节点法进行非均匀网格划分，并用控制容积法对微分方程进行离散。结晶器边界条件用瞬时热流进行处理，根据经验系数，把辊子导热折算到二冷换热系数中。采用温度回升法对凝固潜热进行处理。,比热及固相率：,凝固潜热：,其中固相率 为：,采用热线性膨胀法来计算密度：,导热系数 ：,边界条件：,结晶器中热流密度：,二冷区热流密度：,二冷区的平均传热系数：,凝固潜热：,对包晶钢而言，补偿温度为：其它参数： 水的比热： 二冷水温度： 环境温度： 波尔兹曼常数： 黑度,经过反复计算比较得出稳态条件下温度场及两相区分布和稳态模型参数。 建立特殊情况，如开浇、停浇的修正模型，对其可调参数进行优化处理。 最终推导出
18、各种生产条件下符合铸机条件的关键参数。,实时温度场计算模型,实时温度场计算模型可以在非稳态浇注条件下实时计算铸坯温度场，在线预测两相区位置及形状，实现铸坯温度控制。,计算流线上动态小单元温度场是实现实时温度场计算的核心思想。,图 铸坯在拉速方向上的离散化和一个跟踪单元的温度曲线,对于每一个跟踪单元，温度值可以用它在中心处的温度分布来表示。针对每一个跟踪单元的温度场分布，都可以用一维非稳态热传输方程解出：,实验表明，若液相或固相末端距中心线预测出现5mm的偏差，则得到的液相线与固相线末端位置就有可能出现30cm的偏差。 当空间步长x内计算得到温度跨度与液相线或固相线温度超过0.1的偏差 ，缩小步
19、长至x/2，相应调整参数，重新计算并判断，直到偏差小于 0.1。,二冷控制模型,二冷水量设定值由基本水量和根据实时温度场计算值与目标温度差值折算出的温度控制水量累加而成。,图 二冷水量计算示意图,基本水量是根据离线模型得出的给定拉速和过热度条件下的水量关系得到的。,为第i区全部小单元,的初始过热度平均值。,为t时刻第i区内铸坯的平均拉速。,式中， 为结晶器液面到单元所在回路开始位置和末端位置的距离； 为 位置处的跟踪单元在 时刻的“寿命”。,根据温度差值计算的温度控制水量：其中 为第 区的温度控制增益； 为第 区的表面平均温度； 为第 区的表面目标温度。,利用动态静态复合控制系统，即能够保证在
20、非稳态浇注条件下温度场及二冷水计算的实时性，又能够保证实际生产的稳定性,图 动态静态复合控制系统结构图,同钢种浇注时，拉速、浇注温度是影响流线状态的主要浇注条件，而结晶器宽度对流线温度场分布基本没有影响。当拉速为1.0m/min，稳定浇注45min，流线完全由稳态浇注条件下生成的小单元组成，可以调用静态数据进行流线状态计算和控制。,表 浇注条件对流线状态的影响,程序的架构和实现,图 程序架构图,实时温度场及二冷水计算程序通过现场环境模拟各种浇注条件及浇注变化，主程序进行实时计算，给出模拟条件下的温度场及两相区信息。 当作为系统二级服务器应用于在线控制时，用通讯进程替代现场环境模拟，通过共享内存
21、交互现场数据和计算设定值，将两相区信息传送给动态轻压下模型，并将过程数据显示在二级控制系统界面上。,图 实时温度场计算趋势图包晶钢、拉速1.5m/min、浇注温度1536、结晶器宽度1.32m、结晶器厚度222.0mm,图 实时温度场计算趋势图包晶钢、拉速1.0m/min、浇注温度1558、结晶器宽度1.018m、结晶器厚度222.0mm,图 动态配水表包晶钢、拉速1.5m/min、浇注温度1536、结晶器宽度1.32m、结晶器厚度222.0mm,图 水量趋势图包晶钢、拉速1.6m/min、浇注温度1558、结晶器宽度1.018m、结晶器厚度222.0mm,连铸板坯轻压下压下模型,铸坯有限元法
22、传热模型 ：预测压下时的铸坯坯壳内部形状和凝固坯壳的温度场分布。 铸坯应力应变有限元模型 ：要考虑在压下过程中由热应力、钢水静压力、辊子压下力对铸坯的应力应变影响 。,在外力作用下，结晶器的热弹性应力应变方程用下式表示： 式中，ij 应力，Pa； G、Lam系数； 应变； 热膨胀系数，1/； T温度变化值，；,由于温度变化产生的热应变可表示为：应力应变关系包括弹性、塑性与热应变三部分,传热边界示意图,压下模型的边界条件示意图,弧形段铸坯横截面温度场,铸坯凝固末端厚度和宽面方向形状图,低碳钢拉速与压下位置关系图,低碳钢拉速与凝固收缩速率关系图,铸坯横截面应变和应力分布图,铸坯外表面应力分布图,液
23、芯厚度对压下量的影响,动态轻压下控制模型的建立 利用有限元计算软件结合实际生产数据确定最优压下总量、压下速率、压下区间。 建立动态控制模型，如压下量分配模型、非稳态浇铸模型等。 利用低倍硫印分析铸坯质量；利用射钉法检验凝固末端位置准确性。修正动态控制模型参数。,图 动态轻压下控制模型的建模过程,动态轻压下控制系统主要由动态配水控制系统和动态轻压下控制系统组成，两系统除过程控制集成在一台服务器上，其他控制层级均独立。 铸机流线由多个单体具有辊缝调节功能的轻压下扇型段组成，轻压下控制系统从上至下分为过程控制级、总控级、单体轻压下扇型段控制（PLC控制）、轻压下扇型段液压机械设备及传感器。 二冷配水
24、控制系统上至下分为过程控制级、总控级、PLC控制、ET200分布式I/O系统和配水回路及调节阀、流量计。,图 动态轻压下控制系统结构图,二级控制系统采用两台双CPU服务器架构群集，对外形成虚拟机，对内是双机热备冗余。当一台服务器出现故障时备机迅速启动通信服务，接替原工作机，保证生产稳定进行。磁盘阵列柜，采用Raid5分散奇偶校验冗余配置3块73.4G SCSI硬盘，保证了读取速度的加倍和数据的安全性。 两台服务器组成的二级控制系统通过虚拟机IP地址与一级控制系统、数据库服务器、客户端以及上层ERP系统连接。,动态轻压下二级控制系统硬件架构,图 动态轻压下二级控制系统硬件架构,整个二级系统由4个
25、进程组成：系统管理进程、主进程、动态二冷配水通讯进程和动态轻压下通讯进程。 系统管理进程负责系统监控及其它进程管理。主进程集成了实时温度场计算、动态轻压下和动态二冷配水模型，并具有客户端通讯和SQL Server数据库ODBC接口。两个通讯进程，分别负责动态二冷配水和动态轻压下模型与一级控制系统的数据交互。,动态轻压下二级控制系统软件架构,图 动态轻压下二级控制系统软件架构,开浇时温度动态分布图,变拉速下温度变化（拉速1.8-0.8m/min）,开浇时辊缝图,提高拉速时辊缝变化图（拉速1.8-0.8m/min）,结 语,动态轻压下技术能有效地消除铸坯的中心疏松和偏析，而且还能带来其它一系列的经济效益。可以这样认为，动态轻压下技术成为现代连铸机水平的一个重要标志之一。随着对此技术的不断认识、开发和掌握，相信在今后的连铸生产中将会发挥越来越重要的作用。,谢 谢!,
