Способ управления процессом непрерывного горизонтального литья

 

Изобретение к металлургии, в частности, к непрерывному литью слитков. Способ предусматривает измерение времени от начала заполнения металлоприемника, плотности теплового потока в его футеровке, скорости вытягивания слитка и определение перегрева металла, поступающего из разливочного ковша.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам управления непрерывным литьем металлов. Известен способ контроля процесса непрерывного литья, заключающийся в измерении тепловых потоков в футеровке, температур металла в ковше и в металлоприемнике по ходу разливки, при этом получаемая информация позволяет оценивать соответствие технологии нормальному режиму. Этот способ обладает следующими недостатками. Во-первых, в отечественной практике по ходу литья не измеряют температуру в ковше, поскольку ковши не оборудованы соответствующими датчиками и нет площадок для измерения погруженными термопарами. Во-вторых, регистрируется текущая температура, что не позволяет активно влиять на температурный режим металла, и, в случае аномального снижения перегрева, неизбежно прекращение разливки. Из известных решений наиболее близким по технической сущности является способ управления процессом непрерывного горизонтального литья, включающий измерение температуры металла в металлоприемнике Т и регулирование рабочей скорости вытягивания слитка в зависимости от текущего значения Т по линейной зависимости. Подача металла в горизонтальный кристаллизатор осуществляется по металлопроводу, состыкованному с охлаждаемыми стенками кристаллизатора, поэтому отсутствие контроля температуры в ковше, отсутствие средств прогноза ожидаемой по ходу литья температуры в металлоприемнике, отсутствие регулирования темпа разгона часто приводит к перемерзаниям металлопровода во время литья, особенно к концу разливки при опорожнении металлоприемника, что является недостатком способа. Целью изобретения является увеличение выхода годного за счет исключения перемерзания металлопровода. Поставленная цель достигается осуществлением способа управления процессом непрерывного горизонтального литья, включающего измерение температуры металла в металлопроемнике Т и регулирование рабочей скорости вытягивания слитка в зависимости от текущего значения Т, при этом измеряют время от начала заполнения металлоприемника τ, температуры t₁ и t₂ в двух точка футеровки с разностью по глубине от рабочей поверхности Δ z, рассчитывают плотность теплового потока в футеровке металлоприемника q_ф по математической зависимости q_ф= λ· (1) где λ - коэффициент теплопроводности футеровки, после заполнения металлоприемника во время увеличения скорости вытягивания слитка от начальной до рабочей определяют перегрев, поступающий из ковша металла по математической зависимости Δt_k(τ) = T-T_L+M · + + (2) где T_L - константа, равная температуре ликвидус стали; G - массовая скорость литья; М - масса металла в металлоприемнике; С - константа, равная теплоемкости жидкого металла; F - площадь поверхности контакта металла с футеровкой металлоприемника; F' - площадь мениска металла в металлоприемнике; α' - коэффициент теплоотдачи с мениска металла, прогнозируют перегрев Δt_kk на момент τ_k окончания подачи металла из ковша в металлоприемник и перегрев в металлоприемнике по зависимости ΔT_k= (3) и, если Δ T_k менее допустимого по технологии значения минимального перегрева [ΔT_k], увеличивают темп разгона вытягивания слитка: про ходу литья на рабочей скорости после достижения стационарного значения температуры металла в металлоприемнике T_стац и ее дальнейшего снижения со скоростью определяют скорость снижения температуры металла в ковше по математической зависимости = 1+ (4) повторяют прогноз Δt_kk и ΔT_k на момент τ_k и, если Δ T_k менее [ΔT_k], увеличивают рабочую скорость вытягивания слитка; прогнозируют перегрев металла в металлоприемнике на стадии его опорожнения в конце разливки по зависимости ΔT = (T_L+ΔT_k)exp- -T_L (5) и, если величина Δ T менее (0,5-1,0) [ΔT_k], увеличивают рабочую скорость вытягивания слитка, в противном случае оставляют скорость вытягивания без изменения. Отличительные признаки изобретения - расчет и прогноз температуры в ковше по температуре металлоприемника, прогноз температуры металла в металлоприемнике, корректировка прогноза по стационарному состоянию, регулирование темпа разгона вытягивания, введение ограничения на перегрев в металлоприемнике на стадии его опорожнения - отсутствуют в известных технических решениях, необходимы и достаточны для исключения перемерзания металлопровода, что свидетельствует о соответствии критерию "новизна" и "существенные отличия". В основу предлагаемого способа управления положено рассмотрение теплового баланса металла в металлоприемнике. Плотность теплового потока в футеровку q_ф ЭВМ рассчитывают через температуры t₁ и t₂ в 2 точках футеровки с разностью по глубине от рабочей поверхности Δz:q_ф = λ (t₁-t₂)/Δz. Приход тепла осуществляется со струей металла из ковша, расход тепла - с выходным потоком, теплоотдачей в футеровку и излучением с поверхности расплава (мениска). Выражение для баланса имеет вид C(MΔT) = CΔt_kG₃-CΔT_опq_фF-αFʹ(ΔT+T_L)
(6) где Δ T и Δ t_k - перегревы в металлоприемнике и ковше над температурой ликвидус;
G_з - массовая скорость заливки из ковша;
G_оп - массовая скорость опорожнения металлоприемника;
α' - средний в возможном интервале (0, ΔT_макс) коэффициент теплоотдачи излучением с открытого мениска, определяемый из соотношения αʹ = × ε_Me·5,67·^-8 = 370
(7) при Δ T_макс = 50^оС, ε Me = 0,96. Учитывая, что
= G₃-G_оп (8) получаем выражение для баланса
CM + CΔTG₃= CΔt_kG₃-q_фF-αʹFʹ(ΔT+T_L) (9)
Так как после заполнения металлоприемника по окончании заливки из ковша G_з=G, получаем следующую зависимость для Δt_k
Δt_k= M · + ΔT + + (10) что тождественно (2). Эта зависимость позволяет определять Δt_k как функцию Δ t_k(τ), начиная с момента заполнения металлоприемника до окончания опорожнения ковша в момент τ_k. В ЭВМ поступает информация о величинах Т, G, t₁, t₂в виде зависимости от τ. После численного дифференцирования dT/dτ из зависимости (2) определяется текущий перегрев металла в ковше. Прогноз величины Δt_kk = Δ t_k(τ_k) устанавливается линейной экстраполяцией зависимости Δ t_k(τ) на будуще время τ_k. По ходу литья в связи с прогревом футеровки величина q_ф уменьшается до пренебрегаемо малых для баланса значений, при этом температура в металлоприемнике меняется слабо. Полагая, при этом q_ф -> 0 и d ΔT/dτ -> 0, из (10) следует, что
Δt_k= ΔT+ (T_L+ΔT)
(11) откуда вытекает справедливость выражения (3) для большого времени τ_k. Прогноз ΔT_k, полученный на этапе разгона вытягивания, сравнивают с минимально допустимым по технологии значением перегрева [Δ T_k]. Если прогнозное значение меньше допустимого, увеличивают темп разгона для сокращения времени литья и, главное, быстрейшего прогноза футеровки металлоприемника за счет интенсивного движения расплава, при этом сокращаются общие тепловые потери металла, кроме того, растет прогноз стенок металлопровода движущимся расплавом. В процессе литья вследствие действия противоположных тенденций: остывания металла в ковше и уменьшения теплоотдачи в футеровку металлоприемника, наступает момент выхода величины Т на стационарное максимальное значение и затем ее плавное снижение. Это означает, что в (II) величина ΔT является функцией времени ΔT(τ). Дифференцируя (II) по, получаем выражение (4). Используя результат дифференцирования dT/d τ ЭВМ определяют по (4) скорость остывания в ковше, что позволяет скорректировать выполненный ранее, на этапе разгона, прогноз перегревов Δ t_kk и Δ T_k. Δ t_kk определяется, исходя из текущего расчетного значения по (2) на этапе снижения T_стац по темпу остывания из (4). Повторный прогноз точнее первого, поскольку является более кратковременным (примерно в 2 раза), меньше погрешность определения dT/dτ, q_ф, исключается нелинейность падения температуры в ковше за счет прогрева его футеровки. Если новое прогнозное значение ΔT_k < [ΔT_k], увеличивают скорость литья для сокращения времени плавки и исключения промерзания металлопровода за счет увеличения скорости течения расплава в нем. После окончания заливки из ковша в металлоприемник наступает стадия его опорожнения, при этом в балансе отсутствует приход тепла со струей из ковша, вследствие чего температура расплава ускоренно уменьшается. Из (9) следует, что при G_з = 0, q_ф -> 0
= - (TL+ΔT)
(12) откуда вытекает выражение
ln =
(13) как решение уравнения (12) с начальным условием ΔT(τ_k) = ΔT_k. Отсюда следует справедливость зависимости (5). Исходя из закона торможения вытягивания в конце литья M(τ) на ЭВМ по (5) рассчитывают ΔT вплоть до полного опорожнения металлоприемника, причем этот расчет выполняется на стадии заливки из ковша, после начала снижения T_стац., что позволяет воздействовать на тепловой режим литья рабочей скоростью вытягивания. Если ΔT < (0,5-1,0)[ΔT_k] на стадии опорожнения, возможно перемерзание металлопровода и закозление части металла в металлоприемнике, поэтому увеличивают скорость литья, в противном случае оставляют без изменения. Большее значение допустимого предела Δ T относится к высокотеплопроводным металлопроводам малого диаметра, меньшее - к низкотемпературным большого диаметра. Увеличение рабочей скорости позволяет исключить перемерзание за счет роста величины Δ T_kпри сокращении времени литья. Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа управления. П р и м е р 1. Сталь Х18Н10 разливали на двухручьевой МНЛЗ горизонтального типа с двухсторонним вытягиванием со скоростью 2 м/мин в слитки сечением 50х50 мм. На кристаллизаторе установлен металлоприемник емкостью 1 т. Заливку производили из ковша емкостью 5 т. Разливку производили при следующих параметрах: температура в ковше t в начале заполнения металлоприемника (замер перед подачей на машину) 1530^оС, уровень металла в металлоприемнике после заполнения и до начала опорожнения 500 мм, масса металла в металлоприемнике М = 1000 кг, T_L = 1460^оС, массовая скорость литья G = 780 кг/мин =13 кг/с, теплоемкость стали C = 720 Дж/кгx x град, площадь контакта металла с футеровкой металлоприемника при размерах сечения его полости 0,36х0,72 м F = 1,34 м², площадь мениска металла в металлоприемнике F₁ = 0,26 м². После наполнения металлоприемника за 1,3 мин начали вытягивание слитков, при этом за 1 минуту вышли на скорость вытягивания 1 м/мин при стартовой скорости 0,2 м/мин. Температуру металла в металлоприемнике T измеряли термопарой ВР5/20, установленной около выходного отверстия в металлоприемнике. Тепловой поток в футеровке измеряют посредством двух термопар ВР5/20, установленных с разностью по глубине от рабочей поверхности 5 мм, вычисляя q_ф через разность из показаний t₁ и t₂ Δ t_ф= t₁ - t₂ по зависимости
q_ф= ·1,8 где 1,8 - теплопроводность футеровки, Вт/м x x град. Информация с участков поступила в ЭВМ КТС-ЛИУС-2 сопряженную в сеть с IBM PC/AT. Измерение времени осуществляется таймером КТС-ЛИУС-2, который запускается при срабатывании датчика измерения T (начало заполнения металлоприемника). Перегрев металла в ковше определяется по зависимости
Δt_к(τ) = T-1460+M · + · +
где для 0 < τ ≅ 60. 1,3 М = 13 τ, далее М = 1000 кг. При этом расчет производит персональная ЭВМ. Расчет дал за 2,3 мин уменьшение Δt_k с 57^оС до 45^оС, т.е. остывание металла в ковше со скоростью 5,2^оС/мин, что для времени разливки τ_k= = 6,4мин = 6,4 мин позволяет прогнозировать величину Δt_kk на момент окончания подачи в металлоприемник
5,7 - 6,4 х 5,2 = 24^оС, при этом перегрев в металлоприемнике
ΔT_k= = 9,5°C
Результат прогноза Δ T_k = 9,5^оС выдан на дисплей. Поскольку ΔT_k < [ΔT_k] = 10^оС, оператор принял решение увеличить темп разгона с 0,8 м/мин² до 1,2 м/мин² и вышел на скорость вытягивания 2 м/мин еще через
= 0,8 мин т. е. при τ = 1,3 + 1 + 0,8 = 3,1 мин. В этот момент прогноза по ΔT_kувеличился до 12^оС. При τ = 2 мин температура в металлоприемнике Т вышла на стационарное значение T_стац = 1490^оС и, начиная с момента τ = =3,5 мин, пошло снижение этой величины со скоростью 3^оС/мин. Отсюда ЭВМ вычислила скорость снижения температуры в ковше

Проверочный прогноз дает:
Δt_k = 57 - 5,2 x 2,3 - 3 (6,4-2,3) = 33^oC
ΔT_k= = 18,4°C
Поскольку ΔT_k< [ΔT_k] = 10, скорость вытягивания оставили равной 2 м/мин. Далее ЭВМ произвела прогноз перегрева в металлоприемнике на стадии опорожнения его при отведенном ковше на интервале от 6,4 до 9 мин при уменьшении скорости литья до 1 м/мин и G до 390 кг/мин. Δ T = (1460 + 18,4) exp -1460
Прогноз дает снижение Δ T на 12^оС до 6^оС в течение 1 минуты, т.е. металлоприемник не успевает опорожниться полностью вследствие перемерзания металлопровода. В данной МНЛЗ применен металлопровод из сиалона с большой теплопроводностью около 20 Вт/м к и диаметром отверстия 30 мм, что обуславливает требование ΔT> >[ΔT_k] и на стадии опорожнения металлоприемника. Оператор увеличил скорость вытягивания до 3 м/мин после τ = 4 мин, при этом в ковше осталось 1880 кг стали, и закончил перелив из ковша при τ = τ_k = 5,6 мин за счет увеличения G до 1170 кг/мин (19,5 кг/с). Проверочный прогноз дает
Δt_k = 57 - 5,2 x 2,3 - 3 (5,6 -2,3) = 35,1^oC
ΔT_k= = 25,1°C
ΔT = (1460 + 2514) exp -1460
Прогноз дает снижение ΔT на 10^оС до 15^оС и опорожнение металлоприемника осуществлено полностью, т.к. ΔT > [ΔT_k]. П р и м е р 2. При всех условиях примера 1 металлопровод выполнен из боросила теплопроводностью 5 Вт/м.к., и опорожнять металлоприемник можно при ΔT > 0,5[ΔT_k] = 5^оС, поэтому после прогноза на снижение перегрева до 6^оС скорость вытягивания не увеличили и успешно закончили разливку на скорости 2 м/мин. П р и м е р 3. При всех условиях примера 2 прогноз на снижение перегрева при опорожнении составил 5^оС. Успешно закончили разливку на скорости 2 м/мин. П р и м е р 4. При всех условиях примера 1 прогноз на снижение перегрева и достигнутый перегрев при охлаждении -6^оС. Разливку не ускорили и продолжали на скорости 2 м/мин. В металлоприемнике осталось 500 кг металла после перемерзания металлопровода. П р и м е р 5. При всех условиях примера 2 прогноз на снижение перегрева при опорожнении составил 4^оС, т.е. меньше 0,5[ΔT_k]. Разливку не ускорили, и произошло закозление 500 кг металла в металлоприемнике. Предложенный способ управления непрерывным горизонтальным литьем позволяет увеличить выход годного за счет исключения потерь металла в металлоприемнике при перемерзании металлопровода, что составляет до 5% от массы плавки, или до 0,5% от общего объема разливаемого на МНЛЗ металла.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ, включающий измерение температуры металла в металлоприемнике T и регулирование скорости вытягивания слитка в зависимости от текущего значения T, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годного за счет исключения перемерзания металлопровода, измеряют время от начала заполнения металлоприемника τ температуры t₁ и t₂ в двух точках футеровки с разностью по глубине от рабочей поверхности DZ рассчитывают плотность теплового потока в футеровке металлоприемника q_ф по математической зависимости

где λ - коэффициент теплопроводности футеровки,
после заполнения металлоприемника во время увеличения скорости вытягивания слитка от начальной до рабочей определяют перегрев поступающего из ковша металла по математической зависимости

где T_L - константа, равная температуре ликвидуса стали;
G - массовая скорость литья;
M - масса металла в металлоприемнике;
C - константа, равная теплоемкости жидкого металла;
F' - площадь поверхности контакта металла с футеровкой металлоприемника;
F - площадь мениска металла в металлоприемнике;
αʹ - коэффициент теплоотдачи с мениска металла,
прогнозируют перегрев Δt_кк на момент τ_к окончания подачи металла из ковша в металлоприемник и перегрев в металлоприемнике по зависимости

и, если ΔT_к менее допустимого по технологии значения минимального перегрева [ΔT_к] увеличивают темп разгона вытягивания слитка, по ходу литья на рабочей скорости после достижения стационарного значения температуры металла в металлоприемнике T_стац и ее дальнейшего снижения со скоростью dT_стац/dτ определяют скорость снижения температуры металла в ковше dt_к/dτ по математической зависимости

повторяют прогноз перегрева Δt_кк и ΔT_к на момент τ_к и, если ΔT_к< [ΔT_к] увеличивают рабочую скорость вытягивания слитка, прогнозируют перегрев металла в металлоприемнике на стадии его опорожнения в конце разливки по математической зависимости

и, если величина ΔT<(0,5-1,0)[ΔT_к] увеличивают рабочую скорость вытягивания слитка, в противном случае оставляют скорость вытягивания без изменения.