Способ динамического управления охлаждением сляба в машине непрерывного литья заготовок

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам охлаждения слябов на машинах непрерывной разливки заготовок. Технический результат - повышение качества металла за счет управления режимом охлаждения слябов в зоне вторичного охлаждения, позволяющее обеспечить необходимое изменение температуры поверхности сляба при стационарных и переходных режимах разливки. В способе динамического управления охлаждением сляба в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ расход воды по зонам определяют из выражения:

G_i(τ)=g_i(α(τ*(z_i, τ)))l_i·B_i,

где G_i - расход воды в i-й зоне охлаждения, м³/ч; i=1, 2,..., N - индекс, определяющий номер зоны вторичного охлаждения; τ - текущее время, отсчитываемое с момента начала разливки, с; α(τ*) - зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности сляба (Вт/м²) от времени τ*, которая определяется в зависимости от режима охлаждения для заданной марки стали расчетным путем при решении задачи затвердевания при заданном изменении температуры поверхности сляба t=t(τ*);τ*=τ*(z, t) - время (с), проведенное в МНЛЗ элементом сляба, который в текущий момент времени τ находится в точке z технологической оси и которое определяется численно из интегрального уравнения:

где ν(τʹ) - изменение скорости разливки во времени, м/с; g_i(α) - функция, обратная к зависимости α(g_i), где g_i - удельный расход охладителя (м³/м²·ч) в i-й зоне охлаждения, α - коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба в этой зоне, причем зависимости α(g_i) (i=1, 2,..., N) могут различаться для отдельных зон; z_i - характерные координаты зон, например середин зон, м, отсчитываемые от мениска; l_i - длины зон, м; В_i - охлаждаемая ширина сляба в i-й зоне, м. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам охлаждения слябов на машинах непрерывной разливки заготовок (МНЛЗ).

Известен способ охлаждения сляба в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) [Патент RU №2173604, кл. В 22 D 11/043, 11/124, 1999.], в котором расход воды в каждой i-й зоне охлаждения зависит линейным образом от скорости разливки. Зависимость расходов воды от скорости разливки является эмпирической и учитывает химический состав стали, ширину заготовки, температуру поверхности заготовки на выходе из последней зоны охлаждения, температуру металла в промковше.

Недостатком данного способа управления охлаждением сляба является то, что в нем учитывается лишь ограниченный по химическому составу класс сталей. Кроме того, не производится управление охлаждением сляба при переходных режимах разливки, так как при переходных режимах необходимо обеспечить плавное изменение расходов охладителя до значений, соответствующих новой стационарной скорости разливки. Применение существующего способа приводит к тому, что расходы охладителя изменяются скачкообразно и при уменьшении скорости разливки происходит значительный разогрев поверхности сляба, а при увеличении скорости разливки - переохлаждение. Это вызывает дополнительные термические напряжения, что отрицательно отражается на качестве сляба.

Также известен способ управления охлаждением сляба при стационарных и переходных режимах разливки [Парфенов Е.П., Смирнов А.А., Кошкин А.В. и др. // Металлург, 1999, №11, с.53-54]. Для различных стационарных режимов разливки для каждой зоны охлаждения рассчитывается необходимый средний коэффициент теплоотдачи, а затем строится зависимость коэффициента теплоотдачи в зонах от скорости разливки для диапазона возможных скоростей. При скачке скорости коэффициенты теплоотдачи по линейной функции от времени изменяются в течение переходного времени от одного стационарного значения до другого.

Недостатком этого способа является то, что система управления может обрабатывать лишь простые скачки скорости разливки и не может работать в режиме реального времени.

Наиболее близким к заявляемому является способ динамического управления охлаждением сляба (DYNCOOL) в ЗВО МНЛЗ, изложенный в [Яухола М., Кивеля Э., Конттинен Ю. и др. // Сталь, 1995, №2, с.25-29.]. Модель DYNCOOL работает в режиме реального времени, для каждого элемента сляба непрерывно решается задача затвердевания и подбирается расход охладителя таким образом, чтобы обеспечить заданное изменение температуры поверхности сляба вдоль технологической оси.

Недостатком данного способа является то, что его реализация в промышленных условиях выявила его неэффективность, связанную с тем, что математическая модель затвердевания сляба, заложенная в данный способ, неадекватно отражает теплофизические процессы, протекающие при формировании сляба в МНЛЗ.

Техническим результатом предлагаемого способа управления режимом охлаждения слябов в ЗВО является повышение качества слябов путем уменьшения отрицательного влияния переходных режимов разливки.

В предлагаемом решении используется сравнительно простой в реализации и весьма эффективный способ управления охлаждением сляба в ЗВО слябовой МНЛЗ при стационарных и переходных режимах разливки. Вычислительная программа работает в режиме реального времени, но ее быстродействие значительно выше, чем в модели DYNCOOL, поскольку не требуется непрерывно решать задачу затвердевания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления охлаждением сляба в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, включающем подачу стали в кристаллизатор из промежуточного ковша, вытягивание из него заготовки с переменной скоростью и охлаждение ее по зонам путем подачи охладителя (воды или водовоздушной смеси) на поверхность заготовки, расход охладителя по зонам определяют из выражения:

G_i(τ)=g_i(α(τ*(z_i, τ)))(l_i·B_i,

где G_i - расход воды в i-ой зоне охлаждения, м³/ч;

i=1, 2,..., N - индекс, определяющий номер зоны вторичного охлаждения;

τ - текущее время, отсчитываемое с момента начала разливки, с;

α(τ*) - зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности сляба (Вт/м²) от времени τ*, которая определяется в зависимости от режима охлаждения для заданной марки стали расчетным путем при решении задачи затвердевания при заданном изменении температуры поверхности сляба t=t(τ*);

τ*=τ*(z,τ) - время (с), проведенное в МНЛЗ элементом сляба, который в текущий момент времени τ находится в точке z технологической оси и которое определяется численно из интегрального уравнения:

где ν(τ’) - изменение скорости разливки во времени, м/с;

g_i(α) - функция, обратная к зависимости α(g_i), где g_i - удельный расход охладителя (м³/м²·ч) в i-й зоне охлаждения, α - коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба в этой зоне, причем зависимости α(g_i) (i=1, 2,..., N) могут различаться для отдельных зон;

z_i - характерные координаты зон (например, середин зон), м, отсчитываемые от мениска;

l_i - длины зон, м;

В_i - охлаждаемая ширина сляба в i-й зоне, м.

В частности, зависимости коэффициента теплоотдачи на поверхности сляба от удельного расхода охладителя в i-й зоне α(g_i) можно принять в виде линейных функций: α(g_i)=α_0i+μ_i·g_i, где α_0i, μ_i - постоянные коэффициенты, которые могут иметь свое значение для каждой зоны охлаждения. При этом зависимость g_i(α) будет иметь следующий вид:

Сказанное выше поясняется следующим образом.

На слябовых МНЛЗ широко применяется водовоздушное охлаждение, имеющее ряд преимуществ, в частности, более широкий диапазон регулирования интенсивности охлаждения и снижения неоднородности теплоотвода; высокую эффективность использования воды как охладителя (при снижении ее расхода). В некоторых зонах вторичного охлаждения применяются водяные форсунки, в других - водовоздушные. Кроме этого, для разных зон могут быть различными типы применяемых форсунок, типы роликов, шаг между ними и их диаметры, угол наклона охлаждаемой поверхности сляба к горизонтали и т.д. Поэтому полагаем, что для каждой зоны охлаждения имеется своя зависимость коэффициента теплоотдачи α(g_i) от удельного расхода воды в этой зоне (где i - номер зоны), которая должна устанавливаться индивидуально в процессе настройки тепловой работы МНЛЗ.

При рациональном режиме охлаждения температура поверхности сляба в ЗВО должна лежать в интервале пластичности для данной марки стали. Для разных марок сталей этот интервал составляет 900-1100°С. Потребуем, чтобы температура поверхности данного элемента сляба являлась функцией только времени пребывания данного элемента сляба τ* в МНЛЗ:

t=t(τ*), (1)

причем зависимость t(τ*) должна выбираться на основе рациональной технологии выплавки данной марки стали, что решается обычно эмпирическим путем. При стационарной скорости разливки ν время τ* связано с координатой z технологической оси таким образом:

При переменной скорости вытягивания ν(τ), где τ - текущее время, отсчитываемое с момента запуска МНЛЗ, время τ* находится из интегрального уравнения:

Очевидно, чтобы обеспечить условие (1), требуется, чтобы плотность теплового потока от поверхности сляба q и коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба α также являлись только функцией τ*:

q=q(τ*);

α=α(τ*).

Зависимости q=q(τ*) и α=α(τ*) можно найти путем численного решения задачи затвердевания сляба при заданном изменении температуры поверхности t(τ*), восстанавливая граничные условия на поверхности сляба, причем

,

где t₀ - температура охладителя.

Из численного решения уравнения (3) получаем, что время τ* зависит от координаты z и в общем случае от значений скорости в предыдущие (относительно текущего) моменты времени τ'≤τ. Эту зависимость обозначим так:

τ*=τ* (z,τ).

Чтобы выдержать условие (1), коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба в любой точке z в текущий момент времени τ при произвольном изменении скорости разливки должен определяться так:

α(z,τ)=α(τ*(z,τ)), (4)

где τ*(z,τ) находится из решения уравнения (3).

Температура поверхности сляба в любой точке z в текущий момент времени τ при произвольном изменении скорости разливки будет определяться аналогично:

t(z,τ)=t(τ*(z,τ)),

где функция t(τ*) является заданной.

Чтобы обеспечить в точке с координатой z в текущий момент времени τ при произвольном изменении скорости разливки необходимый коэффициент теплоотдачи, определяемый выражением (4), нужно знать, в какой зоне находится точка с координатой z, затем выбрать для данной зоны зависимость g_i(α), на основании которой рассчитать необходимый удельный расход воды:

g_i(z,τ)=g_i(α(z,τ))=g_i(α(τ*(z,τ))).

Обычно интерес представляют не все точки z, а только некоторые, например z_i(i=1, 2,..., N) - координаты середин зон. Удельный расход воды в середине зоны примерно равен среднему удельному расходу воды в этой зоне. Тогда полный расход воды в i-й зоне при переменной скорости разливки в текущий момент времени с учетом вышеизложенного можно определить так:

G_i(τ)=g_i(α(τ*(z_i, τ))))·l_i·B_i,

где l_i - длины зон; В_i - охлаждаемая ширина сляба.

На основании рассмотренного выше теоретического обоснования способа управления охлаждением сляба в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ разработан алгоритм управления и программа регулирования расходов охладителя в зонах охлаждения при стационарных и переходных режимах разливки.

Пример. Разливают в сляб размерами 1,8×0,25 м сталь марки 45 со следующими параметрами: теплопроводность стали λ=29 Вт/м·К; теплоемкость жидкой стали с=832 Дж/кг·К; теплоемкость твердой стали с=739 Дж/кг·К; удельная теплота кристаллизации q_кp=273 кДж/кг; плотность стали ρ=7200 кг/м³; начальная температура стали t₀=1520°С; температура ликвидус t_л=1485°С; температура солидус t_с=1403°С; температура жидкой стали в промковше t_ж=1530°С.

Чтобы температура поверхности сляба в ЗВО убывала монотонно и лежала в интервале пластичности стали, зададим характер изменения температуры следующей зависимостью:

t(τ*)=t _ЗВО +(t_ж-t_ЗВО)·е^-mτ^*(°C),

где время τ* выражается в секундах; m=0,01 (с^-1) - темп уменьшения температуры поверхности сляба; t_ЗВО=900°С - температура поверхности сляба на выходе из ЗВО.

Размеры зон охлаждения и координаты середин зон даны в таблице. Нулевая зона охлаждения включает в себя кристаллизатор, первая зона - подбой.

Так как в первых двух зонах (i=1,2) применяется водяное охлаждение, то в этом случае зависимость коэффициента теплоотдачи от удельного расхода воды имеет вид α=170+72·g, а в остальных зонах применяется водовоздушное охлаждение, для которого зависимость α(g) имеет вид α=170+150·g.

На графике (см. чертеж) изображено изменение скорости вытягивания сляба и соответствующее изменение расходов воды в шести зонах охлаждения МНЛЗ. В начальные моменты времени разливка не ведется, но в первых трех зонах имеются минимальные расходы воды, которые задаются по технологической инструкции, в остальных зонах расходы воды отсутствуют. В текущий момент времени, равный 1,2 мин, скорость вытягивания начинает постепенно возрастать от нулевого значения. В момент времени 2,5 мин скорость разливки принимает стационарное значение 0,55 м/мин, которое сохраняется в течение 6 мин. Расходы воды в зонах остаются пока неизменными, т.к. сляб еще не дошел до соответствующих середин зон. Как только сляб достигает середины зоны, в данной зоне включается необходимый расход воды. Быстрей всего это происходит в 1-й зоне - в момент времени 4,1 мин, затем включается расход воды во 2-й зоне и т.д. В первых двух зонах успевает установиться стационарный режим. В 3-й зоне в момент включения расхода воды происходит резкое увеличение скорости разливки до 1 м/мин, что приводит к плавному увеличению расходов воды в первых трех зонах. Перестройка расходов воды до новых значений происходит сначала в первой зоне, затем во второй и т.д. При разливке на скорости 1 м/мин по очереди включаются расходы воды в 4-, 5- и 6-й зонах. Разливка на скорости 1 м/мин продолжается около 9,5 мин, за это время во всех зонах, за исключением 6-й, успевает произойти переходной процесс. В текущий момент времени 18 мин происходит резкое уменьшение скорости вытягивания до 0,1 м/мин, и при данном значении скорости разливка ведется около 4 мин. Ни в одной из зон не успевает закончиться данный переходной процесс. В момент времени 22 мин скорость скачком возрастает до значения 1,2 м/мин. Возникает новый переходной процесс, который накладывается на предыдущий, что приводит к довольно сложному изменению расходов воды в зонах. Расходы воды сначала увеличиваются медленно, затем достаточно быстро и для каждой зоны по своему. Наконец, из графика видно, что в первых 4-х зонах расходы воды выходят на значения, соответствующие новой стационарной скорости вытягивания 1,2 м/мин.

В предлагаемом способе изложены положения, на которых основана динамическая модель управления охлаждением сляба в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, а также рассмотрен пример работы программы. Модель рассчитывает и управляет расходом охлаждающей воды для достижения заданного температурного профиля заготовки. В результате температура поверхности поддерживается более 900°С при любом изменении скорости разливки. Использование предлагаемого способа позволяет улучшить качество заготовок, уменьшить потери при зачистке заготовок и снизить производственные затраты.

Формула изобретения

Способ динамического управления охлаждением сляба в машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), включающий подачу металла в кристаллизатор из промежуточного ковша, вытягивание из него заготовки с переменной скоростью и охлаждение ее по зонам путем подачи охладителя - воды или водовоздушной смеси, на поверхность заготовки и определение расходов охладителя, отличающийся тем, что расход охладителя по зонам определяют из выражения

G_i(τ)=g_i(α(τ*(z_i, τ)))·l_i·B_i,

где G_i - расход воды в i-й зоне охлаждения, м³/ч;

i=1, 2, ..., N - индекс, определяющий номер зоны вторичного охлаждения;

τ - текущее время, отсчитываемое с момента начала разливки, с;

α(τ*) - зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности сляба (Вт/м²) от времени τ*, которая определяется в зависимости от режима охлаждения для заданной марки стали расчетным путем при решении задачи затвердевания при заданном изменении температуры поверхности сляба t=t(τ*);

τ*=τ*(z, τ) - время (с), проведенное в МНЛЗ элементом сляба, который в текущий момент времени τ находится в точке z технологической оси, и которое определяется численно из интегрального уравнения

где ν(τʹ) - изменение скорости разливки во времени, м/с;

g_i(α) - функция, обратная к зависимости α(g_i), где g_i - удельный расход охладителя (м³/м²·ч) в i-й зоне охлаждения, α - коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба в этой зоне, причем зависимости α(g_i)i=1, 2, ..., N могут различаться для отдельных зон;

z_i - характерные координаты зон, например, середин зон, отсчитываемые от мениска, м;

l_i - длины зон, м;

В_i - охлаждаемая ширина сляба в i-й зоне, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1