一种铸坯凝固末端精准预测方法

技术领域

本发明属于炼钢过程中的连铸技术领域，尤其涉及一种铸坯凝固末端精准预测方法。

背景技术

连铸铸坯中心偏析与中心疏松等内部质量问题阻碍板坯连铸技术朝着高效连续化方向的发展，研究表明，在铸坯凝固液芯终点附近区域，利用扇形段压下辊对铸坯实施凝固末端轻压下技术能够有效改善铸坯内部存在的质量缺陷问题，但若轻压下技术实施位置不准确，往往会进一步恶化铸坯质量或者对铸坯内部缺陷改善效果不明显，现有预测铸坯凝固末端位置的方法有模拟计算法、射钉法、电磁超声测定法。

模拟计算法是根据铸坯规格、钢种成份、拉速、冷却喷水量计算铸坯的液芯长度，通过建立连铸坯凝固模型，实时跟踪计算不同位置铸坯的温度场分布，基于温度场结果，计算得出铸坯不同位置处坯壳厚度及不同浇注参数下压下辊对应的中心固相率，确定铸坯凝固终点位置，该方法属于纯数学计算，由于计算求解过程中受到边界条件等多重因素的影响，模拟计算准确性不高，且实际生产过程的不稳定性，使得凝固终点的位置很难准确掌握。

射钉法是铸坯出结晶器后，在某一位置射入钢钉，钢钉的液相线温度低于所测钢种的液相线温度，因而在液相区的钉子完全熔化，两相区的钉子部分熔化，在固相区的钉子未熔化，切取带射钉的铸坯就能够直接测出凝固坯壳厚度，然后通过凝固理论计算出凝固末端位置，但射钉法属于铸坯破坏性试验，铸坯浪费量大且现场处理难度极大，需经历刨铣、酸侵等步骤来检测钉子的熔化情况，检测时间长，无法在线实时检测铸坯凝固末端位置。

如中国专利文献CN111473752A（CN202010488181.2）《一种基于电磁超声的连铸坯壳厚度在线检测机构》公布的技术，电磁超声法是在连铸机二冷区凝固末端附近扇形段的中心位置安装电磁超声检测装置，电磁超声检测装置位于连铸坯上表面的上方，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声横波；在连铸坯液芯凝固末端位置区域布置4～6对电磁超声检测装置，每对电磁超声检测装置分别设置在连铸坯的上下面对应位置，而且同轴垂直于连铸坯，用于在连铸坯上表面激发和接收电磁超声纵波。该方法是对传统检测方法的一种补充，采用超声检测技术与检测装置的设计与实践，具有检测无损、高效、安全性高的特点电磁超声测定法；但电磁超声测定法需安装体积较大的电磁设备，检测设备复杂昂贵，设备费用达到数千万元，具有现场安装设备困难、设备投资大的缺点。

由以上可知，现有的铸坯凝固末端位置预测方法存在准确性不高、破坏铸坯、检测设备费用高等问题，缺乏一种简单实用、设备投资少的铸坯凝固末端位置预测方法。

发明内容

针对现有技术的不足，针对现有技术的不足，本发明提供一种铸坯凝固末端精准预测方法，该方法是基于铸坯致密度和轻压下压下力来辅助判定铸坯凝固末端位置的方法，本发明在模拟计算法模拟确定铸坯凝固终点位置的基础上，通过实时测量铸造过程中的铸坯致密度和轻压下压下力，通过分别与致密度值阈值和轻压下压下力阈值相比较，进而对模拟计算法模拟确定的铸坯凝固终点位置进行调整，使轻压下技术实施位置更加准确，进一步提高了铸坯质量和改善了铸坯内部缺陷，并且调整设备均采用现有设备，成本低，不需要对铸坯造成损耗即可完成，可实现实时调整，不影响铸坯生产进度。

铸坯的致密度能直接反应铸坯的疏松状况，而偏析和疏松一般是同时出现的。因此若铸坯致密度大则疏松、偏析均较轻，若铸坯致密度小则疏松、偏析较严重。

轻压下的压下辊压下力能间接反应压下位置处的温度、铸坯凝固情况，压下力超过正常值则压下位置处的温度较低、铸坯芯部凝固率高，压下力明显小于正常值则压下位置处的温度较高、铸坯芯部凝固率低。

基于以上理论，铸坯致密度和轻压下的压下辊压下力能直接或间接反应轻压下工艺参数即轻压下技术实施位置是否正确，能对模拟计算法所计算出的铸坯凝固末端位置进行修正，因此本申请提供一种铸坯凝固末端精准预测方法，包括以下步骤：

S1：针对各个钢种分别采集多组实际连铸生产过程中的成品铸坯致密度、铸坯中心疏松级别、铸坯中心偏析级别和修正后的第一根压下辊压下力的数据；

将铸坯低倍检测值中的铸坯中心疏松级别、铸坯中心偏析级别均不大于0.5级的铸坯，对应的铸坯致密度和修正后的第一根压下辊压下力进行求平均值，作为致密度值阈值η

S2：通过铸坯凝固模型模拟计算得到生产钢种初始炉次铸坯凝固末端模拟位置S

S3：计算生产钢种的致密度η和修正后的第一根压下辊压下力F

S4：将步骤S3中求得的致密度η和修正后的第一根压下辊压下力F

本发明的技术方案还有：步骤S4中，初始铸坯凝固末端位置的调整方法具体包括：

当η

当η

当η

当η

a、轻压下区间先向前或向后进行调整，直至铸坯致密度η

b、当按照步骤a将轻压下区间向前或向后调整，直至F

本发明的技术方案还有：还包括步骤S5，将多炉生产钢种先前炉次调整轻压下参数后所得到的轻压下压下位置区间调整距离h求平均得到h

本发明的技术方案还有：步骤S1和步骤S3中，铸坯的致密度η的计算公式如下：

η=（ρ

ρ

V

式中，η为铸坯致密度，%；ρ

修正后的第一根压下辊压下力F

F

式中，F

铸坯辊道称设备和激光定尺设备是连铸生产上的基本设备，几乎所有的连铸产线都配置有这两样设备，且近年来随着电子检测设备的进步，轨道称和激光定尺设备的精度越来越高，辊道称的精度能够达到±5kg，激光定尺的精度能够达到±0.1mm，可精确的用于测量铸坯的重量和长度。

压下辊辊缝、结晶器宽度为连铸机的正常设备参数，精度可达到±0.1mm，可精准的测量铸坯的厚度和宽度。

本发明的技术方案还有：铸坯的重量m

压下辊的实际压下力F

本发明的技术方案还有：步骤S1中，铸坯低倍检测值中的铸坯中心疏松级别、铸坯中心偏析级别均不大于0.5级的数据数量大于等于10。采集的数据量越大，能够提高数据的准确性以及更能表征钢材稳定的生产质量。

本发明的有益效果：

（1）、本发明创造性的将铸坯致密度和轻压下压下力作为依据来判定轻压下参数是否正确，用以修正铸坯凝固模型计算出的铸坯凝固末端位置，由于本发明采用铸坯致密度、轻压下压下力、铸坯凝固理论这三个判定依据来预测铸坯凝固末端位置，相比于单纯根据铸坯凝固理论模拟计算出的铸坯凝固末端位置，本申请提供的方法增加了判定依据参数数量，利用铸坯致密度、轻压下压下力对铸坯凝固模型计算出的铸坯凝固末端位置进行衡量，判断出铸坯凝固模型计算出的铸坯凝固末端位置与铸坯凝固末端实际位置的相对位置关系，并提供相应的调整标准，从而使得对铸坯凝固末端位置的预测更准确。

（2）、相比于现有技术中通过纯数学方法理论计算所推导出参数值的方法，本发明所提供的铸坯致密度和轻压下压下力为实际的仪器检测值，能够更直观的得到铸坯实际的状态参数，并且实际仪器检测值的精度更高，相应的以铸坯致密度和轻压下压下力这两个参数作为判定依据来判定轻压下参数是否正确的准确率更高，能够用来定量修正铸坯凝固模型计算出的铸坯凝固末端位置。

具体实施方式

某连铸机（铸坯厚度规格为150～300mm，宽度规格为1800～2500mm）现有的二次冷却系统采用模拟计算的方法，计算铸坯的表面温度和液芯长度，根据模拟计算结果进行动态轻压下参数设定。由于计算求解过程中受到边界条件等多重因素的影响，模拟计算准确性不高，且实际生产过程的不稳定性，使得凝固终点的位置很难准确掌握，动态轻压下参数设置不正确，铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例低于30%。

实施例1

为解决以上问题，采集铸坯的致密度数据和轻压下第一根压下辊轻压下数据，利用铸坯致密度和轻压下压下力来辅助判定铸坯凝固末端位置的方法，具体的，一种铸坯凝固末端精准预测方法，包括以下步骤：

S1：利用计算机建立优选的轻压下参数操作参数数据库：

对铸坯做低倍检测，并采集连铸生产过程中的以下数据

a：冶炼的钢种号；记为A

b：炉号；记为B

c：铸坯致密度，单位%；记为C；

d：铸坯中心疏松级别，记为D；

e：铸坯中心偏析级别，记为E；

f：修正后的第一根压下辊压下力F

若铸坯低倍检测值中的铸坯中心疏松级别、铸坯中心偏析级别均不大于0.5级，则该炉数据定义为优选的轻压下操作参数，以上存入数据库。

当数据库中某个钢种的采集数据累积至≥10炉次时，该数据库即可用于该钢种的铸坯凝固末端位置的位置预测，将数据库中贮存炉次的铸坯致密度取平均值作为优选铸坯致密度即致密度值阈值η

S2：通过铸坯凝固模型模拟计算得到生产钢种初始炉次铸坯凝固末端模拟位置S

S3：该连铸生产时，根据本申请发明内容部分所述，通过铸坯辊道称采集铸坯的重量，m

η=（ρ

ρ

V

由液压系统直接读出压下辊的实际压下力F

F

S4：然后将该炉钢种生产时检测的出的铸坯致密性η、轻压下压下力F

当η

当η

当η

当η

a、轻压下区间先向前或向后进行调整，直至铸坯致密度η

b、当按照步骤a将轻压下区间向前或向后调整，直至F

S5：将10炉以上生产钢种先前炉次调整轻压下参数后所得到的轻压下压下位置区间调整距离h求平均得到h

示例

某钢厂计划提高钢种号为Q355D的铸坯质量，需要精准预测铸坯凝固末端位置，精准的设置轻压下压下区间，采取本发明实施例1的方法，具体如下：

S1：1、利用计算机建立优选的轻压下参数操作参数数据库：

（1）、优选炉次中的铸坯致密性和第一根压下辊压下力数据采集

对铸坯做低倍检测，并采集连铸生产过程中的数据，建立数据库。

铸坯致密性的计算公式为：

η=（ρ

ρ

V

式①②③中η为铸坯致密度，（%）；ρ

通过铸坯辊道称采集铸坯的重量，m

F

式中，F

由液压系统直接读出压下辊的实际压下力F

表1优先炉次铸坯致密性和第一根压下辊压下力数据采集

（2）、建立优选炉次轻压下操作参数数据库

a：冶炼的钢种号；

b：炉号；

c：铸坯致密度，单位%；

d：铸坯中心疏松级别；

e：铸坯中心偏析级别；

f：修正后的第一根压下辊压下力F

表1的优选炉次中铸坯中心疏松级别、铸坯中心偏析级别均不大于0.5级，该批炉次数据定义为优选的轻压下操作参数，建立优选轻压下参数数据库：

表2优选轻压下参数数据库

2、当数据库中某个钢种的采集数据累积至≥10炉次时，该数据库即可用于该钢种的铸坯凝固末端位置的位置预测，将数据库中贮存炉次的铸坯致密度取平均值作为优选铸坯致密度η

S2：通过铸坯凝固模型模拟计算得到生产钢种初始炉次铸坯凝固末端模拟位置S

S3：该连铸生产时，根据本申请发明内容部分所述，通过铸坯辊道称采集铸坯的重量m

η=（ρ

ρ

V

由液压系统直接读出压下辊的实际压下力F

F

S4：然后将该炉钢种生产时检测的出的铸坯致密性η、轻压下压下力F

（1）、铸坯凝固末端位置不需修正的实施例

η

表3铸坯凝固末端位置不需修正的炉次

检测表3中4炉铸坯的低倍情况，铸坯的中心疏松等级均≤0.5级且中心偏析等级均≤0.5级，铸坯质量良好。

（2）、铸坯凝固末端位置需向后修正的实施例

铸坯的二次冷却系统调整后，铸坯冷却速度发生变化，η

表4铸坯凝固末端位置需向后修正的炉次

检测表4中轻压下压下位置调整前以上4炉铸坯的低倍情况，铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例为0%，铸坯内部质量较差。

检测表4中轻压下压下位置调整后以上4炉铸坯的低倍情况，4炉铸坯的中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例为100%，铸坯质量良好。

根据铸坯致密度和第一根压下辊压下力修正后的铸坯凝固末端位置，单位m，表示铸坯凝固末端距离结晶器弯月面的距离，记为G

G

其中S

将该炉次调整轻压下参数后所对应的h值、G

该钢种后续炉次的轻压下区间设定值根据数据库中的h

(3)、铸坯凝固末端位置需向前修正的实施例

铸坯的二次冷却系统调整后，铸坯冷却速度发生变化，η

表5铸坯凝固末端位置需向前修正的炉次

检测表5中轻压下压下位置调整前以上4炉铸坯的低倍情况铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例仅有25%，铸坯内部质量较差。

检测表5中轻压下压下位置调整后以上4炉铸坯的低倍情况，4炉铸坯的中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例为100%，铸坯质量良好。

根据铸坯致密度和第一根压下辊压下力修正后的铸坯凝固末端位置，单位m，表示铸坯凝固末端距离结晶器弯月面的距离，记为G

G

其中S

将该炉次调整轻压下参数后所对应的h值、G

该钢种后续炉次的轻压下区间设定值根据数据库中的h

（4）、单从压下辊压下力无法准确认定轻压下位置需向前或向后调整的实施例

铸坯的二次冷却系统调整后，铸坯冷却速度发生变化，如果η

A、轻压下区间先向前调整，直至铸坯致密度η

B、若按步骤A的方法，轻压下区间向前调整，直至F

表6铸坯凝固末端位置修正方向无法确定的炉次

检测表6中轻压下压下位置调整前以上4炉铸坯的低倍情况铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例为0%。铸坯内部质量较差。

检测表6中轻压下压下位置调整后以上4炉铸坯的低倍情况，4炉铸坯的中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例为75%，铸坯质量良好。

根据铸坯致密度和第一根压下辊压下力修正后的铸坯凝固末端位置，单位m，表示铸坯凝固末端距离结晶器弯月面的距离，记为G

G

其中S

S5：将生产钢种初始炉次及其后续炉次调整轻压下参数后所得到的G

该钢种后续炉次的轻压下区间设定值根据数据库中的h

对比例1

如本申请具体实施方式的开头部分所述，某连铸机（铸坯厚度规格为150～300mm，宽度规格为1800～2500mm）现有的二次冷却系统采用模拟计算的方法，计算铸坯的表面温度和液芯长度，根据模拟计算结果进行动态轻压下参数设定。由于计算求解过程中受到边界条件等多重因素的影响，模拟计算准确性不高，且实际生产过程的不稳定性，使得凝固终点的位置很难准确掌握，动态轻压下参数设置不正确，铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例低于30%。

为此，对同种钢种Q355D铸造工艺只采用模拟计算结果进行动态轻压下参数的设定，利用射钉试验的方法检测各炉次的铸坯实际凝固末端位置，实测凝固末端位置、模型计算凝固末端位置、轻压下压下参数、铸坯低倍质量如下表7所示：

表7对比例1的实测凝固末端位置、模型计算凝固末端位置及铸坯低倍质量

由表7可看出，通过射钉试验的方法检测的铸坯实际凝固末端位置比模型计算末端位置靠后1～4米，因此二次冷却模型计算出的凝固末端位置不准确，相应的以模型计算结果为依据而制定的轻压下参数也就会存在错误，导致铸坯质量差，9炉次的铸坯低倍检测结果中只有1炉的铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级，比例只有12%左右。

因此，由于现场实际的生产过程过于复杂，外界环境温度、喷嘴堵塞状况、铸坯表面传热速度等变量参数值都不稳定，单靠模拟计算的方法来求解铸坯凝固末端位置存在准确率偏低的现象，使得铸坯凝固终点的位置很难准确掌握，无法为轻压下参数的制定提供准确的依据。

综上，由实施例1示例与对比例1对比可得，本发明利用铸坯致密度和轻压下压下力来辅助判定铸坯凝固末端位置，使铸坯凝固终点的位置的预测准确性大幅度提高，动态轻压下参数设置正确性大幅度提高，铸坯致密度平均值达到97.65%以上，铸坯中心疏松等级≤0.5级且中心偏析等级≤0.5级的比例提高至98%以上，有效提高了铸坯的生产质量和稳定性。