Способ динамического регулирования охлаждения слитка на установке непрерывной разливки металла

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к технологии получения слитков на установках непрерывной разливки металла. Технический результат - снижение трещинообразования на поверхности слитка. Способ динамического регулирования охлаждения слитка на установке непрерывной разливки металла с переменной интенсивностью в зависимости от изменения скорости его вытягивания позволяет таким образом регулировать расходы охладителя по секциям зоны вторичного охлаждения, что температура его поверхности в каждой точке зоны вторичного охлаждения не зависит от скорости вытягивания. Реализация способа управления осуществляется следующим образом. Вне реального времени определяется температурное поле слитка, среднеинтегральные по секциям коэффициенты теплоотдачи и расходы охладителя для всего диапазона значений скоростей разливки при установившемся режиме работы машины. Затем массивы значений коэффициентов теплоотдачи аппроксимируются в виде обобщенных функций (полиномов) в зависимости от скорости разливки и положения секции вторичного охлаждения по технологической линии машины. На основе значений коэффициентов теплоотдачи определяется интенсивность теплообмена. Произведены промышленные испытания системы динамического регулирования, которая была разработана на использовании данного способа. Промышленные испытания подтвердили адекватность расчетной и фактической температуры поверхности слитка при изменении скорости вытягивания. 5 ил.

Изобретение относится к металлургии, а именно к технологии получения слитков на установках непрерывной разливки металла (УНРМ).

Известен способ регулирования охлаждения слитка при непрерывной разливке металла (см. а. с. СССР 1155350, кл. В 22 D 11/16, 1985г.) [1], включающий подачу охладителя к отдельным секциям вторичного охлаждения, установление времени регулирования в зависимости от направления изменения скорости вытягивания слитка и изменение расхода охладителя за время регулирования по линейному закону с конечным установившимся значением расхода охладителя, соответствующим изменившейся скорости. Способ принят за прототип.

Как показало математическое моделирование процесса затвердевания слитка при регулировании по известному способу, температура поверхности участков слитка, отлитых в нестационарном режиме разливки, вызванном изменением скорости вытягивания слитка, значительно отличается от оптимально-технологической температуры поверхности участков заготовки, отлитых в установившемся режиме.

Здесь установившийся режим разливки - это такое состояние процесса разливки, при котором все участки слитка, находящиеся в машине, отлиты с постоянной скоростью вытягивания. Нестационарный режим разливки - это такое состояние процесса разливки, при котором в машине находятся участки слитка, отлитые при разных скоростях вытягивания.

Основным недостатком известного способа является тот факт, что линейное изменение расходов охладителя и установление времени регулирования расходов охладителя по секциям не в полной мере учитывают требования минимума термических напряжений в корочке слитка в условиях существенного изменения скорости вытягивания, что оказывает влияние на качество его поверхности, выражающееся в повышенном трещинообразовании, обусловленном колебаниями температуры поверхности слитка в переходных режимах.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи предотвращения нарушений технологического процесса, т.е. предотвращения колебаний температуры поверхности, которые возникают в результате изменения скорости вытягивания слитка, по всей длине технологического канала УНРМ.

Технический результат при осуществлении изобретения выражается в поддержании постоянства температуры поверхности слитка независимо от колебаний скорости его вытягивания. То есть при нестационарном процессе разливки температура поверхности слитка в каждой точке зоны вторичного охлаждения поддерживается такой же, как и при установившемся процессе, за счет динамического регулирования интенсивности охлаждения в каждой секции зоны вторичного охлаждения по предлагаемой зависимости. Это приводит к уменьшению градиента температуры в корочке слитка и, соответственно, снижению термических напряжений, а значит, к уменьшению трещинообразования.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе динамического регулирования охлаждение слитка на установке непрерывной разливки металла, включающее регулирование расхода охладителя по секциям зоны вторичного охлаждения в зависимости от изменения скорости вытягивания слитка, производится так, что температуру его поверхности поддерживают постоянной в каждой точке зоны вторичного охлаждения независимо от скорости вытягивания, путем регулирования интенсивности в каждой секции зоны вторичного охлаждения по зависимости: I_i=(1-t_i ^k)^1/k за время регулирования расхода охладителя в каждой секции зоны вторичного охлаждения: причем коэффициент теплоотдачи устанавливают для каждой секции зоны вторичного охлаждения в реальном времени, а каждую секцию включают при значении коэффициента теплоотдачи от слитка α_i(τ)≥50 Вт/м²K и отключают при α_i(τ)<50 Вт/м²К, где: интенсивность охлаждения по секциям i; α_i(τ) - коэффициент теплоотдачи в текущее время регулирования (τ) в i-й секции охлаждения; α_1i, α_2i - коэффициенты теплоотдачи вначале τ_1i и в конце τ_2i переходного процесса в i-й секции; при этом k=1,5 при снижении скорости вытягивания слитка от ₁ до v₂; k=1,25 при повышении скорости вытягивания слитка от v₁ до v₂;
- безразмерное время;
T_i = τ_2i-τ_1i - время регулирования в i-й секции;
L_i - расстояние от мениска металла в кристаллизаторе до середины i-й секции;
при увеличении скорости n=1, при уменьшении скорости n=1...0,5 в зависимости от отливаемой марки стали.

Коэффициенты k и n определены из условий оптимального охлаждения корочки слитка, отливаемого в нестационарном режиме.

Предлагаемый способ применим в пределах изменения коэффициента теплоотдачи (0-50)≤α_i(τ)≤(1000-1200) Вт/м²К.

Нижняя граница α_i(τ)≥(0-50) Вт/м²К связана с необходимостью отключения i-й секции ЗВО, т.е. на участке слитка, который проходит через i-ю секцию ЗВО не требуется принудительное охлаждение, чтобы поддерживать температуру поверхности постоянной. Верхняя граница α_i(τ)≤(1000-1200) Вт/м²К означает, что наступает насыщение по теплообмену между охладителем и поверхностью слитка, при технологических параметрах охладителя и значениях температуры поверхности, т. е. при увеличении расходов охладителя интенсивность теплообмена не увеличивается.

Преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что при определении времени и закона регулирования учитывается не только различие в характеристиках переходного процесса по теплоотдаче от поверхности слитка, происходящего после снижения или повышения скорости вытягивания, но и требование постоянства соответствующей температуры поверхности слитка в каждой точке технологической линии зоны вторичного охлаждения, что приводит к уменьшению градиента температуры по толщине корочки и, соответственно, существенно уменьшаются термические напряжения в корочке, при этом улучшается качество поверхности слитка.

Различие в характеристиках переходного процесса по теплоотдаче от поверхности слитка, происходящего после снижения или повышения скорости вытягивания, а также требование постоянства температуры поверхности слитка учитываются коэффициентами k и n, в формуле изобретения, см. зависимости (1) и (2). Коэффициент n устанавливает различное время регулирования в зависимости от направления изменения скорости вытягивания и отливаемого металла. При повышении скорости вытягивания n=1, при уменьшении скорости n=1...0,5. Коэффициент k определяет закон регулирования, учитывая при этом направление изменения скорости вытягивания, при повышении скорости k=1,5; при понижении - k=1,25.

Значения коэффициентов зависят от разливаемого металла и определяются с помощью имитации процесса регулирования вторичным охлаждением на математической модели и данных измерения температуры поверхности слитка.

На фиг.1 изображен частный случай изменения расхода охладителя во времени при скачкообразном изменении скорости разливки:
- при регулировании по прототипу - кривая 1;
- по предлагаемому способу - кривые 2, 3;
- а) переходный процесс с увеличением скорости разливки;
- б) переходный процесс с уменьшением скорости;
- Q_w - расход охладителя;
- τ - реальное время.

Как видно из графика, скорость изменения расхода охладителя можно изменить как за счет изменения времени регулирования (как это сделано в прототипе), так и за счет закона регулирования. В предлагаемом изобретении используется та и другая возможность регулирования (кривая 2, 3) (б).

На фиг. 2 изображено устройство для реализации способа. В процессе разливки металл из промковша 1 поступает в кристаллизатор 2, из кристаллизатора вытягивают слиток в двухфазном состоянии 3. Устройство рассматривается применительно к трехсекционной зоне вторичного охлаждения (позиции 4, 5, 6). Изобретение может быть использовано для УНРМ с любым количеством секций вторичного охлаждения. Устройство содержит регуляторы 7, которые загружаются данными из компьютера 8 и управляют регулирующими клапанами 9. На компьютер сигнал по изменению скорости поступает от измерителя 10. Контроль температуры может осуществляться с помощью температурных датчиков 11.

Реализация способа управления осуществляется следующим образом. При разработке алгоритма управления системой вторичного охлаждения вне реального времени определяется температурное поле слитка, среднеинтегральные по секциям коэффициенты теплоотдачи и расходы охладителя для всего диапазона значений скоростей разливки при установившемся режиме работы машины. Здесь учитываются конструктивные особенности машины, расходные характеристики системы вторичного охлаждения, а также теплообмен факела форсунки со слитком. Затем массивы значений коэффициентов телоотдачи аппроксимируются в виде обобщенных функций (полиномов) в зависимости от скорости разливки и положения секции вторичного охлаждения по технологической линии машины. Разработанная в соответсвии с изложенным программа управления динамическим регулированием охлаждения слитка загружается в управляющий компьютер 8 и ведет управление расходом охладителя индивидуально в каждой секции зоны вторичного охлаждения. При изменении скорости разливки, то есть при наступлении нестационарного режима, что определяется по сигналу измерителя 10, значения коэффициентов теплоотдачи устанавливаются согласно формуле изобретения: зависимость (1) разрешается относительно α_i(τ) в реальном времени благодаря использованию обобщенных функций (полиномов).

Измерение скорости вытягивания производится через довольно маленькие промежутки времени Δτ = 1-5 c, что приводит к аппроксимации функции изменения скорости. Далее используя расходные характеристики применяемых форсунок и зависимость расхода от коэффициента теплоотдачи, устанавливается расход охладителя по секциям и производится его регулирование в реальном времени.

На фиг.3 показан пример регулирования расходов охладителя по секциям, в зависимости от скорости вытягивания слитка, реализующий предлагаемый способ. Цифры на графиках 1...7 обозначают номера секций. Отключение охлаждения и задержка с его включением соответствуют формуле изобретения и прослеживаются на графиках.

Промышленные испытания показали, что температура в зоне вторичного охлаждения остается практически постоянной и близкой к расчетной при изменении скорости разливки (см. фиг.4 - скорость вытягивания слитка в реальном времени и фиг.5 - температура поверхности слитка в реальном времени). Отклонение значения температуры от расчетной составляет ±15^oС.

В результате динамического регулирования охлаждения слитка на установке непрерывной разливке металла ликвидируются поверхностные трещины, увеличивается выход годного за счет резкого снижения брака, имевшего место ранее при технологических снижениях скорости разливки и кратковременных остановках разливки.

Предлагаемый способ регулирования может быть использован в системах автоматического регулирования процесса вторичного охлаждения слитка при непрерывной разливке стали.

Источник информации
1. А.С. СССР 1155350, кл. В 22 D 11/16, 1985 г.

Формула изобретения

Способ динамического регулирования охлаждения слитка на установке непрерывной разливки металла, включающий регулирование расхода охладителя по секциям зоны вторичного охлаждения в зависимости от изменения скорости вытягивания слитка, отличающийся тем, что температуру его поверхности поддерживают постоянной в каждой точке зоны вторичного охлаждения не зависимо от скорости вытягивания, путем регулирования интенсивности охлаждения в каждой секции зоны вторичного охлаждения по зависимости:
I_i = (1 - t_i ^k)^1/k, (1)
за время регулирования расхода охладителя в каждой секции зоны вторичного охлаждения

причем коэффициент теплоотдачи устанавливают для каждой секции зоны вторичного охлаждения в реальном времени, а каждую секцию включают при значении коэффициента теплоотдачи от слитка α_i(τ)≥50 Вт/м² К и отключают при α_i(τ)<50 Вт/м² К,
где интенсивность охлаждения по секциям i;
α_i(τ) - коэффициент теплоотдачи в текущее время регулирования (τ) в i-й секции охлаждения;
α_1i, α_2i - коэффициенты теплоотдачи в начале τ_1i и в конце τ_2i переходного процесса в i-й секции;
при этом k= 1,5 при снижении скорости вытягивания слитка от v₁ до v₂, k= 1,25 при повышении скорости вытягивания слитка от v₁ до v₂;
- безразмерное время;
T_i = τ_2i-τ_1i - время регулирования в i-й секции;
L_i - расстояние от мениска металла в кристаллизаторе до середины i-й секции,
при увеличении скорости n= 1, при уменьшении скорости n= 1 - 0,5 в зависимости от отливаемой марки стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
Общество с ограниченной ответственностью "Уралмаш - Металлургическое оборудование"

(73) Патентообладатель:
Общество с ограниченной ответственностью "Уралмаш - Инжиниринг"

Договор № РД0039421 зарегистрирован 11.08.2008

Извещение опубликовано: 20.09.2008        БИ: 26/2008

---