一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法

專利名稱：一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法
技術領域：
本發明屬于金屬鑄造領域，尤其涉及一種用于連鑄生產過程中鑄坯內部質量缺陷的在線預報/控制方法。
背景技術：
在連鑄過程中，鑄坯會受到各種外力的作用而發生變形，當板坯經過彎曲段時，會受到彎曲應力的作用；當板坯經過矯值段時，會受到矯值應力的作用；在鋼水靜壓力的作用下，鑄坯會出現鼓肚變形。在這些外力的作用下，連鑄板坯會產生一定的應變，若累積應變超過了臨界應變，就會出現內部裂紋(簡稱內裂)。內裂是常見的鑄坯質量缺陷，一旦形成，對后序加工及產品的綜合性能影響很大。 嚴重的鑄坯內裂，可能會導致在熱軋過程中帶鋼分層甚至斷帶。通常情況下，鑄坯內部缺陷一旦形成便始終存在，難以在后序加工過程中消除。因此，鑄坯內部質量的控制只能在連鑄生產過程中進行，通過改善工藝和操作水平，不斷降低鑄坯內部缺陷的發生率。然而，連鑄缺陷的成因非常復雜，涉及因素非常多，有時這些因素交織在一起，更使得缺陷原因難以準確界定。當內裂缺陷形成時，一般通過鑄坯的優化切割來降低缺陷對后續加工及產品性能的影響。舉例來說，如果在鑄坯的頭末端的局部區域存在內部缺陷，則可以通過優化切割把缺陷區域切除，從而保證了剩余板坯的整體質量。然而，鑄坯出現內裂時，缺陷部位被已經凝固的坯殼所包圍，在線無法檢測。常規的操作方法是，在鑄坯完全切割后，在鑄坯的頭部或尾部取樣，然后通過低倍試驗檢查鑄坯是否有內裂。由于低倍試驗周期一般在2天左右，這會嚴重影響連鑄-熱軋之間的物流銜接，而且，實際中也不可能對所有鑄坯都取樣檢驗。基于上述原因，人們開始探索如何對鑄坯缺陷進行預報。缺陷預報有兩個作用已知鑄坯缺陷發生時，預報結果給現場操作工程師或工藝人員提供了信息，在可能的情況下，及時調整生產過程控制參數，盡量縮短鑄坯缺陷的持續時間；根據鑄坯缺陷的預報信息，對缺陷鑄坯的切割過程進行控制優化，提高產品合格率。關于鑄坯缺陷的預報方法，公告日為2006年8月16日，公告號為CN1269595C的中國專利中，公開了“一種由于結晶器冷卻異常所導致的鑄坯表面縱裂的預報方法”，其在結晶器鋼水液面位置的下方埋入橫向數列、縱向至少三排熱電偶，通過數據采集系統將這些溫度讀入，并進行數據分析。其數據分析的步驟至少包含在拉速穩定的條件下，某排中的某個熱電偶溫度突然出現下降，速率達:TC /s以上；該熱電偶正下方同列的兩只熱電偶溫度先后也出現速率達:TC /s以上的下降趨勢，且相鄰兩只熱電偶溫度開始下降的時間差與即時拉速的乘積正好等于這兩只熱電偶的間距；這一列三只熱電偶溫度隨時間的變化規律一致，且下排熱電偶溫度持續下降的時間不小于上排熱電偶溫度持續下降的時間。可見， 該技術方案是通過在結晶器某個位置安裝一定數量的熱電偶，實時監測結晶器內的溫度波動。當溫度波動超過一定范圍，且滿足一定條件時，即可判斷發生鑄坯縱裂缺陷。上述方法僅適用于因結晶器溫度異常波動所導致的鑄坯表面缺陷。據相關研究表明，引發內裂缺陷的主要原因為在未完全凝固的鑄坯內部的固液交界面上，由于受到外力的作用而發生的形變超過了臨界應變值所致，其中應變包括彎曲應變、矯直應變、鼓肚應變等。然而，盡管應變與鑄坯內裂缺陷的關系密切，但應變本身也難以檢測。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其通過實時、在線模擬計算鑄坯的冷卻凝固過程，獲得鑄坯內部的受力應變信息，再根據應變的變化趨勢對鑄坯的內裂缺陷進行預報。并把生產過程中的鑄坯質量信息及時傳遞到切割LI計算機，其用于優化控制缺陷鑄坯的切割過程，可提高產品質量控制精度及產品合格率。本發明的技術方案是提供一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，包括由L3級計算機、L2級計算機和LI級計算機構成的網絡以及相互之間的數據傳輸，其中，L3級計算機負責下達生產計劃指令，L2級計算機負責根據生產計劃確定生產過程中的各種控制參數，并將控制參數下達到L3級計算機執行，L3級計算機執行L2級計算機下發的或操作工輸入的控制指令，直接或間接控制鑄機的相關設備，所述的L3級計算機至少包括公共LI計算機、 鑄造LI計算機和切割LI計算機，其特征是所述的在線預報方法至少包括下列步驟A、在現有的L2級計算機中或相同控制等級上，設置一模型計算機；B、所述的L2級計算機通過LI級計算機，把鑄造過程中的各種工藝和控制參數收集完整，然后按照一定的間隔周期發送到模型計算機；C、所述的模型計算機實時、在線地接收鑄坯生產過程中的工藝和控制參數，確定鑄坯散熱計算的邊界條件；D、所述的模型計算機基于鑄坯傳熱過程的數學模型描述，動態計算鑄坯與外界的散熱過程，得到鑄坯內外部的溫度場；E、所述的模型計算機動態計算鑄坯的冷卻凝固過程，得到鑄坯各個切片位置的凝
固厚度信息；F、所述的模型計算機動態分析鑄坯在移動過程中受力變化，計算鑄坯由于受到外力作用而產生的鼓肚應變、矯直應變及錯位應變，得到鑄坯的總應變分布；G、所述的模型計算機根據應變的變化趨勢，通過判斷應變是否超過臨界應變值， 進而預測是否有內裂發生，對鑄坯的內裂缺陷進行實時預測；H、若判斷鑄坯出現內裂，則模型計算機計算出具體的缺陷信息，并將信息與板坯具體位置信息相聯系，通過L2級計算機下達到切割計算機，對鑄坯的切割過程進行優化控制；I、切割計算機調整鑄坯的切割位置，對于中心裂紋出現在預定板坯頭部或者尾部位置附近的板坯，通過優化切割后直接把缺陷坯切除；對于出現了預定板坯中部的缺陷， 按照預定位置進行切割，但對切割后的板坯附上缺陷標記，按照要求進行降級或者改做它用；J、上述步驟，在對鑄坯的鑄造過程中實時、在線地進行。
具體的，所述的模型計算機為PC機、工控機、單片機或位于L2級計算機中的虛擬計算機。所述的鑄造過程中各種工藝和控制參數，為鑄坯傳熱過程相關的過程參數，其至少包括鋼種、中間包鋼水溫度、厚度、拉速、寬度和冷卻水流量；所述的模型計算機根據這些數據，確定鑄坯熱傳導計算的邊界條件，確定單位時間內鑄坯向外界傳遞的總熱量；隨著鑄坯物理位置的移動，模型計算機定周期更新鑄坯傳熱計算的初始值和邊界條件。所述的模型計算機在每個時刻，根據冷卻水量、氣量首先計算出鑄坯表面的散熱系數，再以此為基礎推算出單位時間內鑄坯表面向外界散出的熱量，進而根據鋼種物性參數得到鑄坯內外部的溫度場。進一步的，在冷卻過程中，所述鑄坯向外界散出的熱量采用如下表達式進行計算(J) = h (Us-Uw) (w/m2)式中，(j5是單位面積上向外散熱的強度，Us是鑄坯的表面溫度，Uw是冷卻水溫度， h是鑄坯表面的散熱系數。進一步的，所述鑄坯表面的散熱系數用如下表達式計算h = kwrwara其中，w是水流密度，rw是水量系數；a是氣量密度，ra是氣量系數，k是常數。進一步的，所述水流密度的計算方法是，以冷卻區為單位，計算某個冷卻區在鑄坯上表面上的噴水總量，除以冷卻區的面積，得到的是水流密度；其所述氣量密度的計算方法與水流密度的計算方法相同。進一步的，所述的模型計算機首先計算鑄坯上各位置的凝固率，再根據凝固率計算凝固厚度；其所述凝固率的計算表達式為
fs = Tl-Tc/Tl-Ts其中，fs為鑄坯的凝固率，T1為鋼的液相線溫度，Ts為鋼的固相線溫度，Tc為板坯中心線上的溫度；所述的模型計算機使用上述計算表達式，在鑄坯的橫截面上計算各位置的凝固率，再計算出各位置的凝固厚度。其所述的模型計算機基于計算所獲得的鑄坯溫度場分布及凝固厚度信息，分別計算鼓肚應變、矯直應變及錯位應變，將這些應變疊加起來，以鑄坯切片為單位，計算每個鑄坯切片位置上的總應變大小。進一步的，所述的鼓肚應變采用下述表達式進行計算
權利要求
1. 一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，包括由L3級計算機、L2級計算機和LI級計算機構成的網絡以及相互之間的數據傳輸，其中，L3級計算機負責下達生產計劃指令，L2級計算機負責根據生產計劃確定生產過程中的各種控制參數，并將控制參數下達到L3級計算機執行，L3級計算機執行L2級計算機下發的或操作工輸入的控制指令，直接或間接控制鑄機的相關設備，所述的L3級計算機至少包括公共LI計算機、鑄造LI計算機和切割LI計算機，其特征是所述的在線預報方法至少包括下列步驟A、在現有的過程控制計算機中或相同控制等級上，設置一模型計算機；B、所述的過程控制計算機通過LI級計算機，把鑄造過程中的各種工藝和控制參數收集完整，然后按照一定的間隔周期發送到模型計算機；C、所述的模型計算機實時、在線地接收鑄坯生產過程中的工藝和控制參數，確定鑄坯散熱計算的邊界條件；D、所述的模型計算機基于鑄坯傳熱過程的數學模型描述，動態計算鑄坯與外界的散熱過程，得到鑄坯內外部的溫度場；E、所述的模型計算機動態計算鑄坯的冷卻凝固過程，得到鑄坯各個切片位置的凝固厚度f目息;F、所述的模型計算機動態分析鑄坯在移動過程中受力變化，計算鑄坯由于受到外力作用而產生的鼓肚應變、矯直應變及錯位應變，得到鑄坯的總應變分布；G、所述的模型計算機根據應變的變化趨勢，通過判斷應變是否超過臨界應變值，進而預測是否有內裂發生，對鑄坯的內裂缺陷進行實時預測；H、若判斷鑄坯出現內裂，則模型計算機計算出具體的缺陷信息，并將信息與板坯具體位置信息相聯系，通過過程控制計算機下達到切割計算機，對鑄坯的切割過程進行優化控制；I、切割計算機調整鑄坯的切割位置，對于中心裂紋出現在預定板坯頭部或者尾部位置附近的板坯，通過優化切割后直接把缺陷坯切除；對于出現了預定板坯中部的缺陷，按照預定位置進行切割，但對切割后的板坯附上缺陷標記，按照要求進行降級或者改做它用；J、上述步驟，在對鑄坯的鑄造過程中實時、在線地進行。
2.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機為PC機、工控機、單片機或位于L2級計算機中的虛擬計算機。
3.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的鑄造過程中各種工藝和控制參數，為鑄坯傳熱過程相關的過程參數，其至少包括鋼種、中間包鋼水溫度、厚度、拉速、寬度和冷卻水流量；所述的模型計算機根據這些數據，確定鑄坯熱傳導計算的邊界條件，確定單位時間內鑄坯向外界傳遞的總熱量；隨著鑄坯物理位置的移動，模型計算機定周期更新鑄坯傳熱計算的初始值和邊界條件。
4.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機在每個時刻，根據冷卻水量、氣量首先計算出鑄坯表面的散熱系數，再以此為基礎推算出單位時間內鑄坯表面向外界散出的熱量，進而根據鋼種物性參數得到鑄坯內外部的溫度場。
5.按照權利要求4所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是在冷卻過程中，所述鑄坯向外界散出的熱量采用如下表達式進行計算= h (Us-Uw) (w/m2)式中，0是單位面積上向外散熱的強度，Us是鑄坯的表面溫度，Uw是冷卻水溫度，h是鑄坯表面的散熱系數。
6.按照權利要求5所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述鑄坯表面的散熱系數用如下表達式計算
7.按照權利要求4所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述水流密度的計算方法是，以冷卻區為單位，計算某個冷卻區在鑄坯上表面上的噴水總量，除以冷卻區的面積，得到的是水流密度；其所述氣量密度的計算方法與水流密度的計算方法相同。
8.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機首先計算鑄坯上各位置的凝固率，再根據凝固率計算凝固厚度；其所述凝固率的計算表達式為其中，fs為鑄坯的凝固率，T1為鋼的液相線溫度，Ts為鋼的固相線溫度，Tc為板坯中心線上的溫度；所述的模型計算機使用上述計算表達式，在鑄坯的橫截面上計算各位置的凝固率，再計算出各位置的凝固厚度。
9.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機基于計算所獲得的鑄坯溫度場分布及凝固厚度信息，分別計算鼓肚應變、矯直應變及錯位應變，將這些應變疊加起來，以鑄坯切片為單位，計算每個鑄坯切片位置上的總應變大小。
10.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的鼓肚應變采用下述表達式進行計算
11.按照權利要求10所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述鑄坯的鼓肚變形的計算公式為
12.按照權利要求11所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述彈性系數的計算公式為
13.按照權利要求12所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述平均溫度的計算公式為
14.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述鑄坯的矯直應變的計算公式為
15.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的錯位應變是連鑄夾輥對弧不準引起的鑄坯凝固界面上的應變，其計算公式為
16.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機通過下列步驟獲得鑄坯的總應變分布把鑄輥所在位置作為索引參數，在所有切片中進行搜索，找出所在位置相同的切片， 直接把切片的溫度信息和凝固厚度信息帶入應變公式進行計算，當全部應變指標計算完畢后，按照鑄輥計算總的應變，得到當前的鑄坯總應變分布。
17.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的模型計算機通過下列步驟獲得鑄坯的總應變分布把鑄輥所在位置作為索引參數，在所有切片中進行搜索，找出最靠近鑄輥位置的兩個切片，根據鑄輥位置和前后相鄰的兩個切片位置，以及前后兩個切片上記錄的溫度信息和凝固厚度信息，線性插值得到鑄輥位置所對應的鑄坯溫度和凝固厚度信息，并帶入到應變公式進行計算，當全部應變指標計算完畢后，按照鑄輥計算總的應變，得到當前的鑄坯總應變分布。
18.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是預先按照鋼種進行分類，并分別為每類鋼種設定臨界應變值，并將這些參數存儲于所述的模型計算機預報模型的數據庫中，模型計算機計算時，會根據澆注鋼種從數據庫索引出相應的臨界應變，然后，模型計算機從鑄機出口開始，向結晶器方向依次對每個鑄輥對應的鑄坯總應變進行判斷，判斷總應變是否超過總的臨界應變，若應變超過了臨界應變值，則判斷有內裂缺陷發生，模型計算機記錄缺陷的發生位置信息。
19.按照權利要求9所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述鑄坯的臨界應變取值范圍在0. 5% 0. 8%之間，鑄坯所能承受的極限應變與鋼種相關，其具體數值通過工藝試驗獲得。
20.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是當所述的模型計算機判斷鑄坯有內裂出現時，不僅要記錄內裂發生的具體位置，還要跟蹤內裂持續的時間， 以最終確定內裂在鑄坯上所覆蓋的區域。
21.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是當所述的模型計算機完成計算后，將計算結果信息通過網絡傳遞到控制鑄坯切割的過程計算機，根據缺陷的嚴重程度及區域大小等特征，對鑄坯進行優化切割，提高產品的收得率。
22.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是把整個鑄坯沿鑄造方向劃分為一系列與鑄坯斷面面積相等的薄片，構成所述的鑄坯切片；所述鑄坯的傳熱計算全部在鑄坯切片上進行、固定時間周期計算；所述的模型計算機根據各個鑄坯切片上的溫度場信息，通過插值計算，可得到鑄坯任何位置上的溫度信息；所述的鑄坯凝固厚度、 溫度場信息和固相溫度的計算也全部在鑄坯切片上進行。
23.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述鑄坯傳熱過程的數學模型描述，包括連鑄板坯的凝固計算、溫度分布方程的邊界條件和求解溫度分布方程初始條件。
24.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的連鑄板坯的凝固計算，計算從結晶器開始，在出鑄機之前結束，對于板坯，只考慮厚度方向的熱傳導， 不考慮鑄造方向及鑄坯寬度方向的熱傳導；鋼水的液相初始溫度等于中間包溫度；在連鑄的同一冷卻段，冷卻強度保持不變。
25.按照權利要求24所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述連鑄板坯的凝固計算，按如下表達式描述
26.按照權利要求23所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述溫度分布方程的邊界條件為鑄片表面溫度U (0，t) = Us,
27.按照權利要求23所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述求解溫度分布方程初始條件為假定結晶器注入鋼水時刻為t = 0，則U(x，0) = Ttd ；凝固厚度初始值XSIt-Cl = 0表面溫度初始值U丄=Q = TS 其中=Ttd為中間包溫度，TS為固相溫度。
28.按照權利要求I所述的鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，其特征是所述的間隔周期為秒級的時間單位，其具體數值范圍在5 IOs之間。
全文摘要
一種鑄坯內裂缺陷的在線預報方法，屬金屬鑄造領域。包括由L3級計算機、L2級計算機和L1級計算機構成的網絡以及相互之間的數據傳輸，其在現有的L2級計算機中或相同控制等級上，設置一模型計算機，通過實時、在線模擬計算鑄坯的冷卻凝固過程，獲得鑄坯內部的受力應變信息，再根據應變的變化趨勢實時地對鑄坯的內裂缺陷進行預報；然后把生產過程中的鑄坯質量信息及時傳遞到切割L1計算機，其用于優化控制缺陷鑄坯的切割過程，可提高產品質量控制精度及產品合格率，提高產品的合格率和商品等級，進而提高了企業整體的經濟效益。可廣泛用于板坯連鑄生產過程中鑄坯之切割過程的優化/控制領域。
文檔編號B22D11/16GK102527971SQ20121004690
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者張群亮, 徐國棟, 郭朝暉 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司