新一代连铸工艺过程优化

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新一代连铸工艺过程优化

P Juza，K．Dittenberger，A．Pesek，U．Feischl-西门子奥钢联／奥地利

O．Lang，N．Oberschmidleitner-vatron GmbH／奥地利

摘要：SIMETAL^CISCC Optimization是用于优化连铸机生产的商标。CC Optimization软件包的核心组件是一些工艺模型，迄今这些工艺模型涉及全面的连铸工艺，如二次冷却、质量监控、漏钢预报或成材率优化。尽管如此，由于钢厂客户日益增长的需求，为保持技术领先地位，新模型或完全重新设计的模型正在实施中。

本文将探讨扩展型SIMETAL^CISMold Expert软件包，现在，该软件包不仅进一步完善了漏钢预防，而且含有结晶器液位专家MoldLevelExpert软件包，用于分析结晶器液位扰动可能原因。

就热交换过程而言，钢种混合计算采用了一种全新方式。基于某些元素的公差水平，Intermix混合模型可确定在铸流段的不同钢种范围，可以代表在中间包、结晶器和铸流上部区域的混合钢水。

SIMETAL^CISDynacs-最先进的二冷模型-目前正更新为基于一种完全不同的数学算法的SIMETAL^CIS Dynacs 3D二冷模型。SIMETAL^CIS Dynacs 3D设计用于确定连铸过程中横向铸流表面温度分布以及收缩现象。

1．简介

SIMETAL^CIS CC Optimization是用于优化连铸机生产的一个商标。SIMETAL^CIS CC Optimization软件包的核心组件是软件包的核心组件是一些工艺模型，迄今这些工艺模型涉及全面的连铸工艺，如二次冷却、质量监控、漏钢预报或成材率优化。尽管如此，由于钢厂客户日益增长的需求，为保持技术领先地位，新模型或完全重新设计的模型正在实施中。

本文将探讨扩展型SIMETAL^CISMold Expert软件包，现在，该软件包不仅进一步完善了漏钢预防，而且含有结晶器液位专家MoldLeve Expert软件包，用于分析结晶器液位扰动可能原因。

就热交换过程而言，为确定表示中间包、结晶器和上铸流区钢水部分的铸流段中某些元素的公差水平，钢种混合计算采用了一种全新方式。

Dynacs-最先进的二冷模型-目前正更新为基于一种完全不同的数学算法的SIMETAL^CIS Dynacs 3D二冷模型。SIMETAL^CIS Dynacs 3D设计用于确定连铸过程中横向铸流表面温度分布以及收缩现象。

2．概述

连铸机的工艺过程优化完全能诠释此会议宗旨“从想象到解决方案”。

SIMETAL^CIS Mold Expert决不仅仅是漏钢预报软件包，而且已获得关于结晶器温度和摩擦力的更多信息，通过提供扇形段和辊条件的相关信息，使其目益成为“深入了解结晶器内部及周边状况”的工具。

钢种混合-虽然对产品质量评价非常重要-但在很长时间内一直未得到很好解决。模拟混合过程的新发展以及最近硬件的数字捣弄能力的显著改进可实现一种极具发展前景的方式，用于钢在中间包和铸流上部区中混合工艺的正确建模。

SIMETAL^CIS Dynacs一直是二冷精选模型，但日益增长的生产要求规定了一种全新方式，要求对沿铸流的温度进行建模并附带观察临界角部温度。从而不仅可在浇铸方向，而且在横向上也可密切监视和控制铸流表面温度。SpeedExpert可解决成材率或产量优化问题，并考虑到钢种相关的质量要求。

3．结晶器专家系统SIMETAL^CIS Mold Expert

SIMETAL^CIS Mold Expert结晶器专家由许多软件包组成，允许安装量身定制的可配置软件包，满足新建连铸机或现有连铸机的要求。在多个场合的应用证明该“专家”极易集成到现有环境中^[1]。SIMETAL^CIS Mold Expert设置简图如图1所示。

以下章节将概述Mold Expert软件包，并重点关注其新发展。

4．漏钢预报专家系统BreakoutExpert

与粘结相关的漏钢是高维修费用和生产损失的一个主要原因。全球范围内60多个成功投入使用的SIMETAL^CIS Mo1d Expert(适合各种钢种，包括多套不锈钢连铸机)表明了此种软件包具有的良好效果。

最近安装的SIMETAL^CIS Mold Expert主要配有两排以上的(通常三排)热电偶。新开发和调整的算法可实现任意两排组合，作为各种粘结检测算法的输入信息。不同算法设计用于检测不同的粘结行为，且相邻列的热电偶也被列入考虑之列。

图2显示了“典型粘结”温度曲线。该图显示了不同时间上排热电偶(红色)和下排热电偶(蓝色)的温度的相交。拉坯速度和结晶器液位分别以黑色和绿色显示。

新算法可检测出没有表现出典型温度曲线的粘结。在图3中，对于所检测到的粘结，上排和下排温度的典型交叉完全被遗漏。

5．热区和行进热点的检测

采用所谓的热区和行进热点算法，可检测到结晶器上部中的局部热区或移动热区。

热区的定义是：在结晶器内，与同排相邻热电偶相比，一个或多个热电偶呈温度升高的区域。作为时间的一个函数，图4显示了一个带温度图的典型示例。如果热区在一个特定的连铸长度上持续出现，则人机界面(HMI)上将显示警告信息。

导致此类温度曲线分布的异常连铸工艺条件包括：

· 结晶器保护渣断裂

· 保护渣不足

· 保护渣分布不均匀

· 因磨损导致SEN浸入式水口穿孔

· 不对称钢水流量

· 纵向裂纹

6．摩擦力专家系统FrictionExpert

利用此工具，可根据液压振动的压力值和振幅，详细研究铸坯坯壳和结晶器铜板之间的摩擦功和摩擦力。该系统对诸如不同保护渣的性能或摩擦系数变动(例如因钢分析中的变化而导致的摩擦系数变动)等有价值的数据进行监控。所计算摩擦应力中的峰值以图示方式指示在摩擦趋势图上。

对于某些钢种，此类特性可强烈预示纵裂的形成(如图5所示)。此类数据由VAIQ质量模型进行跟踪，并可用于改进质量预测结果。

7．液位专家系统Level Expert

此全新特性可基于结晶器液位和塞棒／滑动水口的性能提供有价值的信息。输入数据的详细数学分析可实现以下检测：

· 作为结晶器液位控制质量监控的一部分，由SEN浸入式水口深度或腐蚀、塞棒阻塞或腐蚀、塞棒机械相关问题等造成的异常钢水流量

· 因非平稳鼓肚造成的结晶器液位振荡

· 不稳定鼓肚的波长(见图6)

· 自由表面波动

· 弯曲的辊

图6给出了LevelExpert人机界面概貌及其各种统计数据和趋势。上部图形给出了结晶器液位、塞棒位置、塞棒增益、拉坯速度和结晶器液位速度，以及最近数分钟的统计数据。这样，操作员获得了结晶器液位质量和结晶器液位是否得到改善的相关信息。

下部左图显示了结晶器液位信号的频谱以及相应波长。该频谱受到连续监控。如果一个波长对应于一个连铸机特定长度(例如一个辊距或辊周长)，则弹出一个带警告消息的窗口。图6中下方左图中的频谱在约200 mm波长处显示了一个明显的峰值，其接近一个给定扇形段中的辊距。

图7显示了一种典型塞棒阻塞情况的塞棒／流量曲线图。蓝色点和褐色点显示了钢水流量与塞棒位置的关系。蓝色点显示了最近两小时内的长期历史记录。褐色点显示了最近五分钟的数据，而黑色线显示了制造商给出的塞棒流动特性。通常，正常塞棒位置靠近黑色塞棒流动特性。如果存在阻塞问题，当保持钢水流量不变时，塞棒开口度增大。这由水平蓝色线指示。

8．混合(Intermix)

在连浇模式下，每次更换钢包时，在中间包和后续铸流上都会形成钢种混合。钢种混合计算用于确定经混合的钢种是否可以作为合格产品或是否必须降级或甚至可能报废。基于依靠实际分析数据的计算，做出两个钢种的混合区是否相容的决策。该模型由图8中描述的单元组成。

混合模型首先在下一个炉次中确定前一个浇次的轨迹。化学测定利用所导出的浓度分布曲线获得给定位置沿浇铸方向的实际分析值。利用分析限值以及混合模型分析浓度，在连浇炉次分配中做出关于各连浇炉彼此间相容性的最终决策。

混合计算针对某些选定的化学元素进行。其从新连浇炉次钢包打开开始周期性执行。中间包中钢种的混合采用所谓的‘混合箱模型’方式进行，并通过4个理论体积(混合箱)来说明中间包中混合钢的性能。这些体积可随中间包内的物质的不同而变化，且当将钢从一个混合箱转移到另一个混合箱时显示不同的性能。以理想方式、无任何延迟地将钢从一个混合箱转移到另一个混合箱的同时，“活塞流(plugflow)”造成钢转移延迟，“死区”模拟中间包中根本未显示任何物流的区域。假定该混合箱中的钢与从钢包新浇注的钢均匀混合。

钢种的自然混合不仅发生在中间包中，而且发生在结晶器和铸流上部。这也可通过将一个混合箱型模型应用于铸流中上部钢水部分进行处理(见图10)

利用来自中间包流动试验以及凝固产品中所抽取实际样品的信息，一条曲线可准确匹配模型输出和分析结果。显示浓度分布曲线的模型计算典型输出如图11所示。

当这些浓度分布曲线应用于后续连浇炉的分析数据时，一条曲线可直接导出关键元素的浓度分布曲线，其可确定成品处置情况(即合格品、降级或报废)。如果相关元素之一与钢种技术规格不匹配，则检测出一个偏离。中间包变更和(或)使用分离隔板时需单独处理。

该模型的输出也可直接用于成材率优化，即，不相容的钢水部分按废品处理，并直接进行切割长度优化。

如果是至少部分不相容钢种的连浇，图12显示了所测定的浓度分布曲线以及连浇炉次分配模型的输出步骤。特定化学元素的容许区域不重叠，从而导致有一段铸流(用红色表示)与两炉间任意一炉的分析技术规格都不匹配。

混合模型首次应用初步显示了非常令人满意的结果。同时也表明，为了达到该模型的理想效果，必须对不同形状和尺寸的中间包进行协调。

9． SIMETAL^CISDynacs 3D

SIMETAL^CIS Dynacs是连铸机二次冷却中的标准模型。其仅依靠冶金数据(如钢种化学分析以及热导系数)，并利用容易获得的生产数据(如规格、拉坯速度和实际水流量)的纯“数学-物理”方法已证实在全球范围内极其成功。所安装系统的数量远超过100套，该系统优化二冷，适合各种碳钢以及不锈钢钢连铸机，厚度范围从100到400 mm，拉坯速度高达3．5 m／min。

尽管最初的二维计算法概念经证实在确定铸流中心区的铸流热状态中非常高效，但在很大程度上忽略了角部。凭借强大的硬件，建立了一个用于铸流热状态跟踪的新三维(3D)模型。其基于一种显式有限体积法(见图13)，该方法解决了考虑到与温度相关密度和与位置相关厚度的传热方程式。相关钢种性能不再被视为参数，而是作为温度的函数。这实现了相当精确的计算准确度。(关于该模型的物理和冶金方面的信息，请参阅论文《连铸中的铸流冶金-从想象到解决方案》^[2])。

3D热跟踪模型给出了一个精确的铸流三维热成像。SIMETAL^CIS Dynacs 3D使得沿浇铸方向预设期望的表面温度曲线成为可能。可按不同横向铸流位置选择这些预置温度。原则上，一个位置可定义接触二冷所有表面区域的目标温度。

如果应控制多个横向位置，则可以规定一个加权系数。这是避免矛盾的预置值所必需的。

新模型带来的新亮点包括：

．正确计算出钢的收缩。这使得与SIMETAL^CIS DynaGap Soft Reduction^®的组合成为可能，这样可以降低

铸流间隙，从而与凝固和过冷铸坯角部中的铸流厚度相匹配。

．在常规热跟踪已经非常优异结果的基础上，凝固范围的预测得到进一步改善。

．实现了铸流中心的理论或“中性”铸流间隙的精确计算。因此-与SIMETAL^CISDynaGap Soft Reduction^® 相结合一一个铸流间隙可使来自铸流上部的附加钢水流量最少。

．通过结晶器铜板的热通量可用作计算输入。

通过脱机模拟以及联机温度测量的计算结果，对首先采用SIMETAL^CIS Dynacs 3D进行测试的结果进行验证。图14显示了铸流表面温度。图15显示了沿浇铸方向上的温度分布图，图16表示中心温度，可看到铸流中两个不同位置的中心温度分布。图14中的颜色表示钢在计算温度下所发射的实际辐射，而图15和图16显示了增强效果的颜色。

图15和图16中的灰色区域表示所谓的过渡区，由固态和液态部分组成。此区是适合采用液芯压下的关键区域。

10．SpeedExpert

生产能力是当今生产面临的主要问题之一。任何与最大可实现产量的偏差可导致产量降低和可售产品减少。

SpeedExpert与SpeedPerformanceReporter专门设计用于指示此类可能的生产损失，且不会忽略质量相关的方面。

根据SpeedtExpert为钢种(组)规定的生产和质量规则，该模型周期性计算出目标拉坯速度的设定点。这些可自由组态的规则可以包含普通拉速范围、偏离过热的特殊处理、中间包变更指令、启动或甩尾情况和出炉节奏。

在实践中为每个规则确定了一个有效速度范围。如果这些速度范围重叠，则有效的拉坯速度范围是SpeedExpert模型的第一个结果，如图17中的绿条所示。

可能的适用策略有：

· “MAX”：目标速度值设定到SpeedExpert结果范围的最大值。任何偏离此策略的偏差均记录在一份速度性能报告中，并指示给操作者。

· “CONSTANT”：如果实际拉坯速度在SpeedExpert有效范围内，则保持该速度。否则，一个新目标值设定到有效拉坯速度范围的中间值。

如果速度范围在特定情况下没有重叠，则将使用所有拉坯速度范围最大值中的最低值作为模型结果。

11．结论

SIMETAL^CIS CC Optimization逐步达到对质量有保证、无人操作连铸的设想。通过技术成熟的模型和软件包的细化和升级实现特性和功能上的不断提高。因此，SIMETAL^CIS Mold Expert、Intermix、SIMETAL^CIS Dynacs 3D和SpeedExpert可用作此趋势的优秀范例。