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 _i()50 Вт/м²K и отключают при _i()<50 Вт/м²К,

где: интенсивность охлаждения по секциям i;

_i() - коэффициент теплоотдачи в текущее время регулирования () в i-й секции охлаждения;

_1i, _2i - коэффициенты теплоотдачи вначале _1i и в конце _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 = _2i-_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)_i()(1000-1200) Вт/м²К.

Нижняя граница _i()(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 _i()(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;

- - 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 _i() в реальном времени благодаря использованию обобщенных функций (полиномов).

Измерение скорости вытягивания производится через довольно маленькие промежутки времени = 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.