专利名称：连铸坯液芯凝固末端位置确定方法
技术领域：
本发明涉及钢的连铸领域，特别涉及一种板坯连续铸造时连铸坯液芯凝固末端位 置确定方法。
背景技术：
在连铸技术中，钢液在结晶器内部受到冷却形成一定厚度的凝固坯壳，出了结晶 器后，铸坯内部还处于液态，形成一个长长的液芯。在接下来的二冷阶段，铸坯受到二次 冷却，凝固坯壳逐渐变厚，直到铸坯芯部完全凝固，连铸过程也就是铸坯液芯逐步凝固的过 程。因此连铸坯液芯凝固末端位置不仅是连铸设备设计与连铸工艺参数确定等前期设计计 算阶段最主要的依据之一，同时也是实际生产过程中，作为连铸控制、设备能力考核、铸坯 内部组织结构和质量控制、乃至浇铸新钢种工艺规范的合理制度等方面主要参数之一。实际生产中连铸坯液芯凝固末端的位置取决于多种因素的综合作用，影响最大的 因素是拉坯速度和铸坯尺寸的大小。此外，钢种成分、铸坯断面形状、浇铸钢水过热度、铸坯 在结晶器和二次冷却区的冷却方式、铸坯坯壳与结晶器内壁及辊列接触面积及其材料材质 等，也对连铸坯凝固末端的准确位置有较重要的影响。尤其是铸坯末端轻压下技术的采用 对铸坯液芯凝固末端的准确测定更加迫切。长期以来，国内外的主要钢铁企业，相关研究院所和高校等科技工作者对如何在 理论上和实际中准确确定连铸坯液芯凝固末端位置都进行了大量的研究与探索，开发了各 种理论计算模型或实际测量方法。在理论分析方面，根据平方根定律5 =火V^，将铸机中各 种边界和初始条件都反应到凝固常数K中，依据坯壳厚度δ和时间t来估算铸坯凝固末 端。近年来计算机技术发展迅速，各种模拟和计算方法出现，利用有限差分和有限元算法模 拟得到铸坯凝固末端位置。平方根定律和数值计算是在铸坯传热过程进行假设的基础上得 到的，且实际应用也要根据具体的铸机设备、钢种和浇注条件进行调试，具有很大的不确定 性。实验确定法则包括坯壳穿刺、同位素示踪、射钉和鼓肚测量法等，这些实验方法都是破 坏性实验，只能作为样本数量较少的研究，并不适用于工业生产。中国专利CN1909995A公开了一种确定连铸坯中液芯凝固末端位置的方法，通过 在固定式或者调节式支撑辊上测量力信号，结合位移信号对调节工艺参数进行间接测量， 以此间接测量出每个长度单位或整个铸坯长度的心部液体体积，并根据这些测量值完成凝 固末端当前位置的模型计算。该方法先通过测量结果调试计算模型，模型本身参数需要根 据测量数据修正，也有很大不确定性和间接性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，能直接、准 确地确定液芯凝固末端的位置，为凝固末端轻压下技术和连铸凝固传热模型验证提供准确 fn息ο为实现上述目的，本发明的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，包括以下步骤步骤一、在连铸机扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感器，测量在连铸过程中各个 扇形段框架的入口和出口的压力；步骤二、将上一步骤中测量到各个扇形段框架的入口和 出口的压力值送入计算机数据处理系统进行处理，再通过显示输出系统输出各个扇形段框 架入口和出口压力的变化情况；步骤三、根据拉速变化时各个扇形段框架入口和出口压力 的发生突变情况进行比较，确定液芯凝固末端的所处的位置。优选地，本发明的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，在步骤一所述的设置测力 传感器时，先通过铸坯凝固系数判断在工作拉速下铸坯液芯凝固末端所处的扇形段框架的 区域范围，再在该区域范围的扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感器。优选地，所述步骤二中通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的 变化情况，采用表格形式列出所有压力变化值。优选地，所述步骤二中通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的 变化情况，采用拉速变化时，各个扇形段框架入口和出口压力随时间变化的曲线的形式显 示出来。本发明的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，通过在各个扇形段框架入口和出口 的压力来反映钢液静压力的变化情况，结合连铸过程中拉速的改变来确定铸坯液芯凝固末 端的位置，具有准确、直接、快速的优点。
图1为连铸坯液芯凝固末端位置确定系统的示意图，图2为图1中的其中一个扇形段框架的立体示意图，图3为连铸过程中拉坯速度变化时各框架入口出口压力变化趋势图。
具体实施例方式图1为连铸坯液芯凝固末端位置确定系统的示意图，钢液从钢包11排放到中间包 12中，钢液从中间包12流入结晶器13中。从结晶器13出来，浇铸的连铸坯100穿过连铸 机扇形段进行二次冷却。连铸机扇形段主要起到送装引锭杆、支托、冷却、拉矫板坯，减小坯 壳两相界处钢水静压力的鼓肚应变和矫直应变的作用。连铸机扇形段分别由垂直段、弧形 段和水平段组成。如图所示，垂直段即为图中所示的垂直段支撑辊14部分，水平设置的四 个扇形段框架15为水平段，位于水平段和垂直段之间的六个扇形段框架15为弧形段，从垂 直段支撑辊14开始，垂直段支撑辊14为0号段，其后的弧形段的六个扇形段框架15依次 为1号段框架15a、2号段框架15b、3号段框架15c、4号段框架15d、5号段框架15e、6号段 框架15f，水平段的四个扇形段框架15依次为7号段框架15g、8号段框架15h、9号段框架 15i、10号段框架15j。因为液芯110的存在，连铸坯100的物理性能发生改变，一个完全凝固的连铸坯与 一个局部凝固连铸坯的弹塑性性能方面是有区别的，而且其力的传递也是不同的。在扇形 段液压缸151压下过程中，连铸坯100宽面下的液芯110受到外力发生流动，坯壳所受到的 外力传递到液芯110部分，因此钢液静压力、液压缸151夹紧力和扇形段框架15受压力之 间有一个平衡。当铸机拉速发生突变时，连铸坯100的传热情况也会发生改变，连铸坯100 的凝固时间发生改变，连铸坯100液芯凝固末端111位置也随之发生改变，液芯凝固末端111所处的扇形段位置的钢水静压力也会发生改变，因此只要获得各个扇形段受力变化情 况，就可以判断出液芯凝固末端111所在位置。本发明原理是连铸机扇形段框架15受力情况决定于连铸坯100对扇形段框架 15的夹持辊的反作用力，而连铸坯100对夹持辊的反作用力的主要是连铸坯100钢液静压 力，也就是说连铸坯100对扇形段框架15的夹持辊反作用力的大小和变化，就反映出连铸 坯100钢液静压力的大小和变化。在对其中一个扇形段框架15进行分析，钢液静压力可表 示为PLiquid 一 Pclamp-Pprame式中Pprame-扇形段框架15受到的压力Pclamp-夹紧油缸151的夹紧力PLiquid-钢液静压力对扇形段框架15的反作用力在连铸机的稳定浇铸过程中，扇形段夹紧油缸151夹紧力Paamp是基本保持不变 的，而钢液静压力对扇形段框架15的反作用力Puquid则随着连铸坯100坯壳厚度的变化而 变化，也就是导致了 Pfmk的变化。扇形段框架15所受压力Pfmm的变化直接反映了该扇形段铸坯内部钢液静压力的 变化。通过测量扇形段的各个框架的入口、出口的压力Pfmm，根据压力变化，就可以判断液 芯凝固末端111的位置。因此，可在扇形段的各个框架的入口、出口设置测力传感器，各点压力变化单独记 录，将各个框架的入口、出口的压力Pfmk的信号进行处理。如图1所述，各个框架的入口、 出口的压力PFMe的信号通过信号放大系统201进行滤波和放大，并通过A/D转换系统202 转换成符合计算机要求的信号，然后通过计算机数据处理系统203对数据进行处理，最后 通过显示输出系统204输出。图2为图1中的其中一个扇形段框架的立体示意图，如图所示，框架15的入口、出 口设置测力传感器151设置在夹紧油缸151和框架15的连接处，测力传感器151完成在连 铸过程中扇形段各个框架15的压力，入口和出口压力单独记录。本发明可通过铸坯凝固系数K先判断在工作拉速下铸坯液芯凝固末端111的区域 范围。铸坯凝固的平方根定律为δ = K/t = K^式中，δ为坯壳厚度(mm)K为铸坯凝固系数，该值为通过射钉试验获得的经验常数(mm/min"2)1为液芯凝固末端到结晶器液面的距离(m)ν为拉坯速度(m/min)利用铸坯厚度的一半为坯壳厚度δ，通过该公式即可求得铸机不同工作拉速ν下 的液芯凝固末端位置1大概区域，即液芯凝固末端111落在哪几个扇形段框架内，在这几个 扇形段内安装测力传感器151即可。这样可以节省测力传感器的数量，同时也可以减少数 据数据处理的工作量，便于数据分析。在扇形段夹紧油缸15的活塞杆轴线位置为具体测量点，确定在活塞杆和框架15的连接处安装测力传感器152。当铸机拉速发生改变时，连铸坯 100的传热情况也发生了改变，液芯凝固末端111也随之改变，液芯凝固末端111所处的扇 形段区域也发生了改变，通过在线连续测量连铸机部分扇形段压力的变化，就直接反映了 铸坯钢液静压力的变化，而钢液静压力是与铸坯液芯的厚度和长短有直接关系，因此就可 以根据拉速的变化和各个扇形段框架出入口压力的变化对比情况进而判断其液芯凝固末 端111的位置。数据处理系统203对数据进行处理，通过显示输出系统204输出，其输出方式可以 采用数据表的形式显示，也可通过拉坯速度随时间的变化趋势曲线的形式显示。通过变化趋势曲线或数据表的对照，比较拉速变化时，不同扇形段框架15入口和 出口处的压力的变化。当拉速增加时，不同扇形段内的凝固坯壳会逐渐变薄。由于凝固坯 壳厚度的改变从而改变了此处的钢液静压力对框架的作用力，从而反映到测力传感器152。 液芯凝固末端111进入到某个扇形段区域时，其液芯静压力会发生变化，尤其由原来的凝 固状态转变为液态，因为有了液芯的存在而其静压力发生显著的改变，这种改变也就直接 反应到测力传感器152上。因此利用扇形段框架所受压力、油缸夹紧力和钢液静压力之间 的关系，就可以较准确地判断铸坯液芯凝固末端所在位置。下面以1550mmX 230mm断面铸坯为例，钢种为Q235来具体说明如何确定液芯凝 固末端所在位置。根据平方根定律以及该钢种的凝固系数K = 27mm/min1/2，则工作拉速为 0. 85m/min 1. Om/min的范围内，液芯凝固末端位置大约为15. 42m到18. 14m左右。铸机 的第6号段框架15f入口和第8段框架15h出口到结晶器液面的距离分别为14. 344m和 20. 176m，则可判断该铸机液芯凝固末端111大约处于第6号段框架15f和第8段框架15h 内，因此在第6、7和8段框架15f、15g、15h上分别安装测力传感器152。采用拉坯速度(简称拉速)变化时，各框架入口出口压力变化随时间的变化趋势 曲线的形式显示时，可采用图3所示的曲线表示方式，图3为连铸过程中拉坯速度变化时各 框架入口出口压力变化趋势图。如图3所示，图中曲线A表示6号段框架15f入口压力值、 曲线B表示6号段框架15f出口压力值、曲线C表示7号段框架15g入口压力值，曲线D表 示拉坯速度值。当拉速从0. 8m/min增大到0. 85m/min时，液芯凝固末端位置增加，则6号 段框架15f出口压力和7号段框架15g入口压力发生突变，压力显著地减小，而6号段框架 15f入口压力值稍有减小，而7号段框架15g出口值未改变，可判断当拉速为0. 8m/min时， 液芯凝固末端111位于6号段框架15f内，且偏向6号段框架15f末端，可取15.9m。数据分析也可采用表格形式，如表1所示。表1列出了在拉速变化时各个扇形段 框架的入口和出口压力变化。当拉速继续增加，从0. 85m/min变化到0. 9m/min时，可根据 表1中的数据判断，当拉速为0. 85m/min时，液芯凝固末端处于7号段框架15g的中部偏向 入口处，取16. Sm。表1中还给出了拉速继续增大出现的类似情况，其他拉速变化时液芯凝 固末端的判断情况见表1，这里不再一一描述。通过拉速变化时，压力突变所处的位置，可确定不同拉速下的液芯凝固末端位置。表 权利要求
一种连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一、在连铸机扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感器，测量在连铸过程中各个扇形段框架的入口和出口的压力值；步骤二、将上一步骤中测量到的各个扇形段框架的入口和出口的压力值送入计算机数据处理系统进行处理，再通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的变化情况；步骤三、根据拉速变化时各个扇形段框架入口和出口压力的发生突变情况进行比较，确定液芯凝固末端的所处的位置。
2.如权利要求1所述的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，其特征在于，在步骤一所 述的设置测力传感器时，先通过铸坯凝固系数判断在工作拉速下铸坯液芯凝固末端所处的 扇形段框架的区域范围，再在该区域范围的扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感o
3.如权利要求1所述的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，其特征在于，所述步骤二 中通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的变化情况，采用表格形式列出 所有压力变化值。
4.如权利要求1所述的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，其特征在于，所述步骤二 中通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的变化情况，采用拉速变化时， 各个扇形段框架入口和出口压力随时间变化的曲线的形式显示出来。
全文摘要
本发明公开了一种连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，该方法包括以下步骤步骤一、在连铸机扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感器，测量在连铸过程中各个扇形段框架的入口和出口的压力；步骤二、将上一步骤中测量到各个扇形段框架的入口和出口的压力值送入计算机数据处理系统进行处理，再通过显示输出系统输出各个扇形段框架入口和出口压力的变化情况；步骤三、根据拉速变化时各个扇形段框架入口和出口压力的发生突变情况进行比较，确定液芯凝固末端的所处的位置。本发明的连铸坯液芯凝固末端位置确定方法，具有准确、直接、快速的优点。
文档编号B22D11/16GK101890488SQ20091005173
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者张立, 徐红伟, 徐荣军, 王迎春 申请人:宝山钢铁股份有限公司