专利名称：一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法
技术领域：
本发明属于金属铸造领域，尤其涉及一种用于连铸生产过程中铸坯内部质量缺陷的在线预报/控制方法。
背景技术：
在连铸过程中，铸坯会受到各种外力的作用而发生变形，当板坯经过弯曲段时，会受到弯曲应力的作用；当板坯经过矫值段时，会受到矫值应力的作用；在钢水静压力的作用下，铸坯会出现鼓肚变形。在这些外力的作用下，连铸板坯会产生一定的应变，若累积应变超过了临界应变，就会出现内部裂纹(简称内裂)。内裂是常见的铸坯质量缺陷，一旦形成，对后序加工及产品的综合性能影响很大。 严重的铸坯内裂，可能会导致在热轧过程中带钢分层甚至断带。通常情况下，铸坯内部缺陷一旦形成便始终存在，难以在后序加工过程中消除。因此，铸坯内部质量的控制只能在连铸生产过程中进行，通过改善工艺和操作水平，不断降低铸坯内部缺陷的发生率。然而，连铸缺陷的成因非常复杂，涉及因素非常多，有时这些因素交织在一起，更使得缺陷原因难以准确界定。当内裂缺陷形成时，一般通过铸坯的优化切割来降低缺陷对后续加工及产品性能的影响。举例来说，如果在铸坯的头末端的局部区域存在内部缺陷，则可以通过优化切割把缺陷区域切除，从而保证了剩余板坯的整体质量。然而，铸坯出现内裂时，缺陷部位被已经凝固的坯壳所包围，在线无法检测。常规的操作方法是，在铸坯完全切割后，在铸坯的头部或尾部取样，然后通过低倍试验检查铸坯是否有内裂。由于低倍试验周期一般在2天左右，这会严重影响连铸-热轧之间的物流衔接，而且，实际中也不可能对所有铸坯都取样检验。基于上述原因，人们开始探索如何对铸坯缺陷进行预报。缺陷预报有两个作用已知铸坯缺陷发生时，预报结果给现场操作工程师或工艺人员提供了信息，在可能的情况下，及时调整生产过程控制参数，尽量缩短铸坯缺陷的持续时间；根据铸坯缺陷的预报信息，对缺陷铸坯的切割过程进行控制优化，提高产品合格率。关于铸坯缺陷的预报方法，公告日为2006年8月16日，公告号为CN1269595C的中国专利中，公开了“一种由于结晶器冷却异常所导致的铸坯表面纵裂的预报方法”，其在结晶器钢水液面位置的下方埋入横向数列、纵向至少三排热电偶，通过数据采集系统将这些温度读入，并进行数据分析。其数据分析的步骤至少包含在拉速稳定的条件下，某排中的某个热电偶温度突然出现下降，速率达:TC /s以上；该热电偶正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达:TC /s以上的下降趋势，且相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与即时拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距；这一列三只热电偶温度随时间的变化规律一致，且下排热电偶温度持续下降的时间不小于上排热电偶温度持续下降的时间。可见， 该技术方案是通过在结晶器某个位置安装一定数量的热电偶，实时监测结晶器内的温度波动。当温度波动超过一定范围，且满足一定条件时，即可判断发生铸坯纵裂缺陷。上述方法仅适用于因结晶器温度异常波动所导致的铸坯表面缺陷。据相关研究表明，引发内裂缺陷的主要原因为在未完全凝固的铸坯内部的固液交界面上，由于受到外力的作用而发生的形变超过了临界应变值所致，其中应变包括弯曲应变、矫直应变、鼓肚应变等。然而，尽管应变与铸坯内裂缺陷的关系密切，但应变本身也难以检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其通过实时、在线模拟计算铸坯的冷却凝固过程，获得铸坯内部的受力应变信息，再根据应变的变化趋势对铸坯的内裂缺陷进行预报。并把生产过程中的铸坯质量信息及时传递到切割LI计算机，其用于优化控制缺陷铸坯的切割过程，可提高产品质量控制精度及产品合格率。本发明的技术方案是提供一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法，包括由L3级计算机、L2级计算机和LI级计算机构成的网络以及相互之间的数据传输，其中，L3级计算机负责下达生产计划指令，L2级计算机负责根据生产计划确定生产过程中的各种控制参数，并将控制参数下达到L3级计算机执行，L3级计算机执行L2级计算机下发的或操作工输入的控制指令，直接或间接控制铸机的相关设备，所述的L3级计算机至少包括公共LI计算机、 铸造LI计算机和切割LI计算机，其特征是所述的在线预报方法至少包括下列步骤A、在现有的L2级计算机中或相同控制等级上，设置一模型计算机；B、所述的L2级计算机通过LI级计算机，把铸造过程中的各种工艺和控制参数收集完整，然后按照一定的间隔周期发送到模型计算机；C、所述的模型计算机实时、在线地接收铸坯生产过程中的工艺和控制参数，确定铸坯散热计算的边界条件；D、所述的模型计算机基于铸坯传热过程的数学模型描述，动态计算铸坯与外界的散热过程，得到铸坯内外部的温度场；E、所述的模型计算机动态计算铸坯的冷却凝固过程，得到铸坯各个切片位置的凝
固厚度信息；F、所述的模型计算机动态分析铸坯在移动过程中受力变化，计算铸坯由于受到外力作用而产生的鼓肚应变、矫直应变及错位应变，得到铸坯的总应变分布；G、所述的模型计算机根据应变的变化趋势，通过判断应变是否超过临界应变值， 进而预测是否有内裂发生，对铸坯的内裂缺陷进行实时预测；H、若判断铸坯出现内裂，则模型计算机计算出具体的缺陷信息，并将信息与板坯具体位置信息相联系，通过L2级计算机下达到切割计算机，对铸坯的切割过程进行优化控制；I、切割计算机调整铸坯的切割位置，对于中心裂纹出现在预定板坯头部或者尾部位置附近的板坯，通过优化切割后直接把缺陷坯切除；对于出现了预定板坯中部的缺陷， 按照预定位置进行切割，但对切割后的板坯附上缺陷标记，按照要求进行降级或者改做它用；J、上述步骤，在对铸坯的铸造过程中实时、在线地进行。
具体的，所述的模型计算机为PC机、工控机、单片机或位于L2级计算机中的虚拟计算机。所述的铸造过程中各种工艺和控制参数，为铸坯传热过程相关的过程参数，其至少包括钢种、中间包钢水温度、厚度、拉速、宽度和冷却水流量；所述的模型计算机根据这些数据，确定铸坯热传导计算的边界条件，确定单位时间内铸坯向外界传递的总热量；随着铸坯物理位置的移动，模型计算机定周期更新铸坯传热计算的初始值和边界条件。所述的模型计算机在每个时刻，根据冷却水量、气量首先计算出铸坯表面的散热系数，再以此为基础推算出单位时间内铸坯表面向外界散出的热量，进而根据钢种物性参数得到铸坯内外部的温度场。进一步的，在冷却过程中，所述铸坯向外界散出的热量采用如下表达式进行计算(J) = h (Us-Uw) (w/m2)式中，(j5是单位面积上向外散热的强度，Us是铸坯的表面温度，Uw是冷却水温度， h是铸坯表面的散热系数。进一步的，所述铸坯表面的散热系数用如下表达式计算h = kwrwara其中，w是水流密度，rw是水量系数；a是气量密度，ra是气量系数，k是常数。进一步的，所述水流密度的计算方法是，以冷却区为单位，计算某个冷却区在铸坯上表面上的喷水总量，除以冷却区的面积，得到的是水流密度；其所述气量密度的计算方法与水流密度的计算方法相同。进一步的，所述的模型计算机首先计算铸坯上各位置的凝固率，再根据凝固率计算凝固厚度；其所述凝固率的计算表达式为
fs = Tl-Tc/Tl-Ts其中，fs为铸坯的凝固率，T1为钢的液相线温度，Ts为钢的固相线温度，Tc为板坯中心线上的温度；所述的模型计算机使用上述计算表达式，在铸坯的横截面上计算各位置的凝固率，再计算出各位置的凝固厚度。其所述的模型计算机基于计算所获得的铸坯温度场分布及凝固厚度信息，分别计算鼓肚应变、矫直应变及错位应变，将这些应变叠加起来，以铸坯切片为单位，计算每个铸坯切片位置上的总应变大小。进一步的，所述的鼓肚应变采用下述表达式进行计算
权利要求
1. 一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法，包括由L3级计算机、L2级计算机和LI级计算机构成的网络以及相互之间的数据传输，其中，L3级计算机负责下达生产计划指令，L2级计算机负责根据生产计划确定生产过程中的各种控制参数，并将控制参数下达到L3级计算机执行，L3级计算机执行L2级计算机下发的或操作工输入的控制指令，直接或间接控制铸机的相关设备，所述的L3级计算机至少包括公共LI计算机、铸造LI计算机和切割LI计算机，其特征是所述的在线预报方法至少包括下列步骤A、在现有的过程控制计算机中或相同控制等级上，设置一模型计算机；B、所述的过程控制计算机通过LI级计算机，把铸造过程中的各种工艺和控制参数收集完整，然后按照一定的间隔周期发送到模型计算机；C、所述的模型计算机实时、在线地接收铸坯生产过程中的工艺和控制参数，确定铸坯散热计算的边界条件；D、所述的模型计算机基于铸坯传热过程的数学模型描述，动态计算铸坯与外界的散热过程，得到铸坯内外部的温度场；E、所述的模型计算机动态计算铸坯的冷却凝固过程，得到铸坯各个切片位置的凝固厚度f目息;F、所述的模型计算机动态分析铸坯在移动过程中受力变化，计算铸坯由于受到外力作用而产生的鼓肚应变、矫直应变及错位应变，得到铸坯的总应变分布；G、所述的模型计算机根据应变的变化趋势，通过判断应变是否超过临界应变值，进而预测是否有内裂发生，对铸坯的内裂缺陷进行实时预测；H、若判断铸坯出现内裂，则模型计算机计算出具体的缺陷信息，并将信息与板坯具体位置信息相联系，通过过程控制计算机下达到切割计算机，对铸坯的切割过程进行优化控制；I、切割计算机调整铸坯的切割位置，对于中心裂纹出现在预定板坯头部或者尾部位置附近的板坯，通过优化切割后直接把缺陷坯切除；对于出现了预定板坯中部的缺陷，按照预定位置进行切割，但对切割后的板坯附上缺陷标记，按照要求进行降级或者改做它用；J、上述步骤，在对铸坯的铸造过程中实时、在线地进行。
2.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机为PC机、工控机、单片机或位于L2级计算机中的虚拟计算机。
3.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的铸造过程中各种工艺和控制参数，为铸坯传热过程相关的过程参数，其至少包括钢种、中间包钢水温度、厚度、拉速、宽度和冷却水流量；所述的模型计算机根据这些数据，确定铸坯热传导计算的边界条件，确定单位时间内铸坯向外界传递的总热量；随着铸坯物理位置的移动，模型计算机定周期更新铸坯传热计算的初始值和边界条件。
4.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机在每个时刻，根据冷却水量、气量首先计算出铸坯表面的散热系数，再以此为基础推算出单位时间内铸坯表面向外界散出的热量，进而根据钢种物性参数得到铸坯内外部的温度场。
5.按照权利要求4所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是在冷却过程中，所述铸坯向外界散出的热量采用如下表达式进行计算= h (Us-Uw) (w/m2)式中，0是单位面积上向外散热的强度，Us是铸坯的表面温度，Uw是冷却水温度，h是铸坯表面的散热系数。
6.按照权利要求5所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述铸坯表面的散热系数用如下表达式计算
7.按照权利要求4所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述水流密度的计算方法是，以冷却区为单位，计算某个冷却区在铸坯上表面上的喷水总量，除以冷却区的面积，得到的是水流密度；其所述气量密度的计算方法与水流密度的计算方法相同。
8.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机首先计算铸坯上各位置的凝固率，再根据凝固率计算凝固厚度；其所述凝固率的计算表达式为其中，fs为铸坯的凝固率，T1为钢的液相线温度，Ts为钢的固相线温度，Tc为板坯中心线上的温度；所述的模型计算机使用上述计算表达式，在铸坯的横截面上计算各位置的凝固率，再计算出各位置的凝固厚度。
9.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机基于计算所获得的铸坯温度场分布及凝固厚度信息，分别计算鼓肚应变、矫直应变及错位应变，将这些应变叠加起来，以铸坯切片为单位，计算每个铸坯切片位置上的总应变大小。
10.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的鼓肚应变采用下述表达式进行计算
11.按照权利要求10所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述铸坯的鼓肚变形的计算公式为
12.按照权利要求11所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述弹性系数的计算公式为
13.按照权利要求12所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述平均温度的计算公式为
14.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述铸坯的矫直应变的计算公式为
15.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的错位应变是连铸夹辊对弧不准引起的铸坯凝固界面上的应变，其计算公式为
16.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机通过下列步骤获得铸坯的总应变分布把铸辊所在位置作为索引参数，在所有切片中进行搜索，找出所在位置相同的切片， 直接把切片的温度信息和凝固厚度信息带入应变公式进行计算，当全部应变指标计算完毕后，按照铸辊计算总的应变，得到当前的铸坯总应变分布。
17.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的模型计算机通过下列步骤获得铸坯的总应变分布把铸辊所在位置作为索引参数，在所有切片中进行搜索，找出最靠近铸辊位置的两个切片，根据铸辊位置和前后相邻的两个切片位置，以及前后两个切片上记录的温度信息和凝固厚度信息，线性插值得到铸辊位置所对应的铸坯温度和凝固厚度信息，并带入到应变公式进行计算，当全部应变指标计算完毕后，按照铸辊计算总的应变，得到当前的铸坯总应变分布。
18.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是预先按照钢种进行分类，并分别为每类钢种设定临界应变值，并将这些参数存储于所述的模型计算机预报模型的数据库中，模型计算机计算时，会根据浇注钢种从数据库索引出相应的临界应变，然后，模型计算机从铸机出口开始，向结晶器方向依次对每个铸辊对应的铸坯总应变进行判断，判断总应变是否超过总的临界应变，若应变超过了临界应变值，则判断有内裂缺陷发生，模型计算机记录缺陷的发生位置信息。
19.按照权利要求9所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述铸坯的临界应变取值范围在0. 5% 0. 8%之间，铸坯所能承受的极限应变与钢种相关，其具体数值通过工艺试验获得。
20.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是当所述的模型计算机判断铸坯有内裂出现时，不仅要记录内裂发生的具体位置，还要跟踪内裂持续的时间， 以最终确定内裂在铸坯上所覆盖的区域。
21.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是当所述的模型计算机完成计算后，将计算结果信息通过网络传递到控制铸坯切割的过程计算机，根据缺陷的严重程度及区域大小等特征，对铸坯进行优化切割，提高产品的收得率。
22.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是把整个铸坯沿铸造方向划分为一系列与铸坯断面面积相等的薄片，构成所述的铸坯切片；所述铸坯的传热计算全部在铸坯切片上进行、固定时间周期计算；所述的模型计算机根据各个铸坯切片上的温度场信息，通过插值计算，可得到铸坯任何位置上的温度信息；所述的铸坯凝固厚度、 温度场信息和固相温度的计算也全部在铸坯切片上进行。
23.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述铸坯传热过程的数学模型描述，包括连铸板坯的凝固计算、温度分布方程的边界条件和求解温度分布方程初始条件。
24.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的连铸板坯的凝固计算，计算从结晶器开始，在出铸机之前结束，对于板坯，只考虑厚度方向的热传导， 不考虑铸造方向及铸坯宽度方向的热传导；钢水的液相初始温度等于中间包温度；在连铸的同一冷却段，冷却强度保持不变。
25.按照权利要求24所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述连铸板坯的凝固计算，按如下表达式描述
26.按照权利要求23所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述温度分布方程的边界条件为铸片表面温度U (0，t) = Us,
27.按照权利要求23所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述求解温度分布方程初始条件为假定结晶器注入钢水时刻为t = 0，则U(x，0) = Ttd ；凝固厚度初始值XSIt-Cl = 0表面温度初始值U丄=Q = TS 其中=Ttd为中间包温度，TS为固相温度。
28.按照权利要求I所述的铸坯内裂缺陷的在线预报方法，其特征是所述的间隔周期为秒级的时间单位，其具体数值范围在5 IOs之间。
全文摘要
一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法，属金属铸造领域。包括由L3级计算机、L2级计算机和L1级计算机构成的网络以及相互之间的数据传输，其在现有的L2级计算机中或相同控制等级上，设置一模型计算机，通过实时、在线模拟计算铸坯的冷却凝固过程，获得铸坯内部的受力应变信息，再根据应变的变化趋势实时地对铸坯的内裂缺陷进行预报；然后把生产过程中的铸坯质量信息及时传递到切割L1计算机，其用于优化控制缺陷铸坯的切割过程，可提高产品质量控制精度及产品合格率，提高产品的合格率和商品等级，进而提高了企业整体的经济效益。可广泛用于板坯连铸生产过程中铸坯之切割过程的优化/控制领域。
文档编号B22D11/16GK102527971SQ20121004690
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者张群亮, 徐国栋, 郭朝晖 申请人:宝山钢铁股份有限公司