Bloom動態(tài)輕壓下控制模型的應用

聶紅梅

（山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南250014）

1 前 言

山東鋼鐵集團有限公司（以下簡稱山鋼）360 mm×450 mm 鑄坯連鑄機主要用于生產優(yōu)質碳素鋼和合金鋼，并且提供高強度型鋼、槽鋼、圓鋼、和無縫鋼管的坯料，對鑄坯內部質量有嚴格要求。實踐表明，鑄坯中心偏析和中心氣孔對鋼的質量和性能有很大影響。對于軌道鋼來說，中心偏析和中心孔隙容易導致軌頭縱向斷裂，影響其焊接性能。對于輸氣管道鋼來說，當氫氣擴散到中心偏析和中心氣孔的位置時，就會產生裂紋和膨脹，最終導致管道破裂。對于海洋石油鉆井平臺的結構鋼和液化石油氣氣缸鋼，中心孔隙和中心偏析會影響焊接性能，使焊接部位（熱影響區(qū)）韌性指標嚴重惡化，甚至出現焊接裂縫。因此，通過一系列的工藝技術優(yōu)化，可以大幅度提高鑄坯內部質量，如低過熱度鑄造技術、EMS、強制冷卻凝固末端、動態(tài)輕壓下技術等。隨著這些技術的應用，中心偏析和中心孔隙得到了有效的控制和緩解，其中凝固末端輕壓下技術在鑄坯質量改善中得到了廣泛的應用。

山鋼360 mm×450 mm連鑄機完全由中國公司設計、制造和建造。由于斷面大、凝固時間長，對中心偏析、中心氣孔等內部缺陷比較敏感。在凝固傳熱模型的基礎上，建立了動態(tài)輕壓下控制模型。該控制模型包含一些核心模型，如輕壓下位置、壓下量和壓下量分布。該模型的應用充分實現了動態(tài)輕壓下工藝的冶金功能，360 mm×450 mm 鑄坯機生產的關鍵品種質量有了顯著提高。在此基礎上，可很好地滿足車軸鋼、氧氣瓶鋼、石油鉆具艇鋼等多種不同優(yōu)質鋼材的需求。

2 動態(tài)輕壓下控制模型

2.1 輕壓下區(qū)計算模型

山鋼360 mm×450 mm 連鑄機有7 臺輕壓機，其中1臺不具備輕壓機功能，它的作用是檢測鑄坯斷面尺寸，2～7臺可實現輕壓下功能。輕壓下位置可由bloom 中的固相分數確定的計算方法見等式（1）。軟壓在的情況下被實施。動態(tài)輕壓下控制模型流程見圖1。

圖1 動態(tài)輕壓下控制模型流程圖

式中：t1為液相線溫度，℃；t為凝固的溫度，℃；ti為鑄坯中心溫度，℃。

2.2 還原量分布率和相對壓下量計算模型

還原分布率是指固體組分在鑄坯某一部位的總還原比例。首先，根據凝固傳熱模型計算扇形段位置坯體中心的固相率，然后判斷固體分數是否在還原區(qū)間，再判斷在哪個區(qū)間進行分配計算，計算出與當前幀位置對應的實體分數的鑄坯收縮量。在此基礎上，計算出與當前幀位置對應的實體分數的縮減量。具體壓縮分布率的計算方法如下：

式中：Pi為第i幀的約簡分布率為分布曲線函數；fstar，fend為還原的起點和終點；為幀i還原的實體部分。

計算分配率后，可計算出各幀的相對約簡如下：

式中：Ra為總約簡量，mm；Ri為幀i的相對約簡，mm；pi為幀i的分布率。

因為Eqn（1）只測量鑄坯的實際厚度，不進行函數計算。因此，只計算幀2到幀7的相對約簡值。

1.1.1 供試雜草種子 2013年采集江蘇、上海地區(qū)施用精唑禾草靈后小麥田的看麥娘種子，2014、2015年依據2013年試驗結果選擇有代表性的抗性看麥娘發(fā)生田塊繼續(xù)采集雜草種子，并以2013—2015年在江蘇省農業(yè)科學院采集的未用精唑禾草靈處理過的雜草種子作為敏感對照。采集地信息見表1。

2.3 絕對壓下量及輥縫設定計算模型

2.3.1 絕對壓下量

絕對約減是指約簡操作過程中每一幀的實際約減，可計算如下：

式中：δi為約簡區(qū)間內的絕對約簡，mm；Ri為約簡去間內的相對約簡量，mm。

經絕對壓下量計算后，不能直接用絕對壓下量來計算扇形段輥道的間隙值，需要進行修正計算。原因是每個扇形段計算的絕對壓下值可能更大，甚至有時超過4 mm。拉坯阻力將大幅增加，電機扭矩增大電源可能跳閘，甚至造成連鑄機設備損壞。因此，應進行絕對約簡值的修正計算，并將計算值分配到下一個輥道。

根據生產現場情況，有兩種校正計算方式：1）限制坐標系2的絕對約簡。在較低的澆注速度下，固體分數fs 約為0.6～0.8 在第2 幀位置，而減速分布率高達0.75，這意味著在第二幀中大約減少了75%。所以第二幀的絕對壓下量太大，造成鑄坯質量不穩(wěn)定和設備損壞。因此，必須對絕對還原值進行校正。修正計算方法如下：

式中：δ'為坐標系i的修正絕對約簡，mm；δ2計算減少超過A1（為框架2的還原極限值），計算出了絕對還原，mmi和A，2.5～3.0 mm。

2）當第2 幀的絕對壓下量＞A1，減少的部分分配給下一個幀。為了防止的絕對減少幀3太大，幀3幀的最大減少量有限制。經二次修正的絕對還原量可滿足生產需要。

式中：δ'i為對第i幀進行校正的絕對約簡，mm；△δ2為縮減量超過A1，（坐標系2的最大極限值），△δi-1=δi-1-A2，A2為坐標系3-7的縮減極限值1.5～2.0 mm。

2.3.2 軋輥間隙設定值的計算

結合鑄坯熱收縮值，可根據每一幀的絕對收縮量計算輥道輥縫設定值。從機架2 開始計算輥縫（機架1用于測量輕壓下進口處的鑄坯厚度），以機架1處的測量值為標準計算輥縫。

在計算軋輥間隙時，必須考慮兩輥間鑄坯的自然熱收縮。風冷區(qū)自然熱收縮相對穩(wěn)定，因此自然熱收縮也相對穩(wěn)定（約0.20～0.24 mm/m）。

動態(tài)軟壓下輥縫設定值可計算為：

式中：Gi間隙為減少間距時i輥間隙設定值，mm；G1為軋輥1 實測的實際軋輥間隙值，mm；S為該輥與輥1之間的花坯自然如熱收縮值。

將計算出的輥縫設定值輸入PLC控制系統(tǒng)，根據凝固終點的變化動態(tài)分配還原量。

3 Bloom動態(tài)輕壓下控制模型的應用

3.1 輕壓下設備安裝位置

山鋼360 mm×450 mm連鑄機設計7個輕壓下機架。每架到模具彎板的距離分別為20.351、21.851、23.351、24.851、26.351、27.951、29.551 m。這意味著在鑄坯9.2 m長度以內輕壓下設備可以充分發(fā)揮作用。

3.2 軟壓下控制模型工藝參數

典型連鑄工藝條件下的軟壓下（SR）參數見表1。

表1 SR的典型參數

3.3 應用效果分析

Bloom動態(tài)輕壓下控制模型已應用于釩回收和鋼鐵生產中，山鋼360 mm×450 mm連鑄機2008年3月起安裝輕壓下設備，多年的生產實踐表明，所建立的控制模型包括凝固傳熱模型、還原區(qū)模型、還原量和還原分配模型計算精度高，并且每一幀的表面溫度、凝固終點和還原量的實測值與計算值的誤差不超過3%，為提高鑄坯質量，連鑄機發(fā)揮更好的冶金效果提供了可靠的依據。動態(tài)軟壓下控制模型性能測試后的Bloom宏觀結構檢測結果見表2。

表2 SR性能后的bloom宏觀結構檢查結果 %

由表2 可以看出，應用輕壓下控制模型后，鑄坯內部質量改善明顯，其中心孔隙率和中心偏析有明顯的改善。

SR 性能后的bloom 中心碳偏析見表3，由表3可知，應用輕壓下控制模型后鑄坯的中心碳偏析指數較小。YQ450NQR1、37Mn2 和 45 鋼的中心碳偏析指數控制在1.00～1.09；B1鋼的中心碳偏析指數控制在1.00～1.14，其中中心碳偏析指數在1.00～1.09；雙鋼的中心碳偏析指數控制在1.00～1.14，其中，中心碳偏析率幅度1.00～1.09占比為83.33%。

表3 SR性能后的bloom中心碳偏析指數占比 %

4 結 語

根據山鋼360 mm×450 mm坯連鑄機的設備特點，提出了鑄坯動態(tài)輕壓下控制模型的計算方法，包括壓下區(qū)模型、回收量和壓下分布模型，為合理的工藝和冶金生產提供了可靠的依據。隨著動態(tài)軟壓下控制模型的研究和應用，生產實踐低倍質量統(tǒng)計情況表明，中心氣孔率≤1.0，增加到97%，中心偏析率≤0.5，由原來的27%提高到80.91%，中心碳偏析指數≥1.10的比例降低到4%。