一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法 【技术领域】
发明涉及一种冶金生产中的方坯连铸辊缝工艺，特别是涉及一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法。
背景技术
铸坯横断面尺寸大于200mm×200mm的大方坯连铸机主要浇铸优质钢和合金钢，用以轧制高强度型钢、槽钢、角钢、线材、圆钢及无缝钢管等对内部质量和压缩比要求严格的钢种。由于铸坯断面较大，在浇铸过程中容易出现鼓肚变形、弯矫变形和中心偏析等，从而造成铸坯表面缺陷和内部缺陷。辊缝工艺设定值大于实际铸坯厚度时，会导致宽面方向产生鼓肚，尤其在凝固末端，这种鼓肚将使两相区杂质元素(如C，Si，Mn，S，P)向铸坯中心流动，加剧了中心偏析和疏松的形成。辊缝小于实际铸坯厚度时，由于铸坯厚度方向受到压缩，将导致拉坯阻力的增加。同时，结晶器的尺寸设计也要基于铸坯热收缩量，这样才能得到准确的铸坯尺寸。因此准确地确定连铸坯从出结晶器到连铸机末端过程中的热收缩行为是制定辊缝工艺的重要基础。
在铸坯的截面中，如果一条对角线大于另一条对角线就称为菱形变形，又称“脱方”。脱方会伴随产生一系列的表面和内部质量缺陷，如沿钝角侧对角线方向的内裂，在钝角部位的角部纵向裂纹和面部纵向裂纹，甚至还会产生漏钢等影响浇铸的事故。不合适的辊缝制度会加剧菱形形变，合适的辊缝制度使菱形变形得到改善。若连铸机由于辊缝值设定过小时将引起拉坯阻力过大，使拉矫机发生打滑拉不动，而造成溢钢的现象，影响铸机正常生产。因此，准确的设定铸机的辊缝值，能保证生产的顺行进行。
连铸坯的自然热收缩是指铸坯在凝固过程中没有外力作用(如钢水静压力，辊子对铸坯的压力等)，只由物体热胀冷缩原因引起的连铸坯断面的收缩。由于铸坯热收缩过程伴随着热、力以及钢液流动的多重现象，钢液流动与传热密切相关，坯壳的热状态与坯壳应力分布密切相关。
目前还未发现通过铸坯热收缩值来对辊缝进行控制，通过设定辊缝锥度值、辊缝减少速率的值从而制定合理的辊缝工艺制度，提高铸坯内部质量地相关技术报道。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种通过铸坯热收缩值控制辊缝的控制工艺。
本发明解决其技术问题所采用的一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法是通过以下步骤确定辊缝制度，
(1)实时温度场计算：建立铸坯凝固传热模型，得到不同时刻温度场；
(2)热力耦合计算：根据求得相应的铸坯温度场和应变分布，获得在铸坯方向上各个时刻的铸坯自然热收缩值；
(3)计算验证和现场反馈：根据模拟计算的结果与现场的实际情况进行比对；
(4)确定辊缝工艺制度：确定辊缝的减少速率和辊缝锥度。
进一步，根据得到的铸坯上各个时间段的自然热收缩辊缝值，将辊缝沿铸坯拉坯方向分为1区、2区、3区、空冷区进行分段线性控制，从1区到空冷区的辊缝线性减少速率越小，辊缝锥度越小。
更进一步，各区的锥度范围分别为，1区0.04～0.12％，2区0.03～0.09％，3区0.02～0.05％，空冷区0.01～0.04％，各区的辊缝减少速率分别为，1区0.9～1.4mm/min，2区0.6～1.0mm/min，3区0.4～0.5mm/min，空冷区0.3～0.45mm/min。
还可以在步骤(1)中，将铸坯横截面采用为从中心到表面逐渐加密的网格作为计算基准。
采用本发明的自然热收缩辊缝工艺控制方法，能有效避免铸坯脱方和减小拉坯阻力，改善铸坯中心偏析和中心疏松等内部缺陷；同时为新钢种的开发和现有钢种铸坯质量改进提供新的辊缝工艺。
【附图说明】
图1是大方坯连铸过程中的工艺、传热示意图；
图2是辊缝工艺控制流程图；
图3是YQ450NQR1在过热度30℃时不同拉速下的窄面方向自然热收缩分布图。
【具体实施方式】
本专利是一种基于大方坯自然热收缩辊缝工艺的控制方法，通过仿真计算可以得到相应的辊缝工艺制度，控制流程图2所示，如具体步骤如下：
(1)实时温度场计算：建立铸坯凝固传热模型，得到不同时刻温度场
假设铸坯凝固时是均匀，根据其对称性，取铸坯横截面的四分之一断面作为计算区域，如图1所示，以减小计算量。由于铸坯沿拉坯方向的传热量占所有传热量的比例很小约占总传热量的3％到6％，可以忽略拉坯方向的热量损失。因铸坯表面附近的温度梯度较大，故采用从中心到表面逐渐加密的网格，以提高计算过程的收敛性。
如图1所示，将坐标系建立在铸坯上，与铸坯一起向下运动，因此铸坯表面上各点的温度是时间的函数。当λ为温度的函数或为常数时对计算结果基本没有影响，因此取λ为常数。于是可得到铸坯二维非稳态传热微分方程为；
ρc∂T∂t=λij(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2)+Q---(1)]]>
式(1)中：T—温度，Q—单位体积的热生成率，ρ—单位体积的质量密度，c—比热，t—时间，λij—材料在指定空间方向上的热传导率张量分量。
对于非稳态微分传热方程(1)的初始条件为：
T＝T0(x≥0，y≥0，t＝0) (2)
T0：为浇铸温度，℃。
·结晶器：在Γq边界上给定热流密度的边界条件
q‾(x,y,t)=λn∂T∂n‾---(3)]]>
其中，n表示Γq的外法线方向。q(x，y，t)是空间位置和时间变化的给定热流密度值
·二冷区：在Γq边界上给定对流的边界条件
q＝h(TΓ-T∞) (4)
其中h是表面对流换热系数。TΓ是表面温度，T∞是外界环境介质温度。对流换热系数h通常是介质的温度及其它材料特性和热流密度条件的函数。
·空冷区：在Γq边界上给定热辐射边界
q‾=σϵ(TΓ4-T∞4)---(5)]]>
其中σ是Stefan-Boltzmann常数，ε是表面辐射效率。
根据铸坯的实际情况，加载传热系数，冷却边界条件等建立铸坯凝固传热模型，对不同时刻温度场进行计算，为铸坯的收缩计算做准备。
(2)热力耦合计算：根据求得相应的铸坯温度场和应变分布，获得在铸坯方向上各个时刻的铸坯自然热收缩值；
对铸坯进行热收缩计算，建立热力耦合模型，其主要思路为：采用交替迭代方法求解更新拉格朗日算法，在每个增量步开始时将几何形状更新，在新的拉格朗日坐标下分析温度场方程。采用非线性方程迭代解法求解热传导方程的等效温度场递推关系式。收敛后，在同一增量步中，更新温度值，评价材料力学性质和热应变，迭代求解力平衡方程，收敛后，进行下一增量步的分析直到所需的增量步结束。
结合大方坯尺寸、浇铸钢种、二冷配水、拉速、过热度等工艺制度，把高温物性参数、初始条件、边界条件及求解条件代入模型进行求解，求得相应的铸坯温度场和应变分布，获得在铸坯方向上各个时刻的铸坯自然热收缩值。
(3)计算验证和现场反馈
根据模拟计算的结果与现场的实际情况进行比对，验证计算结果的准确性后得到的各区的自然热收缩值范围分别为，1区0.36～1.63mm/m，2区0.24～0.96mm/m，3区0.17～0.41mm/m，空冷区0.12～0.36mm/m。
(4)确定辊缝工艺制度：确定辊缝的减少速率和辊缝锥度；
图3为YQ450NQR1在过热度30℃时不同拉速下的窄面方向自然热收缩分布图，横坐标为“距离弯月面的距离(m)”，纵坐标为自然收缩值(m)，由图中可以看出，随着拉速的升高，自然热收缩量越来越小；当拉速提高0.1m/min时，铸坯收缩量减小0.60mm左右；由于拉速对铸坯的热收缩影响较大，故在连铸生产过程中的辊缝制度需要考虑拉速的影响，由于自然收缩量与拉速基本成线性关系，随着拉速的提高各区收缩量呈线性减少，相应的各区的辊缝锥度也随拉速的增大而线性减少，因此建立与拉速对应的辊缝锥度。
因此，结合大方坯铸机的生产条件，自然热收缩辊缝工艺可以沿拉坯方向设定为分段线性控制，即1区、2区、3区、空冷区回路，而且辊缝值沿拉坯方向为线性减少，越向后的回路辊缝线性减少速率越小。辊缝锥度越小。
经过优化的各区的锥度范围分别为，1区0.04～0.12％，2区0.03～0.09％，3区0.02～0.05％，空冷区0.01～0.04％；各区的辊缝减少速率分别为，1区0.9～1.4mm/min，2区0.6～1.0mm/min，3区0.4～0.5mm/min，空冷区0.3～0.45mm/min。
实施例(一)：
(1)铸机设备参数：全弧形大方坯连铸机，半径15m，弧形段铸辊直径220mm，相邻铸辊中心间距210mm，矫直段和水平段铸辊直径450mm，压下段长度为9200mm，相邻铸辊中心间距1500mm。
(2)铸坯尺寸360mm×450mm，钢种YQ450NQR1，连铸拉速为0.4～0.6m/min，过热度20～35℃，连铸冷却强度为0.321～0.375L/kg，钢种成分见表1。
表1
CSiMnPS0.11～0.140.30～0.501.25～1.400.008～0.0220.005～0.015
(3)各冷却区辊缝设定如表2所示。
表2
(4)各冷却区辊缝锥度及辊缝减少速率如表3所示。
表3
各冷却区1区2区3区空冷区锥度值(％)0.080.060.0350.025辊缝减少速率(mm/min)1.250.910.480.35
(5)铸坯宽面尺寸误差为-0.05％～1.00％，窄面尺寸误差为-0.50％～1.05％，菱形变形率0.02％～1.00％，铸坯鼓肚变形率0.00％～1.10％，表面无缺陷率为100％，铸坯中心偏析评级≤1.0级，中心疏松评级≤1.0级，中心缩孔评级≤0.5级，铸坯中心碳偏析指数1.01～1.06。
实施例(二)：
(1)铸机设备各参数如实施例(一)。
(2)铸坯尺寸360mm×450mm，钢种为45#，连铸拉速0.4～0.8m/min，过热度20～35℃，连铸冷却强度为0.373～0.405L/kg，钢种成分见表4。
表4
CSiMnPS0.42～0.500.17～0.370.50～0.800.010～0.0250.008～0.020
(3)各冷却区辊缝设定如表5所示。
表5
(4)各冷却区辊缝锥度及辊缝减少速率如表6所示。
表6
各冷却区1区2区3区空冷区锥度值(％)0.0930.0640.0360.027辊缝减少速率(mm/min)1.30.90.470.39
(5)铸坯宽面尺寸误差为-0.05％～1.00％，窄面尺寸误差为-0.50％～1.05％，菱形变形率0.02％～1.00％，铸坯鼓肚变形率0.00％～1.10％，表面无缺陷率为100％，铸坯中心偏析评级≤1.0级，中心疏松评级≤1.0级，中心缩孔评级≤0.5级，铸坯中心碳偏析指数1.01～1.08。
实施例(三)：
(1)铸机设备各参数如实施例(一)。
(2)铸坯尺寸360mm×450mm，钢种为20(C)，连铸拉速0.4～0.7m/min，过热度20～35℃，连铸冷却强度为0.415～0.432L/kg，钢种成分见表7。
表7
CSiMnPS0.17～0.230.17～0.370.35～0.650.010～0.0250.008～0.020
(3)各冷却区辊缝设定如表8所示。
表8
(4)各冷却区辊缝锥度及辊缝减少速率如表9所示。
表9
各冷却区1区2区3区空冷区锥度值(％)0.110.0690.0370.025辊缝减少速率(mm/min)0.90.720.430.36