Bloom動態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）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質鋼材的需求。

2 動態輕壓下控制模型

2.1 輕壓下區計算模型

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。動態輕壓下控制模型流程見圖1。

圖1 動態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間，再判斷在哪個區間進行分配計算，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生田塊繼續采集雜草種子，并以2013—2015年在江蘇省農業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。風冷區自然熱收縮相對穩定，因此自然熱收縮也相對穩定（約0.20～0.24 mm/m）。

動態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，根據凝固終點的變化動態分配還原量。

3 Bloom動態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，連鑄機發揮更好的冶金效果提供了可靠的依據。動態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，提出了鑄坯動態輕壓下控制模型的計算方法，包括壓下區模型、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。隨著動態軟壓下控制模型的研究和應用，生產實踐低倍質量統計情況表明，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%。