專利名稱：確定和控制連鑄板坯材料流程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連鑄板坯在連鑄設(shè)備與軋機之間的傳送路徑上，借助于溫度跟蹤和優(yōu)化，確定及控制連鑄板坯尤其扁鋼的材料流程的方法。
對于運行連接軋機的連鑄設(shè)備和在設(shè)計作為在連鑄設(shè)備與軋機之間的連接環(huán)節(jié)的板坯連鑄的精整工段時，重要之點始終是，了解剛剛澆鑄好或中間存放的板坯存在的含熱量，以便將板坯經(jīng)濟和優(yōu)化地置于與其內(nèi)部尚存在的含熱量相應(yīng)的材料流程之中。因為剛剛鑄造好的板坯有不均勻的溫度剖面并經(jīng)過較長的時間趨于均勻的溫度剖面，所以人們不可能借助于可測量的表面溫度推斷出平均的板坯溫度。因此也不可能在一定的時間后了解板坯的溫度剖面，以便例如使板坯通過再加熱設(shè)備置于均勻的最佳軋制溫度。最后，離開鑄造設(shè)備后固化的板坯通過不同的輸送和工藝路線，它們將導(dǎo)致各不相同的板坯溫度剖面。取決于板坯是否在隔熱狀態(tài)下在輥道上輸送、是否一個或多個板坯堆垛存放、是否所涉及的是開式板坯支架或板坯是否存放在開式或閉式的存儲槽內(nèi)，造成不同的溫度剖面。此外，與在噴水設(shè)備內(nèi)遲緩的冷卻相比在浸水池內(nèi)加速冷卻板坯時也會導(dǎo)致不同的溫度剖面。由此可知，應(yīng)謀求發(fā)現(xiàn)和了解各種板坯的冷卻過程，以便將獲得的認識有目的地使用于材料跟蹤和材料流程控制，迄今這些主要是建立在經(jīng)驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上。
以所描述的問題為出發(fā)點，本發(fā)明的目的是發(fā)明一種確定和控制連鑄板坯尤其扁鋼的材料流程的方法，這種方法可以確定連鑄板坯在連鑄設(shè)備與軋機之間的路徑上的熱含量和溫度剖面并可有目的地利用，以便將找到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)有的板坯跟蹤系統(tǒng)中，從而獲得在能量上最佳的亦即經(jīng)濟和可靠的材料流程。
為達到此目的，按本發(fā)明建議，為了確定板坯熱量和溫度剖面，從連鑄設(shè)備結(jié)晶器出口處已知的液態(tài)溫度和對板坯物理參數(shù)的了解出發(fā)，借助于一種數(shù)學(xué)物理模型，計算在板坯內(nèi)所含熱量的對流混合及不均勻冷卻的板坯向當時的周圍介質(zhì)取決于時間的散熱，計算結(jié)果必要時與測量的板坯表面溫度一起應(yīng)用于控制材料在現(xiàn)有的板坯跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的流程。
采用按本發(fā)明的建議，板坯可以有控制地通過連鑄設(shè)備不同的材料流程引入軋機，如溫裝料軋、熱裝料軋、冷裝料軋或熱直接軋。同樣可以找到堆垛中不同板坯的冷卻過程，如確定不同板坯表面的冷卻過程，以便借助于檢查測量推斷出在板坯內(nèi)部的溫度。用計算得到的數(shù)值和附加的設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)，例如可以確定存儲槽的尺寸以及可以預(yù)測在運行中不同平均溫度下的熱量利用狀況。
在按本發(fā)明方法的一種優(yōu)先選用的設(shè)計中規(guī)定，為了計算數(shù)學(xué)物理模型采用二維有限元素法。有限元計算方法允許模擬不同的過程，這種模擬用來支持結(jié)構(gòu)發(fā)展、逐步處理、銷售和在這里的情況下還用來支持未來的設(shè)備運行。結(jié)構(gòu)設(shè)計時經(jīng)常使用這種方法，以便通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析能認識到潛在的危險并將它減少到最低程度。人們可以通過應(yīng)力應(yīng)變分析、溫度計算、熱力學(xué)模擬以及通過確定固有頻率及本構(gòu)方程達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。往往在設(shè)計階段就已經(jīng)要求作建立在有限元計算的基礎(chǔ)上的設(shè)備運行模擬，并簽訂在設(shè)備供應(yīng)協(xié)議中作為合同的固定組成部分。
借助于有限元素法的計算也在設(shè)計數(shù)學(xué)物理模型時實施，這些計算必須在線用很短的時間提供準確的結(jié)果，提供的結(jié)果主要涉及參數(shù)討論，由此最終導(dǎo)出分析公式。
對于本發(fā)明，為了計算數(shù)學(xué)物理模型采用二維的有限元素法、有限差分法或具有脫線研究導(dǎo)出的公式的軟件。
為了使方法可以實現(xiàn)，可以在脫線研究中使用通用的商業(yè)有限元程序包。也許對在線而言它過大和太慢。因此應(yīng)采用一種方法(這種方法也可以是一種有限元素法或有限差分法)，也就是說應(yīng)是一種可編成程序的方法，它專門適應(yīng)板坯的幾何形狀(矩形)并因而足夠迅速。這種在線的方法可以用脫線的有限元程序包檢驗。
作為板坯的物理參數(shù)最好使用與溫度有關(guān)的材料參數(shù)，如密度ρ、比熱Cp、熱導(dǎo)率λ和氧化性能。
在方法的一種優(yōu)化中，按本發(fā)明將計算結(jié)果和測量的板坯表面溫度與在板坯跟蹤系統(tǒng)中材料流程的自動化結(jié)合。
本發(fā)明可以按有利的方式借助于數(shù)學(xué)物理模型最好用有限元模擬或有限差分法在規(guī)定的冷卻條件下確定不同尺寸的板坯和板坯堆垛的溫度變化過程。通過評估板坯平均溫度以及選出的表面溫度隨時間的變化過程，以后借助于測量表面溫度便可以良好地估算板坯的平均溫度。因此，用按本發(fā)明方法的結(jié)果可例如作出說明，規(guī)定的板坯平均溫度在精整工段中將保持多少小時；可以對有關(guān)在板坯跟蹤系統(tǒng)中的整個溫度譜作出說明。業(yè)已證實，按本發(fā)明的方法和所說明的有限元素法操作中的靈活性很大，適用于達到按本發(fā)明的目的，可以在連鑄設(shè)備與軋機之間實現(xiàn)經(jīng)濟和可靠的材料流程。本發(fā)明可以代替迄今以經(jīng)驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的控制板坯。設(shè)備不需要如長期以來那樣出自于安全的原因使尺寸過大；采用按本發(fā)明的方法現(xiàn)在人們有能力確定并掌握在連鑄設(shè)備與軋機之間的材料流程中的實際狀況。
下面可以借助于一個實際例子最簡單地說明本發(fā)明。在此例子中的出發(fā)點是，多個連鑄板坯堆垛地存放在開口的存儲槽內(nèi)。在堆垛中不同板坯的平均冷卻過程應(yīng)與堆垛中不同板坯在表面上的冷卻過程一樣加以確定。一個應(yīng)用目的可以是確定存儲槽的尺寸，或預(yù)測在生產(chǎn)運行過程中在不同的平均溫度下板坯的熱量利用狀況。
現(xiàn)在從一個說明的模型出發(fā)，例如討論各有420個元素的13個板坯。在相應(yīng)地給予對稱的邊界條件的情況下以半塊板坯作為模型就夠了，有限元網(wǎng)格可例如按這樣的方式生成，即，使得以后能易于確定平均溫度和堆垛過程取決于時間的控制。
模擬可分為以下部分1.在通過鑄造機時板坯截面的溫度跟蹤，它相應(yīng)于開始堆垛時每塊板坯的起始溫度剖面；
2.模擬各板坯的堆垛；3.模擬板坯堆垛的冷卻。
在第一個部分中，為了產(chǎn)生接近實際的在存儲槽內(nèi)板坯的起始溫度剖面，模擬在連鑄中板坯的凝固。材料密度、比熱和熱導(dǎo)率均與溫度有關(guān)。
雖然在液態(tài)也發(fā)生對流換熱，不過并不對其進行模擬。但為了模擬由于對流摻混達到的溫度均化，代之以將熱導(dǎo)率相對于固態(tài)提高100倍。一個重要的邊界條件是在一次和二次冷卻區(qū)范圍內(nèi)不同的水冷。按照一種傳熱模型，將可能的表面溫度的溫度區(qū)再分為不同傳熱類型的區(qū)段(穩(wěn)定的膜態(tài)蒸發(fā)，不穩(wěn)定區(qū)，燒毀點等)，因為對這些區(qū)域傳熱值適用不同的公式。在有些區(qū)域內(nèi)傳熱值還取決于此被冷卻體表面的材料參數(shù)，在本例中尤其涉及強烈氧化的表面，在這些表面應(yīng)采用氧化皮的材料參數(shù)。
板坯堆垛的模擬從第一塊板坯置入存儲槽中開始。然后每60秒將下一塊板坯堆放在以前放置的一些板坯上。堆垛過程以將一塊冷的板坯放置在至此為12塊堆垛好的板坯上時終止。這塊冷的板坯通過其自重減少最上面那塊熱板坯的彎曲變形。
在放入第一塊板坯后起動此板坯相應(yīng)的元素，從而在存儲槽內(nèi)就已對此板坯實施有限元模擬。接著是起動第二塊板坯和板坯的元素兩者。這一步驟類似地進行，直至置入最后一塊冷的板坯?，F(xiàn)在開始模擬存儲槽內(nèi)的全部板坯堆垛。在這里重要的邊界條件仍是板坯表面和周圍環(huán)境之間的導(dǎo)熱系數(shù)。除了下部支承面外，對于板坯堆垛的所有表面假設(shè)都是通過空氣對流加上輻射進行傳熱。
空氣對流用專門的函數(shù)計算；其中水平和垂直表面產(chǎn)生不同大小的導(dǎo)熱值。在高溫下與輻射傳熱量相比空氣對流的傳熱量還較小，然而在溫度低的情況下它卻占優(yōu)勢。此外，在此計算中環(huán)境溫度按寬敞的車間環(huán)境或存儲槽的壁來考慮。不過從一個代表性的堆垛出發(fā)這些只能認為是在一個規(guī)定的立體角部分內(nèi)，在其他一些立體角部分內(nèi)有具有類似溫度的相鄰堆垛。
堆垛的下部水平面與車間底部接觸?？梢詫④囬g底部本身一起進入有限元計算中，也可以將車間底部按簡化方式模擬為半無限大體，它持續(xù)地保持為其起始溫度，于是在此無限大體上存在取決于時間的傳熱量。
現(xiàn)在，給定板坯尺寸可以確定沿板坯截面或板坯堆垛截面的溫度分布。為了在鑄造機與軋機之間的材料流程中再整合，在扁鋼的情況下平均板坯溫度應(yīng)在500℃與600℃之間。在開始冷卻時第一塊板坯還有相當于從鑄造機出口的溫度剖面。在堆垛過程結(jié)束時，若底部較好地隔熱，則在堆垛內(nèi)存在比較均勻的溫度分布。堆垛最上面的板坯由于放置了冷的板坯所以在第一時段失去較多的熱量，堆垛中最下面的板坯在很短的起始時間內(nèi)迅速冷卻到因底部隔熱造成的結(jié)果。
按本發(fā)明的方法可通過物理數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)的板坯材料流程相結(jié)合實現(xiàn)各板坯在連鑄設(shè)備與軋機之間經(jīng)濟和可靠的控制。通過板坯表面的檢查測量再加上借助于計算模型得到的值，只要計入相應(yīng)的邊界條件，便可用簡單的方式推斷板坯熱量及溫度剖面。以此方式可以在連鑄設(shè)備與軋機之間的任何地點，尤其在存放位置，確定各板坯含有多少熱量和必須供入或排出多少能量，以獲得對于后續(xù)的過程為最佳的溫度剖面。本發(fā)明明擺著為從事此項工作的技術(shù)人員提供了一種工具，使他們可以優(yōu)化地設(shè)計此設(shè)備，因而設(shè)備能經(jīng)濟地制造和運行。
權(quán)利要求
1.連鑄板坯在連鑄設(shè)備與軋機之間的輸送路徑上，借助于溫度跟蹤和優(yōu)化，確定和控制連鑄板坯尤其扁鋼的材料流程的方法，其特征為為了確定板坯熱量和溫度剖面，從連鑄設(shè)備結(jié)晶器出口處已知的液態(tài)溫度和對板坯物理參數(shù)的了解出發(fā)，借助于一種數(shù)學(xué)物理模型，計算在板坯內(nèi)所含熱量的對流摻混及不均勻冷卻的板坯向當時的周圍介質(zhì)取決于時間的散熱，計算結(jié)果必要時與測量的板坯表面溫度一起應(yīng)用于控制材料在現(xiàn)有的板坯跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的流程。
2.按照權(quán)利要求1所述確定和控制連鑄板坯的材料流程的方法，其特征為為了計算數(shù)學(xué)物理模型采用二維的有限元素法、有限差分法或具有由脫線研究導(dǎo)出的公式的軟件。
3.按照權(quán)利要求1和2所述確定和控制連鑄板坯的材料流程的方法，其特征為作為板坯的物理參數(shù)采用與溫度有關(guān)的材料參數(shù)，如密度、比熱C、熱導(dǎo)率λ和氧化性能。
4.按照權(quán)利要求1至3所述確定和控制連鑄板坯的材料流程的方法，其特征為計算結(jié)果和板坯測量的表面溫度與在板坯跟蹤系統(tǒng)中材料流程的自動化結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種連鑄板坯在連鑄設(shè)備與軋機之間的輸送路徑上,借助于跟蹤和優(yōu)化,確定和控制連鑄板坯尤其扁鋼的材料流程的方法。按此方法,為了確定板坯熱量和溫度剖面,從連鑄設(shè)備結(jié)晶器出口處已知的液態(tài)溫度和對板坯物理參數(shù)的了解出發(fā),借助于一種數(shù)學(xué)物理模型,計算在板坯內(nèi)所含熱量的對流摻混及不均勻冷卻的板坯向當時的周圍介質(zhì)取決于時間的散熱,計算結(jié)果必要時與測量的板坯表面溫度一起應(yīng)用于控制材料在現(xiàn)有的板坯跟蹤系統(tǒng)內(nèi)的流程。
文檔編號B22D11/16GK1272887SQ98809770
公開日2000年11月8日 申請日期1998年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月2日
發(fā)明者維爾弗里德·莫德羅, 烏韋·奎特曼, 沃爾夫?qū)そB爾 申請人:Sms德馬格股份公司