CN112122571B - 大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁生产中的连铸技术领域，涉及一种大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的系统及控制方法，所述系统包括冷却装置、冷却水供给装置、压缩空气供给装置和控制装置；冷却水供给装置和压缩空气供给装置均与冷却装置连接，控制装置分别与冷却装置、冷却水供给装置和压缩空气供给装置控制连接。冷却装置沿拉速方向依次设置于连铸坯矫直后和切割前，连铸圆坯从冷却环中心通过，使用喷水冷却或气雾冷却对圆坯凝固末端区域进行冷却，通过控制装置控制冷却区域及冷却强度。该方法可建立大断面圆坯连铸凝固末端有效冷却的系统，可以使铸坯表层及中间层产生较大的拉应力，抑制铸坯中心凝固产生的拉应力，控制和消除铸坯中心裂纹，提高铸坯产品质量。

Description

大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷系统的控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁连铸技术领域，具体涉及一种大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的系统及其控制方法。

背景技术

连铸圆坯在近些年发展较迅速，断面直径也在不断扩大发展，然而随着各应用领域对圆坯连铸直径、内外部质量的要求越来越严格，铸坯的生产要求也越来越高。由于大断面圆坯连铸具有比表面积小、钢水静压力大、坯壳线收缩大、坯壳热容量大、凝固距离长、铸坯在二冷区的辐射热强度小、液相穴长等特点，且圆坯连铸设备不同于板坯和方坯，一般没有轻压下工艺，所以连铸圆坯中心存在偏析、疏松，且易产生中心裂纹，影响整体产品质量合格率和稳定性。如何改善连铸圆坯内部质量的技术显得至关重要和迫切。根据基础理论和工艺要求，可在凝固末端安装强冷装置，使铸坯表层及中间层产生较大的拉应力，抑制铸坯中心凝固产生的拉应力，降低连铸过程中形成的宏观缺陷，降低中心裂纹产生的风险和概率从而改善连铸圆坯内部质量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种使铸坯表层及中间层产生较大的拉应力，抑制铸坯中心凝固产生的拉应力，降低中心裂纹产生的风险和概率从而改善连铸圆坯内部质量的连铸圆坯凝固末端进行强冷的系统及其控制方法。

该方法和设备包括数个冷却环、或数对冷却环对或数组冷却环组，具体数量依据凝固末端强冷所需长度以及连铸坯矫直辊至切割装置间的空间而定。采用喷水冷却技术时，冷却环与冷却水系统连接，每个冷却环均可单独使用；采用气雾冷却时，需将两个冷却环并排紧邻布置，形成气雾冷却环对，其中一个冷却环与冷却水系统连接，另一个冷却环与压缩空气系统连接。可将2-6个冷却环或冷却环对由钢架固定，组成冷却环组。组成冷却环组后较易稳定安置在连铸机上。冷却环制备材料可选用不锈钢管或耐腐蚀钢，钢管内径一般为5-20mm；

]冷却环形状和直径大小根据实际生产状况而定，形状可为圆形，也可为正六边形、正八边形等正多边形。在同一组冷却设备中的每个冷却环的直径大小相同，冷却环具体直径依据连铸坯直径和连铸机切割装置前空间确定，一般为连铸圆坯直径的1.5-3倍，需确保连铸圆坯能稳定从冷却环中心通过，并留有一部分空间能使喷嘴均匀喷水或汽雾至铸坯表面进行冷却。

在冷却环、冷却环对或冷却环组上沿周长均匀布置喷嘴，喷嘴的数量和布置间隔依据均匀冷却铸坯表层的目的而定，一般为6-12个。将冷却环上的喷嘴与冷却环内的冷却水相连接，将冷却环对上的喷嘴与冷却环对内的冷却水和气体相连接，每个喷嘴的冷却供水水量和气流量可通过电动阀门由控制装置系统远程控制；

冷却环、冷却环对或冷却环组沿拉速方向依次设置于连铸坯矫直辊后和切割装置前，为了尽可能实现铸坯沿拉速方向的均匀冷却，冷却环、冷却环对或冷却环组最好沿拉速方向均匀布置。连铸圆坯从冷却环中心通过，使用冷却环喷水冷却或采用气雾冷却的方式对圆坯凝固末端区域进行冷却；

冷却环、冷却环对或冷却环组可固定在连铸设备上，也可在连铸设备上沿拉速方向移动调整位置。对于不同钢种，凝固末端的位置和凝固末端冷却所需长度有一定差异，可根据实际生产需求而决定冷却环、冷却环对或冷却环组位置是否需要移动，或打开相应位置冷却环、冷却环对或冷却环组上的喷嘴进行冷却。

由控制装置系统依据钢种成分、连铸冷却强度、拉速和浇铸温度等生产条件计算出连铸圆坯的凝固终点位置。首先通过钢种成分计算钢种的物理性能及热物理性能（密度、热导率、杨氏/体积/剪切模量、泊松比、焓、比热、潜热等）；将计算结果导入有限元数值模拟软件；建立不同冷却段的传热模型（结晶器段采用结晶器的平均热流密度计算，足辊二冷段采用换热系数计算，空冷区采用辐射换热系数计算）；将生产工艺参数代入传热模型，将模型计算得出的换热条件导入有限元数值模拟软件；大断面圆坯的传热过程可以简化成一个二维传热过程，在有限元数值模拟软件中建立大圆坯几何模型，设置一个与实际生产连铸圆坯直径一致的圆形薄片并划分网格；在有限元数值模拟软件中给建立好的几何模型施加载荷、施加边界条件、求解及后处理，得到圆坯连铸过程温度场分布云图；从温度场分布云图可找出圆坯完全凝固的时刻及位置。

将凝固终点前后0.5-2米范围内铸坯确定为铸坯凝固末端，使用控制装置系统打开凝固终点前后0.5-2米范围内冷却环的喷嘴，通过电动阀门控制冷却水量和气体流量，对该区间铸坯进行一定强度的冷却。

铸坯末端冷却强度控制在比水量0.1L/kg -0.3L/kg的范围内，气雾冷却压缩气体总气量控制在2000-8000Nm³/h，具体冷却强度及气体压力由控制装置系统依据钢种成分、连铸冷却强度、拉速和浇铸温度计算而得出，确保连铸圆坯中心在凝固时及随后1-3分钟内拉应力小于0.3Mpa，铸坯表层拉应力小于该钢种在铸坯表层温度抗拉强度的50%。

铸坯末端冷却强度控制在比水量0.1L/kg -0.3L/kg的范围内，气雾冷却压缩气体总气量控制在2000-8000Nm³/h，具体凝固末端的冷却强度通过有限元数值模拟软件计算。在先前计算凝固终点的模型和计算基础上，先在确定的末端强冷区域设置比水量为0.1L/kg的冷却强度进行计算，重新求解后处理得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图；选取凝固终点温度场分布云图，设置热应力耦合分析，施加钢水静压力，耦合分析求解得到凝固终点铸坯应力分布云图，读取圆坯中心位置处及表层处的第一主应力；设置循环条件，若铸坯第一主应力大于3Mpa，则增加末端冷却强度，重新计算凝固终点温度场分布云图及应力耦合计算得出应力分布云图，直至增加冷却强度使得圆坯中心第一主应力小于3Mpa，输出此时冷却强度为最小末端冷却强度，继续增加冷却强度使得圆坯表层所受张应力达到该温度下钢种抗拉强度的50%，输出此时冷却强度为最大末端冷却强度，可根据实际生产情况在最小冷却强度到最大冷却强度的区间内选择末端冷却强度，最大冷却强度不超过比水量0.3L/kg。

本发明的上述技术方案可显著降低大尺寸圆坯中心裂纹的评级，提高铸坯内部质量，从而降低后续轧制及锻造的难度，提高产品成材率。

附图说明

图1为本发明的对大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的设备中固定式冷却环示意图。

图2为本发明的对大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的设备中可移动式冷却环结构示意图。

图3为本发明的对大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的设备中冷却环结构示意图。

图4为本发明的对大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的设备中气雾冷却环对结构示意图。

图中：

1.钢架，2. 控制阀；3.冷却装置；31. 冷却水冷却环；32.压缩空气冷却环；4.连铸圆坯；5. 连铸圆坯中心轴线；6. 连铸圆坯凝固终点；7.喷嘴。

具体实施例

下面结合附图和具体实施对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明一种大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的系统，所述系统包括冷却装置、冷却水供给装置、压缩空气供给装置和控制装置；

所述冷却装置，用于通过冷却水或气雾对连铸圆坯凝固末端进行强冷；

所述冷却水供给装置，用于给所述冷却装置提供冷却水；

所述压缩空气供给装置，用于给所述冷却装置提供冷却用压缩空气；

所述控制装置，用于确定凝固末端的最小末端冷却强度值和最大冷却强度值，结合实际生产情况在最小冷却强度到最大冷却强度的区间内控制末端冷却强度；

其中，所述冷却装置设置在待冷却的连铸圆坯的四周侧，所述冷却水供给装置和压缩空气供给装置均与所述冷却装置连接，所述控制装置分别与所述冷却装置、冷却水供给装置和压缩空气供给装置控制连接。

在连铸设备上沿拉坯方向运动，在凝固末端强冷区间，从强冷设备中心稳定穿过；固定在连铸设备上的冷却装置3，冷却装置3的冷却环上均匀分布有喷嘴7，连接气路和水路，可由控制装置控制气水比例。针对不同钢种可选择开启不同位置的冷却环进行水冷或者汽雾冷却，图中某钢种通过计算得出应开启中间四组冷却环进行冷却， 1为连接固定两个冷却环的钢架，将两个独立的冷却环组成冷却环组；6表示大断面圆坯连铸凝固终点；5表示连铸圆坯中心轴线。

所述冷却装置包括若干冷却环，若干冷却环沿拉速方向设置于连铸坯矫直后和切割前，连铸圆坯从冷却环中心通过，每个所述冷却环上均设有控制阀，所述控制阀与所述控制装置连接；

且每个所述冷却环的内侧壁上等距设有若干喷嘴。

当采用喷水冷却时，若干所述冷却环以单个、两个一组或多个一组设置，且均与所述冷却水供给装置连接；最大冷却强度不超过比水量0.3L/kg。

采用气雾冷却时，将两个相邻的冷却环并排紧邻布置，形成气雾冷却环对，两个冷却环之间通过若干管路联通，每个管路均设有喷嘴，并排紧邻布置的所述两个冷却环中其中一个冷却水供给装置连接，另一个与所述压缩空气供给装置连接。

如图3所示，所述冷却环的形状为圆形、正六边形、正八边形或其它正多边形，且冷却环的直径为连铸圆坯直径的1.5-3倍；保证连铸圆坯能从冷却环中顺利穿过，并能将冷却水或汽雾均匀的喷在铸坯表面进行冷却。

所述冷却环的形状为圆形、正六边形、正八边形或其它正多边形，且冷却环的直径为连铸圆坯直径的1.5-3倍；

所述冷却环的材质为不锈钢管或耐腐蚀钢，所述不锈钢管或耐腐蚀钢内径为5-20mm。

如图4所示，为大断面圆坯连铸凝固末端进行强冷的设备中气雾冷却环,1连接压缩气体系统的冷却环； 7为设置在冷却环对上的喷嘴，一边连接冷却环内的冷却水，另一半连接冷却环内的气体。冷却环对由两个冷却环钢管紧凑并排组成，一个冷却环向喷嘴供应冷却水，另一个冷却环向喷嘴供应气体，使得冷却环对中喷嘴不断向铸坯表面喷射气雾来达到冷却目的。

如图2所示，本发明图采用可移动式冷却环结构，4为连铸圆坯：在连铸设备上沿拉坯方向运动，在凝固末端强冷区间，从强冷设备中心稳定穿过连铸圆坯中心轴线；冷却装置3可沿拉坯方向移动，冷却环上均匀分布有喷嘴，连接气路和水路，可由控制装置远程控制气水比例。针对不同钢种可移动冷却环至相对应的位置进行水冷或者汽雾冷却；6表示大断面圆坯连铸凝固终点；

本发明还提供一种上述的系统的冷却控制方法，所述冷却控制方法具体包括以下步骤：

S1）首先，将冷却装置设置在待冷却的连铸圆坯上，根据待冷却的连铸圆坯的钢种成分计算钢种的物理性能及热物理性能的参数，将参数导入有限元数值模拟软件；确定传热模型；依据连铸生产工艺参数计算换热条件：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m³；T-温度，K； C_P-热容，J/kg·K；

-导热系数，w/(m·K);

-凝固潜热；

-固相分率。

S2）依据工业生产参数计算传热条件，根据传热条件得到结晶器的平均热流密度值，足辊二冷段的换热系数值，空冷区的辐射换热系数值；

S3）建立连铸圆坯几何模型，根据建立几何模型施加载荷和边界条件，求解及处理，得到待冷却连铸圆坯连铸过程温度场分布云图，根据温度场分布云图确定待冷却连铸圆坯完全凝固的时刻和位置，所述完全凝固位置即为凝固终点，将凝固终点前后0.5-2米范围内铸坯确定为连铸圆坯的凝固末端；

所述S3）的具体步骤为：

S3.1）在有限元数值模拟软件中建立圆坯几何模型，设置一个与实际生产连铸圆坯直径一致的圆形薄片并划分网格；

S3.2）在有限元数值模拟软件中给建立好的几何模型施加载荷、施加边界条件、求解及后处理，得到断面连铸圆坯的连铸过程温度场分布云图；

S3.3）根据得到的温度场分布云图中确定断面连铸圆坯的完全凝固的时刻及位置，确定施加的末端强冷的区域。

S4）在S3）得到凝固末端给定连铸冷却水比水量值，并进行计算，重新求解后处理得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图，最终确定凝固末端的最小末端冷却强度值和最大冷却强度值，根据实际生产情况在最小冷却强度到最大冷却强度的区间内选择末端冷却强度，进行冷却，抑制铸坯中心凝固产生的拉应力，控制和消除铸坯中心裂纹。

所述S1）参数包括密度、热导率、杨氏/体积/剪切模量、泊松比、焓、比热和潜热。

所述S2）中结晶器的平均热流密度值，足辊二冷段的换热系数值，空冷区采用辐射换热系数值分别通过以下公式求出：

结品器的平均热流密度计算公式如下：

（1），

式中：q为结晶器内部传热的平均热流密度，单位W/m²；ρ_w为冷却水密度，单位kg/m³；C_w为结晶器冷却水比热容，单位J/（kg·K）；W为冷却水的流量，单位m³/s；ΔT为冷却水进出口温度差，单位K；D为铸坯断面直径，单位m；L为结晶器段的长度，单位m；

足辊二冷段采用换热系数计算公式如下：

(2),

h=350w+130 （3），

(4),

式中：h为二冷区换热系数，单位W/(m²·K)；w为水流密度，单位L/(m²·S)；R为连铸冷却水比水量，单位L/kg；V_C为拉坯速度，单位m/min；S为铸坯横断面面积，单位m²；γ为钢的密度，单位kg/m³；ξ_n为足辊和二冷区配水比，％；L_n为第n区的长度，单位m；

空冷区辐射换热系数值的计算：

(5)，

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10^-8W·m^-2K^-4；ε为辐射换热系数；T为铸坯表面温度，单位K；T_w为环境室温温度，单位K。

所述S4）的具体步骤为：

S4.1）在S3）得到连铸圆坯完全凝固的位置区域给定连铸冷却水比水量值，进行计算，重新求解后处理得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图；

S4.2）根据S4.1）得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图，设置热应力耦合分析，施加钢水静压力，耦合分析求解得到凝固终点铸坯应力分布云图，读取断面连铸圆坯中心位置处及表层处的第一主应力，若铸坯第一主应力大于3Mpa，则增加末端冷却强度，重新计算凝固终点温度场分布云图及应力耦合计算得出应力分布云图，直至增加冷却强度使得圆坯中心第一主应力小于3Mpa，输出值为冷却强度为最小末端冷却强度值；

S4.3）继续增加冷却强度使得圆坯表层所受张应力达到该温度下钢种抗拉强度的50%，输出此时冷却强度为最大末端冷却强度，根据实际生产情况在最小冷却强度到最大冷却强度的区间内选择末端冷却强度进行冷却，抑制铸坯中心凝固产生的拉应力，控制和消除铸坯中心裂纹。

所述S4.2）中，连铸冷却水比水量值设置范围为：0.1L/kg -0.3L/kg的范围内，气雾冷却压缩气体总气量控制在2000-8000Nm³/h 。

但鉴于节能节水考虑，最大冷却强度不宜超过比水量0.3L/kg。

实施例1：

在国内某钢厂生产直径为600大圆坯的连铸生产线上采用大断面圆坯连铸凝固末端进行强冷的方法，冷却方式为冷却水冷却。在距离结晶器弯月面17m-21m区间设置了强冷装置，该强冷装置为固定在连铸设备上的十四个冷却环，每两个冷却环组成一个冷却环组，一个冷却环组中的两个冷却环间隔0.2m，每个冷却环组间隔0.35m。冷却环为半径550mm的圆形，由内径为15mm的不锈钢管制成，每个冷却环上设置有八个喷嘴，喷嘴与冷却环内的冷却水连接，冷却环与冷却水系统连接，可通过控制装置系统远程开启或关闭各个冷却环并控制冷却水流量。

该钢厂在生产高强度中碳钢AISI4130的直径为600连铸大圆坯时，拉速为0.29m/min，浇铸温度为1525℃，该钢种液相线温度为1500℃，固相线温度为1450℃。在生产过程中该连铸大圆坯出结晶器，过足辊段和二冷区冷却后空冷。通过控制装置系统计算得出，在距离结晶器弯月面18.5m处完全凝固，此时铸坯表面温度为895℃，中心温度为1450℃，中心拉应力为0.36Mpa，连铸大圆坯中心裂纹产生的风险和概率较大。

通过控制装置系统计算并开启距离结晶器弯月面18m-19.5m间的三个冷却环组，冷却强度为比水量0.15L/kg，让冷却水或汽雾均匀喷射在铸坯表面上。施加强冷后表面温度下降至750℃，中心拉应力降至0.275Mpa，并确保铸坯完全凝固后3分钟内铸坯中心拉应力小于0.3Mpa，中心裂纹的产生的概率和风险大大降低。同时计算得出此冷却强度下圆坯表面产生的应力约为35Mpa，为该钢种在750℃强度的35%，不会出现表面裂纹等表面缺陷。实际生产的AISI4130 钢种的直径为600大圆坯未发现中心裂纹及表面裂纹。

实施例2：

在国内某钢厂生产直径为600大圆坯的连铸生产线上采用大断面圆坯连铸凝固末端进行强冷的方法，冷却方式为气雾冷却。在距离结晶器弯月面17m-21m区间设置了强冷装置，该强冷装置为固定在连铸设备上的十四个冷却环对，冷却环为半径550mm的圆形，由内径为15mm的不锈钢管制成，每对冷却环对由两个冷却环并排紧凑连接而成，其中一个冷却环与冷却水系统连接，另一个冷却环与压缩气体系统连接，每个冷却环对上设置有八个喷嘴，喷嘴与冷却环对内的冷却水和气体连接。每两个冷却环对组成一个冷却环组，一个冷却环组中的两个冷却环对间隔0.2m，每个冷却环组间隔0.35m，可通过控制装置系统开启或关闭各个冷却环对并控制冷却水和气体压力。

该钢厂生产钢种18CrNiMo的直径为600连铸大圆坯时，拉速为0.27 m/min，浇铸温度为1545℃，该钢种液相线温度为1510℃，固相线温度为1425℃。在生产过程中该连铸大圆坯出结晶器，过足辊段和二冷区冷却后空冷。通过控制装置系统计算得出，在距离结晶器弯月面19.7m处铸坯完全凝固，此时铸坯表面温度为915℃，中心温度为1425℃，中心拉应力为0.39Mpa，连铸大圆坯中心裂纹产生的风险和概率较大。

通过控制装置控制系统计算并开启19.2m-20.7m处的三个冷却环组，冷却强度为比水量0.18L/kg，气体压力为6000Nm³/h。施加强冷后表面温度下降至715℃，中心拉应力降至0.283Mpa，并确保铸坯完全凝固后3分钟内铸坯中心拉应力小于0.3Mpa，低于铸坯中心的抗拉强度，中心裂纹的产生的概率和风险大大降低。通过计算得出此冷却强度下圆坯表面产生的应力约为51Mpa，为该钢种在750℃强度的48%，不会出现表面裂纹等表面缺陷。实际生产的18CrNiMo钢种的直径为600大圆坯未发现中心裂纹及表面裂纹。

实施例3：

某钢厂在生产直径为800连铸大圆坯的生产线上采用大断面圆坯连铸凝固末端强冷的方法，在该连铸生产线上设置了长度为3m的可移动式强冷装置，该强冷装置由十六个冷却环组成，每两个冷却环间间隔0.18m。冷却环由内径为18mm的不锈钢管制备成的正十二边形，每个冷却环上设置有十二个喷嘴，冷却环与气路和水路连接，可通过控制装置系统开启关闭各个冷却环并控制冷却水和气体的比例。

该钢厂在生产高压炉用WB36V钢直径为800连铸圆坯时，拉速为0.11m/min，浇铸温度为1530℃，该钢种液相线温度为1510℃，固相线温度为1460℃，在生产过程中该连铸大圆坯出结晶器，过足辊段和二冷区冷却后空冷。通过控制装置系统计算得出，在距离结晶器弯月面26.2m处完全凝固，此时铸坯表面温度为892℃，中心拉应力为0.41Mpa，连铸大圆坯产生中心裂纹的风险和概率大。

通过控制装置控制系统计算结果，将强冷装置移动至距离结晶器弯月面25m-28m处，使用控制装置系统开启强冷装置上的所有冷却环，冷却强度为比水量0.16L/kg。施加强冷后表面温度下降至705℃，此时中心拉应力降至0.285Mpa，并确保铸坯完全凝固后3分钟内铸坯中心拉应力小于0.3Mpa，低于铸坯中心的抗拉强度，中心裂纹的产生的概率和风险大大降低。通过计算得出此时改冷却强度下圆坯表面产生的应力约为39Mpa，为该钢种在705℃时强度的35%，不会出现表面裂纹等表面缺陷。实际生产的WB36V钢直径为800大圆坯未发现中心裂纹及表面裂纹。

上述三个方案中，在设置对大断面圆坯连铸凝固末端进行强冷的装置时：

该装置可固定设置在连铸设备上，在使用时开启一部分冷却环或冷却环组对圆坯凝固末端进行冷却；也可设置成可移动式，在使用时移动至所需冷却的位置后对圆坯凝固末端进行冷却。在冷却过程中，通过控制装置开启冷却环开关并控制冷却水和气体比例，让冷却水或汽雾均匀喷射在铸坯表面上，使铸坯表面温度得到一定程度的下降，强制增加坯壳强度，压实铸坯芯部，能减弱坯壳受热膨胀，降低铸坯内部受到拉伸应力的作用，降低产生中心裂纹的概率和风险。

以上对本申请实施例所提供的一种大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷的系统及其控制方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.大断面连铸圆坯凝固末端进行强冷系统的控制方法，所述系统包括冷却装置、冷却水供给装置、压缩空气供给装置和控制装置；

所述冷却装置，用于通过冷却水或气雾对连铸圆坯凝固末端进行强冷；

所述冷却水供给装置，用于给所述冷却装置提供冷却水；

所述压缩空气供给装置，用于给所述冷却装置提供冷却用压缩空气；

所述控制装置，用于确定凝固末端的最小末端冷却强度值和最大冷却强度值，结合实际生产情况在最小末端冷却强度值到最大冷却强度的区间内控制末端冷却强度；

其中，所述冷却装置设置在待冷却的连铸圆坯的四周侧，所述冷却水供给装置和压缩空气供给装置均与所述冷却装置连接，所述控制装置分别与所述冷却装置、冷却水供给装置和压缩空气供给装置控制连接；

所述冷却装置包括若干冷却环，若干冷却环沿拉速方向设置于连铸圆坯矫直后和切割前，连铸圆坯从冷却环中心通过，每个所述冷却环上均设有控制阀，所述控制阀与所述控制装置连接；

且每个所述冷却环的内侧壁上等距设有若干喷嘴；

所述的系统的冷却控制方法，其特征在于，所述冷却控制方法具体包括以下步骤：

S1）首先，将冷却装置设置在待冷却的连铸圆坯上，根据待冷却的连铸圆坯的钢种成分计算钢种的物理性能及热物理性能的参数，将参数导入有限元数值模拟软件；确定传热模型；依据连铸工艺参数计算换热条件：

S2）依据连铸工艺参数计算传热条件，根据传热条件得到结晶器、足辊二冷段和空冷区的平均热流密度值；

S3）建立连铸圆坯几何模型，设置一个与实际生产连铸圆坯直径一致的圆形薄片并划分网格；根据建立几何模型施加载荷和边界条件，求解及处理，得到待冷却连铸圆坯连铸过程温度场分布云图，根据温度场分布云图确定待冷却连铸圆坯完全凝固的时刻和位置，完全凝固位置即为凝固终点，将凝固终点前后0.5-2米范围内连铸圆坯确定为连铸圆坯的凝固末端；

S4）在S3）得到凝固末端给定连铸冷却水比水量值，并进行计算，重新求解后处理得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图，最终确定凝固末端的最小末端冷却强度值和最大冷却强度值，根据实际生产情况在最小末端冷却强度到最大冷却强度的区间内选择末端冷却强度，进行冷却，抑制连铸圆坯中心凝固产生的拉应力，控制和消除连铸圆坯中心裂纹。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S1）参数包括密度、热导率、杨氏/体积/剪切模量、泊松比、焓、比热和潜热。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S2）中结晶器、足辊二冷段和空冷区的平均热流密度值分别通过以下公式求出：

结品器的平均热流密度计算公式如下：

（1），

式中：q为平均热流密度，单位W/m²；ρ_w为冷却水密度，单位kg/m³；C_w为结晶器冷却水比热容，单位J/（kg·K）；W为冷却水的流量，单位m³/s；ΔT为冷却水进出口温度差，单位K；D为连铸圆坯断面直径，单位m；L为结晶器段的长度，单位m；

足辊二冷段平均热流密度采用换热系数计算公式如下：

q=h(T-t_w) (2),

h=350w+130 （3），

(4) ，

式中： h为二冷区换热系数，单位W/(m²·K)；t_w为二冷区冷却水温度，单位K；w为水流密度，单位L/(m²·s)；R为连铸冷却水比水量，单位L/kg；V_C为拉坯速度，单位m/min；S为连铸圆坯横断面面积，单位m²；γ为钢的密度，单位kg/m³；ξ_n为足辊和二冷区配水比，％；L_n为第n区的长度，单位m；

空冷区辐射换热系数值的计算：

(5)，

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10^-8W·m^-2K^-4；ε为辐射换热系数；T为连铸圆坯表面温度，单位K；T_w为环境室温温度，单位K。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述S4）的具体步骤为：

S4.1）在S3）得到连铸圆坯完全凝固的位置区域给定连铸冷却水比水量值，进行计算，冷却的平均热流密度按公式（2）计算，重新求解后处理得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图；

S4.2）根据S4.1）得到施加末端强冷后凝固终点的温度场分布云图，设置热应力耦合分析，施加钢水静压力，耦合分析求解得到凝固终点连铸圆坯应力分布云图，读取断面连铸圆坯中心位置处及表层处的第一主应力，若连铸圆坯第一主应力大于3Mpa，则增加末端冷却强度，重新计算凝固终点温度场分布云图及应力耦合计算得出应力分布云图，直至增加冷却强度使得圆坯中心第一主应力小于3Mpa，此时施加在凝固末端的冷却强度为最小末端冷却强度值；

S4.3）继续增加冷却强度使得连铸圆坯表层所受张应力达到该温度下钢种抗拉强度的50%，此时冷却强度为最大末端冷却强度，根据实际生产情况在最小末端冷却强度到最大冷却强度的区间内选择末端冷却强度进行冷却，抑制连铸圆坯中心凝固产生的拉应力，控制和消除连铸圆坯中心裂纹。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述S4.2）中，连铸冷却水比水量值设置范围为：0.1L/kg -0.3L/kg，气雾冷却压缩气体总气量控制在2000-8000Nm³/h 。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当采用喷水冷却时，若干所述冷却环以单个、两个一组或多个一组设置，且均与所述冷却水供给装置连接；最大冷却强度不超过比水量0.3L/kg。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用气雾冷却时，将两个相邻的冷却环并排紧邻布置，形成气雾冷却环对，两个冷却环之间通过若干管路联通，每个管路均设有喷嘴，并排紧邻布置的所述两个冷却环中其中一个与冷却水供给装置连接，另一个与所述压缩空气供给装置连接。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述冷却环的形状为圆形、正六边形、正八边形或其它正多边形，且冷却环的直径为连铸圆坯直径的1.5-3倍；

所述冷却环为耐腐蚀钢管，所述耐腐蚀钢管内径为5-20mm。

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