（材料加工工程专业论文）连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究.pdf

大连理j ：大学博士学位论文 摘要 结晶器是钢水凝固成型的核心设备，承担着导热、支撑、约束、润滑和脱模等作用， 其内部的传热和摩擦直接决定铸坯的表面裂纹和漏钢，是实现高效连铸的关键因素。促 进结晶器与铸坯间形成良好、稳定的传热和润滑条件，对钢水的初期凝固和摩擦行为进 行在线调控，是保证铸坯质量的工艺要求，同时也是保障连铸机稳定运行、高效生产的 前提。今后连铸技术的发展，将更加依赖于生产过程的自动控制水平，因此，开发结晶 器热学、力学行为在线检测的新技术、新方法，研究结晶器在线监控的基础理论及其实 现途径，对进一步丰富、发展结晶器过程的基础理论及其监控实践，均有重要意义。 本文以连铸结晶器为研究对象，围绕结晶器热、力在线监控技术的应用基础问题， 对结晶器传热和摩擦行为的在线检测、数值计算及其应用方法进行研究。首先，基于结 晶器液压振动装置，从理论分析和实验研究两方面入手，研究开发液压振动条件下摩擦 力检测的理论模型和检测方法，设计相关的软件和硬件，开发适于现场应用的摩擦力在 线检测系统；其次，以实测的结晶器摩擦力数据为基础，探索结晶器摩擦力的应用方法， 开发针对摩擦力异常预报的模型及相应软件；最后，依据圆坯连铸结晶器实测的温度和 热流数据，借助结晶器传热反问题模型，同时结合人- r - , 经元网络技术，建立符合实际 工况条件下的结晶器传热耦合计算模型，研究开发基于实测温度数据的结晶器传热计算 方法。 基于板坯连铸结晶器液压振动装置，从分析结晶器振动的受力状态入手，建立了结 晶器振动的受力模型，结合现场具体的检测条件和环境，确立摩擦力在线检测的理论基 础和总体思路。运用粒子群优化方法，建立了振动系统空振参数的实时优化模型。针对 本文研究的问题，研究了算法的具体实现及收敛性能，并对算法的优化结果进行了测试 和评价。以上述工作为基础，自行设计、构建摩擦力检测系统的硬件和软件，开发出适 于在线应用的摩擦力在线检测系统，实现了瞬态结晶器摩擦力的在线连续、稳定、自动 检测。以现场实测的摩擦力数据为基础，研究了不同参数与振动方式下的摩擦力周期变 化行为、特征值、负滑脱等参数的变化规律；同时分析了非正弦振动波形的特点，并对 液压振动装置的工作特性及振动状态的评价方法进行了初步探讨。 基于功率法测得的板坯连铸结晶器摩擦力数据，结合生产现场的异常记录，对各类 异常发生时摩擦力的反应及特征进行分析和统计，结果显示，摩擦力能够对漏钢、水口 断裂及液位剧烈波动等异常作出反应，其均方根在0 8 - 一4 k n 范围内变化。以此为基础， 采用人工神经元网络技术，并对摩擦力信号的典型特征进行模式识别，建立了摩擦力异 常预报模型，丌发出摩擦力异常预报软件。对应连铸现场的异常记录，利用软件对各类 连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究 结晶器异常进行离线预报，结果表明：软件能够对结晶器液位波动、漏钢、水口断裂及 其他异常做出预报，并具有一定的提前量，运行速度满足在线预报的要求。 基于圆坯连铸结晶器温度和热流在线实测数据，丌发针对实测数据的结晶器传热计 算方法。利用传热反问题模型模拟实际条件下结晶器内部的传热行为，同时采用神经元 网络求解结晶器传热反问题，建立了传热反问题一神经网一正问题的结晶器传热计算耦 合模型。利用模型对在线检测的连续瞬时数据进行计算，表明将神经元网络与传热数值 计算结合的方法可用于结晶器传热计算，能够真实反映圆坯结晶器传热的非均匀特性， 计算的精度与速度基本满足在线实时计算的要求。正常工况下，在工艺参数稳定时，圆 坯周向的局部热流和坯壳厚度并不恒定，周向导热决定坯壳的厚度分布，结晶器热流与 坯壳厚度沿周向呈不均匀分布。 关键词：连铸结晶器；摩擦力；在线检测；传热反问题；人工智能 火连理j i 大学博士学位论文 o n l i n em e a s u r i n gm e t h o d so fm o u l dt h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o r s a n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g a b s tr a c t t h em o u l di st h ec o r ei n s t r u m e n tf o rp r i m a r yc o o l i n ga n ds l a bf o r m i n go fl i q u i ds t e e l ，a n d i tt a k e se f f e c ta sh e a tt r a n s f e r ，s u p p o r t ，r e s t r i c t i o n ，l u b r i c a t i o na n dd e m o u l dd u r i n gc o n t i n u o u s c a s t i n gf c c ) t h e i n t e r i o rh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o no fm o u l dh a v ec l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht 1 1 e s u r f a c ed e f e c t sa n db r e a k o u t ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ee f f e c t i v e l yc o n t i n u o u sc a s t i n g a i m i n gt oc o n g o la n da d ju s tt h ei n i t i a ls o l i d i f i c a t i o na n df r i c t i o n a lb e h a v i o ro n l i n e ，i ti s n e c e s s a r yt oe n s u r et h ec o n d i t i o n so fs t a b l eh e a tt r a n s f e ra n dl u b r i c a t i o n w h i c hi sn o to n l yt h e r e q u i r e m e n to fs t r a n dq u a l i t y ，b u t a l s ot h e p r e c o n d i t i o nf o rs t a b l ea n dh i g he f f i c i e n t p r o d u c t i o n i n t h ef u t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yw i l lm o r e s t r o n g l yd e p e n do nt h ea u t o m a t i cc o n t r o ld u r i n gp r o d u c i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti su r g e n t l y n e e d e dt od e v e l o pn e wt e c h n o l o g i e sf o ro n l i n em e a s u r e m e n to ft 1 1 e r m a la n dm e c h a n i c a l b e h a v i o r si nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nb o t hf u n d a m e n t a ls t u d y a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，i n v e s t i g a t i n go nm o u l dm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n s ，w i l lp l a yas i g n i f i c a n tr o l ei nf u r t h e ru n d e r s t a n d i n go fb a s i ct h e o r ya n d m o n i t o r i n gp r a c t i c ef o rm o u l dp r o c e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n f u n d a m e n t a ls t u d i e so fm o u l dt h e r m o m e c h a n i c a lm o n i t o r i n g t e c h n o l o g i e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l y ，t h eo n l i n em e a s u r e m e n tm e t h o d o fm o u l df r i c t i o n ，a sw e l la st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dt h e i ra p p l i c a t i o n s b a s e do nt h es l a bc a s t e re q u i p p e dw i t hh y d r a u l i co s c i l l a t o r s ，t h et h e o r e t i c a lm o d e l ， m e a s u r e m e n tm e t h o da n dm o n i t o r i n gs y s t e mo fm o u l df r i c t i o na r ei n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n ， a c c o r d i n gt ot h em o u l df r i c t i o nd a t am e a s u r e do ns l a bc a s t e r ，t h ea p p l i c a t i o nm e t h o d o fm o u l d f r i c t i o ni ss t u d i e d a n dt h ep r e d i c t i o nm o d e la n ds o f t w a r ef o rm o u l da b n o r m a l i t i e s a r e d e v e l o p e d i nt h el a s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d ，w h i c hc o m b i n e st h e o n l i n em e a s u r e m e n td a t ao fm o u l dt e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u xa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i s i n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ei n v e r s eh e a tt r a n s f e rm o d e la n dn e u r a ln e t w o r k f o rt h er o u n db i l l e t c o n t i n u o u sc a s t i n g t h r o u g ht h e o r e c a l l ya n a l y z i n gt h el o a d i n gs t a t e sd u r i n gm o u l do s c i l l a t i o nd r i v e nb yt h e h y d r a u l i cu n i t s t h el o a d i n gm o d e l i sb u i l ta n d t h et h e o r yf o u n d a t i o na n do v e r a l lm e a s u r e m e n t m e t h o da r ee s t a b l i s h e df o rm o u l df r i c t i o nm o n i t o ri nc c t h er e a l - t i m ec a l c u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o nm o d e lo fe m p t yo s c i l l a t i n gp a r a m e t e r si sb u i l tb yp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) n ei m p l e m e n t a t i o na n dc o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c eo fp s oa l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d ， i i i 连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究 a n dt h eo p t i m i z e dr e s u l t sa r ea l s oa n a l y z e da n de v a l u a t e d b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，b o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rm o u l df r i c t i o nm e a s u r e m e n ta r ed e s i g n e d t h em e a s u r e m e n tt e s t s s h o wt h a tt h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rm o n i t o r i n gm o u l df r i c t i o n ，a n dr e a l i z e st h eo n l i n e d e t e c t i o no ft r a n s i e n tm o u l df r i c t i o nc o n t i n u o u s l y ，s t a b l y ，a n da u t o m a t i c a l l y i nt h eb a s i so f t h em o u l df r i c t i o nd a t am e a s u r e d ，t h ep e r i o d i c a lv a r i a t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i cv a l u e so fm o u l d f r i c t i o n ，a sw e l ia sn e g a t i v es t r i pp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f n o n s i n u s o i d a lw a v e f o r m sa r ea l s os t u d i e d i na d d i t i o n ，b yu s i n gt h em e a s u r e m e n td a t ao f d i s p l a c e m e n ta n dc y l i n d e rf o r c e ，t h eo s c i l l a t i o ns e r v i c es t a t eo fh y d r a u l i co s c i l l a t o r sa n di t s e v a l u a t i o nm e t h o d sa r ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h ea b n o r m a lr e c o r d so fs t e e lp l a n t m o u l df r i c t i o nm e a s u r e do ns l a bc a s t e r b yp o w e r m e t h o di su s e dt oi n v e s t i g a t ei t sr e s p o n s et oa b n o r m a l i t i e si nc o n t i n u o u sc a s t i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tm o u l df r i c t i o nc a nr e s p o n dt om o s ta b n o r m a l i t i e ss u c ha sb r e a k o u t ， s u b m e r g e de n t r yn o z z l eb r o k e n ，a n da c u t ef l u c t u a t i o no fm o u l dl e v e l t h er o o tm e a ns q u a r e o fm o u l df r i c t i o nr a n g e sf r o m0 8t o4k nb e f o r eo rd u r i n gt h ea b n o r m a l i t i e s t h ep r e d i c t i o n m o d e lf o rm o u l df r i c t i o na b n o r m a l i t i e sh a sb e e nb u i l tb yu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m o d e l si nc o m b i n a t i o nw i t ht w op a t t e r nr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s as e to fs o f t w a r et op r e d i c t t h em o u l df r i c t i o na b n o r m a l i t i e si nc ch a sb e e nd e v e l o p e d 。t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n p r e d i c t i o nf o ro n l i n em e a s u r e m e n tm o u l df r i c t i o nd a t aa r ef o u n dt ob eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t w i t ht h o s ec o l l e c t e df r o mt h ea b n o r m a ir e c o r d so fs t e e lp l a n t ，s u c ha sb r e a k o u t ，s u b m e r g e d e n t r yn o z z l eb r o k e na n da c u t em o u l dl e v e lf l u c t u a t i o n s i ns o m ec a s e s ，i tc a nm a k ep r e d i c t i o n s e v e r a lm i n u t e se a r l i e rt h a nt h ea l a r mg i v e nb yt e m p e r a t u r eb r e a k o u td e t e c t i o ns y s t e m t h e p r o p o s e dm e t h o dc a nm a k e t h es y s t e mr e s p o n df a s te n o u g hi n r e a lt i m ep l a n tp r e d i c t i o n ，a n d r e n d e rs u 伍c i e n tt i m ef o ro n l i n ep r e d i c t i o na n dt a k i n go p e r a t i o n sa g a i n s ta b n o r m a l i t i e s b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao ft e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u xd u r i n gr o u n db i l l e tc o n t i n u o u s c a s t i n g ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hc o m b i n e st h eo n l i n em e a s u r e m e n td a t aa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni si n v e s t i g a t e d t h et h e r m a lb e h a v i o ri sa n a l y z e db ya ni n v e r s eh e a tt r a n s f e rm o d e l a n di tr e f l e c t st h er e a ls t a t eo ft r a n s i e n th e a tt r a n s f e ro fm o u i d i no r d e rt od e c r e a s et h e c a l c u l a t i o nt i m et om e e tt h eo n l i n em o n i t o rr e q u i r e m e n t a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l i s d e v e l o p e dt os o l v et h ei n v e r s ep r o b l e m a n dt h ei h t p a n n d h t p ( i n v e r s eh e a tt r a n s f e r p r o b l e m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n dd i r e c th e a tt r a n s f e rp r o b l e m ) i n t e g r a t e dm e t h o do f t h e r m a lb e h a v i o ra n a l y s i sf r o me x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e si sd e v e l o p e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t l en e u r a ln e t w o r ki sf a s t e rf o ri n v e r s em o d e l a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sb yt h i sm e t h o dc a n c o r r e c t l yr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n u n i f c r mh e a tt r a n s f e r a l s ot h ec a l c u l a t i o na c c u r a c y a n ds p e e dm e e tb a s i c a l l yt h er e q u i r e m e n t so fo n l i n ec a l c u l a t i o n t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，i ti s f o u n dt h a ta l t h o u g ht h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r es t a b l e ，t h es h e l lt h i c k n e s sm a yb ef l u c t u a t e d t h es h e l jt h i c k n e s sv a r i e sd i r e c t l yw i t ht h eh e a tf l u xa tf i x e dm o u l dc i r c u m f e r e n t i a ld e g r e e s i t i v i sa l s of o u n dt h a tt h ep r o f i l eo fs h e l lt h i c k n e s si sn o n u n i f o r ma n ds i m i l a rt ot h a to ft h eh e a t f l u xa l o n gc i r c u m f e r e n c ed i r e c t i o n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d ；m o u l df r i c t i o n ；o n l i n em e a s u r e m e n t ；i n v e r s eh e a t t r a n s f e rp r o b l e m ；a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：! 坠k = 日期：趟：z 2 1 1伊 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：生堑堡【叟二 1譬 导师签名：蔓出盈 址4 月卫日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 连铸是现代钢铁生产链中的重要环节。结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，它的 功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强制冷却，导出热量，使之逐 渐凝固成为具有所要求断面形状和坯壳厚度的铸坯【l 引。生产中须保证结晶器出口处铸 坯具有足够的厚度和强度，以承受钢液静压力、热应力和机械应力等的综合作用 3 - 5 】， 并使这种芯部仍为液态的铸坯，连续不断地从结晶器下口拉出，为其在之后的二次冷却 区域内完全凝固创造条件。作为铸坯凝固的一次冷却区域，发生在结晶器内钢水的初期 凝固行为对铸坯质量至关重要【6 ，7 】，其中的传热和润滑直接影响凝固坯壳生长的均匀性 及表面裂纹和漏钢瞵j ，是实现高效连铸的关键因素。因而，结晶器又有连铸机的“心脏” 之称。 铸坯的表面缺陷主要源于钢液在结晶器内部的凝固过程，与结晶器内坯壳的形成、 结晶器振动、保护渣润滑、水口设计及钢液面稳定性等因素有关，生产中要求将影响表 面质量的各参数严格控制在合理的目标范围之内【9 ，旧】，以生产无缺陷的优质铸坯，这也 是热送装和直接轧制的前提条件。 近年来，高效连铸技术成为现代连铸生产发展的重要方向，它包括高拉速、高质量、 无缺陷、高连浇率、高作业率和铸坯高温装炉等技术，其中以高拉速技术为重点，即在 保证铸坯质量的前提下进一步提高铸机拉速，降低成本，提高生产效率。然而，随着铸 机拉速的提高，铸坯驻留在结晶器内部的时间缩短，结晶器下口处的坯壳厚度减薄，坯 壳强度降低，易出现裂纹等缺陷】；另一方面，结晶器保护渣的消耗量随拉速的增加而 降低，同时由于拉速的提高而引起的液位波动加剧，抑制保护渣均匀稳定地流入结晶器 与铸坯之间的空隙，严重恶化了结晶器内部的传热和润滑状况。由此导致初生坯壳表面 裂纹的形成几率上升，形成的潜在裂纹源也极易在二冷区扩展，极端情况下则直接表现 为结晶器漏钢，成为制约连铸高拉速技术发展的瓶颈，受到了世界范围内的广泛关注。 生产过程监控技术与装备的进步是推动连铸技术发展的动力之一。鉴于结晶器在连 铸生产过程中的重要地位，并且作为体现生产自动化水平的重要标志，有关结晶器在线 监控技术的开发和应用一直是国内外的研究热点，尤其是随着近年来计算机、信息处理、 自动控制等技术的快速发展，对于连铸过程的在线监控水平提出了更高的要求。 相对于结晶器复杂过程行为的离线研究，结晶器监控更侧重于在线检测的层面，借 助先进的检测、数值计算和信息处理技术，实时检测、计算出可反映生产过程的重要参 连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究 数，并转化为易于观察和感知的图形或图像，为进一步的分析和调控提供交互手段。从 在线检测的角度来讲，当前结晶器监控技术的核心是热学行为和力学行为的在线检测， 其目的是能够实时了解铸坯与结晶器间的传热、摩擦和润滑状况，为实现铸坯质量的在 线预测、调控提供帮助和支持。因此，高效连铸技术的进步迫切需要发展与之相适应的 监控新技术，而结晶器热学、力学行为在线检测技术的开发和应用则是其中的核心问题。 1 2 结晶器铸坯传热与摩擦行为概述 结晶器的基本作用是将钢水的过热和凝固潜热导出并使其凝固成型，结晶器的传热 速率、均匀和稳定性对铸坯的表面质量具有重要影响，必须在传热、材质、结构等方面 满足连铸工艺及其使用性能的要求f 1 0 ，1 2 , 】。 1 2 1 结晶器传热的特点及影响因素 连铸实质上是钢水在特定条件下的凝固过程，传热贯穿于连铸过程的始终，对连铸 生产的顺行及连铸坯的质量起着决定性的作用。结晶器内流动的钢水通过坯壳、渣膜、 气隙把热量传递给结晶器【l4 1 ，然后由冷却水带走，使钢水出结晶器后形成具有一定厚度 的坯壳【1 5 】。从传热角度讲，结晶器应具有良好的导热特性和导热均匀性，保证结晶器出 口处的铸坯具有合适、均匀的厚度【1 3 】，防止在机械应力、热应力、钢液静压力综合作用 下，坯壳产生变形、裂纹以及漏钢【1 6 】。如果传热速率过快且不均匀，过大的热应力则可 能引起铸坯裂纹；相反，如果传热不充分，则可能导致薄的坯壳鼓肚、变形，甚至被拉 测4 1 。结晶器内的传输现象包括传热、凝固、流动、溶质再分配等，上述现象之间相互 关联，交互作用，致使结晶器与铸坯间的传热行为异常复杂。生产中的一切机械或人为 因素都可能引起结晶器热流的变化： ( 1 ) 拉坯速度：拉速对结晶器热流的影响较大【 】，随着拉速的加快，结晶器热流显 著增加，尤其在弯月面附近的高热流区尤为明显。拉速的加快使凝固壳与结晶器壁紧密 接触，界面热阻显著降低，结晶器传热强度增大】。但在拉速提高到一定程度时，热流 随拉速增加的趋势不再明显【l 引。 ( 2 ) 钢水的过热度：钢水过热度对结晶器热流影响不大。但过热度对坯壳凝固的影 响较大，过热度高，结晶器出口处的坯壳厚度变薄，铸坯表面温度高，这种状态下会增 加拉漏的几率。生产中应根据过热度选择合适的拉速，保证出结晶器时有足够的凝固壳 厚度，以防止拉漏及各类缺陷。 ( 3 ) 钢中c 含量： c 】在0 i 左右时，结晶器热流最小，坯壳内表面有折皱，外表面 粗糙甚至有凹陷。随着c 的增加( c 】 o 1 5 ) ，结晶器热流增大【1 7 1 9 】，坯壳折皱减轻。 当 c 】 0 4 时，结晶器热流平缓，坯壳表面光滑，坯壳厚度均匀。这是因为： c 】= 0 1 大连理1 j 大学博十学位论文 左右时开始发生包晶反应，坯壳发生阳，的相变并伴随有最大的线收缩( o 3 8 ) ，形成 瞬时的局部气隙而导致传热效率减少，坯壳厚度不均匀【1 1 1 c 】 0 1 5 时，更多的钢液 直接转变为 r 相，由包晶反应产生的线收缩就不太显著，收缩减小，气隙减薄，传热均 匀，坯壳厚度趋于平滑。 ( 4 ) 保护渣：采用保护渣进行润滑时，结晶器热流主要取决于渣膜热阻和渣与结晶 器间界面热阻，其大小受保护渣的化学成分、物理性质、坯壳与结晶器壁表面温度等因 素的影响【2 们。渣膜热阻取决于渣膜厚度和渣膜的热导率，渣膜厚度与拉速和保护渣粘度 有关，当拉速一定时，主要取决于粘度。粘度高，渣膜厚薄不均匀，热阻增加，加剧了 传热的不稳定性【2 u ；粘度低，液渣容易随坯壳拉走，渣膜厚度较薄，热流也增大。为改 善结晶器润滑和传热，应根据不同钢种和不同工艺条件，选择合适性能的保护渣【2 2 1 。 ( 5 ) 结晶器锥度：钢水进入结晶器经过初始凝固后，初生坯壳会出现一定的收缩， 从而在结晶器和初生坯壳之间形成气隙【2 3 i 2 4 j 。气隙的大小与坯壳的收缩率、强度( 抵抗 钢水静压力的能力) 及结晶器的锥度有关【2 4 1 。研究表明，结晶器传热的最大热阻就是来 自于气隙，其热阻约占总热阻的7 1 , - - 9 0 2 5 】。所以为了减小气隙对传热的影响，采用 适宜的倒锥度来减小气隙是提高结晶器传热效率的有效措施【2 6 ，2 。7 1 。结晶器锥度增大，气 隙减少，有利于增加热流和使结晶器内坯壳生长均匀，并提高拉速。但锥度过大，使结 晶器下部磨损增加，会降低结晶器的使用寿命【2 引。 ( 6 ) 结晶器长度：结晶器传出的热量有6 0 以上是在结晶器上部传出 2 9 】，而结晶器 下部主要起支承坯壳的作用【2 9 ，3 0 】，短结晶器有利于降低其制造成本，通常使用的结晶器 长度为7 0 0 - - 8 0 0 m m 。但随着拉速的提高以及浇注薄板坯的需要，为促进铸坯与结晶器 的有效接触和传热，结晶器的长度被增加，其中典型的如d a n i e l i 开发的h 2 薄板坯结晶 器的长度为1 2 0 0 m m 3 ，v a i 的d i a m o n d 方坯结晶器铜管长度为1 0 0 0 m m 。 ( 7 ) 结晶器材质：结晶器铜板母材都采用铜合金制造，如c u c r ，c u - - a g ，c u - z r 等，其主要优点导热性好，再结晶温度高于3 0 0 ，在高温下工作可保持足够的强度 和硬度【32 1 。为延长结晶器的使用寿命，结晶器铜板表面通常需镀上一定厚度的镀层，以 提高结晶器内壁的硬度、高温耐磨性能、导热能力和抗变形能力，避免铜板产生星状裂 纹，防止c u 深入铸坯，提高铜板的耐磨性和润滑性能【3 3 】。目前常用镀层有c r 、n i 、n i f e 、 n i c o 、c o n i 及其他合金复合镀层【3 2 3 4 】。 ( 8 ) 结晶器冷却水：钢水传给结晶器铜板的热量由冷却水对流换热带走，以使结晶 器铜壁保持适当的温度，防止铜再结晶使其硬度和强度降低而导致结晶器变形。影响对 流冷却效率的主要参数是水与铜板之i 旬的传热系数。传热系数决定于冷却水流速，水流 连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究 速过低会导致铜壁温度升高。结晶器传热速率以保持冷面铜板温度低于水的沸点而不使 水沸腾为标准，否则铜板温度会发生波动。 1 。2 。2 结晶器与铸坯间的润滑和摩擦 结晶器与铸坯间的保护渣由两层组成：固态渣层( 与结晶器接触) 和液态渣层( 与 铸坯接触) 3 5 - 3 7 】，固态渣层又可分为两层：玻璃层( 与结晶器壁接触) 和结晶层( 与液 态渣层) 3 8 】。一般认为固态渣层附着在结晶器壁上，随结晶器一同运动，或落下速度很 低【3 7 】，在弯月面处固态渣层较薄，沿结晶器高度方向逐渐变厚：靠近铸坯一侧的为液态 渣膜，受温度的影响较大，沿结晶器方向厚度逐渐减小，随铸坯向下运动而被带离结晶 器，是保护渣消耗的主要部分。 结晶器与铸坯间的润滑与摩擦行为通常用摩擦力来表征，总的摩擦力由两部分组 成：液态摩擦力和固态摩擦力【8 ，3 5 ，3 9 4 2 1 。在结晶器上部，液态摩擦力起主导作用 4 0 , 4 3 ； 在结晶器下部，由于坯壳( 或固态渣) 和结晶器壁之间的接触愈加紧密，固态摩擦力逐 渐升高。总的摩擦力为液态摩擦力和固态摩擦力之和【8 ，3 5 , 4 1 4 2 。 从运动力学的角度来讲，结晶器摩擦力( m o u l df r i c t i o n ) 是连续向下运动的铸坯与 不断振动的结晶器之间，由于相对运动产生的摩擦力，反映铸坯与结晶器间相互力学作 用4 6 1 。可提供定量理解保护渣行为和反映操作状况的信息，与铸坯质量、裂纹和漏钢 密切相关【4 ，2 4 ，4 4 1 ，是优化和开发连铸新工艺需在线检测的重要参数。铸坯与结晶器之间 的摩擦力影响因素很多，如结晶器的几何尺寸和形状、工艺参数的选取、铸钢本身的因 素( 如含碳量、合金元素、凝固过程中的相变等) 以及保护渣的物理性能、振动方式、 浇注温度以及工艺操作等因素。 摩擦力随结晶器与铸坯间相对运动速度的变化而变化，是振痕形成的主要原因【4 7 | 。 一个振动周期内，结晶器施加在铸坯表面的作用呈有规律的交替变化，坯壳表面所受拉 力和压力作用对铸坯的表面质量有着重要的影响【4 引。正滑脱期间内，结晶器相对于铸坯 向上运动，此时铸坯受到结晶器方向向上的拉力作用，因初生坯壳的强度较低【5 】，过大 的拉力会导致坯壳的破裂或在其表面形成潜在的裂纹源，增加表面裂纹和漏钢发生的几 率；负滑脱期间内，结晶器相对于铸坯向下运动，坯壳受到结晶器向下的压力作用，能 够对正滑脱期间内形成的细小裂纹起到“焊合”作用，初生坯壳被压合并顺利脱模，从 而降低裂纹和漏钢发生的倾向。 作为可在线检测并用于表征结晶器铸坯润滑与摩擦行为的重要参数，摩擦力检测的 重要性很早就被强调并得到公认，但由于生产中结晶器所处的特殊工况，针对摩擦力的 理论和试验研究的难度均较大，人们对摩擦力的了解和掌握远远落后于结晶器传热的研 大连理j ：大学博士学位论文 究。随着近年来高效连铸技术的发展，高拉速下铸坯质量和漏钢等问题日益凸现，要求 进一步了解并控制结晶器内部的润滑状况，关于摩擦力的检测与计算工作受到了进一步 的关注。 1 3 结晶器传热的在线检测与数值模拟 1 3 1 结晶器传热在线检测 在线检测结晶器传热状况，有助于深入探究传热与各工艺参数的内在联系，研究质 量和异常的预测方法：此外，现场实测的数据也可作为数值计算的边界或初始条件，并 用于传热计算结果的对比和验证，有利于进一步了解和明确结晶器内部的复杂行为。因 此，结晶器传热行为的检测和应用受到了普遍的重视【7 ，4 5 ，4 9 刊j 。 关于结晶器传热行为的检测研究，常用的试验方法可分为两种，一是通过测量结晶 器冷却水的进水和出水的温度差来推算结晶器的总换热量，除此之外还可利用埋设在结 晶器内壁的热电偶实时检测结晶器与铸坯的传热状况【5 ，测定和了解局部区域的传热速 率和结晶器温度分布【7 】。前者反映平均换热，而后者能够反映局部的瞬时温度和传热的 变化。目前针对结晶器传热的检测与应用多采用后一种方法，并被用于预报粘结性漏钢 1 3 ，5 2 1 。为了进一步提高漏钢预报的准确性，研究者们尝试利用神经元网络特有的联想、 记忆功能，对漏钢前不同测点温度趋势的时滞特征进行模式识别并作出预报，预报方法 由早期的逻辑判断算法逐渐发展为基于人工神经元网络的预报模型【4 5 3 - 5 6 。当前，热电 偶检测结晶器温度己成为现代化连铸机的标准检测仪表垆。 b r i m a c o m b e 【2 ，7 】较早地开展了结晶器传热行为检测的系统研究。通过在结晶器不同 位置布置热电偶，分析统计铸坯缺陷产生时温度信号的反映。同时依据实测温度确定传 热计算的边界条件，并考虑其他工艺参数的影响，采用有限差分和有限元的方法计算结 晶器与铸坯的热力耦合行为，探讨影响铸坯表面质量的主要因素和规律。 b y r n e 等【2 】沿结晶器周向安装多只热电偶，建立了圆坯连铸结晶器温度在线监测系 统。实测结果表明，结晶器传热沿周向不均匀；对于不同保护渣，热电偶测得的温度波 动不同，其波动程度随粘度的升高而增大。 h a e r s 和t h o r n t o n 4 9 】研究板坯结晶器的传热行为时，沿距离结晶器顶部2 0 0 和 3 5 0 m m 的高度安装热电偶，宽面和窄面的电偶共6 0 支，电偶的水平间距为1 8 0 m m ，建 立了结晶器温度在线热检测系统，可同时用于漏钢预报和铸坯表面缺陷信息的预测，并 评估了浇注含碳量不同的钢水时，结晶器不同局部位置温度的波动情况。 王宝峰s a m a r a s e k e r a 5 8 】以方坯为研究对象，在结晶器铜管上共布置5 2 支热电偶， 研究不同钢种和拉