连铸结晶器液面波动控制及检测技术研究

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8-武钢CSP连铸结晶器液面波动控制实践

武钢CSP连铸结晶器液面波动控制实践朱志强武钢股份条材总厂2012-7-10主要内容工艺装备与背景概述典型液面波动的特点及原因控制液面波动的措施结论一、背景与工艺装备1. 背景薄板坯连铸机由于结晶器厚度薄，容积小，其流动强度是传统厚板坯铸机的3-4倍，高拉速下容易产生液面波动，极易发生卷渣，恶化保护渣的熔化、润滑与传热，导致薄板坯出现裂纹、凹陷、夹杂等质量缺陷，严重时还将导致漏钢事故。

2.武钢CSP连铸机主要设备工艺参数3250mm弯曲半径10305mm 冶金长度18185mm 铸机长度5段7个冷却区，17个冷却回路扇形段数自动（Co60放射源）结晶器液面控制1100mm 结晶器长度漏斗型冷坯宽度：900—1600mm 结晶器类型72mm结晶器：70—50mm （液芯压下后）92mm结晶器：90—70mm （液芯压下后）浇铸厚度（扇形段5出口）：72/92mm 浇铸厚度（结晶器出口）900—1600mm 浇铸宽度（标称或冷宽度）2.8—6.0m/min 拉速33t 中包容量170t 钢包容量技术参数项目二、结晶器液面波动的特点及原因分析实际生产中，拉速、过钢量的变化对液面波动的影响是显著的，但除此之外，浇注过程中仍出现了一些异常情况导致的结晶器液面波动，这些异常导致的结晶器液面波动现象的特征也是不一样的。

根据这些结晶器液面异常波动的特点，结晶器液面波动可分为：·包晶反应与鼓肚现象·共振现象·液位检测与控制系统故障·结晶器流场异常1.包晶反应与鼓肚现象鼓肚现象是连铸过程中的常见现象，常见于高拉速、大断面铸坯尺寸的钢种连铸生产条件下，主要原因是冷却不足、坯壳强度不足以抵抗钢水静压力，导致铸坯在两排辊子之间产生鼓肚，鼓肚时产生泵吸效应，导致结晶器液面下降，随着拉坯的进行，鼓肚区域在同一排辊子之间被挤压，液相穴内钢水又回流到结晶器内，导致结晶器内钢水又迅速上涨，如此反复，结晶器内液面呈有节奏的锯齿状的波动。

结晶器液面波动成因及控制

坯和最终产品的质量，甚至会造成铸坯纵裂漏钢、夹
应相变８Ｆｅ＋Ｌ一－ｙＦｅ，会产生约０．３８％的体积收缩，坯壳与结晶器铜板问产生问隙，影响传热，造成
初生坯壳不均匀，出结晶器后易产生鼓肚，从而引起液面波动；再如，对于铝镇静钢，钢水处理不好，或保护浇铸效果差时，钢中夹杂物和脱氧产物（如Ａｌ，Ｏ、ＣａＯ、ＳｉＯ，等）易形成高熔点聚合物附着在水
（１．河北钢铁集团河北钢铁技术研究总院，河北石家庄０５２１６５；２．唐山不锈钢有限责任公司，河北唐
山０６３０１０）
摘要：结晶器液面波动是连铸过程中的常见现象，液面波动过大会造成铸坯夹杂物含量超标、纵裂等产
０５２１６５；２．ＴａｎｇｓｈａｎＳｔａｉｎｌｅｓｓＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｉｂｅｉ，０６３０１０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌｅｖｅｌｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉｎｍｏｌｄｉｓａｎｏｒｍａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｏｏｌａｒｇｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ
连铸过程中要求将结晶器液面波动控制在一定范围内（一般为 ± ３ｍｍ），液面波动过大将会影响结晶器保护渣的三层结构，破坏其润滑和传热平衡，导

结晶器内钢液面波动分析与控制

３冷却制度的影响由于坯壳内部钢液静压力的作用，导致两对导辊间产生向外鼓出的变形，即所谓的“鼓肚”。当出现鼓肚时，结晶器液面会下降，而有鼓肚的坯壳到达支撑辊时，又会被挤压回去，从而导致液面上升。如此反复就形成了液面波动。此外，喷嘴歪斜、二冷喷嘴堵塞、二冷支路漏水等使二冷不均匀。在拉坯时，铸坯表面出现回温现象，雾化效果差，也会出现液面波动。４保护渣的状态影响在连续铸钢过程中，置于结晶器内的钢液面上，用来防氧化、保温和吸收非金属夹杂的物料即为结晶器保护渣。结晶器保护渣的状态是否符合浇铸的钢种，例如粘度、碱度、干燥程度等性能指标，或者保护渣受潮变质等，都有可能引起结晶液面波动。二、结晶器液面波动的控制措施１加强对塞棒控制系统的定期维护不同的塞棒机构液面波动的发生率有很大差异，一般磨损大的机构（Ｂ号机构）比磨损较小的机构（Ｄ号机构）液面波动发生率高约１３．００％，因此有必要对塞棒机构进行定期维护，通过润滑加快塞棒执行机构响应速度，有效减少结晶器液面波动的发生。另外，也要对板坯进行定期维护与检修，定期检测板坯尺寸和偏差，以避免其他问题的产生。２控制钢中的夹杂物对夹杂物的控制主要集中在改变夹杂物的形态和分布、提高钢的洁净度两个方面。稀土合金、钙合金是常用的夹杂物变
１钢种特性的影响在连铸过程中。易出现结晶器液面波动的钢种主要为碳素结构钢，碳含量为０．０７％～０．１６％，大多数属于包晶钢范围。在铸钢时，铸坯在凝固过程中会发生包晶反应：６＋Ｌ—ｙ。面心立方６铁素体密度大于体心立方ｙ奥氏体，相变过程中会伴随Ｏ３８％的线收缩，导致较大的相变应力，凝固壳厚薄不均匀。容易造成以下问题：第一。产生横向温度梯度，导致铸坯表面出现纵裂；第二，拉出轧辊扇形截面时．坯料反复鼓肚，造成结晶器内产生液面波动，一旦形成液面波动，就很难消除。２结晶器流场的影响结晶器液面波动函数Ｆ与波高之间呈线性关系，当Ｆ值处于３～５范围时可得到较为理想的液面波动状态。波动函数Ｆ的定义如公式。

连铸结晶器液面波动因素及预防措施

铸坯在二冷区的冷却对液面波动也有影响。传统
ｌ概述
结晶器是连铸设备的心脏。钢水在结晶器内冷
上二次冷却采用弱冷制度，这会造成二冷区铸坯坯壳生长减慢及坯壳表面温度过高，加剧铸坯鼓胀倾向，从而使液面波动产生。
２．４连铸机拉速
却，形成一定厚度的坯壳；初步成形的铸坯在二次冷却区内继续冷却，坯壳变厚；铸坯在拉坯过程中进一步冷却，直至内部完全凝固。钢水在结晶器内的液面
使铸坯卡阻造成。对于钢液面的前后或左右波动，则大多是因为弹簧板异常、个别连接轴销磨损以及结晶器内异物阻碍铸坯运动等原因造成。
２．６其它
２结晶器液面波动原因
２．１钢水化学成分钢水的化学成分对结晶器液面波动的影响很大，因为钢水中有些化学成分在特定条件下会发生反应，影响钢水液面的稳定性。例如，包晶钢极易产
41连铸结晶器液面波动因素及预防措施大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院祭飞摘相应措施有效控制结晶器液面波动为稳态浇铸提供保证
２０１４年第１期总第４１期
重工与起重技术
ＨＥＡＶＹＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ＆ＨＯＩｎＮＧＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
Ｎ０．１２０１４
结晶器浸入式水口的流场可以影响钢液面的波动。由于受浇注钢水射流的影响，壁面附近的钢液较
活跃，弯月面处的波动较大，但在一定浸入深度下（约
３ａｒｍ），水口的流场对大方坯结晶器液面波动的影响不大。此外，液面波动是由于辊列等距布置，导致板坯
生液面波动，这是因为包晶相变造成初生坯壳不均匀所致。另外，如果钢水中硫和铝的含量过高，会造成水口内Ａｌ２０。和硫化物结瘤，从而引起液面波动。

结晶器液面控制探析

天津冶金职业技术学院毕业课题结晶器液位控制系统探析系别机械工程专业机电一体化班级 09机械学生姓名徐冀峰指导教师张秋菊2011年9月27日摘要连铸是炼钢生产的核心设备。

当代高端大型连铸机大多采用多流园弧形连铸机，连铸控制采用二级自动控制系统，即PLC控制和过程控制。

在整个系统中，结晶器液位控制是关键技术。

液位控制有很多方式，普遍采用的是钴-６０液位控制。

本文将对钴-６０液位控制系统进行探析。

关键词：结晶器，液位控制，过程控制系统目录摘要-------------------------------------------------------Ⅰ1.概述---------------------------------------------12.结晶器液位控制原理---------------------------------1 2.1.基础自动化部分---------------------------------------------1 2.2.检测部分--------------------------------------------1 2.3.结晶器液位控制器------------------------------------1 2.4.伺服执行机构-------------------------------------22.5.液位显示部分-----------------------------------------23.系统的组成---------------------------------------2 3.1.基础自动化-P L C系统-----------------------------------2 3.2.液面位置检测部分---------------------------------------3 3.3.结晶器液位控制器-----------------------------------------43.4.伺服执行机构---------------------------------54.自动浇铸-------------------------------7 4.1.前馈控制-------------------------------84.2.比例参数重新调正----------------------------------------85.结束语-----------------------------96.参考文献：-----------------------------91.概述连铸是炼钢生产的核心设备。

包晶钢结晶器液面周期性波动原因及控制

ｏｆｃｏｏｌｉｎｇｗａｔｅｒｆｏｒｃｏｏｌｉｎｇｔｈｅｍｏｕｌｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｐｅ￣ｙｏｆｔｈｅｃｏｖｅｒｉｎｇｓｌａｇａｎｄａｓａｒｅｓｕｌｔｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆａｓｔｒａｎｄｉＳｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｌｔｅｎｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃｓｔｅｅｌ；ｓｌａｂｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ；ｍｏｕｌｄ；ｌｅｖｅｌｌｕｆｃｔｕａｔｉｏｎ
ｕｎｅｖｅｎｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ
ｃａｓｔｅｒｉｎＢａｙｕｑｕａｎＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＳｕｂｓｉｄｉａｒｙＣｏ．ｏｆＡｎｇａｎｇＳｔｅｅｌＣｏ．．Ｌｔｄ．．Ｔபைடு நூலகம்ｈｅｍａｊｏｒｃａｕｓｅｌｅａｄｉｎｇ
鞍钢技术
２０１３年第５期
，●● －●－一 … ’。 ’－

连铸结晶器液面波动控制及检测技术研究

d1 d 2 Vm vs cos d nail
d d2 1 b2 b1 (a2 hlump a1hlump ) cos 1 d (d lump ) 5 d nail

dVm
Vm Vm Vm d (d lump ) d (hlump ) d (d1 d 2 ) d lump hlump (d1 d 2 )
NF
90 92 94 96
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Distance from center of nozzle (mm)
液面波动剧烈，3.0m/min最高波动达~12mm 更易造成表面卷渣
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Distance from center of nozzle (mm)
Distance from center of nozzle (mm)
t=60s
板坯连铸结晶器内钢水流动模式非常复杂，结晶器内钢水流速检测方法主要包括以下几点：
放射同位素法
缺点是放射性元素污染
安装在结晶器一侧放射线源连续不断地放射出一定强度的γ射线，利用钢液对γ射线的吸收程度来反映钢液液面的高度。

板坯连铸机结晶器液位波动分析及控制策略

ｓｕｉｔ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＳｌａｂｃａｓｔｉｎｇ，Ｌｅｖｅｌｌｕｆｃｔｕａｔｉｏｎ位的目的。结晶器液位控制系统采用双闭
连铸机结晶器液位控制是连铸生产过程自动化的重要环节，其控制效果的好坏直接影响产品质量。若液位波动较大，超过 ±５ｍｍ，会对铸坯质量造成一定的影响，甚至会把未熔化的保护渣
ＴｏｎｇＣｈｕｎｙａｎｇ
（ＪｉｎａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＧｒｏｕｐＣＯ．Ｌｔｄ）
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃａｕｓｅｓｏｆｍｏｕｌｄｌｅｖｅｌｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｓｌａｂｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｅｒｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｌｔｅｎｓｔｅｅｌｑｕａｌｉｔｙ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓｌａｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｔｒａｎｄｂｕｌｄｇｉｎｇａｎｄ
第２０卷第４期
・
宽厚板
ＷＩＤＥＡＮＤＨＥＡＶＹＰＬＡＴＥ

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University of Science & Technology Beijing
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Metallurgical & Ecological Engineering
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Chuanbo Ji
4
应用背景及意义
结晶器内钢水流动要求
不应把结晶器保护渣卷入钢水内部
钢水流动利于液相穴夹杂物上浮钢水凝固不应对凝固坯壳冲刷
d lump 10 15 d lump d1 d 2 b11 b 21 a1b1hlump a 2 b2 hlump d (hlump ) cos 5 5 d nail
d lump 10 15 d lump d d2 b1 b 2 1 1 a1hlump a2 hlump sin 1 d (d1 d 2） 5 5 d nail d nail

avg
2ph 2d1 d lump d nail

2pl 2d 2 d lump d nail
1 d d2 1 ( ) ( ) ( ) 1 2 2 2 d nail 2 15 d lump d lump 10 b1 b2 vs (a1hlump ) (a2 hlump ) 5 5
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3
应用背景及意义
结晶器内钢水流动产生的铸坯缺陷
从水口流出的钢水对结晶器窄面的冲击，易产生角部纵裂纹，严重时漏钢向上流股动量过大，弯月面波动剧烈，液渣渗入坯壳间空隙，产生纵裂纹液面波动剧烈，造成卷渣污染钢液液面流动不充分，局部温度过低，造成局部冷凝形成深振痕和弯月面区初生坯壳呈现“镰刀状”，捕捉渣滴、夹杂物和气泡进入坯壳
8
结晶器表面检测方法
插钉法
优点：
直观操作简单、可控性强准确性高、可以测量表面瞬态波动情况
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9
插钉法实验误差分析
涡流法
缺点是在结晶上方设有探测线圈,线圈会被高温烧坏
钢液表面产生磁涡流。该涡流又产生一个新磁场，并在二次侧线圈中感应产生一个差分电压
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10
水口浸入深度对表面流速影响
0.6
0.6
Without EMBr
Top surface velocity (m/s)
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6
结晶器内流场研究方法
物理模拟
主要是水模型
速度测量（PIV、UDV）液面波动测量（DJ800）可视化流场显示（墨汁、粒子追踪）
Top surface velocity (m/s)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
SEN depth 250mm SEN depth 180mm SEN depth 120mm
SEN depth 250mm SEN depth 180mm SEN depth 120mm
液面波动剧烈，3.0m/min最高波动达~12mm 更易造成表面卷渣
0
100
200
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Distance from center of nozzle (mm)
Distance from center of nozzle (mm)
t=60s
t=90s
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Chuanbo Ji
12
水口浸入深度对表面波动影响（No EMBr）
82
82
Distance from top of mold (mm)
NF
90 92 94 96
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
90 92 94 96
0
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300
400
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0
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600
Distance from center of nozzle (mm)
数学模拟
基于RANS的模型、LES、DNS
插钉法实验结晶器表面渣层厚度测量铸坯振痕测量
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现场测量
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7
结晶器表面检测方法
d1 d 2 Vm vs cos d nail
d d2 1 b2 b1 (a2 hlump a1hlump ) cos 1 d (d lump ) 5 d nail

dVm
Vm Vm Vm d (d lump ) d (hlump ) d (d1 d 2 ) d lump hlump (d1 d 2 )
拉速对表面波动影响（No EMBr）
82
82
Distance from top of mold (mm)
Distance from top of mold (mm)
84 86
No EMBr
84 86
No EMBr
无电磁制动：
Casting speed 2.0 m/min Casting speed 2.5 m/min Casting speed 3.0 m/min
Distance from center of nozzle (mm)
NF
88
88
窄面液面高，水口附近液面低液面波动较剧烈液面波动随时间变化而呈现周期性变化，变化周期~90s
t=0s
82
t=30s
82
拉
NF
速
Distance from top of mold (mm)
Distance from top of mold (mm)
t=0s
82
82
t=30s
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
Distance from top of mold (mm)
结晶器内钢水流动控制
电磁搅拌电磁制动
均匀弯月面处温度减慢流速，消除卷渣
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抑制水口射流速度，减缓沿凝固壳向下流动，促进夹杂物和气泡上浮
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5
影响结晶器内钢水流场因素
影响连铸结晶器内钢水流场的主要因素主要分为：
浸入式水口结构参数：浸入式水口的参数主要有水口直径、出口参数（出口倾角、出口面积）、水口形状（长方形、正方形、圆形、椭圆形等；连铸工艺参数影响，主要包括水口浸入深度、拉速、吹气量等浇铸过程中的不稳定因素（塞棒、滑板、水口结瘤）
88 90 92 94 96
SEN Depth
250mm 各个时刻结晶器表面波动也不同驻波高度降低No EMBr来自No EMBr0
100
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400
500
600
0
100
200
300
400
500
600
Distance from center of nozzle (mm)
Distance from center of nozzle (mm)
86
Distance from top of mold (mm)
84
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
84 86
SEN depth 180mm SEN depth 250mm SEN depth 120mm
180mm
NF
NF
88 90 92 94 96
Dec 27，2012
连铸结晶器液面波动控制及检测技术
汇报者：吉传波李京社
北京科技大学冶金与生态工程学院
University of Illinois at Urbana-Champaign Metals Processing Simulation Lab •Ji chuanboji@ • Beijing Metallurgical & Ecological Engineering • Chuanbo University of Science & Technology • • Metallurgical & Ecological Engineering •