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板坯连铸动态二冷与轻压下建模及控制的研究

作　者: 郭亮亮
导　师: 姚曼；沈厚发
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 板坯连铸高温力学性能辊列设计动态二冷动态轻压下
分类号: TF777
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 529次
引　用: 4次
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内容摘要

动态二冷与动态轻压下是现代连铸工艺提高铸坯质量的一项重要技术。研究动态轻压下模型与控制方法,需要对连铸机辊列结构、铸坯凝固传热以及复杂热—力学问题有深入的认识和理解。本文针对超高强度钢(UHSS)动态轻压下工艺的关键技术,开展实验、设计、建模与控制方面的研究。在铸坯高温力学性能实验与铸机辊列设计的基础上,开发了动态二冷与动态轻压下控制系统。首先,在Gleeble—1500D热/力模拟试验机上进行了实验,获得了超高强度钢高温力学性能参数及塑性曲线;同时分别采用凝固法和加热法获得了高温固相区和两相区的拉伸强度。实验结果表明,拉伸强度随着温度的升高而呈近似线性降低;凝固法的拉伸强度小于加热法的实验值,加热法和凝固法拉伸强度的区别是由不同的变形激活能所致。考虑应变速率、温度、应力、固相分数和变形激活能等参数的粘塑性本构方程为轻压下工艺分析和关键参数确定提供了实验及理论依据。其次,分别采用多点弯曲多点矫直和改进的Concast连续弯曲连续矫直曲线对铸坯断面尺寸为1100mm×180mm的板坯连铸机进行了辊列设计。校核计算结果表明,两种方案均满足设计要求,设计结果合格、可靠,设计方法正确。再次,基于板坯连铸机的辊列和喷嘴布置,建立三维稳态传热数学模型,模型考虑了铸坯与辊子间的接触换热及喷嘴特性。计算的温度和凝固坯壳厚度分别与测温和射钉实验结果相吻合。通过模拟计算为实际生产中的二次冷却工艺提出了有效的控制措施。然后,根据铸坯高温塑性曲线、铸机辊列及二冷区冶金准则,制定了超高强度钢等钢种的表面目标温度。同时,开发了动态二冷瞬态传热数学模型,采用增量型PID算法实现了动态二冷控制。结果表明,动态二冷模型与增量型PID算法能够有效控制冷却回路的目标温度,可以准确及时地预测凝固末端位置。最后,以钢的高温力学性能及本构方程为依据,得出了950～1950mm×170mm板坯超高强度钢及低碳钢的动态轻压下模型参数。采用多线程运行方式开发了板坯动态轻压下控制系统Visual Cast—Dynamic。分别以钢的两相区内临界应变和临界应力作为力学判据,设置了位置控制与压下力控制两种动态轻压下控制方式。本研究制定的轻压下工艺与实际已有同类钢种的轻压下工艺一致,说明本文开发的动态轻压下模型正确,相应的动态轻压下系统已具备在线控制能力。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
1 绪论  12-32
  1.1 引言  12
  1.2 轻压下技术原理  12-14
    1.2.1 中心偏析与中心疏松  12-13
    1.2.2 轻压下技术类型  13-14
  1.3 轻压下技术的发展与应用现状  14-18
    1.3.1 轻压下技术的发展  14-17
    1.3.2 轻压下技术的应用现状  17-18
  1.4 动态轻压下的关键技术及理论基础  18-30
    1.4.1 轻压下工艺关键参数  19-22
      1.4.1.1 压下区间  19
      1.4.1.2 压下量和压下速率  19-21
      1.4.1.3 压下率  21
      1.4.1.4 压下效率  21-22
    1.4.2 凝固末端位置预测技术  22-23
    1.4.3 连铸坯高温力学特性及本构关系  23-26
      1.4.3.1 连铸坯高温力学性能实验  24-25
      1.4.3.2 本构关系研究  25-26
    1.4.4 铸机辊列设计  26-27
    1.4.5 表面目标温度制定  27
    1.4.6 连铸二冷控制策略  27-29
    1.4.7 连铸数值模拟的研究现状  29-30
  1.5 本文主要研究内容  30-32
2 钢的高温力学特性及本构关系  32-46
  2.1 实验过程  32-35
    2.1.1 实验材料及方法  32-33
    2.1.2 试样中心与表面温差  33
    2.1.3 固相分数计算  33-35
  2.2 实验结果  35-41
    2.2.1 特征温度  35-36
    2.2.2 高温塑性与强度  36
    2.2.3 应力—应变曲线  36-38
    2.2.4 拉伸强度与温度的关系  38-39
    2.2.5 加热历史的影响  39-40
    2.2.6 应变速率的影响  40-41
  2.3 本构关系  41-45
    2.3.1 高温固相区本构方程  41-43
    2.3.2 两相区本构方程  43-45
  2.4 本章小结  45-46
3 板坯连铸机辊列设计  46-60
  3.1 连铸机基本参数设计  46-49
    3.1.1 选定机型  46-47
    3.1.2 拉坯速度  47-48
    3.1.3 凝固系数  48
    3.1.4 结晶器长度  48
    3.1.5 铸机圆弧半径  48-49
    3.1.6 铸机扇形段设计  49
  3.2 多点弯曲多点矫直辊列设计原则  49-50
  3.3 连续弯曲连续矫直辊列设计原则  50-52
  3.4 板坯连铸机辊列力学性能校核  52-55
    3.4.1 鼓肚应变  53
    3.4.2 矫直应变  53-54
    3.4.3 辊子不对中应变  54
    3.4.4 热应变  54-55
  3.5 板坯连铸机辊列设计结果  55-59
  3.6 本章小结  59-60
4 连铸二冷稳态传热数学模型的建立与应用  60-74
  4.1 稳态传热数学模型的建立  60-61
  4.2 稳态传热数学模型边界条件  61-63
  4.3 计算中相关参数  63-64
    4.3.1 液相线和固相线  63
    4.3.2 凝固潜热和比热  63
    4.3.3 过热度  63-64
    4.3.4 结晶器冷却水换热系数  64
  4.4 数值求解方法及流程  64
  4.5 计算结果与分析  64-72
    4.5.1 计算工艺条件  64-66
    4.5.2 水流密度计算  66
    4.5.3 表面温度验证  66-68
    4.5.4 坯壳厚度验证  68
    4.5.5 温度场计算结果  68-71
    4.5.6 连铸坯二冷温度优化  71-72
  4.6 本章小结  72-74
5 板坯连铸动态二冷控制系统的开发与应用  74-91
  5.1 连铸二冷瞬态传热数学模型  74-75
    5.1.1 瞬态传热数学模型的建立  74-75
    5.1.2 瞬态传热数学模型边界条件  75
  5.2 表面目标温度的设计  75-78
  5.3 基本水量参数设计  78-80
    5.3.1 基本水量计算  78
    5.3.2 最小和最大安全水量  78
    5.3.3 内弧面和外弧面水量分配  78-79
    5.3.4 基本水量设定值与拉速关系  79-80
  5.4 动态二冷控制策略  80-82
    5.4.1 位置型PID控制  81
    5.4.2 增量型PID控制  81-82
  5.5 动态二冷控制系统的建立及应用  82-90
    5.5.1 动态二冷控制系统构成  82-83
    5.5.2 瞬态传热数学模型在稳定工艺条件的计算结果  83-85
    5.5.3 动态控制与非动态控制比较  85-87
    5.5.4 动态控制与水表比较  87-89
    5.5.5 实际应用  89-90
  5.6 本章小结  90-91
6 板坯连铸动态轻压下工艺的控制  91-112
  6.1 动态轻压下模型参数的确定  91-99
    6.1.1 压下区间  91-94
      6.1.1.1 改善溶质元素偏析的要求  91-92
      6.1.1.2 防止窄面鼓肚的要求  92-93
      6.1.1.3 避开裂纹敏感区的要求  93-94
    6.1.2 压下量  94-98
      6.1.2.1 辊缝热收缩  94-95
      6.1.2.2 实际压下量  95-98
    6.1.3 压下速率  98-99
  6.2 动态轻压下的作用方式  99-102
    6.2.1 位置控制方式  99
    6.2.2 压力控制方式  99-102
      6.2.2.1 临界应力  100
      6.2.2.2 压下力  100
      6.2.2.3 变形阻力  100-101
      6.2.2.4 变形程度  101-102
      6.2.2.5 变形速率  102
  6.3 动态轻压下控制系统的建立  102-108
    6.3.1 基本功能概述  103-105
    6.3.2 动态轻压下控制模型  105-106
    6.3.3 多线程运行的开发  106
    6.3.4 铸机一二级系统间数据交互  106-108
  6.4 轻压下工艺设计与控制  108-111
    6.4.1 动态轻压下工艺控制的验证  108-109
    6.4.2 超高强度钢动态轻压下工艺设计与控制  109-111
  6.5 本章小结  111-112
结论  112-113
创新点摘要  113-114
参考文献  114-126
攻读博士学位期间发表学术论文情况  126-128
致谢  128-129
作者简介  129-130

板坯连铸动态二冷与轻压下建模及控制的研究

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