无氧铜连铸坯微裂纹形成机理与控制因素研究

项目背景： 无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。 主要研究内容：本项目为了对无氧铜薄板坯连铸工艺参数进行优化和控制，通过前期大量实验数据分析，深入分析了铸坯在不同工艺条件下其内部的温度场、液穴、应力场分布情况以及彼此之间的规律，对优化工艺参数、提高铸坯质量有决定性的作用。以某铜加工厂连铸机为研究对象，通过PROCAST软件分别对不同工艺条件下温度场、液穴、应力场进行分析，探究不同工艺条件对温度场、液穴及应力场的影响；通过MATLAB拟合函数，找出不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度之间的函数关系，分析其规律；研究了铸坯的收缩补偿措施，对收缩系数以及倒锥度与尺寸偏差、气隙的关系进行了分析。 重要结果及关键数据： 1）冷却水量、拉坯速度、浇注温度以及铸坯宽厚比对铸坯的温度场、液穴与应力场均有显著影响； 2）对无氧铜连铸薄板坯凝固过程中铸坯不同宽厚比、不同拉速、不同过热度、不同冷却水套换热系数下连铸坯凝固传热、凝固收缩以及热应力等的影响规律进行了分析，并给出了建议取值：连铸薄板坯宽厚比建议小于40，当宽厚比在20-40之间时，建议拉坯速度取值12-18mm/s，冷却水套对流换热系数取2000-3000 W/m2·℃，则可尽量降低铸坯裂纹等缺陷发生概率。 3）在工艺条件允许下，降低冷却水量、浇注温度、铸坯宽厚比和提高拉坯速度有利于降低铸坯温度场的温度梯度和减小铸坯内应力，对提高铸坯质量有明显帮助； 4）增大二冷区的冷却水量可以有效降低铸坯的温度； 5）不同工艺条件与铸坯在结晶器出口处温度呈明显的函数关系，对于企业生产有重要的指导意义； 6）收缩补偿措施的研究表明：倒锥度较小时，尺寸偏差与气隙都较小；收缩系数较大时，尺寸偏差较小，而气隙反而变大。 科学意义： 本项目的研究成果为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供了有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。

无氧铜连铸坯凝固是包含流动、传热、传质的动力学过程，也是具有高温、多相及相互影响特征的复杂体系，如何控制连铸坯凝固过程，减少铸坯微裂纹的产生对铸坯质量至关重要。本项目从连铸坯凝固行为、高温力学性能、作用在连铸坯上的各种应力应变、化学成分以及微观偏析行为等角度出发，探索铸坯微裂纹产生的机理和控制因素，对铜液凝固过程提出揭示枝晶生长的微观结构参数及其变化规律的数学模型，研究稳定性常数等微观参数和拉速等浇注参数对连铸凝固过程的影响规律；通过建立实时完全热-力耦合的凝固传热模型，预测铸坯在结晶器内温度分布和凝固状态，分析影响连铸坯铸造质量的因素；对连铸坯在结晶器内传热、流动、应力应变进行完全耦合计算，提出一种铸坯微裂纹产生的预测判据。本项目的研究成果将为我国无氧铜连铸工艺理论体系的完善提供有益补充，具有十分明显的科学意义和工程应用价值。

控制因素概述

隐蔽油气藏的概念最早是由Carll提出。隐蔽圈闭(subtletrap)一词较早见于Levorsen1964年的论文,用于概括构造、地层、流体(水动力)多要素结合形成的复合圈闭。1966年Levorsen提出对隐蔽圈闭进行勘探,此后,世界上许多含油气盆地的地层不整合、岩性及古地貌等圈闭的油气勘探都得到了加强。

我国学者对隐蔽油气藏的理解和定义形成了2种观点:一种观点认为“隐蔽油气藏”在涵义上等同于“非构造圈闭油气藏”;另一种观点认为,除非构造油气藏外,隐蔽油气藏还应包含在现有勘探方法与技术水平条件下识别和描述的某些类型的构造油气藏。因此,“隐蔽油气藏”一词涵义模糊,而“岩性地层油气藏”涵义相对明确。岩性地层油气藏是指储集层因岩性横向变化或纵向连续性中断而形成圈闭中的油气聚集。狭义的岩性油气藏包含砂岩透镜体、砂岩尖灭体、白云岩化带、裂缝-洞穴状石灰岩、火山岩透镜体等类油气藏;广义的地层-岩性油气藏尚应增加地层超覆体、地层不整合遮挡(各种古潜山)、生物礁以及水动力封闭等类油气藏。

随着世界油气勘探技术的发展和理论研究的不断深入,在新发现的油气藏中岩性地层油气藏无论是在产量还是在储量上都占有不可忽视的地位。根据第三轮油气资源评价结果,中国石油天然气股份有限公司陆上剩余石油资源中,岩性地层油气藏占42%,这是我国陆上今后相当长时期内最有潜力、最现实的油气勘探领域。“十五”期间,中国石油天然气股份有限公司探明石油储量为4.5～5.5亿t,其中岩性地层油藏储量2.5～3.0亿t,占50%～60%,成为其最重要的勘探领域。近几年,在松辽、渤海湾、鄂尔多斯、准噶尔、二连等盆地相继发现了一批由岩性地层油气藏组成的5千万吨至数亿吨储量规模的大油田,成为储量增长的主要来源。

关于岩性地层油气藏的分布规律和控制因素一直是国内研究的重点,不同的学者从不同的角度进行了阐述。

(1)从盆地类型角度贾承造等对中国陆上岩性地层的形成与分布特征进行了分析,认为中国各大油区的主要含油气盆地都经历了复杂的构造演化历史,不同类型的盆地,岩性地层油气藏的形成条件与分布特点有较大差异。

(2)从盆地结构角度尤其是断陷湖盆陡坡带、缓坡带和深陷带3带结构特征明显,林畅松等提出了“构造坡折带”的概念,构造坡折带是指由同沉积构造长期活动引起的沉积斜坡明显突变的地带,断陷湖盆中存在的构造坡折带制约着盆地可容纳空间的变化,对层序的发育、沉积体系域及砂体的分布起重要的控制作用,是油气藏形成的极有利地带;李丕龙等针对济阳坳陷的勘探,总结出指导隐蔽油气藏勘探的“断坡控砂、复式输导、相势控藏”三大核心理论。

(3)从盆地发育角度气凹陷的“满凹含油”论。“满凹含油”是指在富油气凹陷内,优质烃源灶提供了丰富的油气资源,同时陆相沉积多水系与频繁的湖盆振荡,导致湖水大面积收缩与扩张,使砂体与烃源岩不仅间互,而且大面积接触,从而使得各类储集体的成藏机会最大,因而含油范围超出二级构造带, 导致在包括斜坡区在内的凹陷深部位都有油气藏的形成和分布,呈现整个凹陷都有油气成藏的局面。杜金虎等[17-18]提出了互补论的观点,认为含油气盆地(或凹陷)在油气资源量一定的条件下,隐蔽油气藏与构造油气藏在油气资源量分配和油气空间分布上具有互补性。

(4)从圈闭形成的角度将岩性地层圈闭形成的基本要素概括为3条线(岩性尖灭线、地层超覆线、构造等高线)和3个面(地层不整合面、储集岩体的顶底板面、断层面)6个要素的有机配置。三面(最大湖泛面、区域不整合面和断层面)控藏、五带(有利沉积相带、裂缝发育带、岩性或地层尖灭带、次生孔隙发育带和流体性质变化带)富集的新理论,指出虽然油气凹陷具有“满凹含油”的特征,但同时油气藏的分布也不均一,岩性地层油气藏的分布受“三面”控制,沿“五带”富集。贾承造等提出了岩性地层圈闭的形成主要受“六线(岩性尖灭线、地层超覆线、地层剥蚀线、物性变化线、流体突变线、构造等高线)”、“四面(断层面、不整合面、洪泛面、顶底板面)”10个要素控制。

(5)从沉积相的角度 三角洲体系最有利于岩性地层油气藏的发育,其中三角洲前缘的水下分流河道、河口坝等又是其中的“甜点”,由此形成了三角洲前缘带控油气理论[25-26]。邹才能等[27]提出了“相控论”,“相控论”是指在存在有效烃源岩、构造背景和输导体系等前提下,油气的分布与富集受有利储集相带的控制,有利的储集相带主要是各种有利的沉积相和成岩相等。

控制因素1岩性地层油气藏形成的盆地背景

贾承造等对中国陆上岩性地层的形成与分布特征进行了分析,认为我国主要含油气盆地包括4种类型(陆相断陷盆地、陆相坳陷盆地、陆相前陆盆地和古生界海相盆地),每种类型盆地的形成演化历史地质结构特点古气候背景沉积区与物源区的空间配置及相互作用等方面的差异,导致各盆地层序发育特点主要砂体类型及其三维空间分布有利圈闭类型存在显著差别,并由此控制了不同类型岩性地层油气藏的形成。由于第4种类型的盆地为海相盆地故不作介绍。

1.1陆相断陷盆地

陆相断陷盆地,如渤海湾盆地、二连盆地等,以半地堑为相对独立的构造沉积单元,断陷湖盆发育多种储集体类型,“物源、斜坡、断裂、水深”控制砂体的类型和分布。陡坡带和缓坡带砂体发育特点不同。陡坡带受边界断层控制,坡度大,沉积物快速入湖,形成冲积扇、扇三角洲和深水浊积扇砂体,单个砂体分布面积不大,但数量多,厚度大,故也可形成规模较大的岩性油气聚集。缓坡带一般发育三角洲或扇三角洲砂体,部分凹陷的缓坡带还发育滩坝砂体。由于坡度较缓砂体展布范围比较大,故可形成亿吨级岩性地层大油田。古气候背景影响水体咸度、规模,进而影响生油岩体的规模和岩性地层油气藏的分布。陆相断陷盆地断裂发育、断块破碎,岩性地层油气藏普遍以与断裂活动相关的鼻状构造为聚油背景。

1.2陆相坳陷盆地

陆相坳陷盆地,如松辽盆地、鄂尔多斯盆地等,其古水系、古坡度、古湖泊等控制砂体的类型与分布。岩性油气藏主要赋存于三角洲前缘水下分流河道、河口坝和席状砂中。由于陆相坳陷盆地沉积地形平缓,面积较大,水进水退频繁,往往形成大面积分布的薄砂层和泥岩互层,可形成大面积连片分布的岩性地层油气藏。除砂体类型外,聚油构造背景对岩性地层油气藏的平面分布也有重要的控制作用,古凸起、断裂带是油气运聚的有利场所。纵向上岩性地层油气藏主要分布于两个最大湖侵泥岩段之间。

1.3陆相前陆盆地

我国中西部大多数前陆盆地与国外经典前陆盆地有较大差异,往往缺少被动边缘海相沉积层序,以楔形陆相沉积为特色。前陆盆地发育冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲砂体。近山一侧发育厚度很大的冲积扇(扇)三角洲沉积体系,砂体规模较大时三角洲前缘可延伸覆盖至前缘隆起的斜坡区。前缘隆起的斜坡区水进水退频繁,有利于沿不整合面上下形成各种地层圈闭,是前陆盆地岩性地层油气藏勘探的主要目标。

控制因素2岩性地层油气藏在层序中的分布

在海相沉积层序中,低位体系域在油气勘探中有着特殊的意义,是隐蔽油气藏形成和分布的主要体系域。提出的层序地层模型明确地指出在各个体系域中储层形成条件、储层性质和储层分布的地理空间,并特别强调低位体系域的研究对于储层预测的重要性。据统计,世界上大部分油气田86%的储量赋存于低位体系域中,只有12%与水进体系域有关,2%与高位体系域有关。陆相盆地具有受构造运动影响明显、湖平面升降频繁、多旋回、多沉积层序的特点,不同体系域的含油气性受凹陷的类型、构造沉积发育史等多种因素控制。在不同类型的凹陷中,各体系域的含油气性有所不同,无论是低位体系域还是高位体系域均可形成岩性油气藏的富集。但在低位体系域中所占的比重较大,据瞿辉等对松辽盆地南部东南隆起区梨树凹陷主要试油层段的统计分析,有72%的油气层分布于低位体系域中,24%的油气层赋存于高位体系域中,而仅有4%的油气层赋存于水进体系域中。在不同的陆相盆地中,油气藏类型往往差别很大,目前已有许多学者对陆相不同类型盆地中岩性地层油气藏在层序中的分布规律进行了研究,现归纳总结如下。

2.1陆相断陷盆地

陆相断陷盆地有2种基本的层序类型,即三分体系域(低位、水进和高位体系域)层序和二分体系域(水进和高位体系域)层序,笔者以三分体系域为例加以说明。断陷湖盆陡坡带、缓坡带和深陷带3带结构特征明显,根据首次湖泛面和最大湖泛面(MFS)将一个沉积层序细分成低位体系域(LST)、水进体系域(TST)和高位体系域(HST)

(1)低位体系域低位体系域是寻找岩性地层油气藏的主要目标。从断陷盆地油气藏的形成和分布条件看,构造坡折带是形成油气藏的极有利地带。低位体系域砂体受盆地斜坡构造坡折带的控制明显,在构造坡折带下降盘形成砂体集中发育区和岩性油气藏富集带,在构造坡折带上升盘的下切水道砂体中形成不整合地层油气藏。在半地堑式断陷盆地的缓坡带,构造坡折带的上部常形成下切水道砂体,易形成地层不整合油气藏。

(2)水进体系域水进体系域易形成超覆型地层油气藏。该体系域由下向上沉积范围逐渐扩大,与下伏地层呈超覆接触关系,另外,砂体经过湖浪改造,分选性极好,多呈带状或席状分布,储集性能良好。

(3)高位体系域高位体系域储层与湖扩体系域的大套烃源岩呈垂向接触关系,与洼陷的高位体系域泥岩呈侧向接触关系,烃源丰富。砂体以三角洲前缘滑塌浊积岩,浊积扇、水下扇和河流相砂体为主,砂体规模大、物性较好,需要较严格的圈闭条件。成藏的关键是需要一定的输导系统和圈闭条件才能形成高产油气藏。高位体系域三角洲前缘浊积砂体常呈透镜状分布在烃源岩中,油源条件最为有利,易形成典型的透镜状岩性油气藏。

2.2陆相坳陷盆地

大型内陆坳陷盆地以松辽白垩纪盆地最为典型。类似的盆地还有准噶尔盆地腹部的晚二叠世及三叠纪—侏罗纪盆地。下面以松辽盆地为例来说明岩性地层圈闭在层序地层格架中的发育规律。

(1)低位体系域由连片分布的河道-天然堤复合砂体构成的透镜状岩性圈闭是其最主要的圈闭类型。这些砂体要么以分流间湾泥岩所包围的透镜体形式构成岩性圈闭,要么叠加在古鼻状构造上,形成岩性上倾尖灭圈闭。在低位体系域中也常出现由浊积岩构成的透镜状岩性油藏,主要发育在低位体系域顶部三角洲前缘前端及深水区。

(2)水进体系域水进体系域中的地层超覆和岩性尖灭圈闭主要分布于水进体系域底部。透镜状岩性圈闭在该体系域中也较常见,它们夹持在水进期的烃源岩之中。

(3)高位体系域高位体系域中发育的三角洲砂体以进积方式向湖盆推进,前缘砂体不断下超在生油岩之上,当盆地内存在局部隆起时,在靠近湖岸一侧的隆起翼部,砂体扬起形成尖灭或因渗透性变差而形成圈闭。当盆地内无局部隆起时,尖灭的砂体无法形成圈闭,则需要构造活动的配合。在后期构造运动中,沉积时下倾的各类砂体后期被隆升,产生上倾尖灭,形成砂岩上倾尖灭岩性油气藏。

2.3陆相前陆盆地

目前,前陆盆地层序地层学研究已经取得了较大的进展,并在许多盆地中得到了成功的应用。但陆相前陆盆地中地层分布呈明显的不对称性,沉降和沉积中心靠近造山带。一个完整的陆相前陆盆地层序由低位、水进和高位体系域组成。

(1)低位体系域前陆盆地发育早期基底的不对称结构和以单向物源为主的特征,决定了层序发育的早期储层主要赋存于陡坡一侧的粗碎屑砂岩体内。该体系域主要发育了冲积扇和河流沉积体,冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲砂岩可与湖侵期形成的烃源岩组成岩性油气藏。用特点等方面的差异

(2)水进体系域水进期形成的泥质岩一方面了良好的区域盖层,另一方面,由于沉积中心逐差异。渐向缓坡带迁移上超,容易形成地层上倾尖灭,并在尖灭带处形成有利于油气聚集的地层圈闭。

(3)高位体系域 高位体系域的进积三角洲、河流相为重要的储集层类型。中晚期随着沉积中心由坳陷区向前陆斜坡区迁移,有利储集相带和生储盖组合也发生同向迁移。

控制因素3 岩性地层油气藏的控制因素

3.1控砂因素

.储层的纵向发育规律受沉积基准面及其影响下的可容纳空间的控制,而平面展布规律则受盆地古构造格局边界条件古地理格局古水流体系等因素的制约。邹才能等指出控制砂体分布的因素分为盆外和盆内因素。盆外主要受古气候、古物源、构造运动等控制;而盆内主要受控于斜坡、断裂和水层序地层学理论是立足于被动大陆边缘构造背景,而前陆盆地则位于构造活动区域,正是由于这种特殊性,因此在当前的研究中仍存在许多亟待解决的问题。由于国内对陆相前陆盆地层序地层学的研究还刚起步,研究并不深入,因此难以区分不同组合方式的层序格架和模式。笔者采用顾家裕等提出的综合模式作为示例深3个重要因素,斜坡的陡缓控制砂体规模的大小,断裂的方向控制砂体的走向,水体的深度控制砂体的类型。

(1)斜坡盆地边缘斜坡邻近物源区,受构造沉降与水进、水退影响较大,砂体的岩性岩相变化大,纵向沉积间断多,有利于形成不同类型的岩性地层圈闭。不同成因类型的陆相盆地,其形成演化历史、地质结构特点、沉积区与物源区空间配置及相互作导致各种陆相盆地的层序发育特点、主要砂体类型及其三维空间分布存在显著提供通常缓斜坡容易形成大型砂体,而陡斜坡则形成规模较小的砂体,构造坡折带控制砂体展布。

(2)断裂断裂对砂体的控制作用表现在:①盆地边界同沉积断裂控制层序演化;早期隐伏断裂方向控制砂体展布的走向;②盆地边界同沉积断裂的活动性决定了物源区与沉积区的古地形差异,影响风化剥蚀作用的强度和剥蚀产物的粒度,对砂体发育特点具有重要影响;③盆地内部的断裂构造格局决定了盆地内部沉积地形的特点,对砂体展布具有重要影响。水环境是陆相湖盆砂体广泛发育的有利沉积环境,最重要的是三角洲和扇三角洲砂体,“指状型”前缘带是最有利相带,以河道沉积为主。在半深水环境中,坳陷湖盆形成大型三角洲,容易形成“朵叶状”有利前缘带,砂坝发育。而在深水区,浊积扇砂体可形成最重要的岩性地层油气藏。

（3）古气候古气候条件决定了向盆地输水量的大小,而碎屑的输入量与输水量密切相关,因此,发育在盆(地边缘的冲积扇受气候的影响最为明显。根据气候条件不同,可将冲积扇划分为湿润型和干旱型两种类型。湿润型冲积扇单个扇体大,沉积速率高,扇体中河流作用明显;而干旱型冲积扇呈面积较小的锥形体,面积小于100km2,山根处沉积厚度大,扇缘处沉积迅速减薄。由此可见,冲积扇中的砂体受气候条件的控制非常明显。

(4)古物源物源控制因素是指物源供给体系,不仅包括物源本身的好坏,而且还包括物源供给体系随时间的变化。物源的大小决定了砂体的规模,母岩的特征决定了砂体的矿物组合类型。物源供给体系始终处于变化的状态。在不同的沉积时

本项目基于多自由度微振动主动控制研究背景，通过多个压电堆作动器组合构建多自由度微振动隔振平台，以压电堆作动器建模分析、多输入多输出微振动主动控制系统辨识方法与技术、多输入多输出微振动主动控制系统鲁棒自适应微振动控制方法与技术为研究重点。利用ANSYS、ADAMS与MATLAB SIMULINK完成了多自由度微振动主动隔振机构的集成建模分析以及多软件联合仿真分析，探索了控制与结构的同时优化技术。研究了面向多自由度多输入多输出控制系统的闭环模型辨识方法，以及多输入多输出控制系统的在线模型修正方法，完成了多输入多输出闭环输出误差法、多输入多输出滤波闭环输出误差法、多输入多输出扩展闭环输出误差法的推导和实现。完成了基于多种闭环输出误差法的在线模型修正控制方法推导和实现。面向多自由度主动隔振平台的鲁棒自适应控制方法与控制器设计，研究了死区、滤波、投影和归一化等鲁棒参数自适应算法，结合了具有死区的参数自适应算法与归一化参数自适应算法，完成了相关面向多输入多输出控制的具有死区和归一化的鲁棒参数自适应算法推导分析与实现。研究了基于内模原理的多输入多输出鲁棒自适应算法，探索了基于Q参数化的多输入多输出中央鲁棒控制器设计，给出了基于Q参数化的前馈、反馈和混合鲁棒自适应控制算法推导及分析方法，给出了其在确定环境下的稳定性分析与随机环境下的收敛性分析。在相关方法研究与多软件联合仿真分析的基础上，构建了多自由度主动隔振平台，研制开发了相应的测控系统软硬件，完成了微振动主动控制实验环境与验证平台的搭建。通过实验验证了相关技术方法的可行性与相关算法的可靠性，并探索了空间装置微振动控制的工程实现方法。 2100433B