CN101187812A - 连铸坯二次冷却动态控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了能随工艺变化、及时调整水流量、铸坯凝固过程稳定、表面温度波动小、可获得良好的铸坯质量的连铸坯二次冷却动态控制系统。主要包括数理模块和增量型PID控制系统，该数理模块将现场的工艺参数代入非稳定凝固-传热方程，该方程是基于铸机的结构参数建立起来的，由方程进行求解计算，确定这些参数的变化对铸坯表面温度、液相穴深度及凝固点终端位置的影响关系，动态显示铸坯温度场和凝固末端的位置。增量型PID控制系统，根据计算温度场与目标温度场的差值、温差率和温差积累程度来实施水量调节。本发明适用于连铸二冷段工艺控制。

Description

连铸坯二次冷却动态控制系统

技术领域

本发明涉及连铸工艺控制技术领域，具体涉及连铸坯二次冷却动态控制系统。

背景技术

连铸工艺中，铸坯的大多数质量问题与铸坯的冷却过程相关，而铸坯的主要冷却过程处于二冷段，该段的控制技术是连铸工艺中的关键环节。目前在国内多数钢铁企业的连铸机二次冷却控制系统均为基于拉速的比例或二次方配比模式，该技术虽然函数关系简单，易于实现控制，但是该技术模式对铸坯凝固传热过程的复杂性并没有深入涉及，工艺参数的确定依赖于经验，扩展性和移植性相对较差，且在实施过程中工艺条件发生变化时，铸坯表面温度波动较大，不能满足现代钢铁企业对连铸坯质量控制的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了能随工艺参数的变化、及时调整水流量、铸坯凝固过程稳定、表面温度波动小，可获得良好铸坯质量的连铸二冷动态控制系统。

本发明是采用如下技术方案来实现的：

连铸坯二次冷却动态控制系统，包括连接于以现场操作为内容的一级系统和以生产计划管理为内容的三级系统之间的二级系统，所述的二级系统包括：

数理模块，它通过对钢种、过热度、拉坯速度、二次冷却速度、铸坯断面尺寸、二次冷却区温度、周围环境温度等的计算，来确定这些参数的变化对铸坯表面温度，液相穴深度及凝固终点位置的影响关系，动态显示二次冷却段铸坯的温度场和凝固末端的位置；

增量型PID控制系统，它根据计算温度场与目标温度场的差值、温度变化的速率和温度积累程度来实施水量调节；

所述的数理模块，其输入端分别与内容为生产计划管理的三级系统、边界条件模块、扩展模块的输出端相连，其输出端与增量型PID控制系统的输入端相连；所述的增量型PID的输出端与现场操作为内容的一级系统相连；所述边界条件模块其输入端连接于现场操作的一级系统；所述的扩展模块其输入端与生产计划管理的三级系统相连。

所述的数理模块，它可将瞬态的拉坯速度、水流速度、浇铸温度、二次冷却水温度以及环境温度等作为已知条件代入基于铸机的结构参数、喷嘴布置、工艺条件等而建立起来的非稳定凝固-传热方程，进行求解计算，使一些主要结果参数的瞬间变化，如凝固点位置、固相分数分布以及铸坯表面温度随工艺条件的变化及时反馈出来，从而动态显示二次冷却段铸坯的温度场和凝固末端的位置。

所述的增量型PID控制系统，其基本程序为，在初始化后，每个时间步内，先计算铸坯温度场，再将控制点的计算结果与目标温度差值输入增量型PID控制模块，输出各区水量。当计算温度与目标温度差值大于一定程度时，不投入积分环节，以使水量调节速度加快；当计算温度接近目标温度时，投入积分环节，以防止出现超调量而导致铸坯表面温度波动。最后根据改变后的各区水量，重新计算边界条件，准备下一个时间步的计算，如此反复进行，即可实时地实现铸坯温度控制，最快可达到平均每0.2秒就输出一次计算出的水量。

所述的二级系统中还包括边界条件模块，它可使得数理模块求解更贴合实际，准确地调节水量及其分布，能针对性地解决铸坯局部质量问题。

所述的边界条件模块，其模型中的边界换热系数h是分段设计的，是通过现场历史数据结合试验测定而调整的，根据网络数据更换方式获得的钢种、水量、温度、拉速等现场数据，使得数理模块求解贴合实际，能准确调节水量，能有针对性解决铸坯局部质量问题。

所述的二级系统中还包括扩展模块，它使系统适用于多结构类型的铸机和多品种的钢材。

所述的扩展模块，该模块的数据库内，列表存放着多种结构类型的铸机即其辊列布置、喷嘴布置等参数；列表存放着多品种钢材的参数，当某一铸机、某一钢种的参数输入数据文件后，模块将根据数据文件作出对应的选择。

与现有技术相比本发明的优点在于：

1、可根据连铸工艺的变化，实时计算并输出计算区域表面及中心温度随时间的变化关系。

2、本发明通过控制铸坯各个冷却回路的水量，可有效的控制位于各冷却回路控制点的温度，各控制点温度场的稳定性明显提高。

3、在温度场计算的结果上，结合固相线温度，可方便地预测凝固末端位置，为凝固末端轻压下等技术的实施创造了良好的条件。

4、能根据铸机的结构和钢种成分灵活制定有针对性的工艺。

附图说明

附图为连铸坯二次冷却动态控制系统结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图所示，本发明连接于一级系统和三级系统之间，称为二级系统，所述的一级系统是以现场操作为主要内容的，所述的三级系统是以生产管理计划为主要内容，本发明即所述的二级系统主要包括：数理模块1、增量型PID控制系统2，边界条件模块3和扩展模块4，所述的数理模块1，其输入端分别与三级系统、边界条件模块3和扩展模块4的输出端相连，其输出端与增量型PID控制系统2的输入端相连，所述的增量型PID控制系统2的输出端与现场操作的一级系统相连，所述的边界条件模块3其输入端连接于现场操作的一级系统，所述的扩展模块4其输入端与生产计划管理的三级系统相连接。

所述的数理模块1，它通过对钢种、过热度、拉坯速度、二冷温度、铸坯断面尺寸、二冷区温度、周围环境温度等的计算来确定这些参数的变化对铸坯表面温度、液相穴深度及凝固终点位置的影响关系，动态显示二冷段铸坯的温度场和凝固末端的位置。

所述的数理模块1，其基本原理是将瞬态的拉坯速度、水流速率、浇铸温度、二冷水温度等以及周围环境温度等作为已知条件代入基于铸机的结构参数、喷嘴布置、工艺条件等而建立起来的非稳态凝固-传热方程，

即： ${\mathrm{\ρc}}_p(\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}+V_{\mathrm{cast}}\frac{\∂T}{\∂z})=\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+S$

其中T代表温度，V_cast代表拉速，k_eff代表导热系数，S代表凝固潜热。

利用交替方向隐式求解方法迭代求解，来确定这些参数的变化对铸坯表面温度，液相穴深度及凝固终点位置的影响关系，动态显示二次冷却段铸坯的温度场和凝固末端的位置。

所述的增量型PID控制系统2，根据所述数理模块求解的温度场与所述现场工艺数据库中的目标温度场的差值、温度变化的速率和温度积累程度来实施水量调节；该控制系统依照如下增量型比例-积分-微分控制算法进行求解：

$\left\{\begin{array}{cc}\left|e\left(n\right)\right|>\mathrm{\β}:& \mathrm{\Δu}\left(n\right)=\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{pd}}\left(n\right)\\ \left|e\left(n\right)\right|\≤\mathrm{\β}:& \mathrm{\Δu}\left(n\right)=\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{pd}}\left(n\right)+\mathrm{\Δ}{u}_i\left(n\right)\end{array}\right.$

其中Δu_pd(n)、Δu_i(n)分别为经比例微分环节、积分环节计算的输出水量的变化量，β为积分分离值，Δu(n)为最终的输出水量的变化量。

其基本原理为：在初始化后，每个时间步内，先计算铸坯温度场，再将控制点的计算结果与目标温度差值输入增量型PID控制模块，输出各区水量，当计算温度与目标温度差值大于一定程度时，不投入积分环节，以使水量调节速度加快；当计算温度接近目标值时，投入积分环节，以防止出现超调量而导致铸坯表面温度波动，最后根据改变后的各区水量，重新计算边界条件，准备下一个时间步的计算。如此反复进行，即可实时地实现铸坯温度控制，最快可达到平均每0.2秒就输出一次计算出的水量。

所述的边界条件模块3，它能使数理模块1求解更贴合实际，准确的调节水量及其分布，能针对性的解决铸坯局部质量问题。其基本原理是：

由数据采集设备采集到的钢种、过热度、拉坯速度、二次冷却速度、铸坯断面尺寸、二次冷却区温度、周围环境温度等，构成了冷却边界条件：

$h=\frac{h_{\mathrm{roll}}{A}_{\mathrm{roll}}+h_{\mathrm{nat}}{A}_{\mathrm{nat}}+h_{\mathrm{rad}}{A}_{\mathrm{rad}}+h_{\mathrm{spray}}{A}_{\mathrm{spray}}}{A_{\mathrm{total}}}$

其中h_roll、h_nat、h_rad、h_spray分别为铸坯与辊子接触导热、与周围环境间的自然对流换热、辐射、与冷却水雾间的强制对流换热系数。所述边界条件模块中的边界换热系数h是分段设计的，并通过现场历史数据结合试验测定而调整的，使数理模块求解贴合实际，能准确调节水量，能有针对性解决铸坯局部质量问题。

所述的扩展模块4，它使系统适用于多结构类型的铸机和多品种的钢材。其基本原理是：该模块的数据库内，列表存放着多种结构类型的铸机及其辊列布置、喷嘴布置等参数；列表存放着多品种钢材的技术参数，当某一铸机或某一钢种的技术参数输入到数据文件后，模块将根据数据文件作出对应的选择。

总的来说，本发明根据连铸工艺的变化，实时计算并输出计算区域表面及中心温度随时间的变化关系，分钢种计算结果与VAI-CPSS模块提供的结果吻合程度较好。

在本发明投入使用前，由生产计划管理部门即三级系统将连铸机的结构、生产钢种的工艺等参数输入扩展模块和数理模块，完成系统的初始化。系统启动后，即不断跟踪一级系统的现场操作状态，一旦开始浇注，数理模块即根据当前的工艺参数开始温度场计算，并将计算结果传送给增量型PID控制系统，该系统根据计算温度场与工艺数据库提供的目标温度的差值，利用控制算法求算出水量的调节值，并输出给水量。边界模块根据现场操作状态及改变后的各区水量，重新修正边界条件，输入到数理模块，数理模块开始下一个轮次的计算，在当前设备条件下，可达到平均每0.2秒即完成输出一次计算出的水量。如此反复进行，即可在整个浇次内连续实时地控制铸坯温度。

本发明通过控制铸坯各个冷却回路的水量，达到有效控制位于各冷却回路控制温度的目的。结果表明，各控制点温度场稳定性比静态水表控制方式有明显改善。在温度场计算的结果上，结合固相线温度，可方便地预测凝固末端位置，为凝固末端轻压下等技术的实施提供了有利的条件。

几个生产线上的实施结果表明，本发明在很大程度上保证了铸坯温度的稳定性，改善了连铸机工艺变化时对铸坯质量的影响，可提高铸坯合格率一个百分点以上。

Claims (7)

1.连铸坯二次冷却动态控制系统，包括连接于以现场操作为内容的一级系统和以生产计划管理为内容的三级系统之间的二级系统，其特征在于：所述的二级系统包括：

数理模块，它通过对钢种、过热度、拉坯速度、二次冷却速度、铸坯断面尺寸、二次冷却区温度、周围环境温度等的计算，来确定这些参数的变化对铸坯表面温度、液相穴深度及凝固终点位置的影响关系，动态显示二次冷却段铸坯的温度场和凝固末端的位置；

增量型PID控制系统，它根据计算温度场与目标温度场的差值、温度变化的速率和温度积累程度率来实施水量调节；

所述的数理模块，其输入端分别与内容为生产计划管理的三级系统、边界条件模块、扩展模块的输出端相连，其输出端与增量型PID控制系统的输入端相连；所述的增量型PID的输出端与现场操作为内容的一级系统相连；所述边界条件模块其输入端连接于现场操作的一级系统；所述的扩展模块其输入端与生产计划管的三级系统相连。

2.根据权利要求1所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于：所述的数理模块，它可将瞬态的拉坯速度、水流速度、浇铸温度、二次冷却水温度以及环境温度等作为已知条件代入基于铸机的结构参数、喷嘴布置、工艺条件等而建立起来的非稳定凝固-传热方程，进行求解计算，使一些主要结果参数的瞬间变化，如凝固点位置、固相分数分布以及铸坯表面温度随工艺条件的变化及时反馈出来，从而动态显示二次冷却段铸坯的温度场和凝固末端的位置。

3.根据权利要求1所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于：所述的增量型PID控制系统，其基本程序为，在初始化后，每个时间步内，先计算铸坯温度场，再将控制点的计算结果与目标温度差值输入增量型PID控制模块，输出各区水量。当计算温度与目标温度差值大于一定程度时，不投入积分环节，以使水量调节速度加快；当计算温度接近目标温度时，投入积分环节，以防止出现超调量而导致铸坯表面温度波动。最后根据改变后的各区水量，重新计算边界条件，准备下一个时间步的计算，如此反复进行，即可实现铸坯温度实时控制，最快可达到平均每0.2秒就输出一次计算出的水量。

4.根据权利要求1所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于：所述的二级系统中还包括边界条件模块，它可使得数理模块求解更贴合实际，准确调节水量及其分布，能有针对性地解决铸坯局部质量问题。

5.根据权利要求4所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于；所述的边界条件模块，其模型中的边界换热系数h是分段设计的，是通过现场历史数据结合试验测定而调整的，根据网络数据更换方式获得的钢种、水量、温度、拉速等现场数据，使得数理模块求解贴合实际，能准确的调节水量，能针对性解决铸坯局部质量问题。

6.根据权利要求1所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于：所述的二级系统中还包括扩展模块，它使系统适用于多结构类型的铸机和多品种的钢铁产品。

7.根据权利要求6所述的连铸坯二次冷却动态控制系统，其特征在于；所述的扩展模块，该模块的数据库内，列表存放着多种结构类型的铸机即其辊列布置、喷嘴布置等参数；列表存放着多钢种的参数，当某一铸机、某一钢种的参数输入数据文件后，模块将根据数据文件作出对应的选择。

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