CN101844215A - 一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，包含以下步骤：收集铸造过程数据，并索引各冷却区的目标冷却温度及ABC参数；根据热传导方程，动态计算当前周期连铸板坯的传热过程；计算得到各冷却区温度跟踪误差，并作为调节因子动态计算第二冷却模式下的各冷却区水量；基于ABC参数和当前铸造速度，分别计算第一冷却模式下的各冷却区水量；判断温度跟踪误差是否超过预定的阈值，并比较两种模式下的水量，确定当前周期的冷却模式和控制水量；验证控制水量的合理性，若控制水量超出设定的最大水量值或最小水量值，则将控制水量修正为设定的最大水量值或最小水量值。保证了二次冷却过程中铸坯质量的稳定性。

Description

一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法

技术领域

本发明涉及冶金板坯连铸技术，尤其属于一种板坯连铸的动态二冷控制技术。在连铸工艺参数变化过程中，通过合理调节控制水量，改进二次冷却，保证铸坯质量的稳定性。

背景技术

冶金连铸过程中，铸坯出结晶器后，在二冷区冷却水的作用下，以一定的冷却速度完成内部钢液的冷却凝固过程。问题是二次冷却对连铸坯质量的影响，冷却强度过大、过小或者冷却不均都会对铸坯质量产生影响。如，铸坯角部过冷会引发角横裂，冷却不均会导致铸坯内外部质量缺陷。对理想的二次冷却要控制的关键指标，是冷却速度、铸坯表面温度以及表面回温大小。而这些指标与钢种、工艺参数密切相关，二冷控制的关键在于工艺参数变化过程中如何合理调节控制水量，使之满足冷却工艺的要求。

国内钢铁企业用的二冷控制方法多采用比水量法。该方法根据铸坯凝固过程中表面温度及冷却速度等工艺要求，确定出总的冷却水量及水量在各冷却区的比例。当拉速变化时，按照比水量不变原则进行二冷水量调节。在铸坯断面尺寸不变的情况下，冷却水量基本与拉速成正比。该方法的优点是调节参数少、使用简单、易维护。然而，由于水量和拉速之间的这种简单线性关系，使得任何拉速波动都会引起水量变化。拉速降低，二冷水量立即下降；拉速升高，二冷水量又随之增大，这样造成铸坯表面温度频繁波动，导致铸坯表面裂纹的产生。

经检索专利号：JP10128514A，提出了一种节水的二冷控制方案；专利号：JP09141408A，给出了一种二冷区喷嘴布置方法，用于提高二冷强度的调控能力；专利号：JP07009100A，提出在二冷区的铸坯宽度方向进行吹气控制，以有效减少角裂纹；专利号：JP2002239696，研究通过间歇喷水调节时间，控制铸坯表面温度，以减少铸坯裂纹；专利号：JP2003285147，从铸坯喷水强度和铸坯凝固厚度的关系出发，给出了一种二冷水控制方法；专利号：JP04237552A，提出了一种基于模糊理论的气雾冷却方法。以上专利都与本发明提出的一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法不同，迄今为止还未见有与本发明相同或相似的技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，能够有效地控制二次冷却的冷却速度、铸坯表面温度以及表面回温大小。使工艺参数在动态变化过程中，二冷水量能满足冷却工艺要求，保证铸坯质量。

本发明的技术构思：提出一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法。该方法采用静态参数控制模式和模型控制模式组合，以钢种对应的最佳冷却曲线为控制目标，每隔固定时间周期，动态计算铸坯表面温度场，并与目标温度曲线进行比较，实时计算出各冷却区铸坯表面温度跟踪误差。以温度误差作为反馈，动态计算模型模式下各冷却区的控制水量；同时，基于当前拉速计算静态参数模式下的控制水量。根据温度跟踪误差及两种模式下控制水量的调控趋势，确定出合理的冷却模式，并应用该模式下的冷却水量进行控制。当温度跟踪误差较大时，通过模式切换可以实现水量的快速调节，在此基础上，基于温度跟踪误差的反馈信息，再通过模型模式下水量的柔性冷却，可以使得表面温度平滑地跟踪目标温度。这样，既保证了铸坯表面温度良好地跟踪了目标温度，同时，又避免了拉速抖动引起的水量波动，有效地保证了铸坯质量的稳定性。

所谓静态参数控制模式，是把铸坯在二冷区冷却过程中的表面温度、冷却速度、表面回温限制等工艺要求转化为各冷却区的ABC参数。其中ABC参数是指水量计算方程的二次多项式系数。一旦某冷却区的ABC参数确定，则该冷却区的水量可以进行计算。

由于不同钢种的物性参数不同，在二冷区的冷却工艺要求也存在较大差异。为工程实现方便，把物性参数相近的钢种合并成一个钢种组，并使用同一种冷却工艺。另外，对于相同钢种或钢种组，随铸坯厚度规格的不同，其温度场分布也不同，要达到相同的冷却目标温度，需要不同的冷却水量。

涉及某一台连铸机，厚度规格和钢种划分有限。只能对同一个钢种组和同一种厚度，采用相同的冷却工艺。根据钢种(或钢种组)及厚度规格组合定义若干种冷却方式，每种方式对应相同的冷却工艺(目标温度曲线)。对于同一种冷却方式，要达到相同的目标温度，冷却水量基本取决于拉速。因此，在同一种冷却方式下，目标温度曲线可转化为一组计算冷却水量的ABC参数。

在实际连铸过程中，根据钢种、厚度规格对应的冷却方式号，索引各冷却区的ABC参数，并以此为基础计算各冷却区的控制水量。由于ABC参数和二冷区的目标冷却温度相对应，在稳态情况下(拉速等工艺参数恒定)，使用参数ABC计算的控制水量能将铸坯表面温度控制到目标冷却温度附近。

所谓模型控制模式，每隔固定周期，基于铸坯传热模型动态计算铸坯表面温度场分布，并根据各冷却区铸坯表面平均温度和目标温度之差，计算铸坯表面温度的跟踪误差。以跟踪误差为调节因子，利用调节器动态计算各冷却区冷却水量，使得铸坯表面平均温度动态跟踪目标温度。

要计算铸坯的表面温度场分布，必须作如下假设：只考虑铸坯厚度方向的热传导，钢水的液相初始温度等于中间包温度(钢水中间包时的温度)；冷却水流量在控制模型启动周期内保持不变；在连铸机的同一冷却段，冷却强度(热传递系数)不变。

为了计算连铸坯上的温度分布，需要将每个控制周期产生的铸坯划分成若干个板坯切片，热传导计算是在铸坯沿铸造方向上的各个切片上分别进行的。如图1、图2所示，为连铸板坯切片示意图。以铸坯表面为原点，在铸片厚度方向取X轴，对铸片断面的温度分布方程和边界条件进行差分求解，可得板坯在当前周期的温度场分布。在冷却区内，铸坯的温度连续变化，和目标温度进行比较时，应采用该冷却区的铸坯表面平均温度。

由于铸坯的传热计算都是在铸坯切片上进行的，每个切片都记录有位置和表面温度信息。根据各铸坯切片的温度信息及每个冷却区的切片数量，可计算得到各冷却区的铸坯表面平均温度。采样某时刻目标温度跟踪误差为冷却区铸坯表面平均温度和目标冷却温度之差，它反映了当前周期冷却水量的合适性。理想情况下，目标温度跟踪误差应该等于零，表明铸坯表面温度完全跟踪了目标值，控制水量完全满足了冷却工艺的要求，无需再进行调整。但随着工艺参数变化，原有水量就无法将铸坯表面温度值控制在其目标值，需要根据温度偏离目标值的大小来调节各冷却区的冷却水量。为避免水量出现超调及稳态温度跟踪误差，冷却水量计算采用调节器，以调节水增量。

相对于静态参数控制模式，模型控制模式具有良好的目标温度跟踪能力。当工艺参数变化时，能根据温度跟踪误差实时调节冷却水量，直至铸坯表面温度跟踪上目标温度值。在模型控制模式下，工艺参数较大变化导致温度跟踪误差超过一定幅度时，需要借助静态参数控制模式实现水量的快速调整，使得温度跟踪误差快速缩小。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，包含以下步骤：

1.收集铸造过程数据，并根据其中一个铸造过程数据索引各冷却区的目标冷却温度及ABC参数；

2.根据热传导方程，动态计算当前周期连铸板坯的传热过程，得到铸坯表面温度场分布；

3.根据步骤1)中的目标冷却温度和步骤2)中的铸坯表面温度，计算得到各冷却区温度跟踪误差，并将该误差作为调节因子动态计算第二冷却模式下的各冷却区水量；

4.基于ABC参数和当前铸造速度，分别计算第一冷却模式下的各冷却区水量；

5.判断温度跟踪误差是否超过预定的阈值，并比较两种模式下的水量，确定当前周期的冷却模式和控制水量；

6.验证控制水量的合理性，若控制水量超出设定的最大水量值或最小水量值，则将控制水量修正为设定的最大水量值或最小水量值。

优选地，所述的步骤1)中，收集的铸造过程数据包括钢种、拉速、铸坯头部和尾部位置、各冷却区的实际水量、厚度、宽度、长度、冷却方式号。

优选地，所述的步骤1)中，采用冷却方式号进行索引。

优选地，所述的步骤2)中，铸坯表面温度场分布原计算方式是：以铸坯表面为原点，在铸片厚度方向取X轴，在铸坯沿铸造方向上的各个切片上分别进行计算，各铸片断面的温度分布方程为：

$\mathrm{c\ρ}\frac{\∂U(x,t)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(K\frac{\∂U(x,t)}{\∂x}\right)$

其中：x为距铸坯表面的距离(m)

t为铸造开始时间(min)

U(x，t)为铸坯断面的温度分布

ρ为密度(kg/m³)

c为比热(J/(kg·℃))

K为热传导率(KCal/(m·h·℃))

温度分布方程的边界条件为：

铸片表面温度U(0，t)＝U_s

其中：U_s为铸片表面温度，

h为热传导系数，

U_w冷却水温度

在铸坯厚度中心x＝Thick/2处：

$K\frac{\∂U(x,t)}{\∂x}{|}_{x=\mathrm{Thick}/2}=0$

求解温度分布方程初始条件

假定结晶器注入钢水时刻为t＝0，则U(x，0)＝T_TD；

凝固厚度初始值：x_s|_t＝0＝0

表面温度初始值：U_s|_x＝0＝TS

其中：T_TD为中间包温度，TS为固相温度

对以上的温度分布方程和边界条件进行差分求解，可得板坯在当前周期的温度场分布。

优选地，所述的步骤3)中，第二模式下的各冷却区水量的计算采用PID调节器：

ΔWater_i(k)＝K_Pi(ΔTemp_i(k)-ΔTemp_i(k-1))+K_IiΔTemp_i(k)+K_Di(ΔTemp_i(k)-2*ΔTemp_i(k-1)+ΔTemp_i(k-2))

其中：K_Pi，K_Ii，K_Di分别表示第i个冷却区的积分、比例和微分常数

K_P：[0.3，3]，K_I：[0.5，4]，K_D：[0，2]

ΔWater_i为水量调节增量。

优选地，所述的步骤4)中，第一模式下的各冷却区水量的计算公式为：

Q_i(k+1)＝A_iv²(k)+B_iv(k)+C_i

其中：v是k时刻铸坯的拉速，Q_i是第i个冷却区的冷却水量，A_i，B_i，C_i是

优选地，所述的步骤5)中阈值为20℃～50℃。

优选地，所述的步骤5)中，当温度跟踪误差超过了预定的阈值，且Q_i＞ΔWater_i时，将水量控制方式切换到第一冷却模式进行控制；当温度跟踪误差在预定的阈值内，且Q_i＜ΔWater_i时，将水量控制方式切换到第一冷却模式进行控制；其余情况下，均采用第二冷却模式进行控制。

优选地，所述的步骤6)中，所述设定的最大水量为工艺最大水量和设备最大水量中较小的一个，所述设定的最小水量为工艺最小水量。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：改进了二次冷却对连铸坯质量的影响，保证了铸坯表面温度，避免了拉速抖动引起的水量波动，有效地保证了铸坯质量的稳定性。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是连铸板坯切片示意图；

图2是图1的一个切片示意图；

图3是本发明板坯连铸二冷控制系统示意图。

具体实施方式

实施例

如图3所示，是板坯连铸二冷控制系统结构示意图。

为实现过程数据的定周期收集，要求模型计算机和连铸过程计算机直接相连。在控制过程中，每隔固定时间间隔，模型计算机从过程计算机收集最新铸造数据，并计算全部冷却区的冷却水量，输出控制指令并经过程计算机传达到PLC计算机执行。

本实施例的连铸机主要参数为：铸机长度为32.31m，共有13个扇形段及9个冷却区。生产的钢种主要是普碳钢，有3种厚度规格(200mm、220mm、250mm。铸坯宽度范围是1500m～2300mm，设计的拉速范围为0.4m/min～2.0m/min。

按照钢种(高碳钢、中碳钢、低碳钢)和厚度规格(200mm、220mm、250mm)组合，把冷却过程划分为9组冷却方式，每组冷却方式对应相同的冷却工艺。在每个分组内，以冷却水量为因变量，以铸造速度为自变量，以冷却区为单位，对水量和铸造速度进行二次曲线拟合，把冷却工艺水表转换为各冷却区的ABC水量参数表。

将冷却方式分组的组号作为冷却方式号，建立冷却方式号和冷却区目标温度及ABC参数表的对应关系，并把这些数据预先存储于模型计算机的数据库。在实际控制过程中，以冷却方式号为关键字来索引目标温度及各冷却区参数。

沿铸造方向，每隔固定距离(100mm)，把铸坯沿铸造方向划分为若干虚拟切片。在生产过程中，铸坯的热传导计算在全部铸坯切片上进行。

在模型内部设置Φ₁和Φ₂两种冷却模式，其中Φ₁对应ABC参数控制模式，而Φ₂对应模型控制模式。根据工艺要求(铸坯回温幅度限制)，分别为每个冷却区设定冷却模式的切换条件，切换条件为温度跟踪误差阈值；另外，在Φ₂模式下进行水量计算时，需要事先为每个冷却区设定PID控制参数，通常情况下控制参数的变化区间为K_P：[0.3，3]，K_I：[0.5，4]，K_D：[0，2]。

在本实施例中，模式切换条件及控制参数选择如下：

选择模型计算周期为10s，并初始化各冷却区的冷却模式为Φ₂，然后定周期进行如下操作：

从过程计算机收集最新铸造数据，其中包括钢种、拉速、铸坯头部和尾部位置、厚度规格、宽度、长度、各冷却区水量实绩等。

沿厚度方向，在每个铸坯切片上进行热传导计算，得到铸坯表面温度场分布。根据各冷却区铸坯切片数量和铸坯切片表面温度信息，计算各冷却区的铸坯表面平均温度。

在Φ₁冷却模式下，根据当前钢种及厚度对应的冷却方式号，索引各冷却区的ABC水表参数，并基于过程数据中的铸造速度依次计算该模式下各冷却区控制水量，计算方法为Q_i(k+1)＝A_iv²(k)+B_iv(k)+C_i。

在Φ₂冷却模式下，以冷却区为单位，输入当前和历史的温度跟踪误差，利用PID调节器计算该冷却区的控制水量，其中K_Pi、K_Ii和K_Di分别是第i个冷却区的比例、积分和微分常数。

Water_i(k+1)＝Water_i(k)+ΔWater_i(k)

＝K_Pi(ΔTemp_i(k)-ΔTemp_i(k-1))+K_IiΔTemp_i(k)

+K_Di(ΔTemp_i(k)-2*ΔTemp_i(k-1)+ΔTemp_i(k-2))

根据当前时刻的温度跟踪误差ΔTemp和冷却模式切换阈值，判断如下条件是否成立：

ΔTemp_i≥MaxTDiff_i且Q_i＞Water_i或

ΔTemp_i≤-MaxTDiff_i且Q_i≤Water_i。

若两条件中任一成立，则设定该冷却区的冷却模式为Φ₁。该区的控制水量采用ABC参数进行计算，同时将温度跟踪误差清零。

若以上两个条件均不成立，则该区采用Φ₂冷却模式，水量则采用PID控制器计算结果。

对下一个冷却区进行相同判断和计算，直至全部冷却区计算完毕。

依次对各冷却区的水量进行合理性验证，如水量设定不合理则进行修正，并将最终结果通过过程计算机下达给PLC计算机执行。

下一个采样周期，重复上述过程。

下表列出了部分过程数据

冷却区	计算水量(L/min)	目标温度(℃)	计算温度(℃)
				1	215.2	1040	1048.0
2	454.9	972	970.0
				3	250.9	902	902.5
4	134.3	884	884.2
				5	225	880	880.0
6	136	879	879.0
				7	144.5	879	879.0

冷却区	计算水量(L/min)	目标温度(℃)	计算温度(℃)
				8	104.4	893	893.0
9	90	895	895.0

从表中数据可以看出，目标温度和计算温度相差很小，铸坯沿目标温度曲线进行了冷却，有效地保证了铸坯质量。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于包含以下步骤：

1)收集铸造过程数据，并根据其中一个铸造过程数据索引各冷却区的目标冷却温度及ABC参数；

2)根据热传导方程，动态计算当前周期连铸板坯的传热过程，得到铸坯表面温度场分布；

3)根据步骤1)中的目标冷却温度和步骤2)中的铸坯表面温度，计算得到各冷却区温度跟踪误差，并将该误差作为调节因子动态计算第二冷却模式下的各冷却区水量；

4)基于ABC参数和当前铸造速度，分别计算第一冷却模式下的各冷却区水量；

5)判断温度跟踪误差是否超过预定的阈值，并比较两种模式下的水量，确定当前周期的冷却模式和控制水量；

6)验证控制水量的合理性，若控制水量超出设定的最大水量值或最小水量值，则将控制水量修正为设定的最大水量值或最小水量值。

2.如权利要求1所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤1)中收集的铸造过程数据包括钢种、拉速、铸坯头部和尾部位置、各冷却区的实际水量、厚度、宽度、长度、冷却方式号。

3.如权利要求2所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤1)中采用冷却方式号进行索引。

4.如权利要求3所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤2)铸坯表面温度场分布原计算方式是：以铸坯表面为原点，在铸片厚度方向取X轴，在铸坯沿铸造方向上的各个切片上分别进行计算，各铸片断面的温度分布方程为：

$\mathrm{c\ρ}\frac{\∂U(x,t)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(K\frac{\∂U(x,t)}{\∂x}\right)$

其中：x为距铸坯表面的距离(m)

t为铸造开始时间(min)

U(x，t)为铸坯端面的温度分布

ρ为密度(kg/m³)

c为比热(J/(kg·℃))

K为热传导率(KCal/(m·h·℃))

温度分布方程的边界条件为：

铸片表面温度U(0，t)＝U_s

其中：U_s为铸片表面温度，

h为热传导系数，

U_w冷却水温度

在铸坯厚度中心x＝Thick/2处：

$K\frac{\∂U(x,t)}{\∂x}{|}_{x=\mathrm{Thick}/2}=0$

求解温度分布方程初始条件

假定结晶器铸入钢水时刻为t＝0，则U(x，0)＝T_TD；

凝固厚度初始值：x_s|_t＝0＝0

表面温度初始值：U_s|_x＝0＝TS

其中：T_TD为中间包温度，TS为固相温度

对以上的温度分布方程和边界条件进行差分求解，可得板坯在当前周期的温度场分布。

5.如权利要求4所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤3)中第二模式下的各冷却区水量的计算采用PID调节器：

ΔWater_i(k)＝K_Pi(ΔTemp_i(k)-ΔTemp_i(k-1))+K_IiΔTemp_i(k)

+K_Di(ΔTemp_i(k)-2*ΔTemp_i(k-1)+ΔTemp_i(k-2))

其中：K_Pi，K_Ii，K_Di分别表示第i个冷却区的积分、比例和微分常数

K_P：[0.3，3]，K_I：[0.5，4]，K_D：[0，2]

ΔWater_i为水量调节增量。

6.如权利要求5所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤4)中第一模式下的各冷却区水量的计算公式为：

Q_i(k+1)＝A_iv²(k)+B_iv(k)+C_i

其中：v是k时刻铸坯的拉速，Q_i是第i个冷却区的冷却水量，A_i，B_i，C_i是第i个冷却区的静态水表参数。

7.如权利要求6所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤5)中阈值为20℃～50℃。

8.如权利要求7所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤5)中当温度跟踪误差超过了预定的阈值，且Q_i＞ΔWater_i时，将水量控制方式切换到第一冷却模式进行控制；当温度跟踪误差在预定的阈值内，且Q_i＜ΔWater_i时，将水量控制方式切换到第一冷却模式进行控制；其余情况下，均采用第二冷却模式进行控制。

9.如权利要求8所述的基于双冷却模式的板坯连铸动态二冷控制方法，其特征在于：步骤6)中，所述设定的最大水量为工艺最大水量和设备最大水量中较小的一个，所述设定的最小水量为工艺最小水量。

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