CN103347626B

CN103347626B - 用于通过能够移动的冷却喷嘴的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯的温度进行调节的方法

Info

Publication number: CN103347626B
Application number: CN201180067033.2A
Authority: CN
Inventors: K.迪坦伯格; P.彭纳斯托弗; F.拉姆斯托弗; P.维伊塞
Original assignee: Siemens VAI Metals Technologies GmbH Austria
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE112011104849A5; EP2673099B1; EP2673099A1; WO2012107143A1; KR101806819B1; CN103347626A; DE112011104849B4; KR20140004742A

Abstract

本发明涉及一种用于通过能够移动的冷却喷嘴（4）的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯（1）的温度（16）或者说温度分布图（21）进行调节的方法。本发明的任务是，通过能够移动的冷却喷嘴（4）的定位来对调节方法进行优化，从而即使在所述连铸设备的极为不同的运行条件下也实现所述连铸坯（1）的尽可能精确的温度控制。该任务通过一种方法得到解决，所述方法具有以下方法步骤：沿着横向于所述连铸坯（1）的浇铸方向（9）的方向确定所述连铸坯（1）的至少一个温度值T（16）；通过从所述连铸坯（1）的额定温度T_Soll（17）上减去所述温度值T（16）的方式来确定调节误差e（14），具体来说：e=T_Soll -T；根据所述调节误差e（14）借助于调节规则来计算调节参量r（15）；并且根据所述调节参量r（15）使所述冷却喷嘴（4）沿着横向于所述连铸坯（1）的浇铸方向（9）的方向定位，从而将所述调节误差e（14）降低到最低限度。

Description

用于通过能够移动的冷却喷嘴的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯的温度进行调节的方法

技术领域

本发明一方面涉及一种用于通过能够移动的冷却喷嘴的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯、优选钢板坯的温度进行调节的方法，并且另一方面涉及一种用于通过能够移动的冷却喷嘴的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯、优选钢板坯的温度分布图（Temperaturprofil）进行调节的方法。

背景技术

长久以来知道，根据连铸坯宽度和可预料的运行条件尤其浇铸速度、连铸坯冷却以及钢的质量来调节所述连铸设备的冷却喷嘴。冷却喷嘴的固定的调节的缺点是，所述连铸设备的运行条件的变化可能导致连铸坯、尤其连铸坯棱边的过度冷却（也就是过于剧烈的冷却）或者冷却不足（也就是过热），由此所述连铸坯的质量显著恶化。能够移动的冷却喷嘴至少可以部分地克服这个问题。

能够移动的冷却喷嘴用在连铸设备上尤其用在板坯连铸设备上，用于根据连铸坯宽度（参见图1a和1b）和运行条件有针对性地尤其影响所述连铸坯的棱边温度或者说棱边附近的温度。因此，已经知道，根据机器位置、连铸坯存在时间或者连铸坯的坯壳厚度（参见图3）沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的方向以离开所述连铸坯的棱边的特定的数值x1或者说x2的幅度（参见图2）来调节所述冷却喷嘴，用于尤其防止所述连铸坯的棱边的或者说靠近棱边的区域的过度冷却。能够移动的冷却喷嘴在连铸设备中典型地用在浇铸弧中或者说用在矫直区中；不过尤其对于缓慢浇铸的设备来说也知道，将能够移动的冷却喷嘴用在弯曲区或者矫直区或者说反向弯曲区中。如果所述连铸坯温度（尤其棱边温度）处于不利的温度范围内、尤其处于所浇铸的钢的质量的延展性深度的范围内（对于常见的钢的质量来说处于大约750℃与600℃之间），那么所述钢就表现得非常脆并且会在所述连铸坯的弯曲或者说矫直时出现边裂。图5示出，冷却喷嘴也不应该以任意的数值x的幅度（正的数值表明所述冷却喷嘴的朝连铸坯中心的方向的移动）来移动，因为否则在所述连铸坯的棱边附近会出现超过所述连铸坯的在连铸坯中心处的表面温度的升温现象，并且与此相关联会在棱边附近的区域中出现热应力。在通过温度测量或者说通过借助于显微照片对边裂进行的分析来对所述连铸坯的棱边温度进行优化的过程中调节所述冷却喷嘴的位置，这种做法十分耗时并且始终在浇铸速度的特定的范围之内允许折衷方案。所述冷却喷嘴的根据坯壳厚度进行的定位虽然代表着一种改进方案，不过迄今为止无法对真正有待优化的数值、也就是所述连铸坯的棱边温度或者说棱边附近的区域中的温度进行调节。

发明内容

本发明的任务是，克服现有技术的缺点并且提供一种通过能够移动的冷却喷嘴的得到优化的定位来对连铸坯的温度或者说温度分布图进行调节的方法，从而即使在所述连铸设备的极为不同的运行条件下也实现对于所述连铸坯的尽可能精确的温度控制。此外，应该尽可能防止所述连铸坯的尤其连铸坯棱边的过度冷却以及冷却不足。

该任务通过一种开头提到的类型的方法得到解决，该任务具有以下方法步骤：

- 沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的方向确定所述连铸坯的至少一个温度值T；

- 通过从所述连铸坯的额定温度T_Soll上减去所述温度值T的方式来确定调节误差e，具体来讲：e = T_Soll- T；

- 根据所述调节误差e借助于调节规则来计算调节参量r；并且

- 根据所述调节参量r使所述冷却喷嘴沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的方向定位，从而将所述调节误差e降低到最低限度。

在此将所述调节参量r输送给执行器，所述执行器根据所述调节参量r来移动所述冷却喷嘴，从而将调节误差e降低到最低限度。对于板坯设备来说，有利的是，沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的宽度方向不仅确定温度值而且使所述冷却喷嘴定位。这一点仅仅由于以下情况而产生，即对于板坯来说宽度显著大于厚度，由此会潜在地在连铸坯中心与连铸坯棱边之间产生大得多的温差。

根据一种有利的实施方式，在所述连铸坯的连铸坯棱边上确定所述温度值T，因为所述连铸坯棱边最为敏感地对冷却不足不过也对过度冷却作出反应。所述连铸坯棱边的温度控制对于所述连铸坯的质量来说尤其重要。

此外，上面提到的任务也由一种开头提到的类型的方法来解决，该方法具有以下方法步骤：

- 沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的方向确定所述连铸坯的温度分布图T；

- 通过从所述连铸坯的额定温度分布图T_Soll上减去所述温度分布图T的方式来确定温度偏差分布图ΔT，具体来讲：ΔT = T_Soll- T；

- 通过将标量的成本函数f运用到所述温度偏差分布图ΔT上的方式来计算调节误差e，具体来讲e = f(ΔT)；

- 根据所述调节误差e借助于调节规则来计算调节参量r；并且

在此将所述调节参量r输送给执行器，该执行器根据所述调节参量r来移动所述冷却喷嘴，从而将所述调节误差e降低到最低限度。对于温度分布图的调节特别有利，因为不仅通过能够移动的冷却喷嘴的定位可以调节所述连铸坯的唯一的温度，而且在实际上可以调节到横向于所述连铸坯的浇铸方向的温度曲线上。温度分布图在本申请中比如是指一种温度矢量，该温度矢量具有至少两个被分别分配给不同的位置（典型地沿着所述连铸坯的宽度方向）的温度值。在这种方法中尤其对于板坯设备来说也有利的是，不仅确定温度分布图而且使所述冷却喷嘴沿着横向于所述连铸坯的浇铸方向的宽度方向定位。将矢量的输入参量（这里是ΔT）转换为标量的参量（这里是调节误差e）的标量的成本函数也就是说e = f(ΔT)，对于本领域的技术人员来说比如从优化的领域中知悉，比如参见埃尔兰根-纽伦堡技术大学（FAU Erlangen-Nürnberg）G. Greiner等人的2008年夏季学期的讲义“优化三，线性优化（Optimierung III, Linear Optimierung）”。

不仅对于用于调节温度的方法来说而且对于用于调节温度分布图的方法来说，所述调节规则要么可以具有一种线性的特性（比如传统的调节器，该调节器作为传递函数描绘输入-输出特性，或者状态调节器，该状态调节器在状态矢量空间中描绘输入-输出特性；也参见权利要求9和10），比如简单的P、PI或者PID调节器或者线性的状态调节器的线性的特性；不过，所述调节规则当然也可以具有一种非线性的特性（参见权利要求11）。本领域的技术人员当然知道，应该如何确定所述调节规则（比如通过所谓的频率特性曲线方法，参见格拉茨工业大学（TU Graz）调节技术研究所的Gausch等人1991年的：数字的调节回路），从而将调节误差e降低到最低限度。

根据一种有利的实施方式，通过状态观测器的观测来确定温度值T或者温度分布图T，所述状态观测器具有一个设有热力学的用于连铸坯的导热方程式的过程模型。其它的关于可能的过程模型的细节比如可以从文献WO 01/91943 A1中获知。所述具有状态观测器的实施方式允许检测大量不同的温度，而没有仅仅测量所述不同的温度中的唯一的温度。此外，在连铸设备中已经存在的过程模型可以以简单的方式用于对所述连铸坯进行温度调节。一般来说，本领域的技术人员当然知道状态观测器，比如参见Harri Deutsch出版社的Lutz, Wendt：调节技术手册（Taschenbuch der Regelungstechnik）第七版。

作为替代方案，当然同样可以这样安排，即通过对于所述连铸坯的至少一个温度的测量来确定所述温度值T或者温度分布图T。这种变型方案可以具有比状态观测器的观测高的精度，但是其中面对着更高的用于测量手段的开销。

在测量温度时有利的是，比如借助于高温计通过对于热辐射的分析来进行测量。

尤其对于连铸坯的所谓的亚临界的矫直来说，有利的是，所述标量的成本函数f计算最大值标准（Maximumsnorm）。由此对最大出现的连铸坯温度进行调节。

根据一种作为替代方案的实施方式，所述成本函数f计算双标准（Zweiernorm）（也作为欧几里得标准而为人所知），由此不仅对所述连铸坯的过度冷却而且对其冷却不足进行均衡。

根据一种简单的实施方式，所述调节规则具有线性的调节特性，优选P、PI、PID、H₂、H_∞或者状态调节器的线性的调节特性。传统的比如作为传递函数描绘所述输入-输出特性的调节器的特性和优点以及在状态矢量范围中描绘所述输入-输出特性的状态调节器的特性和优点都最佳地为本领域的技术人员所熟知，比如参见调节技术手册。

根据一种作为替代方案的实施方式，所述调节规则具有非线性的调节特性，比如二点调节器、三点调节器或者更高级的调节器的非线性的调节特性。所述二点调节器在此尤其应该予以重视，因为所述调节尤其可以通过流往所述冷却喷嘴的冷却剂流的接通和断开（必要时也通过脉冲激发的接通和断开比如通过PWM调制）来进行。

有利的是，实时地实施所述方法。

对于计算时间来说，有利的是，所述状态观测器对所述连铸坯的对称轴线的一侧的连铸坯半体进行观测。有利的是，所述对称轴线穿过所述板坯的宽度方向伸展。

附图说明

本发明的其它优点和特征从以下对非限制性的实施例所作的说明中获得，其中参照以下附图，附图示出如下：

图1a对于具有第一宽度的钢板坯来说是两个冷却喷嘴的布置情况；

图1b对于具有第二宽度的钢板坯来说是两个冷却喷嘴的布置情况；

图2是冷却喷嘴的以离开连铸坯棱边的特定的间距进行的定位情况；

图3是冷却喷嘴的以离开连铸坯外壳的特定的间距进行的定位情况；

图4是板坯的连铸坯外壳的沿着浇铸方向的厚度的图示；

图5是关于冷却喷嘴的离开连铸坯棱边的间距绘出的表面温度的图表；

图6是关于冷却喷嘴的离开所述连铸坯棱边的间距绘出的最大的温度、处于中心处的温度以及棱边温度的图示；

图7是用于实施所述按本发明的方法的第一调节回路的示意图；

图8是在通过测量确定所述连铸坯的温度值并且使能够移动的冷却喷嘴定位时的示意图；

图9是关于冷却喷嘴的离开所述连铸坯棱边的间距绘出的调节误差的图示；

图10是用于实施所述按本发明的方法的第二调节回路的示意图；

图11是板坯的沿着宽度方向的温度分布图的离散化情况；并且

图12和13分别是用于实施所述按本发明的方法的第三和第四调节回路的示意图。

具体实施方式

图1a示出了具有第一宽度3的钢板坯1，沿着横向于所述板坯的浇铸方向的方向由两个能够移动的冷却喷嘴4对所述钢板坯进行冷却。所述冷却喷嘴4的移动沿着移动方向5来进行。每个冷却喷嘴具有喷射图6，所述喷射图取决于冷却流体的压力以及所述冷却喷嘴4的离开板坯的表面的间距。图1b示出了相对于图1a更窄的钢板坯1，该钢板坯又由两个冷却喷嘴4来冷却。方向箭头5表明所述冷却喷嘴的在产生钢板坯的宽度变化时的移动方向。这两张图1a和1b的共同点是，所述冷却喷嘴4被分配给所述板坯的边缘区域（所谓的“边缘（Margin）”）。从所述附图中可以看出，在水压相同的情况下水量分布7的最大值在板坯较窄时高于在板坯较宽时。

图2同样示出了钢坯板1，该钢板坯由总共三个冷却喷嘴4来冷却。一个冷却喷嘴被分配给中心并且处于所述钢板坯1的对称轴线2上。另外两个冷却喷嘴则被分配给边缘区域，其中这些冷却喷嘴4构造为能够移动的冷却喷嘴。所述能够沿着移动方向5移动的冷却喷嘴4在所绘出的位置中相对于连铸坯棱边10具有间距x2。间距x1则表明沿着水平的方向从所述喷射图6的外部的界限到所述连铸坯棱边10的间距。x1或者x2的正的数值与所述冷却喷嘴的朝连铸坯中心的方向的移动相一致。如在说明书导言中所引用的那样，知道根据机器位置或者说连铸坯存在时间来动态地从所述连铸坯棱边10上调节能够移动的冷却喷嘴4。

图3同样示出了能够移动的冷却喷嘴4的已知的动态的调节情况，其中x1表明所述冷却喷嘴4的喷射图6的外部的界限的相对于所述钢板坯1的连铸坯外壳8的水平的间距或者说x2表明所述冷却喷嘴4的中轴线的相对于所述板坯的连铸坯外壳8的间距。在图4中示出了钢板坯1包括所述连铸坯外壳8的取决于机器位置的结构的俯视图。

图5为所述冷却喷嘴4的喷射图的外部的界限与所述连铸坯棱边10之间的不同的间距x1示出了沿着所述板坯的宽度方向在连铸坯的宽边上面的表面温度T。其中可以看到，所述冷却喷嘴的朝板坯中心的方向的移动虽然引起提高的棱边温度，但是自一定的间距起、在这种情况下自大约50mm起所述棱边的温度对于更大的x1来说也保持恒定，因而通过所述冷却喷嘴的进一步的移动再也不会提高棱边温度。所述冷却喷嘴的朝板坯中心的方向的进一步的移动仅仅在棱边附近的区域中引起所谓的“热带（Streifens）”的构成。图6以简明的方式为所述冷却喷嘴4的离开连铸坯棱边10的不同的间距x1示出了板坯中心中的表面温度TZentrum、最大的表面温度TMax以及棱边温度TKante。

图7示出了用于实施所述按本发明的方法的第一调节回路的示意性的调节图示。在这种非常简单的尤其适合于连铸坯的所谓的“亚临界的矫直”的情况中，由高温计11仅仅测定所述连铸坯棱边10上的唯一的表面温度并且将其输送给调节装置12。该调节装置12按照e = T_Soll- T算出调节误差14，并且借助于PID调节规则来计算调节参量15。尽管在按图7的示意图中示出了在所述调节装置12的外部计算调节误差14的情况，但是e的计算不仅可以在所述调节装置12的内部而且可以在其外部（比如通过模拟的减法器）来进行；这对所述按本发明的方法没有影响。在调节段13中，通过未示出的典型地电的或者液压的执行器根据所述调节参量15来如此移动所述冷却喷嘴4，从而将所述调节误差14降低到最低限度。如果所述冷却喷嘴比如在一开始处于x1 = 100mm上并且所述调节段由此在一开始具有调节误差 e = -55℃，那么所述执行器就以比如5mm/s的恒定的移动速度沿着负的方向来移动所述冷却喷嘴，从而在下一个采样步骤（比如在1s之后）x1 = 95mm。图9在间距x1的上面示出了调节误差e（在图7中附图标记14）。按照图9，所述调节误差e大约在位置x1 = -10mm处为最小，其中所述冷却喷嘴4在这个位置后面达到大约22s。对于x1 = -10mm来说e≈0，因而也出现了调节参量r≈0。由此所述执行器留在位置x1 = -10mm处，该位置将所述调节误差e降低到最低限度。

根据一种作为替代方案的实施方式，所述执行器根据调节参量r以可变的速度来移动，其中通常有利的是，限制所述执行器的沿着正的和负的方向的最大的移动速度。

图10示出了所述用于实施按本发明的方法的调节回路的第二种实施方式，该实施方式在没有测量所述连铸坯的温度的情况下可以够用。具体来讲，所述连铸坯棱边的表面温度通过所谓的状态观测器18来计算，所述状态观测器在过程模型中实现用于所述连铸坯的热力学上的导热方程式。具体来讲，在所述用于金属连铸坯的过程模型中，在考虑到取决于温度的密度变化的情况下来解焓-表达式形式的三维的、非线性的并且不稳定的导热方程式；关于细节，请参照文献WO 2009/141205 A1。所述连铸坯棱边的从中产生的表面温度通过状态反馈元件来输送给所述调节器12。在此虽然有利的是，使用所述导热方程式的三维的表达式；但是经常二维的表达式也已足够。对于所述导热方程式的三维的表达式来说（包括沿着所述连铸坯的纵向方向、宽度方向和厚度方向的离散化），对于所述温度的调节可以不仅仅以所述连铸坯的表面温度作为基础，而是甚至可以考虑所述连铸坯的内部的温度（也就是说其沿着厚度方向相对于连铸坯表面具有间距）。

图11示出了所述连铸坯1的沿着宽度方向的局部的离散化（Diskretisierung），其中所述连铸坯的表面温度的温度分布图T（y）通过2N + 1个支撑位置来离散化，其中N是自然数的元素。

图12示出，所述按本发明的方法也可以用于对于温度分布图的调节。具体来讲，将温度分布图19比如以矢量的形式T_Soll = (T_Soll1…T_SollN)输送给所述调节回路，随后通过ΔT = T_Soll-T的按元素计算方式的减法来计算所述温度偏差分布图20。所观测的用于所述连铸坯的温度的状态参量T从状态观测器18的分析中获得，所述状态观测器包括一个具有所述导热方程式的二维的表达式的过程模型。在所述温度偏差分布图ΔT=(ΔT₁…ΔT_N)的基础上，通过将标量的成本函数22运用到所述温度偏差分布图ΔT上的方式来计算所述标量的调节偏差14，其中所述成本函数对ΔT的欧几里得标准进行分析，也就是说：

如在按图10的实施例中一样，将所述调节偏差14输送给数字的调节器12，具体来讲输送给PI调节器，该调节器计算所述调节参量15。将所述调节参量一方面输送给所述冷却喷嘴4的执行器，该执行器使所述冷却喷嘴4沿着所述钢板坯1的宽度方向移动。另一方面，也又将所述能够移动的冷却喷嘴4的位置23输送给所述状态观测器18，所述状态观测器在考虑到所述能够移动的冷却喷嘴的情况下重新计算所述连铸坯1上的温度分布图。将从中产生的温度T又输送给所述调节回路，从而在总体上将所述连铸坯1的额定温度19与所观测的温度21之间的偏差降低到最低限度。

图13示出了一种作为图12的替代方案的实施方式，该实施方式在没有状态观测器18的情况下可以够用。在这种情况下，所述连铸坯1的温度分布图21通过对于所述连铸坯的表面温度的测量，比如通过高温计11来检测，所述高温计构造为能够沿着所述条1的宽度方向移动的结构。所述温度分布图21的一种可能的离散化情况在图11中示出。

附图标记列表：

1 钢板坯

2 对称轴线

3 板坯宽度

4 冷却喷嘴

5 冷却喷嘴的移动方向

6 喷射图

7 水量分布

8 连铸坯外壳

9 浇铸方向

10 连铸坯棱边

11 高温计

12 调节装置

13 调节段

14 调节误差e

15 调节参量r

16 温度值T

17 额定温度T_soll

18 状态观测器

19 额定温度分布图T_soll

20 温度偏差分布图ΔT

21 温度分布图T

22 成本函数

23 冷却喷嘴的移动距离

T 温度

x1 沿着水平的方向相对于喷射图的外面的界限的间距

x2 沿着水平的方向相对于冷却喷嘴的间距

Claims

1.用于通过能够移动的冷却喷嘴（4）的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯（1）的温度进行调节的方法，所述方法具有以下方法步骤：

- 沿着横向于所述连铸坯（1）的浇铸方向（9）的方向确定所述连铸坯（1）的至少一个温度值T（16）；

- 通过从所述连铸坯（1）的额定温度T_Soll（17）上减去所述温度值T（16）的方式来确定调节误差e（14），具体来说：e = T_Soll- T；

- 根据所述调节误差e（14）借助于调节规则来计算调节参量r（15）；并且

- 根据所述调节参量r（15）使所述冷却喷嘴（4）沿着横向于所述连铸坯（1）的浇铸方向（9）的方向定位，从而将所述调节误差e（14）降低到最低限度。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述连铸坯（1）的连铸坯棱边（10）上确定所述温度值T（16）。

3.用于通过能够移动的冷却喷嘴（4）的在连铸设备的连铸坯导引装置中的定位来对连铸坯（1）的温度分布图进行调节的方法，该方法具有以下方法步骤：

- 沿着横向于所述连铸坯（1）的浇铸方向（9）的方向确定所述连铸坯（1）的温度分布图T（21）；

- 通过从所述连铸坯（1）的额定温度分布图T_Soll（19）上减去所述温度分布图T（21）的方式来确定温度偏差分布图ΔT（20），具体来讲：ΔT = T_Soll- T；

- 通过将标量的成本函数f（22）运用到所述温度偏差分布图ΔT（20）上的方式来计算调节误差e（14），具体来说：e = f(ΔT)；

- 根据所述调节参量r（15）使所述冷却喷嘴（4）沿着横向于所述浇铸方向（9）的方向定位，从而将所述调节误差e（14）降低到最低限度。

4.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，所述连铸坯是钢板坯。

5.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，通过状态观测器（18）的观测来确定所述温度值T（16）或者温度分布图T（21），所述状态观测器包括一个具有用于所述连铸坯（1）的热力学的导热方程式的过程模型。

6.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，通过对于所述连铸坯（1）的至少一个温度的测量来确定所述温度值T（16）或者所述温度分布图T（21）。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，温度的测量通过对于所述连铸坯（1）的热辐射的分析来进行。

8.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成本函数f（22）计算最大值标准：

。

9.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成本函数f（22）计算双标准：

。

10.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节规则具有线性的调节特性。

11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，所述调节规则具有P、PI、PID、H₂、H_∞或者状态调节器的特征。

12.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节规则具有非线性的调节特性。

13.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，实时地实施所述方法。

14.按权利要求5所述的方法，其特征在于，所述状态观测器（18）对所述连铸坯（1）的对称轴线（2）的一侧的连铸坯半体进行观测。