CN103506592A - 一种连铸浇钢控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连铸浇钢控制方法，第一，通过安装在钢包回转台上的钢包位置传感器（14）测量并读取钢包浇铸位置信号；第二，在浇钢优化控制计算机（13）中判断钢包是否开始浇铸；第三，通过安装在钢包滑动水口上方的钢渣测量传感器（2）将钢渣测量数据馈给推理控制器；第四，在推理控制器中，将读到的钢渣测量数据与人工给定的钢渣设定值比较，如果钢渣测量数据小于人工给定钢渣设定值，转入上一步；如果钢渣测量值大于人工给定的钢渣设定值，输出油缸控制变量馈给PI控制器；第五，在PI控制器中，将馈入油缸位置信号与实际测量油缸位置信号比较并计算，输出控制油缸驱动单元（5）推动油缸（3）运动，使钢包滑动水口开度减少。

Description

一种连铸浇钢控制方法和装置
技术领域
    本发明涉及连铸钢包出钢时的一种连铸浇钢控制方法和装置。
背景技术
     现有的连铸钢包浇注过程中，浇铸后期钢水在大包出钢口附近形成旋涡，漂浮在钢水上面的钢渣汇集在到旋涡的中心部位，钢渣在旋涡中心附近形成倒锥体形状，在旋涡的吸附作用下，钢渣卷入钢水从长水口流入中间包，当钢渣测量设备检测到钢渣超过规定标准时，连铸浇钢控制装置启动控制系统关闭滑动水口，结束浇钢工作。根据流体力学原理，由于钢渣倒锥体的存在，钢包中还保留了大量的钢水，据对某企业连铸大包终浇后钢包翻渣量的统计，150吨钢包倒出的钢渣中含钢水重量约1~3吨/包，300吨钢包含钢水重量约1~5吨/包，这些残留钢水一般都作为钢渣处理，造成资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸浇钢控制方法和装置，通过对钢包出钢钢水流量实施优化控制，实现在钢渣不流出或流出很少的情况下钢水尽可能多的流出，从而提高钢水收得率。
    为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种连铸浇钢控制方法，包括如下步骤：
第一步，通过安装在钢包回转台上的钢包位置传感器，测量并读取钢包浇铸位置信号；
第二步，在浇钢优化控制计算机中判断钢包是否开始浇铸，如果钢包没有开始浇铸，转第一步，如果钢包已经开始浇铸进入第三步；
第三步，通过安装在钢包滑动水口上方的钢渣测量传感器，读取钢渣测量传感器数据馈给浇钢优化控制计算机内的推理控制器；
第四步，在推理控制器中，将读到的钢渣测量数据与人工给定的钢渣设定值比较，如果当前的钢渣测量数据小于人工给定的钢渣设定值，转入第三步；如果当前的钢渣测量值大于人工给定的钢渣设定值，输出油缸控制变量馈给浇钢优化控制计算机内的PI控制器，进入第五步；
在推理控制器中，当选定钢包和钢种后，滑动水口开度是大包内部钢水质量                                               
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE002
的函数，钢包滑动水口开度
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE004
计算公式如下：
   
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE006
     
式中：       
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE010
                 
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE012
：重力加速度；
          
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE014
 大包内部钢水密度；
          
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE016
：长水口长度；
          
Figure 199132DEST_PATH_IMAGE002
：大包内部钢水质量；
          D：钢包内部有效直径；
          
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE018
：钢水黏度；          
第五步，在PI控制器中，将推理控制器输出的油缸位置信号与实际测量得到的油缸位置信号比较并进行计算，输出控制信号馈给油缸驱动单元推动滑动水口驱动油缸运动，使钢包滑动水口开度减少；
第六步，PI控制器发出延迟信号，延迟一段时间再读取油缸位置信号；
第七步，延迟时间到，PI控制器读取油缸当前位置信号；
第八步，在PI控制器中，判断油缸是否完全关闭，如果油缸没有完全关闭，转到第三步重复上述工作；如果油缸已经完全关闭，进入第九步；
第九步，发出浇钢终止信号，转入第一步重复上述工作。
一种连铸浇钢控制装置，包括钢包、滑动水口、钢包长水口、中间包、滑动水口驱动油缸、油缸驱动单元、钢渣测量传感器、钢渣测量信号放大器、钢包位置传感器、油缸活塞位置传感器、报警器和浇钢优化控制计算机，浇钢优化控制计算机包括推理控制器和PI控制器，钢渣测量传感器安装在滑动水口上方，钢渣测量传感器输出信号馈给钢渣测量信号放大器后接浇钢优化控制计算机，钢包位置传感器安装在钢包回转台上，钢包位置传感器输出信号馈给现场过程控制计算机，现场过程控制计算机输出钢包位置信号馈给过程信号接口单元，过程信号接口单元输出钢包位置信号馈给浇钢优化控制计算机，油缸活塞位置传感器4安装在滑动水口驱动油缸3上，油缸活塞位置传感器4输出信号馈给浇钢优化控制计算机13，浇钢优化控制计算机13输出接油缸驱动单元5和报警器9，油缸驱动单元5输出信号馈给滑动水口驱动油缸3推动油缸运动，从而控制滑动水口15开口度。
本发明连铸浇钢优化控制方法和控制装置是通过安装在钢包滑动水口上的钢渣测量传感器，测量钢包在浇铸过程中钢渣卷入钢水的变化信号，在浇钢优化控制计算机系统中进行推理分析作出判断，给出滑动水口的当前新的位置，控制滑动水口的关闭过程，通过控制钢包滑动水口达到控制钢包内部钢水流场分布，从而控制钢包内部钢水不出现湍流，达到控制钢包内部残留钢水的目的。
本发明通过对钢包出钢钢水流量实施优化控制，实现在钢渣不流出或流出很少的情况下钢水尽可能多的流出，从而提高钢水收得率，降低生产成本。 
附图说明
图1为本发明连铸浇钢控制装置示意图；
图2为本发明连铸浇钢控制原理示意图；
图3为本发明连铸浇钢控制方法流程图。
图１中：1钢包，2钢渣测量传感器，3滑动水口驱动油缸，4油缸活塞位置传感器，5油缸驱动单元，6钢包长水口，7中间包，8机械臂，9现场报警和操作单元，10钢渣测量信号放大器，11过程信号接口单元，12现场过程控制计算机，13浇钢优化控制计算机，14钢包位置传感器，15滑动水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明连铸浇钢控制方法是通过安装在钢包滑动水口15上方的钢渣测量传感器2在线测量钢水中的钢渣含量，钢渣测量信号放大器10将测量到的传感器小信号进行放大并馈给推理控制器，在推理控制器中将实际测量得到的钢水中含钢渣的数值与人工给定的钢渣设定值比较，如果实际测量得到的钢渣含量值小于给定值，推理控制器继续读取钢渣测量传感器放大器10的输出值并与人工给定的钢渣含量值比较，当实际测量得到的钢渣含量值大于人工给定的钢渣含量值时，推理控制器计算出一个油缸位置信号馈给PI控制器，PI控制器将推理控制器的输出油缸位置信号与油缸实际位置反馈信号进行比较和计算控制油缸动作，油缸带动钢包滑动水口运动改变钢水流量，控制钢包内部的钢水不产生湍流。具体分析如下：
根据哥里奥利定理，管道中的流体质点，在压力差的作用下，分别受到轴向力和径向力的作用，因此，流体在管道中的轨迹是旋进的。在流体力学模型中大包长水口是直径较细的管道，大包本身是直径较粗的管道，因此只要有压力差存在，钢水就会以旋进的方式流动，在钢水流动的过程中，处于管道边缘的钢水与管道壁有磨檫存在，因此管道壁边缘的钢水流速比中心位置的钢水流速慢，所以管道中的流体，管道中心位置钢水流速快，管道边缘钢水流速慢，远离中心的钢水就会向中心运动，就是大包中钢水产生旋涡的成因。
由流体力学中的雷诺定理可知，当容器中液体液面降到临界高度时，在流出口上方就会形成旋涡。钢水具有同样的现象，在钢包内钢水接近临界高度时，就会在出钢口上方形成漩涡，从而将钢渣卷入。本发明的连铸浇钢控制方法就是利用钢包内漩涡形成机理，通过优化控制技术对钢包钢水流量进行控制，从而抑制漩涡形成，从而使钢水流出而钢渣留在钢包中。本发明的连铸浇钢控制方法工作原理如下：
大包浇铸后期钢水在内部会形成漩涡，在大包内部的钢水接近终了时，钢水旋转速度加快，熔渣被卷入钢水，流入中间包。由于钢水旋转速度的变化引起钢水在水口中流动的雷诺数变化，当达到临界雷诺数时出现湍流。在一定条件下，液体在管道中流动引起的自激振动的规律不会发生变化，当钢渣出现时，管道的自激振动规律会发生变化。由雷诺实验可以知道，流体呈现何种运动状态与管道直径、流体的黏度以及流体速度有关，如果管道直径以及流体运动黏度
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE020
一定，则称从层流变为湍流时的速度为上临界速度，以
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE022
表示；从湍流变为层流时的平均速度为下临界速度以
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE024
表示，
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE026
。如果管道直径
Figure 221763DEST_PATH_IMAGE004
或者流体运动黏度
Figure 857275DEST_PATH_IMAGE020
发生改变，但是无论
Figure 124308DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 385525DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 861594DEST_PATH_IMAGE022
怎样变化，而相应的无量纲数
Figure 854958DEST_PATH_IMAGE022
Figure 360020DEST_PATH_IMAGE004
/
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE028
总是一定的。将 /
Figure 925627DEST_PATH_IMAGE028
这一无量纲数称为雷诺数
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE030
。对应于上、下临界速度有：
雷诺数：           
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE032
                          
式中:
一管道直径，m
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE034
一流体密度，kg·m-3
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE036
一流体粘度，Pa·s
Figure 193109DEST_PATH_IMAGE018
一流体流速，m· s-l
上临界雷诺数：     
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE038
                        
下临界雷诺数：     
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE040
                        
雷诺通过对于圆管流动的测定得知：
           
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE042
 时，圆管中流体的流态为层流。
           
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE044
 时，圆管中流体的流态为湍流。                                                 
以上说明圆管流动的下临界雷诺数是一个定植，而层流转为湍流的上临界雷诺数与外界的扰动有关，在实际流动中扰动总是存在的，因此，上临界雷诺数对于判别流态无实际意义，所以一般以下临界雷诺数
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE046
作为是层流还是湍流流态的判别标准，即：
                   
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE048
时，管中是层流。
                   
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE050
时，管中是湍流。
因此，根据连铸设备数据计算出在长水口中产生湍流的条件，即：
                                         （1）
式中：
Figure 456819DEST_PATH_IMAGE004
一管道直径，m
Figure 854302DEST_PATH_IMAGE034
一流体密度，kg·m-3
Figure 583224DEST_PATH_IMAGE018
一流体粘度，Pa·s
Figure 475087DEST_PATH_IMAGE036
一流体流速，m· s-l
则由公式（1）可以推出钢水从钢包中流出时不出现湍流的流速度：  
                
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE054
                              （2）
取：       
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE056
：大包内部钢水直径；
                
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE058
：滑动水口面积；
               
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE060
：大包内部钢水高度；
Figure 910748DEST_PATH_IMAGE002
：大包内部钢水质量；
Figure 495444DEST_PATH_IMAGE014
 大包内部钢水比重；
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE062
：大包内部钢水静压力；
Figure 508400DEST_PATH_IMAGE016
：长水口长度；
则有：   大包内部钢水面积： 
                                               （3）
大包内部钢水质量：
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE066
                            （4）
大包内部钢水高度：
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE068
                               （5）
大包内部钢水到达长水口出口处时的速度：
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE070
              （6）
要保证流动的钢水不出现湍流，那么钢水的流速
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE072
要满足公式（2）
     即：                 
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE074
                         
                                     （7）
公式（7）整理后得到：
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE078
                
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE080
                      
                  
         
令：    
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE086
Figure 722997DEST_PATH_IMAGE010
                
则有：   
Figure 75481DEST_PATH_IMAGE006
                    （8）
由推导出的公式（8）可知：
Figure 80346DEST_PATH_IMAGE008
，其中：
Figure 331330DEST_PATH_IMAGE034
是钢水的密度，与钢种有关系；在钢种一定时
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE088
是一个常数。
Figure 814264DEST_PATH_IMAGE010
，其中：
Figure 99883DEST_PATH_IMAGE034
是钢水的密度，与钢种有关系；
Figure 213333DEST_PATH_IMAGE018
是钢水的黏度，也与钢种有关系；
Figure 200880DEST_PATH_IMAGE016
是水口的长度，当选定长水口后也是一个常数；D是钢包内部钢水有效直径，当选定钢包后D也是一个常数；所以
Figure 2012102196116100002DEST_PATH_IMAGE090
在选定钢种以后也是一个常数。G是钢包内部钢水的重量，这是公式中变化最大的值，在钢包开始浇铸时刻最大，钢包浇铸结束时刻最小。
公式（8）揭示了钢包在浇铸过程中钢包内不出现湍流的条件是：钢包滑动水口的开度
Figure 238237DEST_PATH_IMAGE004
要满足公式（8），公式（8）揭示出当选定钢包和钢种以后，钢包滑动水口的开度仅与钢包内部的钢水的重量有关系，即钢包滑动水口的开度与钢包内部钢水的重量平方根成反比关系。
本发明一种连铸浇钢优化控制方法和装置是根据这一原理设计的，能在线实时连续控制钢包滑动水口开度，从而控制钢水在流动时不产生湍流，保证钢包内部的钢水全部流出来。
参见图1、图2、图3，本发明一种连铸浇钢控制装置，包括钢包1、滑动水口15、钢包长水口6、中间包7、滑动水口驱动油缸3、油缸驱动单元5、钢渣测量传感器2、钢渣测量信号放大器10、钢包位置传感器14、油缸活塞位置传感器4、报警器9、浇钢优化控制计算机13，浇钢优化控制计算机13包括推理控制器和PI控制器，钢渣测量传感器2安装在滑动水口15上方，钢渣测量传感器2输出信号馈给钢渣测量信号放大器10，钢渣测量信号放大器10的输出信号馈给浇钢优化控制计算机13，钢包位置传感器14安装在钢包1回转台上，钢包位置传感器14输出信号馈给现场过程控制计算机12，现场过程控制计算机12输出钢包位置信号馈给过程信号接口单元11，过程信号接口单元11输出钢包位置信号馈给浇钢优化控制计算机13，油缸活塞位置传感器4安装在滑动水口驱动油缸3上，油缸活塞位置传感器4输出信号馈给浇钢优化控制计算机13，浇钢优化控制计算机13输出信号馈给油缸驱动单元5和报警器9，油缸驱动单元5输出信号馈给滑动水口驱动油缸3推动油缸运动，从而控制滑动水口15开口度。
本发明一种连铸浇钢控制方法是在上述连铸浇钢控制装置基础上实现的，包括如下步骤：参见图3，
第一步，参见图1，浇钢优化控制计算机１３通过过程信号接口单元11和现场过程控制计算机12，读取安装在钢包1回转台上的钢包位置传感器14信号，获得钢包浇铸位置信息；
第二步，浇钢优化控制计算机13根据钢包浇铸位置信息判断钢包1是否开始浇铸，如果钢包1没有开始浇铸，转第一步，如果钢包已经开始浇铸进入第三步；
第三步，通过安装在钢包滑动水口15上方的钢渣测量传感器2，钢渣测量传感器2的输出信号馈给钢渣测量信号放大器10，浇钢优化控制计算机13读取钢渣测量信号放大器10的输出信号，获得当前钢水中的钢渣含量，将当前钢水中的钢渣含量馈给浇钢优化控制计算机13内的推理控制器；
第四步，参见图2，推理控制器将当前钢水中的钢渣含量数据与人工给定的钢水中的钢渣含量值r比较，如果当前的钢渣测量数据小于人工给定的钢渣设定值，转入第三步；如果当前的钢渣测量值大于人工给定的钢渣设定值，输出油缸控制变量馈给浇钢优化控制计算机13内的PI控制器，进入第五步；
在推理控制器中，当选定钢包和钢种后，滑动水口开度
Figure 362051DEST_PATH_IMAGE004
是大包内部钢水质量
Figure 646402DEST_PATH_IMAGE002
的函数，钢包滑动水口开度
Figure 871978DEST_PATH_IMAGE004
计算公式如下：
   
Figure 962294DEST_PATH_IMAGE006
     
式中：       
Figure 143876DEST_PATH_IMAGE008
                 
Figure 108738DEST_PATH_IMAGE012
：重力加速度；
           大包内部钢水密度；
          
Figure 789567DEST_PATH_IMAGE016
：长水口长度；
          ：大包内部钢水质量；
          D：钢包内部有效直径；
            
Figure 599577DEST_PATH_IMAGE018
：钢水黏度；
第五步，在PI控制器中，将推理控制器输出的油缸位置信号与实际测量得到的油缸位置信号比较并进行计算，输出控制信号馈给油缸驱动单元5推动滑动水口驱动油缸3运动，使钢包滑动水口15开度减少；
第六步，PI控制器发出延迟信号，延迟一段时间再读取油缸3位置反馈信号；
第七步，延迟时间到，PI控制器读取油缸3当前位置反馈信号；
第八步，在PI控制器中，判断油缸3是否完全关闭，如果油缸3没有完全关闭，转到第三步重复上述工作；如果油缸已经完全关闭，进入第九步；
第九步，发出浇钢终止信号，转入第一步重复上述工作。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种连铸浇钢控制方法，其特征是，包括如下步骤：
第一步，通过安装在钢包（1）回转台上的钢包位置传感器（14），测量并读取钢包浇铸位置信号；
第二步，在浇钢优化控制计算机（13）中判断钢包是否开始浇铸，如果钢包没有开始浇铸，转第一步，如果钢包已经开始浇铸进入第三步；
第三步，通过安装在钢包滑动水口（15）上方的钢渣测量传感器（2），读取钢渣测量传感器数据馈给浇钢优化控制计算机（13）内的推理控制器；
第四步，在推理控制器中，将读到的钢渣测量数据与人工给定的钢渣设定值比较，如果当前的钢渣测量数据小于人工给定的钢渣设定值，转入第三步；如果当前的钢渣测量值大于人工给定的钢渣设定值，输出油缸控制变量馈给浇钢优化控制计算机（13）内的PI控制器，进入第五步；
在推理控制器中，当选定钢包和钢种后，滑动水口开度                                               
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE002
是大包内部钢水质量
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE004
的函数，钢包滑动水口开度计算公式如下：
   
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE006
     
式中：       
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE010
                 
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE012
：重力加速度；
          
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE014
 大包内部钢水密度；
          
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE016
：长水口长度；
          ：大包内部钢水质量；
          D：钢包内部有效直径；
          
Figure 2012102196116100001DEST_PATH_IMAGE018
：钢水黏度；          
第五步，在PI控制器中，将推理控制器输出的油缸位置信号与实际测量得到的油缸位置信号比较并进行计算，输出控制信号馈给油缸驱动单元（5）推动滑动水口驱动油缸（3）运动，使钢包滑动水口（15）开度减少；
第六步，PI控制器发出延迟信号，延迟一段时间再读取油缸位置信号；
第七步，延迟时间到，PI控制器读取油缸当前位置信号；
第八步，在PI控制器中，判断油缸是否完全关闭，如果油缸没有完全关闭，转到第三步重复上述工作；如果油缸已经完全关闭，进入第九步；
第九步，发出浇钢终止信号，转入第一步重复上述工作。
2.一种连铸浇钢控制装置，包括钢包（1）、滑动水口（15）、钢包长水口（6）、中间包（7）、滑动水口驱动油缸（3）和油缸驱动单元（5），其特征是：所述控制装置还包括钢渣测量传感器（2）、钢渣测量信号放大器（10）、钢包位置传感器（14）、油缸活塞位置传感器（4）、报警器（9）和浇钢优化控制计算机（13），浇钢优化控制计算机（13）包括推理控制器和PI控制器，钢渣测量传感器（2）安装在滑动水口（15）上方，钢渣测量传感器（2）输出信号馈给钢渣测量信号放大器（10）后接浇钢优化控制计算机（13），钢包位置传感器（14）安装在钢包（1）回转台上，钢包位置传感器（14）输出信号馈给现场过程控制计算机（12），现场过程控制计算机（12）输出钢包位置信号馈给过程信号接口单元（11），过程信号接口单元（11）输出钢包位置信号馈给浇钢优化控制计算机（13），油缸活塞位置传感器（4）安装在滑动水口驱动油缸（3）上，油缸活塞位置传感器（4）输出信号馈给浇钢优化控制计算机（13），浇钢优化控制计算机（13）输出接油缸驱动单元（5）和报警器（9），油缸驱动单元（5）输出信号馈给滑动水口驱动油缸（3）推动油缸运动，从而控制滑动水口（15）开口度。
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