CN104942247A - 在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，包括物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，其中：物料凝固计算模块配置为根据接收到的参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子，根据该因子计算得到目标数据并发送至电磁搅拌器定位模块，参数包括连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数；电磁搅拌器定位模块包括与电磁搅拌器电连接的控制单元，电磁搅拌器定位模块配置为接收并根据目标数据确定或调整电磁搅拌器的位置。本发明的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法，解决了现有技术中电磁搅拌中存在的电磁搅拌器位置不可调所造成难以达到理想搅拌目的的问题。

Description

在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺控制技术领域，尤其涉及一种在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法。

背景技术

连铸坯内部中心偏析、中心缩孔和疏松是连铸坯主要的内部缺陷。凝固末端电磁搅拌技术可以提高液态金属的补缩能力从而有效的解决中心缩孔问题，提高连铸坯质量。连铸坯凝固末端位置受浇铸钢种、过热度、拉坯速度、二次冷却速度、铸坯断面尺寸、二冷水温度、周围环境温度等参数影响，实时发生变化。因此，如何实时、准确的确定不同的铸坯在不同的浇铸工艺条件下的凝固末端位置，并动态跟踪铸坯凝固末端位置施加电磁搅拌就成为实施凝固末端电磁搅拌技术的核心问题。凝固末端电磁搅拌器的安装位置（即凝固末端位置）的确定目前主要有以下三个方法：1）模型计算法；2）射钉实测法；3）白亮带法。后两种方法均基于试验完成，成本高、周期长、可操作性差。另外，一台凝固末端电磁搅拌器通常适用于多个断面和钢种，在不同连铸工艺条件下，凝固末端的位置也不尽相同。通常电磁搅拌器是安装在一个固定的位置，这就使得凝固末端电磁搅拌的效果大打折扣，因此凝固末端电磁搅拌技术的推广和应用范围受到很大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法，解决了现有技术中电磁搅拌中存在的电磁搅拌器位置不可调所造成难以达到理想搅拌目的的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，包括物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，其中：

所述物料凝固计算模块配置为根据接收到的参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子，根据该因子计算得到目标数据并发送至所述电磁搅拌器定位模块，所述参数包括连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数；

所述电磁搅拌器定位模块包括与电磁搅拌器电连接的控制单元，所述电磁搅拌器定位模块配置为接收并根据所述目标数据确定或调整电磁搅拌器的位置。

作为优选，还包括分别与所述物料凝固计算模块的输入端电连接的连铸机结构参数输入模块和动态参数输入模块，其中：

所述连铸机结构参数输入模块配置为向所述物料凝固计算模块提供所述设备参数；

所述动态参数输入模块配置为实时地向所述物料凝固计算模块提供所述工况参数。

作为优选，所述物料凝固计算模块具体配置为根据所述因子计算得到液相穴深度数据和凝固末端位置数据并发送至所述电磁搅拌器定位模块；所述电磁搅拌器定位模块具体配置为根据所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据，以及液芯厚度、固相率、物料含碳量和电磁搅拌强度来确定或调整电磁搅拌器的位置。

作为优选，还包括与所述物料凝固计算模块电连接的专家数据库，所述专家数据库存储有历史工作参数以及历史目标数据，并响应所述物料凝固计算模块的调用请求而向其提供所需的目标数据。

作为优选，还包括通信连接于所述物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块并且包括显示单元的上位机，所述上位机配置为根据所述物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块的信号实时显示液相穴深度、凝固末端位置和电磁搅拌器位置。

本发明还提供一种基于如上所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：将所述连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数先后输入所述物料凝固计算模块；

S2：连铸机开始连铸工序后，所述物料凝固计算模块根据所述参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子；

S3：所述物料凝固计算模块根据该因子计算得出目标数据并送至所述电磁搅拌器定位模块；

S4：所述电磁搅拌器定位模块接收所述目标数据并通过所述控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

作为优选，步骤S1具体为：由连铸机结构参数输入模块向所述物料凝固计算模块提供所述设备参数，所述设备参数包括结晶器长度、棍列布置、喷嘴布置、喷嘴型号、喷嘴冷态特性、喷嘴热态特性、物料成分以及铸坯断面尺寸；由动态参数输入模块向所述物料凝固计算模块提供所述工况参数，所述工况参数包括拉坯速度。

作为优选，其中：

步骤S3中的所述目标数据包括液相穴深度数据和凝固末端位置数据；

步骤S4具体为：所述电磁搅拌器定位模块接收所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据，并结合液芯厚度、固相率、物料含碳量和电磁搅拌强度通过所述控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

作伪优选，其中：

在步骤S2中，所述物料凝固计算模块通过将所述参数代入能量控制守恒方程和溶质守恒方程进行计算以确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子。

作为优选，在步骤S3中，所述物料凝固计算模块以连铸机结构为对象，以二冷区铸坯表面实际水流密度分布和辊子接触传热为边界条件，并根据二冷区的不同的边界换热方式，计算铸坯糊状区形貌和凝固末端位置以得出所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据；所述边界换热方式包括铸坯与辊子间的接触传热、铸坯表面与周围环境间的自然对流换热、铸坯表面与冷却水雾间的强制对流换热，以及铸坯表面向周围环境的辐射散热。

与现有技术相比，本发明的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法的有益效果在于：通过物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，能够根据参数，实时准确计算凝固末端位置，并且调整电磁搅拌器位置，解决了现有技术中电磁搅拌中存在的电磁搅拌器位置不可调所造成难以达到理想搅拌目的的问题，并且有效减少中心偏析、中心缩孔和疏松等缺陷，从而获得良好的铸坯内部质量。

附图说明

图1为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制方法的流程示意图；

图3为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制方法中边界条件计算的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统及方法作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统的整体结构示意图。如图1所示，本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，包括物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，其中，物料凝固计算模块配置为根据接收到的参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子，根据该因子计算得到目标数据并发送至电磁搅拌器定位模块，参数包括连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数；电磁搅拌器定位模块包括与电磁搅拌器电连接的控制单元，电磁搅拌器定位模块配置为接收并根据目标数据确定或调整电磁搅拌器的位置。通过物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，能够根据参数，实时准确计算凝固末端位置，并且调整电磁搅拌器位置，解决了现有技术中电磁搅拌中存在的电磁搅拌器位置不可调所造成难以达到理想搅拌目的的问题，并且有效减少中心偏析、中心缩孔和疏松等缺陷，从而获得良好的铸坯内部质量。

作为一种改进，本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统还包括分别与物料凝固计算模块的输入端电连接的连铸机结构参数输入模块和动态参数输入模块，其中，连铸机结构参数输入模块配置为向物料凝固计算模块提供设备参数；动态参数输入模块配置为实时地向物料凝固计算模块提供工况参数。每台连铸机都是唯一的，其对应着唯一的连铸机的设备参数，包括结晶器长度、棍列布置、喷嘴布置、喷嘴型号、喷嘴冷态特性、喷嘴热态特性以及物料（钢种）成分、铸坯断面尺寸，这些参数都由连铸机结构参数输入模块向物料凝固计算模块提供。另一方面，物料凝固计算模块进行计算所需要的连铸工序的工况参数，包括拉坯速度，还可以包括浇铸温度、二次冷却水流量、二冷水温度、环境温度及结晶器液面深度等都由动态参数输入模块提供。通过连铸机结构参数输入模块和动态参数输入模块提供相应的参数，并对动态参数的及时更新，是确定或调整电磁搅拌器的位置的重要条件。

作为进一步的改进，物料凝固计算模块具体配置为：根据因子计算得到液相穴深度数据和凝固末端位置数据并发送至电磁搅拌器定位模块；电磁搅拌器定位模块具体配置为根据液相穴深度数据和凝固末端位置数据，以及液芯厚度、固相率、物料（钢种）含碳量和电磁搅拌强度确定或调整电磁搅拌器的位置。在连铸工序中，钢水首先在结晶器内形成初始固态坯壳，继而进入二次冷却区进一步冷却，此时的连铸坯虽然已形成类固态坯壳，但中心部位仍为液相钢水，形成一个细长呈涡流状的液态钢水区域，这个区域称为液相穴。电磁搅拌器定位模块可以经过对比计算和筛选后确定一个最佳的电磁搅拌器位置，来实施对电磁搅拌器位置的调整控制。

作为更进一步的改进，本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统还包括与物料凝固计算模块电连接的专家数据库，专家数据库存储有历史工作参数以及历史目标数据，并响应物料凝固计算模块的调用请求而向其提供所需的目标数据。专家数据库可以通过配置智能数据库模块，使本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统具备“记忆”功能和“自学习”功能，对计算过的连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数归类存储，并对历次计算结果数据进行保存，对于智能数据库中已有的算例，系统将不在进行计算，直接调用智能数据库中保存的计算结果。在实际生产过程中，也可以通过人工干预的手段，根据相关工序中历史人工操作的经验值对专家数据库里的数据进行配置，从而在达到控制精度的前提下，简化控制流程。

作为另一种改进，本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统还包括通信连接于物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块并且包括显示单元的上位机，上位机配置为根据物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块的信号实时显示液相穴深度、凝固末端位置和电磁搅拌器位置。上位机可以通过人机界面信息处理模块和显示单元根据计算结果实时显示液相穴深度、凝固末端位置即以电磁搅拌器位置，从而便于操作人员实时监控。上位机可以包括PC机、监控设备、手持终端等。

如图2所示为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制方法的流程示意图。本发明还提供一种基于如上的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：将连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数先后输入物料凝固计算模块；

S2：连铸机开始连铸工序后，物料凝固计算模块根据参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子；

S3：物料凝固计算模块根据该因子计算得出目标数据并送至电磁搅拌器定位模块；

S4：电磁搅拌器定位模块接收目标数据并通过控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

作为一种改进，步骤S1具体为：由连铸机结构参数输入模块向物料凝固计算模块提供设备参数，设备参数包括结晶器长度、棍列布置、喷嘴布置、喷嘴型号、喷嘴冷态特性、喷嘴热态特性、物料成分以及铸坯断面尺寸；由动态参数输入模块向物料凝固计算模块提供工况参数，工况参数包括拉坯速度，还可以包括浇铸温度、二次冷却水流量、二冷水温度、环境温度及结晶器液面深度等。

作为进一步的改进，其中：

步骤S3中的目标数据包括液相穴深度数据和凝固末端位置数据；

步骤S4具体为：电磁搅拌器定位模块接收液相穴深度数据和凝固末端位置数据，并结合液芯厚度、固相率、物料含碳量和电磁搅拌强度通过控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

具体实施方式可以采用：电磁搅拌器定位模块在初始化后，采用TDMA方法迭代计算，计算铸坯凝固糊状区各计算单元的固相分数，并计算铸坯不同位置处的液芯厚度。电磁搅拌器最佳安装位置的确定可以采用现有技术中公知的任何方法，本实施方式根据钢种成分的碳含量（C%）采用有以下两种计算方法：

1、C%大于一特定值时，在铸坯沿与拉坯方向垂直的“切片”中选取液芯厚度比例为一设定值处，通过液芯厚度和铸坯厚度的值计算结果；

2、C%小于等于一特定值时，在铸坯中心线上的控制点中选择固相分数等于一设定值的点，通过液相线温度、固相线温度和考察点温度经换算后获得电磁搅拌器几何中心安装最佳位置坐标。

作为进一步改进，在步骤S2中，物料凝固计算模块通过将参数代入能量控制守恒方程和溶质守恒方程进行计算以确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子。作为本实施例的优选方案，物料凝固计算模块以连铸机结构为对象，以二冷区铸坯表面实际水流密度分布和辊子接触传热为边界条件，并根据二冷区的不同的边界换热方式，计算铸坯糊状区形貌和凝固末端位置以得出液相穴深度数据和凝固末端位置数据；边界换热方式包括铸坯与辊子间的接触传热、铸坯表面与周围环境间的自然对流换热、铸坯表面与冷却水雾间的强制对流换热，以及铸坯表面向周围环境的辐射散热。

具体实施方式可以采用：物料凝固计算模块可整合各种工艺参数，将其转化为方程求解所需要的边界条件，并将其代入能量守恒方程和浓度守恒方程，进行迭代求解计算，使液相穴深度、凝固末端位置等主要参数的变化及时反馈出来，这些工艺参数包括：浇铸温度、拉坯速度、二次冷却水流量、二冷水温度、环境温度、结晶器液面深度等瞬态参数；结晶器长度、棍列布置、喷嘴布置、喷嘴型号、喷嘴冷态特性、喷嘴热态特性等铸机结构参数；钢种成分、铸坯断面尺寸等工艺参数。

物料凝固计算模块的数值求解模型依据糊状区溶质传输和反扩散理论，严格按照钢液中各种组成成分的含量计算液、固相线温度，并从数据库中调用变热物性参数。

计算铸坯温度分布的能量控制守恒方程为：

$V_c\mathrm{\ρ}{c}_P\frac{\∂T}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+S_1,$

式中：Vc为拉坯速度；ρ为钢水密度；为比热；T为温度；Z为距离弯月面的距离；x为铸坯厚度；y为铸坯宽度；z为铸坯计算区域长度。

数值求解模型考虑组成钢液的各种合金元素，铸坯凝固糊状区温度由不同组元的含量及在合金相图中的液相线斜率决定。溶质守恒方程为：

$T_m=T_p+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_1^i{C}_1^i,$

式中：Tm为糊状区温度；Tp为纯金属的液相线温度；mli为液相线斜率；cli为不同组元在液相中的含量。数值计算方程求解采用TDMA方法迭代计算。

如图3为本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制方法中边界条件计算的流程示意图所示，连铸机结构参数输入模块将连铸机结构转换为边界换热条件的计算方法如下：

铸机结构参数模块首先将铸坯的计算区域划分成设定的网格，依据棍列布置计算棍子与铸坯的接触边界所包含的网格；依据喷嘴布置、二冷各段水量、喷嘴冷态性能参数计算每个喷嘴的水流密度分布，并计算喷嘴水量落到哪些网格上以及每个网格的水流密度。除了与棍子接触的网格、水流密度大于0的网格，其余网格均为自然对流和辐射换热边界，不同边界选用不同的边界换热系数，边界换热系数计算式如下：

h_n＝0.8418(T_s+T_a)^0.33；

h_r＝εσ(T_s ²+T_a ²)(T_s+T_a)；

h_sp＝1570W^0.55[1-0.0075(T_sp-273.15)]/a，

式中：hn为铸坯表面与周围环境间的自然对流换热系数；hr为铸坯表面的辐射散热系数；hsp为铸坯表面与冷却水雾间的换热系数；Ts为铸坯表面温度；Ta为周围环境温度；W为水流密度；Tsp为冷却水雾的温度，K；α为与铸机有关的系数；是辐射系数；是史蒂芬-波尔兹曼常数。

本发明的实施例的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统启动前，首先由连铸机结构参数输入模块将设备参数输入物料凝固计算模块，完成系统的初始化，系统启动后，即由动态参数输入模块不断跟踪连铸机动态参数的变化，连铸机开浇后，物料凝固计算模块即根据当前的工艺参数开始铸坯凝固末端位置计算，并将计算结果传送给电磁搅拌器定位模块，系统根据液相穴深度、凝固末端位置、电磁搅拌强度等实时参数，经过计算后确定一个最佳的电磁搅拌器位置，来实施电磁搅拌器位置的调节，保证电磁搅拌器位置动态跟踪铸坯凝固末端位置，起到最佳的搅拌效果。本发明通过计算动态显示铸坯凝固末端位置，并控制电磁搅拌器动态跟踪铸坯凝固末端位置。本发明解决了常规电磁搅拌中存在的电磁搅拌位置不可调，难以达到理想搅拌目的的问题。结果表明，采用动态电磁搅拌，可准确跟踪铸坯凝固末端位置，有效减少中心偏析、中心缩孔和疏松等连铸坯常见的内部缺陷。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，其特征在于，包括物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块，其中：

所述物料凝固计算模块配置为根据接收到的参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子，根据该因子计算得到目标数据并发送至所述电磁搅拌器定位模块，所述参数包括连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数；

所述电磁搅拌器定位模块包括与电磁搅拌器电连接的控制单元，所述电磁搅拌器定位模块配置为接收并根据所述目标数据确定或调整电磁搅拌器的位置。

2.根据权利要求1所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，其特征在于，还包括分别与所述物料凝固计算模块的输入端电连接的连铸机结构参数输入模块和动态参数输入模块，其中：

所述连铸机结构参数输入模块配置为向所述物料凝固计算模块提供所述设备参数；

所述动态参数输入模块配置为实时地向所述物料凝固计算模块提供所述工况参数。

3.根据权利要求2所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，其特征在于，

所述物料凝固计算模块具体配置为根据所述因子计算得到液相穴深度数据和凝固末端位置数据并发送至所述电磁搅拌器定位模块；

所述电磁搅拌器定位模块具体配置为根据所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据，以及液芯厚度、固相率、物料含碳量和电磁搅拌强度来确定或调整电磁搅拌器的位置。

4.根据权利要求3所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，其特征在于，还包括与所述物料凝固计算模块电连接的专家数据库，所述专家数据库存储有历史工作参数以及历史目标数据，并响应所述物料凝固计算模块的调用请求而向其提供所需的目标数据。

5.根据权利要求4所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统，其特征在于，还包括通信连接于所述物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块并且包括显示单元的上位机，所述上位机配置为根据所述物料凝固计算模块和电磁搅拌器定位模块的信号实时显示液相穴深度、凝固末端位置和电磁搅拌器位置。

6.一种基于如权利要求1所述的在连铸工序中调整电磁搅拌器的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将所述连铸机的设备参数和连铸工序的工况参数先后输入所述物料凝固计算模块；

S2：连铸机开始连铸工序后，所述物料凝固计算模块根据所述参数确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子；

S3：所述物料凝固计算模块根据该因子计算得出目标数据并送至所述电磁搅拌器定位模块；

S4：所述电磁搅拌器定位模块接收所述目标数据并通过所述控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，其中：

步骤S1具体为：由连铸机结构参数输入模块向所述物料凝固计算模块提供所述设备参数，所述设备参数包括结晶器长度、棍列布置、喷嘴布置、喷嘴型号、喷嘴冷态特性、喷嘴热态特性、物料成分以及铸坯断面尺寸；由动态参数输入模块向所述物料凝固计算模块提供所述工况参数，所述工况参数包括拉坯速度。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，其中：

步骤S3中的所述目标数据包括液相穴深度数据和凝固末端位置数据；

步骤S4具体为：所述电磁搅拌器定位模块接收所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据，并结合液芯厚度、固相率、物料含碳量和电磁搅拌强度通过所述控制单元来确定或调整电磁搅拌器的位置。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，其中：

在步骤S2中，所述物料凝固计算模块通过将所述参数代入能量控制守恒方程和溶质守恒方程进行计算以确定对铸坯凝固末端位置产生影响的因子。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，其中：

在步骤S3中，所述物料凝固计算模块以连铸机结构为对象，以二冷区铸坯表面实际水流密度分布和辊子接触传热为边界条件，并根据二冷区的不同的边界换热方式，计算铸坯糊状区形貌和凝固末端位置以得出所述液相穴深度数据和凝固末端位置数据；所述边界换热方式包括铸坯与辊子间的接触传热、铸坯表面与周围环境间的自然对流换热、铸坯表面与冷却水雾间的强制对流换热，以及铸坯表面向周围环境的辐射散热。