CN106077556A - 一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，先获取钢液浇铸初始状态相关参数信息，初始化；再对铸流凝固冷却过程进行预估；铸流切片处于第一段末端时，将计算铸流温度与设定的第一段目标温度进行对比，若两者之差小于一定值，则铸流切片进入下一区段进行计算，否则对第一区段的冷却水量Q进行相应调整，并将铸流切片返回第一区段起始位置，重新计算冷却过程，循环该过程直至计算温度与目标温度接近；当二冷段各个区域内铸流凝固过程满足预期目标，且铸流切片运动至整个二冷段末端时，控制过程满足要求，计算结束。本发明结合具体生产实际，准确的预测钢液在二冷段中的凝固传热过程，为连铸生产提供了可靠判断。

Description

一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法

技术领域

本发明属于先进工业制造控制技术领域，尤其涉及一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法。

背景技术

从结晶器中出来的铸流，其外表虽已形成凝固坯壳，但内部仍处于较高温度液态状态，为促使其凝固，因此，在二冷区对其进行强制冷却。冷却过程中，合理的冷却过程对于生成高质量的铸坯十分关键，该过程应遵循相应的冶金准则。此外，在铸坯内钢液临近凝固结束时，对铸坯实施合理的物理挤压亦有助于铸坯内部质量的提高。为了判断冷却过程是否合理，通常将铸流的表面温度作为判断的依据，而实施动态轻压则需及时掌握铸流的凝固末端位置信息。

针对上述问题，现已提出了部分解决方案，目前，有部分测温仪可对二冷段内铸流表面温度进行检测，但由于其所处工作环境十分恶劣，仪器的可靠性缺乏保证，增加了使用成本。此外，另有关于铸流凝固过程的检测，可通过射钉试验实现，但该方法属于离线分析手段，仍未解决在线实时检测铸流凝固过程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其结合数值计算方法，可及时准确地预测钢液在二冷段内的凝固传热过程，为连铸生产提供了可靠判断。

为此，本发明提供一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，包括如下步骤：

S1、获取钢液浇铸初始状态相关参数信息，初始化；

S2、铸流切片从结晶器内出来后，进入二冷段的第一区段；

S3、将第一区段中冷却水量换算成热力边界条件，代入铸流传热凝固冷却过程计算，对铸流凝固冷却过程进行预估，计算过程中铸流切片以实时拉速往下运行；

S4、铸流切片处于第一区段末端时，将此时的计算铸流温度与设定的第一区段目标温度进行对比，若两者之差小于一定值，则铸流切片进入第二区段进行计算，否则对第一区段的冷却水量Q进行相应调整，并将铸流切片返回第一区段起始位置，重新计算冷却过程，循环该过程直至计算温度与目标温度接近；

S5、当二冷段各个区段的铸流凝固过程满足预期目标，且铸流切片运动至整个二冷段末端时，控制过程满足要求，计算结束；

S6、将二冷段内铸流坯壳表面温度分布信息和结晶器内凝固坯壳过程信息进行直观展示以实现铸流凝固传热过程可视化。

步骤S1中的相关参数包括结晶器冷却水循环量、二冷段各区域冷却水循环量、钢液浇铸温度、拉速和结晶器液位。

数值计算时，初始在计算域内沿拉坯方向按一定距离选定铸流切片，切片以相应的实时拉速不断地进入下一切片的位置，最后一切片移出二冷段计算域，同时在弯月面出重新生成铸流切片，二冷段内所有铸流切片的集合共同构成动态的铸流温度场信息。

步骤S3中，二冷区总目标喷水量的计算方法为：

Q＝a×b×v_cast×ρ×δ，其中：

Q为二冷区总水量，单位[L/min]；a×b为铸流横断面面积，单位[m²]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m³]；δ为比水量(冷却强度)，单位[L/kg]；

沿拉坯方向上距结晶器距离越远的位置，铸流坯壳厚度越大，铸坯表面带走的热量越少，要保持铸坯表面温度相对稳定的降低，则相应的二冷段喷淋水量需依次减少；由于铸坯内部液芯的凝固速度与时间的平方根成反比，当拉速一定时，时间与铸坯长度成正比，则二冷区个段水量的分配可根据下式计算：

$Q_0:Q_1:Q_2:...:Q_n=\frac{1}{\sqrt{H_0}}:\frac{1}{\sqrt{H_1}}:\frac{1}{\sqrt{H_2}}:...:\frac{1}{\sqrt{H_n}};$

其中：

Q＝Q₀+Q₁+Q₂+...+Q_n；

则二冷区第i段的冷却水量可表示为：

$Q_i=\frac{Q\×\frac{1}{\sqrt{H_i}}}{\frac{1}{\sqrt{H_0}}+\frac{1}{\sqrt{H_1}}+\frac{1}{\sqrt{H_2}}+...+\frac{1}{\sqrt{H_n}}};$

式中：Q₀代表零号段水量，Q₁、Q₂、…Q_n分别代表1、2、…n号段的冷却水量，单位[L/min]；H₀、H₁、H₂、…、H_n分别为二冷段各区中心位置处距离结晶器内钢水弯月面的距离，单位[m]；i代表二冷区段号。

通过建立二冷段内铸流的厚度方向上的一维非稳态热传导方程对二冷段内钢液的凝固过程进行预测，所述一维非稳态热传导方程为：

其中：

ρ为密度，单位[kg/m³]；c为比热，单位[J/(kg*℃)]；T为温度，单位[℃]；λ为导热系数，单位[W/(m*℃)]；x为铸流厚度方向坐标，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；为对x坐标的偏导数；F(x，t)为内热源函数。

通过在二冷区部分段布置一定数量的测温探头，实时检测铸流表面温度，并将测量温度与计算温度进行对比，以验证计算的准确性，当计算值与测量值存在较大偏差时，根据测量值对之前换热系数进行修正。具体实现过程为：通过调整铸流表面的换热系数，将铸流表面测点处计算温度与测量温度相比较，当两者相吻合时，确认此时的换热系数才符合实际要求，该过程换热系数值调整方式如下：

h_k+1＝h_k+Δh_k；

${\mathrm{\Δh}}_k=\frac{T^C-T^M}{T^C}\×h_k;$

φ_k(h)＝|(T^C)_k-T^M|；其中：

k为修正迭代次数；h_k为第k次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_k为第k次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；T^C为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^M为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；φ_k(h)为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h多次迭代计算之后，φ_k(h)小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与测量温度值T^M为基本吻合，此时的h_k则被认为是接近实际运行工况的换热系数，因此以此时的换热系数h_k进行铸流凝固传热计算。

当运行工况发生变化时，为确保二冷段内铸流冷却过程仍满足工艺要求，需对铸流的冷却过程加以及时控制，其通过对中间变量换热系数h的调整，使得铸流表面温度值接近工艺目标温度，再将换热系数转换为二冷水量，实施冷却控制：

h_l+1＝h_l+Δh_l；

${\mathrm{\Δh}}_l=\frac{T^C-T^{t\arg et}}{T^C}\×h_l;$

其中：

l为修正迭代次数；h_l为第l次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_l为第l次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；T^C为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^target为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h经多次迭代计算之后，当小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与目标温度值T^M为基本吻合，此时的h_l值则被认为是接近符合目标冷却过程的换热系数，将该换热系数换算为冷却水流量，用于冷却控制。

进一步地，还包括步骤S6：

将二冷段内铸流坯壳表面温度分布信息和结晶器内凝固坯壳过程信息进行直观展示以实现铸流凝固传热过程可视化。

本发明结合具体生产实际，建立相应数值计算模型，计算出二冷段内铸流的热力学状态，并结合设置在二冷段各区域的测温探头实时测温，校正数值计算结果，保证数值仿真的准确性，较为准确地对钢液凝固行为进行预测。此外，针对连铸运行过程发生一定程度变化时，及时准确地对二冷段内各区域冷却水量进行控制，保证二冷段合理的冷却量。

附图说明

图1为本发明提供的所述连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详述。

请参阅图1，本发明提供一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，包括如下步骤：

S1、获取钢液浇铸初始状态相关参数信息，初始化；

S2、铸流切片从结晶器内出来后，进入二冷段的第一区段；

S3、将第一区段中冷却水量换算成热力边界条件，代入铸流传热凝固冷却过程计算，对铸流凝固冷却过程进行预估，计算过程中铸流切片以实时拉速往下运行；

S4、铸流切片处于第一区段末端时，将此时的计算铸流温度与设定的第一区段目标温度进行对比，若两者之差小于一定值，则铸流切片进入第二区段进行计算，否则对第一区段的冷却水量Q进行相应调整，并将铸流切片返回第一区段起始位置，重新计算冷却过程，循环该过程直至计算温度与目标温度接近；

S5、当二冷段各个区段的铸流凝固过程满足预期目标，且铸流切片运动至整个二冷段末端时，控制过程满足要求，计算结束。

需要注意的是，二冷段包括多个区段，每一区段的控制方法均相同，上述过程以第一区段为例进行描述，其余区段参照执行，直至所有区段的铸流凝固过程满足预期目标。

步骤S1中的相关参数包括结晶器冷却水循环量、二冷段各区域冷却水循环量、钢液浇铸温度、拉速和结晶器液位。

数值计算时，初始在计算域内沿拉坯方向按一定距离选定铸流切片，切片以相应的实时拉速不断地进入下一切片的位置，最后一切片移出二冷段计算域，同时在弯月面出重新生成铸流切片，二冷段内所有铸流切片的集合共同构成动态的铸流温度场信息。

为保证二冷段的初始运行，首先对二冷段各区域内目标喷水量进行预估，二冷区总目标喷水量的计算方法为：

Q＝a×b×v_cast×ρ×δ，其中：

Q为二冷区总水量，单位[L/min]；a×b为铸流横断面面积，单位[m²]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m³]；δ为比水量(冷却强度)，单位[L/kg]；

沿拉坯方向上距结晶器距离越远的位置，铸流坯壳厚度越大，铸坯表面带走的热量越少，要保持铸坯表面温度相对稳定的降低，则相应的二冷段喷淋水量需依次减少；由于铸坯内部液芯的凝固速度与时间的平方根成反比，当拉速一定时，时间与铸坯长度成正比，则二冷区个段水量的分配可根据下式计算：

$Q_0:Q_1:Q_2:...:Q_n=\frac{1}{\sqrt{H_0}}:\frac{1}{\sqrt{H_1}}:\frac{1}{\sqrt{H_2}}:...:\frac{1}{\sqrt{H_n}};$

其中：

Q＝Q₀+Q₁+Q₂+...+Q_n；

则二冷区第i段的冷却水量可表示为：

$Q_i=\frac{Q\×\frac{1}{\sqrt{H_i}}}{\frac{1}{\sqrt{H_0}}+\frac{1}{\sqrt{H_1}}+\frac{1}{\sqrt{H_2}}+...+\frac{1}{\sqrt{H_n}}};$

式中：Q₀代表零号段水量，Q₁、Q₂、…Q_n分别代表1、2、…n号段的冷却水量，单位[L/min]；H₀、H₁、H₂、…、H_n分别为二冷段各区中心位置处距离结晶器内钢水弯月面的距离，单位[m]；i代表二冷区段号。

以上过程虽然实现了二冷段的运行，但其铸流内部的凝固过程是否符合要求则难以判断，因此，需通过建立二冷段内铸流的厚度方向上的一维非稳态热传导方程对二冷段内钢液的凝固过程进行预测，所述一维非稳态热传导方程为：

其中：

ρ为密度，单位[kg/m³]；c为比热，单位[J/(kg*℃)]；T为温度，单位[℃]；λ为导热系数，单位[W/(m*℃)]；x为铸流厚度方向坐标，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；为对x坐标的偏导数；F(x，t)为内热源函数。

求解上述方程，还需要相应的初始条件和边界条件，铸流切片的初始条件和边界条件如下：

初始条件：t＝0时，T＝T_cast；

式中T_cast为钢液浇铸温度，单位[℃]。

边界条件：铸流在不同位置处，与周边换热方式存在不同，需分段处理。

结晶器内以热流形式换热：

$q=A-B\sqrt{\frac{z}{V_{cast}}};$

式中：

q为结晶器热流密度，单位[W/m²]；A和B为与结晶器冷却效果相关的参数；z为距离钢水弯月面的距离，单位[m]；V_cast为拉坯速度，单位[m/s]。

二冷段内以对流换热形式，现将其分为铸流与冷却水、铸辊之间的换热和铸流与周围环境的辐射换热两部分。

铸流与喷嘴、铸辊之间的换热系数：

$h_{spray}=\frac{1570w^{0.55}(1-0.0075T_{spray})}{\mathrm{\α}};$

式中：

h_spray为铸流表面与冷却水之间的换热系数，单位[W/(m²*℃)]；w为水流密度，单位[L/(m²*s)]；T_spray为喷嘴冷却水温度，单位[℃]；α为铸机系数，与连铸机结构、辊列布置和喷嘴布局等相关。

铸坯与外界环境之间的辐射换热系数为：

h_rad＝εσ((T_surf+273.15)²+(T_ambient+273.15)²)((T_surf+273.15)+(T_ambient+273.15))；

式中：

h_rad为铸坯表面与外界环境的辐射换热系数，单位[W/(m²*℃)]；ε为铸流表面发射率；σ为史蒂芬—玻尔兹曼常数，单位[1/(m²*K⁴)]；T_surf为铸坯表面温度，单位[℃]；T_ambient为周围环境温度，单位[℃]。

通过在二冷区部分段布置一定数量的测温探头，实时检测铸流表面温度，并将测量温度与计算温度进行对比，以验证计算的准确性，当计算值与测量值存在较大偏差时，根据测量值对之前换热系数进行修正。具体实现过程为：通过调整铸流表面的换热系数，将铸流表面测点处计算温度与测量温度相比较，当两者相吻合时，确认此时的换热系数才符合实际要求，该过程换热系数值调整方式如下：

h_k+1＝h_k+Δh_k；

${\mathrm{\Δh}}_k=\frac{T^C-T^M}{T^C}\×h_k;$

φ_k(h)＝|(T^C)_k-T^M|；其中：

k为修正迭代次数；h_k为第k次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_k为第k次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；T^C为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^M为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；φ_k(h)为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h多次迭代计算之后，φ_k(h)小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与测量温度值T^M为基本吻合，此时的h_k则被认为是接近实际运行工况的换热系数，因此以此时的换热系数h_k进行铸流凝固传热计算。

当运行工况发生变化时，为确保二冷段内铸流冷却过程仍满足工艺要求，需对铸流的冷却过程加以及时控制，其通过对中间变量换热系数h的调整，使得铸流表面温度值接近工艺目标温度，再将换热系数转换为二冷水量，实施冷却控制：

h_l+1＝h_l+Δh_l；

${\mathrm{\Δh}}_l=\frac{T^C-T^{t\arg et}}{T^C}\×h_l;$

其中：

l为修正迭代次数；h_l为第l次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_l为第l次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；T^C为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^target为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h经多次迭代计算之后，当小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与目标温度值T^M为基本吻合，此时的h_l值则被认为是接近符合目标冷却过程的换热系数，将该换热系数换算为冷却水流量，用于冷却控制。

本发明结合具体生产实际，建立相应数值计算模型，计算出二冷段内铸流的热力学状态，并结合设置在二冷段各区域的测温探头实时测温，校正数值计算结果，保证数值仿真的准确性，较为准确地对钢液凝固行为进行预测。此外，针对连铸运行过程发生一定程度变化时，及时准确地对二冷段内各区域冷却水量进行控制，保证二冷段合理的冷却量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取钢液浇铸初始状态相关参数信息，初始化；

S2、铸流切片从结晶器内出来后，进入二冷段的第一区段；

S3、将第一区段中冷却水量换算成热力边界条件，代入铸流传热凝固冷却过程计算，对铸流凝固冷却过程进行预估，计算过程中铸流切片以实时拉速往下运行；

S4、铸流切片处于第一区段末端时，将此时的计算铸流温度与设定的第一区段目标温度进行对比，若两者之差小于一定值，则铸流切片进入第二区段进行计算，否则对第一区段的冷却水量Q进行相应调整，并将铸流切片返回第一区段起始位置，重新计算冷却过程，循环该过程直至计算温度与目标温度接近；

S5、当二冷段各个区段的铸流凝固过程满足预期目标，且铸流切片运动至整个二冷段末端时，控制过程满足要求，计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，步骤S1中的相关参数包括结晶器冷却水循环量、二冷段各区域冷却水循环量、钢液浇铸温度、拉速和结晶器液位。

3.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，在进行步骤S2前，还包括：

数值计算时，初始在计算域内沿拉坯方向按一定距离选定铸流切片，切片以相应的实时拉速不断地进入下一切片的位置，最后一切片移出二冷段计算域，同时在弯月面出重新生成铸流切片，二冷段内所有铸流切片的集合共同构成动态的铸流温度场信息。

4.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，步骤S3中，二冷区总目标喷水量的计算方法为：

Q＝a×b×v_cast×ρ×δ，其中：

Q为二冷区总水量，单位[L/min]；a×b为铸流横断面面积，单位[m²]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m³]；δ为比水量(冷却强度)，单位[L/kg]；

沿拉坯方向上距结晶器距离越远的位置，铸流坯壳厚度越大，铸坯表面带走的热量越少，要保持铸坯表面温度相对稳定的降低，则相应的二冷段喷淋水量需依次减少；由于铸坯内部液芯的凝固速度与时间的平方根成反比，当拉速一定时，时间与铸坯长度成正比，则二冷区个段水量的分配可根据下式计算：

$Q_0:Q_1:Q_2:...:Q_n=\frac{1}{\sqrt{H_0}}:\frac{1}{\sqrt{H_1}}:\frac{1}{\sqrt{H_2}}:...:\frac{1}{\sqrt{H_n}};$

其中：

Q＝Q₀+Q₁+Q₂+...+Q_n；

则二冷区第i段的冷却水量可表示为：

$Q_i=\frac{Q\×\frac{1}{\sqrt{H_i}}}{\frac{1}{\sqrt{H_0}}+\frac{1}{\sqrt{H_1}}+\frac{1}{\sqrt{H_2}}+...+\frac{1}{\sqrt{H_n}}};$

式中：Q₀代表零号段水量，Q₁、Q₂、…Q_n分别代表1、2、…n号段的冷却水量，单位[L/min]；H₀、H₁、H₂、…、H_n分别为二冷段各区中心位置处距离结晶器内钢水弯月面的距离，单位[m]；i代表二冷区段号。

5.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，步骤S3中，通过建立二冷段内铸流的厚度方向上的一维非稳态热传导方程对二冷段内钢液的凝固过程进行预测，所述一维非稳态热传导方程为：

其中：

ρ为密度，单位[kg/m³]；c为比热，单位[J/(kg*℃)]；T为温度，单位[℃]；λ为导热系数，单位[W/(m*℃)]；x为铸流厚度方向坐标，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；为对x坐标的偏导数；F(x，t)为内热源函数。

6.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，步骤S3中，通过在二冷区部分段布置一定数量的测温探头，实时检测铸流表面温度，并将测量温度与计算温度进行对比，以验证计算的准确性，当计算值与测量值存在较大偏差时，根据测量值对之前换热系数进行修正。

7.根据权利要求6所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，具体实现过程为：通过调整铸流表面的换热系数，将铸流表面测点处计算温度与测量温度相比较，当两者相吻合时，确认此时的换热系数才符合实际要求，该过程换热系数值调整方式如下：

h_k+1＝h_k+Δh_k；

${\mathrm{\Δh}}_k=\frac{T^C-T^M}{T^C}\×h_k;$

φ_k(h)＝|(T^C)_k-T^M|；其中：

k为修正迭代次数；h_k为第k次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_k为第k次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；TC为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^M为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；φ_k(h)为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h多次迭代计算之后，φ_k(h)小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与测量温度值T^M为基本吻合，此时的h_k则被认为是接近实际运行工况的换热系数，因此以此时的换热系数h_k进行铸流凝固传热计算。

8.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，步骤S4中，当运行工况发生变化时，为确保二冷段内铸流冷却过程仍满足工艺要求，需对铸流的冷却过程加以及时控制，其通过对中间变量换热系数h的调整，使得铸流表面温度值接近工艺目标温度，再将换热系数转换为二冷水量，实施冷却控制：

h_l+1＝h_l+Δh_l；

${\mathrm{\Δh}}_l=\frac{T^C-T^{t\arg et}}{T^C}\×h_l;$

其中：

l为修正迭代次数；h_l为第l次修正的换热系数值，单位[W/(m²*℃)]；Δh_l为第l次换热系数修正值，单位[W/(m²*℃)]；T^C为铸流表面温度的计算值，单位[℃]；T^target为铸坯表面温度的测量值，单位[℃]；为换热系数修正残差，单位[℃]；

对换热系数h经多次迭代计算之后，当小于某一设定值时，判断计算温度值T^C与目标温度值T^M为基本吻合，此时的h_l值则被认为是接近符合目标冷却过程的换热系数，将该换热系数换算为冷却水流量，用于冷却控制。

9.根据权利要求1所述的一种连铸过程二冷段内铸流凝固预测与控制方法，其特征在于，还包括步骤S6：

将二冷段内铸流坯壳表面温度分布信息和结晶器内凝固坯壳过程信息进行直观展示以实现铸流凝固传热过程可视化。