CN106238695A - 一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，结合具体生产实际，建立相应数值计算模型，计算出结晶器内钢液、结晶器铜壁的热力学状态，并结合预埋在结晶器铜壁中热电偶实时测温，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，连铸运行过程发生一定程度变化时，及时准确地对结晶冷却水量进行控制，保证结晶器正常稳定生产，为后续生产工艺提供相应的条件。

Description

一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法

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结晶器内铸流凝固预测控制方法。

背景技术

结晶器是由带有凹槽的铜壁组成的封闭整体，现有技术条件下，缺乏对结晶内铸流表面温度、凝固厚度的实时直接有效检测手段，使得生产过程中难以实时掌握结晶器内钢液的凝固行为。

现有技术中，为了判断结晶器内铸流表面温度信息的技术手段，通常是通过在结晶器铜壁中布置一定数量热电偶，通过对结晶器铜壁温度的测量，对铸流凝固过程进行间接判断，该方法虽有一定成效，但仍为正真解决铸流表面温度的测量问题。

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结晶器内铸流凝固预测控制方法，结合数值计算方法，及时准确预测钢液在结晶器中的凝固传热过程，可为连铸生产提供可靠判断。

为此，本发明提供一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，包括如下步骤：

S1、在计算域内沿拉坯方向按一定距离同时选定结晶器铜壁和铸流横切片，切片以相应的实时拉速不断的进入下一切片的位置，最后一切片移出结晶器计算域，同时在弯月面处重新生成铸流切片，结晶器内所有切片的集合共同构成动态的温度场信息；

S2、实时求解结晶器中铜壁和铸流的热传导方程，在连铸运行状态发生变化时，通过计算方法，根据计算结果及时调整结晶器冷却装置以有效应对运行状态的变化，保证可靠连铸生产。

进一步地，还包括步骤S3：

结合预埋在结晶器内的热电偶实时测温，及时校正计算结果、确保铸流凝固预测的准确性。

进一步地，还包括步骤S4：

在结晶器后续工艺目标发生变化时，实时计算出相应结晶器内运行变量值，作为结晶器内钢液凝固行为控制基础。

进一步地，还包括步骤S5：

将结晶器内铸流坯壳表面温度分布和结晶器内凝固坯壳厚度进行直观展示，实现铸流凝固传热过程可视化。

所述步骤S2中，根据结晶器热量平衡，单位时间内结晶器内钢水释放热量与冷却水带走热量相等，计算得到结晶器所需目标冷却水量q_mold，并依据结晶器所需目标冷却水量q_mold加水用于结晶器的初始运行，所述结晶器所需目标冷却水量q_mold的计算方法为：

q_mold＝Q/(c_w×ΔT)，其中：

Q为结晶器内钢水释放能量，单位[KJ/min]；c_w为冷却水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；ΔT为结晶器进出口水温差，单位[℃]。

所述结晶器内钢水释放能量Q的计算方法为：

Q＝L×d_m×v_cast×ρ×[Cl(T_c-T_l)+ΔH+Cs(T_s-T_o)]，其中：

L为结晶器周边长，单位[m]；d_m为结晶器平均坯壳厚度，单位[m]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m3]；Cl为钢水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；Cs为固态钢比热，单位[KJ/(kg*℃)]；T_c为钢液浇铸温度，单位[℃]；T_l为液相线温度，单位[℃]；T_s为固相线温度，单位[℃]；ΔH为钢液凝固潜热，单位[KJ/kg]；T_o为出结晶器坯壳温度，单位[℃]。

所述步骤S2中，需对结晶器内钢液的凝固过程进行预测，通过建立结晶器铜壁和钢液统一形式的二维非稳态热传导方程，通过求解如下方程而得到：

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，y为坐标值，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；分别为对x、y坐标的偏导数。

结晶器切片的初始条件为t＝0时，T＝T_copper；边界条件为和其中：

T_copper为铜壁初始温度，单位[℃]；q_c为结晶器冷面/冷却水界面热流密度，单位[W/m²]；h_w为冷却水对流换热系数，单位[W/(m²*℃)]；T_m为结晶器冷面温度，单位[℃]；T_w为冷却水温度，单位[℃]；q_宽面为结晶器热面/板坯宽面热流密度，单位[W/m²]；q_窄面为结晶器热面/板坯窄面热流密度，单位[W/m²]；

铸流切片的初始条件为初始条件：t＝0时，T＝T_cast；边界条件为和其中：

T_cast为钢液浇铸温度，单位[℃]。

结晶器/铸坯界面的热流密度q_宽面、q_窄面通过在铜壁中布置热电偶，反算对应界面的热流，确定界面热流之后，获得传热边界条件带入铸流切片进行凝固传热计算，最终实现对结晶器内铸流凝固过程的预测。

当运行工况发生一定程度变化时，为了满足铸流出结晶器时的工艺要求，铸流出结晶器时需满足一定厚度的凝固坯壳厚度，因此需对结晶器内循环冷却水进行调整，调整的方法为：

在运行工况变化前结晶器参数基础上，调整冷却水循环量，实现过程以凝固厚度为依据，控制结晶器内冷却水循环量，具体控制如下：

$q_d^{k+1}=q_d^k+{\mathrm{\Δq}}_d^k;$

其中：

k为迭代次数；为当前迭代热流值，单位[W/m²]；为第上次迭代热流值，单位[W/m²]；为上次迭代修正热流值，单位[W/m²]；为结晶器出口坯壳厚度计算值，单位[mm]；结晶器出口坯壳厚度目标值，单位[mm]；

当计算厚度值与目标厚度值之差的绝对值小于某一值时，满足控制精度要求，将修正后最终的热流密度计算(q_d)^k转化为冷却水循环量，用于铸流凝固过程的控制。

本发明提供的所述连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，结合具体生产实际，建立相应数值计算模型，计算出结晶器内钢液、结晶器铜壁的热力学状态，并结合预埋在结晶器铜壁中热电偶实时测温，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，连铸运行过程发生一定程度变化时，及时准确地对结晶冷却水量进行控制，保证结晶器正常稳定生产，为后续生产工艺提供相应的条件。

附图说明

图1为本发明提供的所述连铸过程结晶器内滞留凝固预测控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详述。

根据连铸板坯传热的特点，可知结晶器内热传递过程中，铸流热量绝大部分由冷却水带走，忽略拉坯方向的传热，将凝固传热转化为二维非稳态问题，冷却水对结晶器从底部到顶部的整个壁面进行冷却，冷却水温度从水槽入口至出口的温度处理为线性变化，结晶器的铜壁的物性参数不随温度变化，钢的物性参数则为温度的函数。

因此，请参阅图1，本发明提供一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，包括如下步骤：

S1、在计算域内沿拉坯方向按一定距离同时选定结晶器铜壁和铸流横切片，切片以相应的实时拉速不断的进入下一切片的位置，最后一切片移出结晶器计算域，同时在弯月面处重新生成铸流切片，结晶器内所有切片的集合共同构成动态的温度场信息；

S2、实时求解结晶器中铜壁和铸流的热传导方程，在连铸运行状态发生变化时，通过计算方法，根据计算结果及时调整结晶器冷却装置以有效应对运行状态的变化，保证可靠连铸生产；

S3、结合预埋在结晶器内的热电偶实时测温，及时校正计算结果、确保铸流凝固预测的准确性；

S4、在结晶器后续工艺目标发生变化时，实时计算出相应结晶器内运行变量值，作为结晶器内钢液凝固行为控制基础；

S5、将结晶器内铸流坯壳表面温度分布和结晶器内凝固坯壳厚度进行直观展示，实现铸流凝固传热过程可视化。

所述步骤S2中，根据结晶器热量平衡，单位时间内结晶器内钢水释放热量与冷却水带走热量相等，计算得到结晶器所需目标冷却水量q_mold，并依据结晶器所需目标冷却水量q_mold加水用于结晶器的初始运行，所述结晶器所需目标冷却水量q_mold的计算方法为：

q_mold＝Q/(c_w×ΔT)，其中：

Q为结晶器内钢水释放能量，单位[KJ/min]；c_w为冷却水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；ΔT为结晶器进出口水温差，单位[℃]。

所述结晶器内钢水释放能量Q的计算方法为：

Q＝L×d_m×v_cast×ρ×[Cl(T_c-T_l)+ΔH+Cs(T_s-T_o)]，其中：

L为结晶器周边长，单位[m]；d_m为结晶器平均坯壳厚度，单位[m]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m3]；Cl为钢水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；Cs为固态钢比热，单位[KJ/(kg*℃)]；T_c为钢液浇铸温度，单位[℃]；T_l为液相线温度，单位[℃]；T_s为固相线温度，单位[℃]；ΔH为钢液凝固潜热，单位[KJ/kg]；T_o为出结晶器坯壳温度，单位[℃]。

所述步骤S2中，需对结晶器内钢液的凝固过程进行预测，通过建立结晶器铜壁和钢液统一形式的二维非稳态热传导方程，通过求解如下方程而得到：

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，y为坐标值，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；分别为对x、y坐标的偏导数。

结晶器切片的初始条件为t＝0时，T＝T_copper；边界条件为和其中：

T_copper为铜壁初始温度，单位[℃]；q_c为结晶器冷面/冷却水界面热流密度，单位[W/m²]；h_w为冷却水对流换热系数，单位[W/(m²*℃)]；T_m为结晶器冷面温度，单位[℃]；T_w为冷却水温度，单位[℃]；q_宽面为结晶器热面/板坯宽面热流密度，单位[W/m²]；q_窄面为结晶器热面/板坯窄面热流密度，单位[W/m²]；

铸流切片的初始条件为初始条件：t＝0时，T＝T_cast；边界条件为和其中：

T_cast为钢液浇铸温度，单位[℃]。

结晶器/铸坯界面的热流密度q_宽面、q_窄面通过在铜壁中布置热电偶，反算对应界面的热流，确定界面热流之后，获得传热边界条件带入铸流切片进行凝固传热计算，最终实现对结晶器内铸流凝固过程的预测。

具体实现过程是通过调整结晶器/铸坯界面的热流密度值，将结晶器铜壁内测点处计算温度与测量温度相比较，当两者相吻合时，确认此时的结晶器/铸坯界面的热流密度才满足实际要求，该过程热流密度值调整方式如下：

首先赋初值q⁰；

宽面：(q⁰)_宽面＝(q_w)_宽面ρ_wc_w(ΔT_w)_宽面/(h*W)；

窄面：(q⁰)_窄面＝(q_w)_窄面ρ_wc_w(ΔT_w)_窄面/(h*D)；

随之，进行结晶器铜壁温度场计算，获取测点处温度计算值和测量值之后，宽面和窄面的热流密度值通过以下计算进行迭代修正：

q^l+1＝q^l+Δq^l；

其中：

q⁰为初始迭代热流密度值，单位[W/m²]；(q⁰)_宽面为宽面热流密度初始值，单位[W/m²]；(q⁰)_窄面为窄面热流密度初始值，单位[W/m²]；ρ_w为冷却水密度，单位[kg/m³]；c_w为冷却水比热，单位[J/(kg*℃)]；(ΔT_w)_宽面为宽面冷却水进出口温差，单位[℃]；(ΔT_w)_窄面为窄面冷却水进出口温差，单位[℃]；h为结晶器液位高度，单位[m]；W为铸流宽度，单位[m]；D为铸流厚度，单位[m]；l为迭代次数；q^l+1为当前迭代热流值，单位[W/m²]；q^l为第上次迭代热流值，单位[W/m²]；Δq^l为上次迭代修正热流值，单位[W/m²]；T^M为测点测量温度值，单位[℃]；T^C为测点计算温度值，单位[℃]。

当计算温度与测量温度之差的绝对值小于某一值时，则停止热流密度值的修正迭代，并保存计算得到的热流密度值，带入铸流边界，求解铸流凝固传热过程。

当运行工况发生一定程度变化时，为了满足铸流出结晶器时的工艺要求，铸流出结晶器时需满足一定厚度的凝固坯壳厚度，因此需对结晶器内循环冷却水进行调整，调整的方法为：

在运行工况变化前结晶器参数基础上，调整冷却水循环量，实现过程以凝固厚度为依据，控制结晶器内冷却水循环量，具体控制如下：

$q_d^{k+1}=q_d^k+{\mathrm{\Δq}}_d^k;$

其中：

k为迭代次数；为当前迭代热流值，单位[W/m²]；为第上次迭代热流值，单位[W/m²]；为上次迭代修正热流值，单位[W/m²]；为结晶器出口坯壳厚度计算值，单位[mm]；结晶器出口坯壳厚度目标值，单位[mm]；

当计算厚度值与目标厚度值之差的绝对值小于某一值时，满足控制精度要求，将修正后最终的热流密度计算(q_d)^k转化为冷却水循环量，用于铸流凝固过程的控制。

本发明提供的所述连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，结合具体生产实际，建立相应数值计算模型，计算出结晶器内钢液、结晶器铜壁的热力学状态，并结合预埋在结晶器铜壁中热电偶实时测温，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，连铸运行过程发生一定程度变化时，及时准确地对结晶冷却水量进行控制，保证结晶器正常稳定生产，为后续生产工艺提供相应的条件。

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 (10)

1.一种连铸过程结晶器内铸流凝固预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在计算域内沿拉坯方向按一定距离同时选定结晶器铜壁和铸流横切片，切片以相应的实时拉速不断的进入下一切片的位置，最后一切片移出结晶器计算域，同时在弯月面处重新生成铸流切片，结晶器内所有切片的集合共同构成动态的温度场信息；

S2、实时求解结晶器中铜壁和铸流的热传导方程，在连铸运行状态发生变化时，通过计算方法，根据计算结果及时调整结晶器冷却装置以有效应对运行状态的变化，保证可靠连铸生产。

2.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，还包括步骤S3：

结合预埋在结晶器内的热电偶实时测温，及时校正计算结果、确保铸流凝固预测的准确性。

3.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，还包括步骤S4：

在结晶器后续工艺目标发生变化时，实时计算出相应结晶器内运行变量值，作为结晶器内钢液凝固行为控制基础。

4.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，还包括步骤S5：

将结晶器内铸流坯壳表面温度分布和结晶器内凝固坯壳厚度进行直观展示，实现铸流凝固传热过程可视化。

5.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据结晶器热量平衡，单位时间内结晶器内钢水释放热量与冷却水带走热量相等，计算得到结晶器所需目标冷却水量q_mold，并依据结晶器所需目标冷却水量q_mold加水用于结晶器的初始运行，所述结晶器所需目标冷却水量q_mold的计算方法为：

q_mold＝Q/(c_w×ΔT)，其中：

Q为结晶器内钢水释放能量，单位[KJ/min]；c_w为冷却水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；ΔT为结晶器进出口水温差，单位[℃]。

6.根据权利要求5所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，所述结晶器内钢水释放能量Q的计算方法为：

Q＝L×d_m×v_cast×ρ×[Cl(T_c-T_l)+ΔH+Cs(T_s-T_o)]，其中：

L为结晶器周边长，单位[m]；d_m为结晶器平均坯壳厚度，单位[m]；v_cast为拉速，单位[m/min]；ρ为钢的密度，单位[kg/m3]；Cl为钢水比热，单位[KJ/(kg*℃)]；Cs为固态钢比热，单位[KJ/(kg*℃)]；T_c为钢液浇铸温度，单位[℃]；T_l为液相线温度，单位[℃]；T_s为固相线温度，单位[℃]；ΔH为钢液凝固潜热，单位[KJ/kg]；T_o为出结晶器坯壳温度，单位[℃]。

7.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，需对结晶器内钢液的凝固过程进行预测，通过建立结晶器铜壁和钢液统一形式的二维非稳态热传导方程，通过求解如下方程而得到：

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，y为坐标值，单位[m]；t为时间，单位[s]；对时间t的偏导数；分别为对x、y坐标的偏导数。

8.根据权利要求7所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于：

结晶器切片的初始条件为t＝0时，T＝T_copper；边界条件为和其中：

T_copper为铜壁初始温度，单位[℃]；q_c为结晶器冷面/冷却水界面热流密度，单位[W/m²]；h_w为冷却水对流换热系数，单位[W/(m²*℃)]；T_m为结晶器冷面温度，单位[℃]；T_w为冷却水温度，单位[℃]；q_宽面为结晶器热面/板坯宽面热流密度，单位[W/m²]；q_窄面为结晶器热面/板坯窄面热流密度，单位[W/m²]；

铸流切片的初始条件为初始条件：t＝0时，T＝T_cast；边界条件为和其中：

T_cast为钢液浇铸温度，单位[℃]。

9.根据权利要求8所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于：结晶器/铸坯界面的热流密度q_宽面、q_窄面通过在铜壁中布置热电偶，反算对应界面的热流，确定界面热流之后，获得传热边界条件带入铸流切片进行凝固传热计算，最终实现对结晶器内铸流凝固过程的预测。

10.根据权利要求1所述的一种连铸过程结晶器内铸流预测控制方法，其特征在于，当运行工况发生一定程度变化时，为了满足铸流出结晶器时的工艺要求，铸流出结晶器时需满足一定厚度的凝固坯壳厚度，因此需对结晶器内循环冷却水进行调整，调整的方法为：

在运行工况变化前结晶器参数基础上，调整冷却水循环量，实现过程以凝固厚度为依据，控制结晶器内冷却水循环量，具体控制如下：

$q_d^{k+1}=q_d^k+{\mathrm{\Δq}}_d^k;$

其中：

k为迭代次数；为当前迭代热流值，单位[W/m²]；为第上次迭代热流值，单位[W/m²]；为上次迭代修正热流值，单位[W/m²]；为结晶器出口坯壳厚度计算值，单位[mm]；结晶器出口坯壳厚度目标值，单位[mm]；

当计算厚度值与目标厚度值之差的绝对值小于某一值时，满足控制精度要求，将修正后最终的热流密度计算(q_d)^k转化为冷却水循环量，用于铸流凝固过程的控制。