CN107457378A - 连铸板坯三维动态配水水量设定及可控轻压下实现的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金连铸工艺技术领域。涉及一种三维动态二冷配水水量设定及可控轻压下实现的方法。所述三维动态二冷配水水量设定的方法包括建立三维动态二冷配水模型和二冷配水水量的设定。本发明在二冷水量控制过程中考虑了铸坯表面横向温度分布和冷态铸机的冷却能力的影响，同时考虑了不同季节对铸坯表面温度的影响，使二冷配水模型的计算结果更接近真实，进而优化了二冷配水工艺。可控轻压下考虑了铸坯中心温度和边部温度，计算所得固相率与实际固相率更接近，所以计算得到的压下段位置也更准确，压下效果更好。

Description

连铸板坯三维动态配水水量设定及可控轻压下实现的方法

技术领域

本发明属于连铸工艺技术领域，具体涉及一种连铸板坯三维动态配水水量设定及可控轻压下的方法。

背景技术

目前连铸二冷配水主要分为两种模式，一是静态配水，即冷却水和拉速直接关联，二冷水量随拉速的提高而增加，静态配水没有考虑铸坯的热滞后状态，非稳态浇注时(拉速变化时)铸坯的表面温度会发生明显的升温或降温。二是动态配水，其基本思想是以奥钢联提出的坯龄模型为基础，将铸坯分解成若干微小切片，上部切片经过一定时间转移到下部，即对下部切片的铸坯温度产生影响；动态配水通过设定各冷却区出口的表面温度，采用坯龄模型反算出铸坯各冷却区所需要的冷却水量，解决了非稳态浇注下铸坯温度的波动问题，奥钢联提出采用动态二冷配水后，当滞坯时间小于5min时，铸坯表面的温度波动小于±30℃。动态二冷配水是2000年以后发展起来，2008年后在国内迅速发展，目前国内板坯连铸机几乎80％采用了动态配水。国外较为成熟的是奥钢联和西马克研发的动态配水模型；国内中冶京城、中冶赛迪以及中冶连铸等冶金设计院相续也开发了动态配水模型，并陆续在各自设计的连铸机上投入使用，均获得了良好的效果，尤其对铸坯表面质量的改善效果明显。但实际上二冷区铸坯表面的冷却水量分布是不均匀的，而目前的动态二冷配水是一维的，无法输入二冷水量这一复杂的边界条件，也不能准确确定铸坯的角部温度，因此造成反算的二冷冷却水量不准确。

板坯连铸轻压下是指在凝固末端合适的两相区区间内利用铸机夹持辊或其他专门设备在线对板坯实施一定量的压下，用以抵消板坯凝固末端的体积收缩，减轻铸坯中心宏观偏析及中心疏松程度的连铸过程压力加工技术。轻压下技术可分为静态轻压下和动态轻压下，静态轻压下主要是在浇铸前预先设定好辊缝，按照设定的拉速和工艺条件进行浇铸，静态轻压下可操作性和抗外界干扰能力强，调控误差小，但可调性和适应能力差，且功能单一。动态轻压下可控性强，比较灵活，可远距离调整辊缝和辊缝收缩，能跟踪凝固末端实施压下，压下范围大，但调控误差大，技术要求高。相比之下，动态轻压下技术比静态轻压下更具优势。随着轻压下相关技术的不断完善，动态轻压下将越来越显示其优越性。目前，国际上已成功应用动态轻压下技术的公司主要有奥钢联VAI、德国西马克德马格(SMSDemag)、日本住友重机和意大利达涅利等。虽然轻压下技术已经相对成熟，但仍存在五点问题：(1)目前应用的轻压下模型以VAI模型为主，压下区间在几个扇形段内，输出时完全依据计算的中心固相率，而实际生产中板坯横截面温度呈现W形状，中心温度与边部温度不相等，从而给计算带来一定误差。(2)在二维模型中，铸坯中心固相率与宽度无关，在相同拉速条件下，不同宽度，其压下位置相同。(3)由于未考虑复杂的横向边界条件，模型不能给出铸坯最终凝固终点的W形状。(4)生产中往往无法考虑到现场设备及其运行状态对压下过程的影响，如当压下段位于铸机矫直段时，压下效果很差甚至导致更严重的铸坯质量问题。(5)当设备运行出现故障如轧辊损坏或者传感器漂移等，无法及时的反馈到控制台而压下过程仍继续则同样会影响压下效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种连铸板坯三维动态配水水量设定及可控轻压下实现的方法，所述三维动态配水水量设定是通过建立三维动态二冷配水模型后，根据现场生产条件和生产要求反向计算得到铸坯浇铸时的二冷区冷却水量，将计算得到的二冷区冷却水量信号发给现场PLC，由PLC控制执行器，完成冷却水量的控制。同时，根据轻压下需求，冷却水量随拉速的改变而变化，冷却水量是通过所述三维动态二冷配水模型的反算功能计算得到的，进而实现对轻压下过程中压下位置的控制。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，所述方法包括数据采集、建立三维动态二冷配水模型和铸坯冷却水量的设定；

所述数据采集包括：检测不同季节的铸坯表面温度分布和不同时刻浇铸时铸机的温度，记录为数据A。

进一步地，所述建立三维动态二冷配水模型包括：

以凝固理论为基础，所述数据A为参数，以铸坯宽度、铸坯长度和铸坯厚度为三个方向建立空间坐标系；最终建立三维动态二冷配水模型；

所述三维动态二冷配水模型用于实现在线显示、跟踪及控制，直观准确地给出铸坯中心及角部温度，以及铸坯典型位置的坯壳厚度和液芯形貌。

进一步地，所述铸坯长度和铸坯厚度的方向采用坯龄模型，所述铸坯宽度的方向采用分块模型。

进一步地，所述铸坯表面的温度分布包括铸坯表面的中心、边部和角部温度。

进一步地，所述三维动态二冷配水模型包括三维动态二冷配水在线模型和三维动态二冷配水离线模型；

所述三维动态二冷配水离线模型是所述三维动态二冷配水在线模型的模型参数参考。

进一步地，所述铸坯冷却水量的设定包括：

根据目标温度，利用所述三维动态二冷配水模型反算出各冷却区水量，将计算冷却水量信号发给现场PLC，由PLC控制执行器，完成水量的设定。

进一步地，所述三维动态配水模型反算过程包括：

首先建立凝固传热差分方程，然后选择相应的参数和条件，随后对所述凝固传热差分方程采用显式和隐式组合而成的交替方向隐式差分法建立交替隐式差分方程并设定初始条件和边界条件，最后求解交替隐式差分方程的数值，即为冷却区的水量。

进一步地，所述检测不同浇铸时刻铸坯的表面温度用于确定不同浇铸时刻的铸机的冷却能力；

所述检测不同季节浇铸时铸坯的表面温度用于确定不同季节及不同浇铸时刻的铸机的冷却能力。

进一步地，所述三维动态二冷配水模型配备不同钢种计算所需的冶金数据库。

进一步地，所述方法还包括模型参数评价与校正；所述模型参数评价与校正包括：通过现场测温结果给出现有配水模型参数所需的校正量，对所述三维动态二冷动态配水模型进行参数评价和校正。

进一步地，所述建立三维动态二冷配水模型采用具有交互式软件开发特点，又具有数据库接口功能的开发工具Visual C++6.0在WINXP系统平台上进行开发，以便于和用户已有的模型进行配合，使用Access数据库进行存储，另外，在用户计算机上添加一个切换按钮，用于在所建立动态配水控制系统和厂家原有的静态配水控制系统之间进行切换，使生产过程更加的安全。

进一步地，所述三维动态二冷配水在线模型利用连铸坯凝固传热数学模型，在控制方法上采用坯龄模型，并将编制的所述三维动态二冷配水离线模型作为所述三维动态二冷配水在线模型的模型参数参考。

一种连铸板坯可控轻压下实现的方法，所述可控轻压下实现的方法包括：

首先，确定板坯的固相率：以传统固相率计算方法为基础，加入板坯的边部温度，建立凝固差分方程计算得到铸坯的固相率；

然后，确定铸坯上对应的压下位置：以用户要求的固相率范围为基础，轻压下位置的确定分为以下两种情况：

①依照现有拉速，当压下位置和轧辊位置对应时，则正常进行压下过程；

②依照现有拉速，当压下位置和轧辊位置不对应时，计算压下段进行到

目标轧辊下所需的理论拉速，然后将现有拉速调至计算得到的理论拉速，以

使铸坯向前进行时，压下段正好处在目标轧辊下面，进而实施压下过程。

进一步地，所述②步中将现有拉速调至计算得到的理论拉速时，改变的拉速对应的冷却水量通过所述三维二冷配水模型计算得到。

进一步地，所述可控轻压下实现的方法中为考虑现场设备及其运行状态对所述可控轻压下过程的影响，将压下段控制在设定的扇形段内或者运行良好的扇形段内；在进行所述建立凝固传热差分方程计算时遵循以下原则，包括：

a).实施反向计算时一定要考虑铸坯中心温度和边部温度，从而使计算的固相率接近实际固相率；

b).将所述可控轻压下过程控制在1～2个扇形段内；

c).以a)和b)两个原则为前提，将所述可控轻压下过程控制在设备运行状态正常的扇形段内。

本发明至少有如下有益效果：

(1)本发明的一种连铸板坯三维动态二冷配水及可控轻压下的方法，建立的三维动态二冷配水模型与传统的二维配水模型相比，本发明的三维动态二冷配水模型所进行的计算是以铸坯表面中心温度的测量结果为主，并兼顾了铸坯的边部及角部温度。

(2)本发明的连铸板坯三维动态二冷配水水量设定的方法中，通过检测不同浇铸时刻铸坯的表面温度来确定不同浇铸时刻铸机的冷却能力，确保了铸机开浇时，冷却水量可以随着冷态铸机的冷却能力而改变，当冷态铸机的冷却能力大，相应的冷却水量随之适当减小，当冷态铸机的冷却能力小，相应的冷却水量随之适当增大。

(3)本发明的连铸板坯三维动态二冷配水水量设定的方法中，通过检测不同季节浇铸时铸坯的表面温度来确定不同季节浇铸时的铸机的冷却能力，确保了冷却水量可以随着季节的变化而变化，例如冬季气温较低相应的冷却水量应小，夏季气温较高相应的冷却水量应大。

(4)本发明的连铸板坯三维动态二冷配水水量设定的方法较目前的动态配水主要考虑了横向铸坯表面温度，包括中心温度，边部温度和角部温度，同时考虑了开浇时纵向冷态铸机对铸坯表面温度的影响以及不同季节对冷却水量的影响。

(5)本发明的连铸板坯三维动态二冷配水水量设定的方法在建立三维动态二冷配水模型前研究了铸坯表面横向温度分布和不同时刻冷态铸机的冷却能力，同时研究了不同季节对铸坯表面温度的影响，使本发明建立的三维动态二冷配水模型的计算结果更接近真实，进而优化了二冷配水工艺。

(6)本发明中的可控轻压下实现的方法在计算固相率时同时将板坯的中心温度和边部温度考虑进来，使计算得到的固相率与实际固相率更接近，即计算更准确。

(7)本发明中的可控轻压下实现的方法在固相率的基础上有目的地选择更适合进行压下的轧辊工作，而不是传统的所有轧辊随铸坯的移动而工作。

附图说明

图1为本发明模型编制功能过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

本实施例提供一种连铸板坯配水水量设定的方法，如图1所示，所述方法包括数据采集、建立三维动态二冷配水模型和铸坯冷却水量的设定；

所述数据采集包括：检测不同季节的铸坯表面温度分布和不同时刻浇铸时铸机的温度，记录为数据A。

所述建立三维动态二冷配水模型包括：

以凝固理论为基础，所述数据A为参数，以铸坯宽度、铸坯长度和铸坯厚度为三个方向建立空间坐标系；最终建立三维动态二冷配水模型；

所述三维动态二冷配水模型用于实现在线显示、跟踪及控制，直观准确地给出铸坯中心及角部温度，以及铸坯典型位置的坯壳厚度和液芯形貌。

所述铸坯长度和铸坯厚度的方向采用坯龄模型，所述铸坯宽度的方向采用分块模型。

所述铸坯表面的温度分布包括铸坯表面的中心、边部和角部温度。

所述三维动态二冷配水模型包括三维动态二冷配水在线模型和三维动态二冷配水离线模型；

所述三维动态二冷配水离线模型是所述三维动态二冷配水在线模型的模型参数参考。

所述铸坯冷却水量的设定包括：

根据目标温度，利用所述三维动态二冷配水模型反算出各冷却区水量，将计算冷却水量信号发给现场PLC，由PLC控制执行器，完成水量的设定。

所述三维动态配水模型反算过程包括：

首先建立凝固传热差分方程，然后选择相应的参数和条件，随后对所述凝固传热差分方程采用显式和隐式组合而成的交替方向隐式差分法建立交替隐式差分方程并设定初始条件和边界条件，最后求解交替隐式差分方程的数值，即为冷却区的水量。

所述检测不同浇铸时刻铸坯的表面温度用于确定不同浇铸时刻的铸机的冷却能力；

所述检测不同季节浇铸时铸坯的表面温度用于确定不同季节及不同浇铸时刻的铸机的冷却能力。

所述三维动态二冷配水模型配备不同钢种计算所需的冶金数据库。

所述方法还包括模型参数评价与校正；所述模型参数评价与校正包括：通过现场测温结果给出现有配水模型参数所需的校正量，对所述三维动态二冷动态配水模型进行参数评价和校正。

所述建立三维动态二冷配水模型采用具有交互式软件开发特点，又具有数据库接口功能的开发工具Visual C++6.0在WINXP系统平台上进行开发，以便于和用户已有的模型进行配合，使用Access数据库进行存储，另外，在用户计算机上添加一个切换按钮，用于在所建立动态配水控制系统和厂家原有的静态配水控制系统之间进行切换，使生产过程更加的安全。

所述三维动态二冷配水在线模型利用连铸坯凝固传热数学模型，在控制方法上采用坯龄模型，并将编制的所述三维动态二冷配水离线模型作为所述三维动态二冷配水在线模型的模型参数参考。

一种连铸板坯可控轻压下实现的方法，所述可控轻压下实现的方法包括：

首先，确定板坯的固相率：以传统固相率计算方法为基础，加入板坯的边部温度，建立凝固差分方程计算得到铸坯的固相率；

然后，确定铸坯上对应的压下位置：以用户要求的固相率范围为基础，轻压下位置的确定分为以下两种情况：

①依照现有拉速，当压下位置和轧辊位置对应时，则正常进行压下过程；

②依照现有拉速，当压下位置和轧辊位置不对应时，计算压下段进行到

目标轧辊下所需的理论拉速，然后将现有拉速调至计算得到的理论拉速，以

使铸坯向前进行时，压下段正好处在目标轧辊下面，进而实施压下过程。

进一步地，所述②步中将现有拉速调至计算得到的理论拉速时，改变的拉速对应的二冷水量通过所述三维二冷配水模型计算得到。

所述可控轻压下实现的方法中为考虑现场设备及其运行状态对所述可控轻压下过程的影响，将压下段控制在设定的扇形段内或者运行良好的扇形段内；在进行所述建立凝固传热差分方程反算的计算时遵循以下原则：

a).由于凝固末端W形状的存在，实施反向计算时一定要考虑铸坯中心温度和边部温度，从而保证计算的固相率接近实际固相率；

b).将所述可控轻压下过程控制在1～2个扇形段内；

c).以a)和b)两个原则为前提，将所述可控轻压下过程控制在设备运行状态正常的扇形段内。

所述建立的凝固传热差分方程为：

其中：t表示时间，s；

λ表示导热系数，W/(m·℃)；

ρ表示铸坯密度，kg/m³；

C表示铸坯比热容，j/(kg·℃)；

Δx、Δy表示各方向所选取微元；

η为分配系数。i,j表示所选取的铸坯内部不同节点；

k表示迭代步数。

当η＝0时为显式，只有满足一定的空间和时间步长的情况下，差分方程才能保证计算的稳定性；当η＝1时为隐式，差分方程无条件稳定。求解时对方程采用显式和隐式组合而成的交替方向隐式差分法。

由于求解全隐式差分求解传热问题计算量庞大，需要时间较长，为了缩短计算时间，采用交替方向隐式差分法方法，方程更容易求解，采用显式和隐式组合而成的交替方向隐式差分法；

当x方向为显式，y方向为隐式时，前1/2时间步长k→k+1/2的差分方程为：

当x方向为隐式，y方向为显式时，后1/2时间步长k+1/2→k+1的差分方程为：

在进行所述建立凝固传热差分方程反算的计算时，尽量使压下段在同一个扇形段；避开矫直段，特别是半径变化较大的矫直扇形段；保证扇形段运行状态良好，避免在出现设备运行故障的扇形段内进行压下过程。

实施所述可控轻压下过程时，应避免在半径较大的矫直扇形段进行压下。在所述三个原则的前提下，当压下位置和目标轧辊位置对应时，则正常进行压下过程；当压下位置和目标轧辊位置不对应时，计算压下段进行到目标轧辊下所需的理论拉速，然后将现有拉速调至计算得到的理论拉速，以使铸坯向前进行时，压下段正好处在目标轧辊下面，进而实施压下过程。当拉速改变时，对应的二冷水量也相应变化，二冷水量的变化是通过所述三维动态二冷配水模型反算功能得到的。

所述三维动态二冷配水模型运用凝固理论和传热理论将连铸坯实现微元化，将整个铸坯分解为多个微元体，运用所述坯龄模型对所述微元体实现动态计算和跟踪，进而研究整个铸坯的冷却凝固状态。包括提出导热微分方程的假设条件、建立凝固传热微分方程、二维切片跟踪模型的微分方程。

所述二维切片跟踪模型的微分方程的建立包括：跟踪模型的初始条件、建立切片跟踪模型的凝固传热差分方程、导热系数的选择。

Claims (10)

1.一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述方法包括数据采集、建立三维动态二冷配水模型和铸坯冷却水量的设定；

所述数据采集包括：检测不同季节的铸坯表面温度分布和不同时刻浇铸时铸机的温度，记录为数据A。

2.根据权利要求1所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述建立三维动态二冷配水模型包括：

以凝固理论为基础，所述数据A为参数，以铸坯宽度、铸坯长度和铸坯厚度为三个方向建立空间坐标系；最终建立三维动态二冷配水模型；

所述三维动态二冷配水模型用于实现在线显示、跟踪及控制，直观准确地给出铸坯中心及角部温度，以及铸坯典型位置的坯壳厚度和液芯形貌；

所述铸坯长度和铸坯厚度的方向采用坯龄模型，所述铸坯宽度的方向采用分块模型。

3.根据权利要求1所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述铸坯表面的温度分布包括铸坯表面的中心、边部和角部温度。

4.根据权利要求2所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述三维动态二冷配水模型包括三维动态二冷配水在线模型和三维动态二冷配水离线模型；

所述三维动态二冷配水离线模型是所述三维动态二冷配水在线模型的模型参数参考。

5.根据权利要求1所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述铸坯冷却水量的设定包括：

根据目标温度，利用所述三维动态二冷配水模型反算出各冷却区水量，将计算冷却水量信号发给现场PLC，由PLC控制执行器，完成水量的设定。

6.根据权利要求5所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述三维动态配水模型反算过程包括：

首先建立凝固传热差分方程，然后选择相应的参数和条件，最后对所述凝固传热差分方程采用显式和隐式组合而成的交替方向隐式差分法建立交替隐式差分方程并设定初始条件和边界条件、最后求解交替隐式差分方程的数值，即为冷却区的水量。

7.根据权利要求1所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述三维动态二冷配水模型配备不同钢种计算所需的冶金数据库。

8.根据权利要求1所述的一种连铸板坯三维动态配水水量设定的方法，其特征在于，所述方法还包括模型参数评价与校正；

所述模型参数评价与校正包括：通过现场测温结果给出现有配水模型参数所需的校正量，对所述三维动态二冷动态配水模型进行参数评价和校正。

9.一种连铸板坯可控轻压下实现的方法，其特征在于，所述可控轻压下实现的方法包括：

首先，确定板坯的固相率：以传统固相率计算方法为基础，加入板坯的边部温度，建立凝固差分方程计算得到铸坯的固相率；

然后，确定铸坯上对应的压下位置：以用户要求的固相率范围为基础，轻压下位置的确定分为以下两种情况：

①依照现有拉速，当压下位置和目标轧辊位置对应时，则正常进行压下过程；

②依照现有拉速，当压下位置和目标轧辊位置不对应时，计算压下段进行到目标轧辊下所需的理论拉速，然后将现有拉速调至计算得到的理论拉速，以使铸坯向前进行时，压下段正好处在目标轧辊下面，进而实施压下过程。

10.根据权利要求9所述的一种连铸板坯可控轻压下实现的方法，其特征在于，所述可控轻压下实现的方法中为考虑现场设备及其运行状态对所述可控轻压下过程的影响，将压下段控制在设定的扇形段内或者运行良好的扇形段内；

在进行所述建立凝固传热差分方程计算时遵循以下原则，包括：

a).实施反向计算时一定要考虑铸坯中心温度和边部温度，从而使计算的固相率接近实际固相率；

b).将所述可控轻压下过程控制在1~2个扇形段内；

c).以a)和b)两个原则为前提，将所述可控轻压下过程控制在设备运行状态正常的扇形段内。