CN107598146B

CN107598146B - 用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法

Info

Publication number: CN107598146B
Application number: CN201710704703.6A
Authority: CN
Inventors: 肖海健; 陈阳
Original assignee: CCTec Engineering Co Ltd
Current assignee: CCTec Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: CN107598146A

Abstract

本发明公开用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，是用流钢通道截面积Ag来获取塞棒头设定位置h，从而快速匹配Ag值与h值的方法，针对塞棒头与浸入式水口碗部之间各位置特征点的几何关系，建立数学模型，并利用1#、2#和3#算法模块，最终计算出h值，再依据得到h与Ag的函数关系式，进行预控h设定值。本发明用Ag将h准确量化，Ag值通过3#算法模块可以预控h的设定值，提高了控制系统的快速响应时间，通过结晶器液面的液位闭环控制来补偿h值，保持液面稳定。尤其对抑制自动开浇生产过程中出现的结晶器液面波动效果明显。克服现有的液位闭环控制系统需要消耗大量的时间才能得到h值，造成自动开浇阶段结晶器液位大幅波动问题。

Description

用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法

技术领域

本发明涉及用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，具体为通过浸入式水口流钢通道截面积与塞棒棒头上下移动距离的精确关系，预控塞棒头的位置设定值，以满足结晶器液面的精确控制，尤其是自动开浇期间的结晶器液面控制要求，属冶金行业冶金机械技术领域。

背景技术

冶金炼钢连铸行业中，结晶器液面自动控制系统广泛应用于各个钢厂中。其中在自动开浇期间结晶器液面液位波动大一直是结晶器液面控制的难点。在自动开浇期间，结晶器内液位处于动态上升趋势中，流钢通道的钢液流量必需匹配拉坯速度，才能保证液面平稳上升。并且，拉坯速度从零上升到生产拉坯速度有几个阶段，每个阶段拉坯速度是不相同的，每次变速，如果钢液流量动态控制与其不匹配，也会造成液面波动，由于此问题不好解决，好多钢厂放弃使用自动开浇技术，继续采用人工开浇方式生产。

如附图1所示，是结晶器液面自动控制系统示意图，图中主要部件包括：塞棒机构1，浸入式水口2，结晶器3；通过塞棒机构1的上下移动，从而改变塞棒棒头与浸入式水口之间流钢通道的间隙大小，进而控制流入结晶器内钢液的流量；结晶器3中的拉坯速度变化，控制流出结晶器内钢液的流量；当通过流钢通道流入结晶器的钢液流量大于拉坯流出结晶器的钢液流量时，结晶器内液面上升；反之，液面下降；如流入、流出钢液流量相等，液面保持不变。

如附图2所示，是塞棒头4与浸入式水口2沿轴心剖面结构示意图，附图3是当塞棒头提升h高度时所述浸入式水口处的横向剖视图。塞棒头4最下端的形状由2个半径为R1和R2的半圆弧相切组成，且以塞棒头中轴线为中心左右对称；塞棒头圆弧与浸入式水口碗部的间隙形成流钢通道；塞棒头实线和虚线示意的是塞棒头不同位置与浸入式水口之间的间隙，初始状态下间隙为零，流钢通道关闭，钢液不能流入结晶器，当塞棒头垂直上升，流钢通道的间隙变大时，其截面积也随之增加，流入结晶器内的钢液流量就增加；反之，当塞棒头垂直下降，流钢通道的间隙变小，其截面积也随之减小，流入结晶器内的钢液流量就减少。

根据附图2，定义：

垂直向沿塞棒头中心线剖开，当塞棒头放下且与浸入式水口接触，处在关闭位置时，圆弧R1的圆心为O1；

当塞棒头抬起在非关闭位置时，圆弧R1的圆心为O；

在关闭位置时，圆弧R2的圆心为O2，圆弧R1的顶点与中轴线的交点为b0；

圆弧R1和圆弧R2相切的切点处圆弧R1的弦与中轴线的交点为b1；

圆心O2在中轴线上的投影点为b3；

在关闭位置流钢通道的间隙为零时，左右侧圆弧R2与浸入式水口碗部相接触点为分别为c1和c2，该c1和c2二点连成的直线即构成圆弧R2的弦，所述圆弧R2的弦与中轴线的交点为b2；

在非关闭位置流钢通道的间隙为不为零时，圆弧R2的弦在c1-c2上的投影点分别为d1和d2；

流钢通道间隙为c1-d1或c2—d2，流钢通道截面积为圆环A。

根据附图2几何关系，定义：

圆心O1-O2的投影距离为b；

b0-b2的距离为s；

c1-b2的距离为d；

O2-b3的距离为a；

O-O1的距离为h，O1在中轴线移动的距离，即塞棒头相对于关闭点移动的距离；

d1-b2的距离为x，该x值随h值而变化；

b3-d1在中轴线的投影距离为y，所述y值随h值而变化；

为简化描述，定义：

结晶器内液位为Lm；

结晶器内液位上升和下降的速度为Vm；

拉坯速度为Vc；

流入结晶器流钢通道的钢液速度为Vg；

流入结晶器流钢通道的钢液流量Qg；

流出结晶器拉坯通道的钢液流量Qc；

流入结晶器流钢通道截面积为Ag；

b1处横截面对应的流入结晶器流钢通道截面积为Ag₁；

结晶器钢液液面处截面积为Am；

流出结晶器拉坯通道截面积为Ac；

从附图2的几何关系中，我们可看出，塞棒头上升，h值增加，Ag、Qg也随之增加，同时x值减少，如果此时保持Vc不变，那么Vm值为正，Lm增加；h值减少，Ag、Qg也随之减少，同时x值增加，同样保持Vc不变，那么Vm值为负，Lm减少。当h值减少为零，也就是流钢通道关闭时，x为最大值d，此时Ag、Qg、Vm也为零。同样原理，当外部因素稳定时，h值保持不变，即Ag保持不变，Vc值增加，那么Vm值为负，Lm将减少，反之亦然。我们用如下函数关系式表示这一过程：

公式(1)中，Am、Ac、Vc是容易获得的参数值，Vm是设定参数；Ag与Qg是一个函数关系；h与Ag值是一个函数关系；函数f(Qg)不在本发明中表述，我们只用其结果。

综上可知，我们用Ag的值，通过函数g(Ag)得到h设定值，就能快速控制Lm处于增加、减少、保持等状态，精确性、快速性是需要解决的核心问题。

现有结晶器液面控制系统通过液面的液位闭环来控制h值，从而影响Ag值，由于h值与Ag值是一个复杂的函数关系，现有系统，必需经过长时间的闭环运算，才能够得到与此相匹配的h值。其原因是：现有控制系统PID运算的设定值是结晶器内钢水液位L_Set，反馈值是结晶器内钢水液位实际值L_act，它们相比较得到输出值是本文所指的h值。但h值是多少，现有系统是不知道的，它只能依据：当L_act大于L_Set时，h值减少；L_act小于L_Set时，h值增加；L_act等于L_Set时，h值保持不变。通过这种方式逐步逼近合适的h值。从这种控制方法就可看出，h值增加和减少的量值不可能大，不然系统会震荡。由于每次变化量很小，所以系统需要花费较长时间才能得到合适的h值。

特别的，在自动开浇期间，Vm和Vc值不断变化，现有系统无法在短时间内得到与此相匹配的h值，造成结晶器内液面会大幅波动，为了减少这种波动，目前大部分钢厂控制系统采用缓慢改变Vc和Vm的控制方式，显然这延长了开浇时间，降低了铸坯产量和收得率，甚至部分钢厂最终放弃使用自动开浇这一功能，转为人工控制，增加了工人劳动强度。

在现有的公知技术或公开文献中，并未见采用流钢通道截面积Ag来预控塞棒头位置设定值h的方法，也就是说设计一种提前将h值计算出来，然后利用现有系统逐步逼近合适的h值的方法。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出问题，设计一种用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，是用流钢通道截面积Ag来获取塞棒头设定位置h，从而快速匹配Ag值与h值的方法，所述方法的核心控制目标是：利用塞棒头与浸入式水口碗部之间各位置特征点的几何关系得到h与Ag的函数关系式，从而预控h设定值。

本发明的技术方案是：用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，其特征在于:是按如下步骤预先计算出塞棒头应升降距离值h，再通过控制系统精确控制塞棒机构上下移动方法：

首先，以附图2中标注的几何长度为基础，建立坐标系，通过算法模块，获取h值；设定以b3为原点的平面直角坐标系，并以中轴线为y轴，O2-b3延长线为x轴；由此得如下各点在塞棒头处于关闭位置时的对应坐标：

b3(0,0)、b2(0,-b-R1+s)、b0(0,-b-R1)、O2(-a,0)、O1(0，-b)、c1(d,-b-R1+s)、c2(-d,-b-R1+s)；

由于得出：当塞棒头相对于浸入式水口实际上升h时，相当于浸入式水口下降h，以此得到以下各点坐标：

d1(x,y)、O(0,-b+h)；

圆弧R1的圆心坐标(0,-b)；圆弧R2的圆心坐标(-a,0)；R1、R2、s、d、a、b为已知基本参数；

以此建立数学模型：

h＝-(y+b+R₁-S) (5)

由于圆弧R1和圆弧R2相切，所以切点坐标值相等，通过这可求b1的y轴坐标值y1；

设定：通过1#算法模块得到b1点的Ag₁值，通过2#算法模块得到d1点的y值，通过3#算法模块得到O-O1的距离h值；

当Ag满足公式(3)的条件时，则将公式(2)代入公式(3)中，并通过2#算法模块得到d1点的y值；

或者是当Ag满足公式(4)的条件时，则将公式(2)代入公式(4)中，并通过2#算法模块得到d1点的y值；

再将计算出的y值代入公式(5)，并通过3#算法模块得到O-O1的距离h值；

如上所述用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，设立以b3为原点的平面直角坐标系，将浸入式水口作相对于塞棒头上下移动的部件，由此固定b3点的坐标始终为(0,0)；其有益效果是：方便于模型的计算，并考虑至Ag的不同值对h的影响，提高了h的精度，并扩大了圆弧R1和圆弧R2的适用范围；

所述1#～3#算法模块的计算公式分别如下；

⑴1#算法模块

联立公式(3)和公式(4)得：

解方程得：

⑵2#算法模块

⑶3#算法模块

将按2#算法模块得到的y值代入公式(5)

h＝-(y+b+R₁-S)

由此得到O-O1的距离h值。

本发明的有益效果是：

⑴以1#模型算法的结果为条件，选择2#模型算法的结果，通过1#模型算法，本发明能够适用于任意R1、R2，扩大了本发明的适用范围。

⑵2#模型算法考虑了由于R1、R2值不同，尤其是R1值比较大时，塞棒头向上稍微移动，C1-C2就会与圆弧R1相切割，本模型考虑了这一情况的影响，无论R1、R2如何，模型结果是准确数值，不是近似值。

⑶3#算法模块用Ag将h准确量化，Ag值通过3#算法模块可以预控h的设定值，提高了控制系统的快速响应时间。

⑷本发明还可以快速计算出塞棒头的最大行程和有效行程，方便工程设计塞棒机构的参数。当附图3中横向剖视图的阴影部分面积为零时，塞棒头升到最大行程，此时塞棒头再升高也不会影响Ag；当阴影部分面积等于浸入式水口流钢通道截面积时，此处塞棒头升到有效行程，此时塞棒头再升高也不会影响Qg。

附图说明

图1是本发明实施例“用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法”所述结晶器液面自动控制系统示意图；

图2是本发明实施例塞棒头与浸入式水口结构示意图；

附图3是当塞棒头提升h高度时浸入式水口处的横向剖视图。

图1～3中的标记说明：1-塞棒机构，2—浸入式水口，3—结晶器；4—塞棒头。

附图2～3中的其它符号说明：

垂直向沿塞棒头中心线剖开，当塞棒头放下且与浸入式水口接触，处在关闭位置时，圆弧R1的圆心为O1，圆弧R1的顶点与中轴线的交点为b0；

当塞棒头抬起在非关闭位置时，圆弧R1的圆心为O；

在关闭位置时，圆弧R2的圆心为O2；

圆心O2在中轴线上的投影点为b3；

在关闭位置流钢通道的间隙为零时，左右侧圆弧R2与浸入式水口碗部相接触点分别为c1和c2，该c1和c2二点连成的直线即构成圆弧R2的弦，所述圆弧R2的弦与中轴线的交点为b2；

流钢通道间隙为c1-d1或c2—d2，流钢通道截面积为圆环A。

根据附图2几何关系，定义：

圆心O1-O2的投影距离为b；

b0-b2的距离为s；

c1-b2的距离为d；

O2-b3的距离为a；

d1-b2的距离为x，该x值随h值而变化；

b3-d1在中轴线的投影距离为y，所述y值随h值而变化；

为简化描述，定义：

结晶器内液位为Lm；

结晶器内液位上升和下降的速度为Vm；

拉坯速度为Vc；

流入结晶器流钢通道的钢液速度为Vg；

流入结晶器流钢通道的钢液流量Qg；

流出结晶器拉坯通道的钢液流量Qc；

流入结晶器流钢通道截面积为Ag；

b1处横截面对应的流入结晶器流钢通道截面积为Ag₁；

结晶器钢液液面处截面积为Am；

流出结晶器拉坯通道截面积为Ac。

具体实施方式

以下结合附图1～2，对本发明“用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法”实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

如图2所示，塞棒头4最下端的形状由2个半径为R1和R2的半圆弧相切组成，且以中轴线左右对称；塞棒头圆弧与浸入式水口碗部的间隙形成流钢通道；塞棒头实线和虚线示意的是塞棒头不同位置与浸入式水口之间的间隙，初始状态下间隙为零，流钢通道关闭，钢液不能流入结晶器，当塞棒头垂直上升，流钢通道的间隙变大，其截面积也随之增加，流入结晶器内的钢液流量就增加；反之，当塞棒头垂直下降，流钢通道的间隙变小，其截面积也随之减小，流入结晶器内的钢液流量就减少。

从附图2的几何关系中，可看出，塞棒头上升，h值增加，Ag、Qg也随之增加，同时x值减少，如果此时保持Vc不变，那么Vm值为正，Lm增加；h值减少，Ag、Qg也随之减少，同时x值增加，同样保持Vc不变，那么Vm值为负，Lm减少。当h值减少为零，也就是流钢通道关闭时，x为最大值d，此时Ag、Qg、Vm也为零。同样原理，当外部因素稳定时，h值保持不变，即Ag保持不变，Vc值增加，那么Vm值为负，Lm将减少，反之亦然。我们用如下函数关系式表示这一过程：

由此可知，用Ag的值，通过函数g(Ag)得到h设定值，就能快速控制Lm处于增加、减少、保持等状态。

本发明用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，是以附图2中标注的几何长度为基础，建立坐标系，通过算法模块，获取h值；首先建立以b3为原点的平面直角坐标系，并以中轴线为y轴，O2-b3延长线为x轴；由此得出如下各点在塞棒头处于关闭位置时的对应坐标：

塞棒头移动，可视为塞棒头不动，浸入式水口移动，当塞棒头实际上升为h时，相当于浸入式水口下降h，以此得到以下坐标d1(x,y)、O(0,-b+h)；

以此建立数学模型：

h＝-(y+b+R₁-S) (5)

设立以b3为原点的平面直角坐标系，将浸入式水口作相对于塞棒头上下移动的部件，由此固定b3点的坐标始终为(0,0)；方便于模型的计算，并考虑至Ag的不同值对h的影响，提高了h的精度，并扩大了圆弧R1和圆弧R2的适用范围；所述1#～3#算法模块的计算公式分别如下；

1#算法模块：联立公式(3)和公式(4)得：

解方程得：

2#算法模块：

3#算法模块：

将按2#算法模块得到的y值代入公式(5)

h＝-(y+b+R₁-S)

由此得到O-O1的距离h值。

以下通过一个具体实施例进一步详细说明：

塞棒头在关闭位置定义为初始位值，其值为零，也就是初始值h＝0。

为便于说明实施方案，本实施例中，对有关参数设定如下：

Ag＝4000mm²；a＝90.193mm；b＝79.153mm；d＝38.733；s＝32.485mm；R1＝30mm；R2＝150mm。

⑴由1#算法模块负责计算Ag₁

先计算t＝18169.55，将相关参数代入公式(6)和公式(7)。

得到y1＝-79.153*18169.55/(90.193²+79.153)＝-98.941mm；

得到

得到Ag₁＝3.14*(38.733²-22.548²)＝3115.908mm²；

⑵由2#算法模块负责计算y

将相关参数代入公式(8)和公式(9)，以1#算法模块的结果为条件，选择其结果。

Ag＝4000>Ag₁＝3115.908，选择式9结果，得到：

⑶由3#算法模块负责计算h

将相关参数代入公式(5)

得到h＝-(-105.095+79.153+30-32.485)＝28.427mm；

通过以上实例可以看出已知Ag＝4000mm²，通过本发明专利就能快速得到其对应的结果h＝28.427mm，这样将塞棒头快速移动到28.427mm位置处，在此位置，再通过结晶器液面的液位闭环控制来补偿h值，保持液面稳定。如果单纯用现有的液位闭环控制系统需要消耗大量的时间才能得到28.427mm这个值，这期间还要保证Lm设定值不变，如果Lm变化，如自动开浇阶段，目前控制系统无法应对，造成自动开浇阶段结晶器液位大幅波动。

本发明的优点是模型适用于任意Ag，都能提高h的计算精度，下面用数据进行比较分析。

以下是本发明算法提高精度的量化表：

Ag(mm<sup>2</sup>)		Y(mm)	h(mm)	选择有效结果
					2000	公式(8)	－90.557	13.889	√
	公式(9)	－85.184	8.516
						误差(mm)		5.373
4000	公式(8)	－106.866	30.198
						公式(9)	－105.095	28.427	√
	误差(mm)		1.771

通过上述例子，可以看到，如忽略1#算法模块的结果，仅用公式(8)或者公式(9)计算h值，那么得到的最终数据与实际有误差，而这些误差需要控制系统消耗时间去迫近。运用本发明的算法，可以实时得到精确的h值，提高了系统的响应速度，尤其对抑制自动开浇生产过程中出现的结晶器液面波动效果明显。

本发明以1#模型算法的结果为条件，选择2#模型算法的结果，通过1#模型算法，本发明能够适用于任意R1、R2，扩大了本发明的适用范围。2#模型算法考虑了由于R1、R2值不同，尤其是R1值比较大时，塞棒头向上稍微移动，C1-C2就会与圆弧R1相切割，本模型考虑了这一情况的影响，无论R1、R2如何，模型结果是准确数值，不是近似值。3#算法模块用Ag将h准确量化，Ag值通过3#算法模块可以预控h的设定值，提高了控制系统的快速响应时间。

本发明还可以快速计算出塞棒头的最大行程和有效行程，方便工程设计塞棒机构的参数。当附图3中横向剖视图的阴影部分面积为零时，塞棒头升到最大行程，此时塞棒头再升高也不会影响Ag；当阴影部分面积等于浸入式水口流钢通道截面积时，此处塞棒头升到有效行程，此时塞棒头再升高也不会影响Qg。

以上仅为本发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，所述浸入式水口的碗部设置有呈直立状可精确控制升降高度的塞棒头，所述塞棒头的下端形状为二个半径分别为R1和R2的相切的半圆弧，所述半圆弧以塞棒头轴线为中心线左右对称；塞棒头圆弧与浸入式水口碗部的间隙为流钢通道，初始状态下所述间隙为零，流钢通道关闭；当塞棒头垂直上升，流钢通道的间隙截面积由零逐渐增大时，流入结晶器内的钢液流量亦同步增加；当塞棒头垂直下降，流钢通道的间隙截面积亦同步减小；

定义：

当塞棒头抬起在非关闭位置时，圆弧R1的圆心为O；

在关闭位置时，圆弧R2的圆心为O2；

圆心O2在中轴线上的投影点为b3；

在关闭位置流钢通道的间隙为零时，左右侧圆弧R2的弦与浸入式水口碗部相接触点分别为c1和c2，该c1和c2二点连成的直线即构成圆弧R2的弦，所述圆弧R2的弦与中轴线的交点为b2；

流钢通道间隙为c1-d1或c2—d2，流钢通道截面积为圆环A；

由此再定义：

圆心O1-O2的投影距离为b；

b0-b2的距离为s；

c1-b2的距离为d；

O2-b3的距离为a；

d1-b2的距离为x，所述x值随h值而变化；

b3-d1在中轴线的投影距离为y，所述y值随h值而变化；

结晶器内液位为Lm；

结晶器内液位上升和下降的速度为Vm；

拉坯速度为Vc；

流入结晶器流钢通道的钢液速度为Vg；

流入结晶器流钢通道的钢液流量Qg；

流出结晶器拉坯通道的钢液流量Qc；

流入结晶器流钢通道截面积为Ag；

b1处横截面对应的流入结晶器流钢通道截面积为Ag₁；

结晶器钢液液面处截面积为Am；

流出结晶器拉坯通道截面积为Ac；

根据以上设定，当塞棒头上升，h值增加，Ag、Qg值也随之增加，同时x值减少，若保持Vc不变，那么Vm值为正，Lm增加；

当塞棒头下降，h值减少，Ag、Qg也随之减少，同时x值增加，若保持Vc不变，那么Vm值为负，Lm减少；

当流钢通道关闭时，h值减少为零，x为最大值d，此时Ag、Qg、Vm也为零；

当外部因素稳定时，h值保持不变，即Ag保持不变，Vc值增加，那么Vm值为负，Lm将减少，反之亦然；

用如下函数关系式表示这一过程：

公式(1)中，Am、Ac、Vc是容易获得的参数值，Vm是设定参数；Ag与Qg是一个函数关系；h与Ag值是一个函数关系；

用Ag的值，通过函数g(Ag)得到h设定值，就能快速控制Lm处于增加、减少、保持等状态；

其特征在于：所述用浸入式水口流钢通道截面积预控塞棒头位置的方法，是按如下步骤预先计算出塞棒头应升降距离值h，再通过控制系统精确控制塞棒机构上下移动方法：

建立以b3点为原点的平面直角坐标系，以塞棒头轴线为y轴，O2-b3延长线为x轴，b3点的坐标始终为(0,0)；由此得出如下各点在塞棒头处于关闭位置时的对应坐标：

由此，当塞棒头相对于浸入式水口实际上升h时，相当于浸入式水口下降h，以此得到以下坐标：

d1(x,y)、O(0,-b+h)；

圆弧R1的圆心坐标(0,-b)；

圆弧R2的圆心坐标(-a,0)；

R1、R2、s、d、a、b为已知基本参数；

以此建立数学模型：

h＝-(y+b+R₁-s) (5)

所述1#算法模块的计算公式如下；

联立公式(3)和公式(4)得：

解方程得：

所述2#算法模块的计算公式如下：

所述3#算法模块的计算公式如下：

将按2#算法模块得到的y值代入公式(5)

h＝-(y+b+R₁-s)

由此得到O-O1的距离h值。