CN109492317B - 基于连铸机二维温度场仿真方法及监控模型的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于连铸机二维温度场仿真方法及模型的运行方法，该仿真方法包括：获取连铸机各程级的温度场仿真计算参数信息，所述温度场仿真计算参数信息包含浇铸钢种与工艺参数；分割从结晶器弯月面到监控区出口的仿真计算区域生成多个切片单元；将所述切片单元划分为多个线程，利用多线程技术计算各个所述切片单元的二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场；根据所述连铸机的浇铸条件动态跟踪各个所述切片单元，得到所述连铸机的温度场信息。本发明提高了温度场仿真计算速度，以此为基础构建监控模型提升了运行速度，确保了监控模型的顺畅运行，避免发生卡顿现象，满足了在线控制要求。

Description

基于连铸机二维温度场仿真方法及监控模型的运行方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金连铸技术领域，特别是涉及一种基于连铸机二维温度场的仿真方法及监控模型的运行方法。

背景技术

连铸过程是一个铸坯温度场连续变化的过程，不合理的铸坯温度分布往往会导致裂纹等诸多质量缺陷，因此对铸坯温度场进行动态的跟踪监测和优化控制是获得高质量铸坯的前提和保证。在实际生产过程中，由于连铸环境恶劣，连铸过程在线监测与控制一直是个难题。随着计算机仿真技术的进步，利用基于凝固传热数学模型的数值模拟对铸坯凝固温度场进行动态仿真已成为解决这一难题的重要途径。以连铸机实时在线温度场仿真计算结果为基础的监控模型在连铸机生产过程中发挥着越来越重要的作用。其在线仿真计算结果的准确性和全面性将直接影响监控模型的使用效果。

随着连铸技术的不断发展和钢铁行业市场竞争的日益加剧，对以连铸机实时在线温度场仿真计算结果为基础的监控模型提出了更高的要求。因此，连铸机实时在线温度场仿真计算需要全面考虑连铸机拉坯方向上和铸坯宽度方向上冷却差异的基础上，使连铸机实时在线温度场仿真计算从一维变化到二维，是全面准确获取连铸机在线温度场的重要基础。可以提升监控模型的使用效果，对最终的铸坯质量控制意义重大。

然而，现有连铸机温度场仿真计算从一维变化到二维，仿真计算的数据量将成倍的增加，极易造成以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型出现卡顿现象(监控模型耗时短，可以忽略不计)，这种现象即使只偶尔发生一次，也是绝对不允许发生的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于连铸机二维温度场的仿真方法及监控模型的运行方法，用于解决现有技术中有连铸机实时在线二维温度场仿真计算时运行周期长，无法满足在线控制的要求的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于连铸机二维温度场的仿真方法，包括：

获取连铸机各程级的温度场仿真计算参数信息，所述温度场仿真计算参数信息包含浇铸钢种与工艺参数；

分割从结晶器弯月面到监控区出口的仿真计算区域生成多个切片单元；

将所述切片单元划分为多个线程，利用多线程技术计算各个所述切片单元的二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场；

根据所述连铸机的浇铸条件动态跟踪各个所述切片单元，得到所述连铸机的温度场信息。

于本发明的一实施例中，每个所述切片单元的凝固传热导热微分方程包括铸坯厚度方向节点的传热和铸坯宽度方向节点的传热。

于本发明的一实施例中，每个所述切片单元相互之间为独立的，且与其前一个计算周期信息关联。

于本发明的一实施例中，所述线程相互之间为独立的，且所述线程运行方式为并行。

于本发明的一实施例中，每个所述切片单元的冷却边界条件包括拉速方向上与铸坯横向上的冷却差异。

于本发明的一实施例中，所述将所述切片单元划分为多个线程，利用多线程技术计算各个所述切片单元的二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场的步骤，包括：

每个所述线程根据其对应的切片单元当前所处位置确定其传热边界条件，基于其上一个时刻对应的温度场，结合每个所述切片单元当前经历的时长与空间步长，对每个切片单元的离散网格节点执行凝固传热数值计算，获得当前时刻每个所述切片单元相应的温度场。

本发明的另一目的在于提供一种基于连铸机二维温度场的监控模型的运行方法，包括：

利用上述基于连铸机二维温度场的仿真方法获取所述连铸机的温度场信息；

构建以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型；

所述监控模型根据接收的所述温度场信息调整所述连铸机的各扇形段辊缝值与二冷分区的水量。

于本发明的一实施例中，所述监控模块的运算耗时小于1秒。

于本发明的一实施例中，所述监控模型与连铸机实时在线二维温度场仿真计算处于同一进程中。

如上所述，本发明为基于连铸机二维温度场的仿真方法及监控模型的运行方法，具有以下有益效果：

本发明从铸坯厚度方向和铸坯宽度方向获取每个切片单元的温度数据，通过多线程计算各个所述切片单元二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场，实时仿真计算二维温度场信息；提高了温度场仿真计算速度，以此为基础构建监控模型提升了运行速度，确保了监控模型的顺畅运行，避免发生卡顿现象，满足了在线控制要求。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于连铸机二维温度场的仿真方法流程图；

图2为本发明提供的一种以连铸机温度场为基础的监控模型运行速度的方法流程图；

图3为本发明提供的一种一维温度场仿真计算差分网格划分示意图；

图4为本发明提供的一种二维温度场仿真计算差分网格划分示意图；

图5为本发明提供的一种连铸机仿真计算区域的空间离散化示意图；

图6至图8分别为本发明提供的一种连铸机二维温度场实时在线温度场示意图；

图9为本发明提供的一种以连铸机温度场为基础的监控模型的控制流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为本发明提供的一种基于连铸机二维温度场的仿真方法流程图，包括：

步骤S1，获取连铸机各程级的温度场仿真计算参数信息，所述温度场仿真计算参数信息包含浇铸钢种与工艺参数；

步骤S2，分割从结晶器弯月面到监控区出口的仿真计算区域生成多个切片单元；

步骤S3，将所述切片单元划分为多个线程，利用多线程技术计算各个所述切片单元的二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场；

其中，每个所述切片单元的凝固传热导热微分方程包括铸坯厚度方向节点的传热和铸坯宽度方向节点的传热；每个所述切片单元的冷却边界条件包括拉速方向上与铸坯横向上的冷却差异；

步骤S4，根据所述连铸机的浇铸条件动态跟踪各个所述切片单元，得到所述连铸机的温度场信息。

其中，每个所述线程根据其对应的切片单元当前所处位置确定其传热边界条件，基于其上一个时刻对应的温度场，结合每个所述切片单元当前经历的时长与空间步长，对每个切片单元的离散网格节点执行凝固传热数值计算，获得当前时刻每个所述切片单元相应的温度场。

在本实施例中，由于所述切片单元相互之间为独立的，且与其前一个计算周期信息关联；所述线程相互之间为独立的，且所述线程运行方式为并行，使得基于连铸机二维温度场的仿真速度得到大幅度提升，提高了计算温度场信息的效率。

请参阅图2，为本发明提供一种基于连铸机二维温度场的监控模型的运行方法，包括：

步骤S5，利用上述基于连铸机二维温度场的仿真方法获取所述连铸机的温度场信息；

步骤S6，构建以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型；

步骤S7，所述监控模型根据接收的所述温度场信息调整所述连铸机的各扇形段辊缝值与二冷分区的水量。

在本实施例中，所述监控模型与连铸机实时在线二维温度场仿真计算处于同一计算机中的同一进程中，所述监控模型与连铸机实时在线二维温度场仿真计算所在进程为可见进程，监控模型是以连铸机实时在线二维温度场仿真数据为基础建立的，因此，通过程序实时在线仿真计算连铸机二维温度场的耗时必须小于1秒，即，以连铸机实时在线二维温度场仿真计算基础的监控模型运算耗时小于1秒钟。

本实施例中，温度场中的每个切片单元包括铸坯厚度方向节点的温度数据和铸坯宽度方向节点的温度数据，根据所述温度场数据构建基于连铸机实时在线二维温度场监控模型，本实施例中的浇铸参数包括连铸机生产厚度和宽度、生产钢种、拉速、浇铸温度、结晶器水量和温升、各二冷区水量等，通过建立连铸机温度场仿真数学模型，并根据浇铸参数对连铸机实时在线温度场仿真计算。由于目前的监控模型(如动态二冷配水模型和动态轻压下模型)都只考虑了连铸机拉坯方向上的冷却差异，忽略铸坯宽度方向上的冷却不均匀现象，即监控模型都是以连铸机实时在线一维温度场仿真计算为基础。如图3所示，其结果是：无法对连铸坯横向上的温度分布不均进行二冷水的动态调节，造成了铸坯的热应力增大，易导致引起许多铸坯质量问题；无法根据连铸坯的横向和纵向上的凝固形貌特征来确定最佳的轻压下压下位置，使得动态轻压下改善铸坯中心偏析和中心疏松的效果不是很稳定。但是如果连铸机实时在线温度场仿真计算从一维变化到二维，仿真计算数据量成倍的增加，如图4所示，其具体对比分析数据如表1所示。

表1

通过对比分析可以看出：二维温度场仿真计算比一维温度场仿真计算温度节点数增加了100倍，并且以其为基础的监控模型的计算量也会成倍的增加，如原来一维温度场仿真计算加上监控模型总的耗时最长时间只需几百毫秒，则二维温度场仿真计算加上监控模型总的耗时最长时间会达到秒级以上，那么以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型就会出现卡顿现象。本实施例通过将连铸机中的所有切片单元，划分成若干个组，每一个组对应一个线程，每个线程对其所有包含的切片单元进行二维凝固传热导热微分方程求解，这样就可以成倍的缩短温度场仿真计算的时间，可以大幅度的提高以连铸机实时在线温度场仿真计算为基础的动态响应速度，尤其是以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型响应速度，满足在线控制的要求。

某钢厂采用直弧形连铸机生产断面为250mm×1870mm铸坯，生产钢种为Q235，工作拉速为1.0m/min，浇铸温度为1539℃，生产过程中使用以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型来实时监视连铸机的二维温度场的变化，动态控制各二冷回路的水量，动态调整各扇形段的辊缝值。

请参阅图9，本发明提供的一种以连铸机温度场为基础的监控模型的控制流程示意图，详述如下：

1.初始化模型参数

启动以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型，初始化铸机结构参数：辊列数据信息、二冷分区信息、结晶器信息等；温度场仿真计算参数：空间步长、时间步长、切片间距、模拟仿真计算周期；各二冷分区喷嘴水流密度离线测试参数。

2.实时读取浇铸参数

从(连铸机各程级L1、L2和L3)实时读取浇铸钢种钢号、工艺参数(浇铸温度、拉速、结晶器冷却水量及温升、各二冷区控制回路水量等)等温度场仿真计算参数信息

3.仿真计算区域的空间离散化

采用“有限厚度切片单元”的方法来对计算域空间进行离散，如图3所示。拉坯方向上每两个相邻切片单元的间距取为恒定值(100mm)。每个切片单元从弯月面处产生，在监控区出口位置处消失，其在连铸机中的总停留时间可定义为生命周期。在稳态工况条件下，各切片单元的生命周期完全相同，而在非稳态工况条件下则可能有所差异，具体取决于浇铸时间范围内拉坯速度等参数的变化。

从初始生成时刻开始，每个切片单元在整个监控区域范围内的冷却过程将被完整地跟踪，其经历的传热边界条件(包括结晶器和二次冷却区)由切片单元距弯月面的距离来确定。在每一个跟踪周期内，实时读取当前浇铸钢种的浇铸温度(中间包过热度)，并将其赋予弯月面位置处新生成的切片单元上，另外还实时读取当前的浇铸速度、各面结晶器冷却水流量、各面结晶器冷却水进出口温差、各二冷区控制回路冷却水量及二冷水温度，其中，拉坯速度会影响到全部切片单元上，其它浇铸信息则会影响到在具体冷却区域对应的切片单元上。

4.基于多线程技术对所有的切片单元进行二维凝固传热导热微分方程求解

通过适当的假设，对计算区域建立二维凝固传热的控制方程。二维凝固传热导热微分方程如下：

式中，T是温度，℃；τ为时间，S；x为铸坯厚度方向距离，m；y为铸坯宽度方向距离，m；ρ为钢的密度，kg/m³；C_eff为有效比热，J/(kg·℃)；λ_eff为有效导热系数，J/(m·S·℃)。

传热边界条件分为结晶器、二次冷却区、空冷区。对于结晶器热流分布采用以下经验公式进行计算。

以上公式中，各参数定义如下：q_m是结晶器中心纵向上热流密度，W/m²；A、B是常数；Z是切片离弯月面的距离，m；Vc指拉坯速度，m/s；k是热流修正系数。

对于结晶器内的边界条件，其冷却水量、温升、钢类(不同钢类的凝固收缩率及传热性能都有差异)等的差异对结晶器传热的影响，可通过修正系数K进行修正。系数A、B根据实际情况和实验计算得到，它跟结晶器结构、钢类、保护渣传热性能等有关(本次计算A＝2680000，B＝335000)。

在结晶器内铸坯在横向上的气隙产生并不完全一样，传热边界条件也不尽相同。连铸坯角部同时受到宽面和窄面方向上的冷却，凝固的越快，气隙产生的也越快，角部的气隙也越大。本文中模型在铸坯角部的热流取为相应铸坯表面中心平均热流的1/n，即热流密度从铸坯表面中心位置的100％逐渐变化到角部的1/n(本次计算n取值为3.8)。

铸坯在各二冷区传热采用以下公式进行计算：

q_s＝h·(T_s-T_w) (3)

式中，h为喷水冷却传热系数，W/(m²·℃)；T_s为铸坯表面温度，℃；T_w为喷淋冷却水温度，℃；

h＝f·Ha·W^Hn·(1-Hb·Tw) (4)

式中：h为水冲击传热系数；f为描述二冷水冷却效果的喷淋系数，其具体取值视连铸机的二冷区结构特点而定；Ha、Hn和Hb均为常数，其取值分别为1570、0.55和0.0075；W为水流密度，L/(m²·s)；Tw为冷却水温度，℃。

铸坯在各二冷区中横向上的水流密度分布通过如下方法获得：

1)根据连铸机各二冷分区控制回路的个数，确定各二冷分区需要组合测试的类型；

2)确定各控制回路中组合测试时需要参与的喷嘴个数；

3)通过测试获得各控制回路喷嘴组合时在各类型喷嘴最佳调节范围内铸坯宽度方向上的水流密度分布情况；

4)获得每个二冷区中每个控制回路的实时流量；

5)根据步骤3)和步骤4)获取的结果，通过比例关系获取各二冷区水流密度的分布；

6)根据各二冷区喷嘴距铸坯中心的实际安装位置，平移步骤5)获取的各二冷区水流密度的分布结果。

通过以上获得的各二冷分区中铸坯横向上的水流密度分布情况，根据凝固传热仿真模型中网格节点与测试水流密度中网格节点的相对位置关系，通过插值计算的方法，就可以获得当前水量下模型中相对应的网格节点的水流密度大小。

铸坯在空冷区的传热由以下公式进行计算：

q_k＝a·δ·((T_s+273)⁴-(T_h+273)⁴) (5)

式中：δ为Stefan Boltzmann常数，值为5.67×10^-2W·m^-2·K^-4；a为铸坯的表面黑度，一般可取值为0.85，T_s为铸坯表面温度，℃；T_h为环境温度，℃；

本次计算对公式(1)进行有限差分求解，整理后获得：

式中，

为节点(i,j)在时刻k的温度；Δx为铸坯宽度方向的空间步长；Δy为铸坯厚度方向的空间步长；Δτ为时间步长；λ_eff,1、λ_eff,2、λ_eff,3和λ_eff,4分别为对应(/>

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)的两个节点温度下的有效导热系数的加权平均值。o(Δτ+ΔxΔy)为差分方程的截断误差。忽略上式中的截断误差，根据能量守恒定律，引入铸坯表面传热，就可以推导得到对应铸坯求解域各个区域节点的差分方程。

在每个跟踪周期内,将连铸机中的所有切片单元，划分成4个组(本次计算)，每一个组对应一个线程，每个线程首先根据每个切片单元当前所处的位置确定其传热边界条件，然后基于其上一个时刻对应的温度场，并结合每个切片单元当前经历的时间和空间步长，对每个切片单元上的离散网格节点执行凝固传热数值计算，从而获得当前时刻每个切片单元相应的温度场。每个线程都是独立和并行运行的，这样就可以极大的缩短温度场仿真计算的时间。

5.切片单元动态跟踪管理并且获取整台连铸机的温度场信息

在铸机未启动前，切片单元个数的初始值赋为零；开浇后，在第一个计算周期内，第一个切片单元从弯月面处生成(编号1)且以当前的拉速朝下移动，若此时拉速很高以使得切片单元1的移动距离超过了100mm，则在该周期内会同时生成多个新的切片单元(具体个数取决于切片单元1至弯月面的距离)；在第二个乃至以后的计算周期内(铸机尚未充满钢水前)，已有的切片单元继续以当前拉速向前移动，且保持其编号不变，而是否会生成新的切片单元则取决于铸机中最后一个切片单元(对应于最大编号)至弯月面的距离；随着板坯在连铸机中的持续前进，当位于最前方的切片单元(可能超过1个，取决于拉速和计算周期)到达监控区域出口时其生命周期即告结束，此时仍停留在铸机范围内的有“生命”的切片单元对应的编号将作出相应变化，如当切片单元1消失后，切片单元2的编号则相应减小为1，依此类推，切片单元编号发生变化时，其相应的温度场等信息也跟随着变化；拉尾坯方式启动后，此时不会再有新的切片单元从弯月面处生成，随着越来越多的切片单元在铸机出口位置处的消失，整个铸机范围内的有“生命”的切片单元数目逐渐减少，直至为零。

每个切片单元包含有距离弯月面距离、温度场等信息，综合这些信息就可以获得连铸机当前时刻任何位置的温度场信息了，如图6至图8所示。

6.监控模型根据温度场信息进行实时在线动态监控

以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型实时监视连铸机的二维温度场的变化，动态控制各二冷回路的水量，动态调整各扇形段的辊缝值等，最终达到控制铸坯质量的目的。

生产过程中，采用了该方法的以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型响应速度成倍的提高，运行十分流畅，没有卡顿的现象发生，满足了在线监控的要求；同时，本发明对所生产的钢种无特殊要求，可以用于目前各厂生产的各种钢种。另外，本发明对连铸机拉速无特殊要求，适用于各种拉速，本发明适用于各种类型的连铸机。

综上所述，本发明从铸坯厚度方向和铸坯宽度方向获取每个切片单元的温度数据，通过多线程计算各个所述切片单元二维凝固传热导热微分方程得到相应的温度场，实时仿真计算二维温度场信息；提高了温度场仿真计算速度，以此为基础构建监控模型提升了运行速度，确保了监控模型的顺畅运行，避免发生卡顿现象，满足了在线控制要求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于连铸机二维温度场的仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取连铸机各程级的温度场仿真计算参数信息，所述温度场仿真计算参数信息包含浇铸钢种与工艺参数；

分割从结晶器弯月面到监控区出口的仿真计算区域生成多个切片单元；

将所述连铸机的所有切片单元划分成若干个组，每组对应一个线程，每个线程对其所有包含的切片单元进行二维凝固传热导热微分方程求解得到相应的温度场；其中，每个所述线程根据其对应的切片单元当前所处位置确定其传热边界条件，每个所述切片单元的冷却边界条件包括拉速方向上与铸坯横向上的冷却差异，所述二维凝固传热导热微分方程包括铸坯厚度方向节点的传热和铸坯宽度方向节点的传热；基于其上一个时刻对应的温度场，结合每个所述切片单元当前经历的时长与空间步长，对每个切片单元的离散网格节点执行凝固传热数值计算，获得当前时刻每个所述切片单元相应的温度场，所述传热边界条件分为结晶器、二次冷却区、空冷区；

根据所述连铸机的浇铸条件动态跟踪各个所述切片单元，得到所述连铸机的温度场信息。

2.根据权利要求1所述的基于连铸机二维温度场的仿真方法，其特征在于，每个所述切片单元相互之间为独立的，且与其前一个计算周期信息关联。

3.根据权利要求1所述的基于连铸机二维温度场的仿真方法，其特征在于，所述线程相互之间为独立的，且所述线程运行方式为并行。

4.一种基于连铸机二维温度场的监控模型的运行方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1至3中任一项中所述基于连铸机二维温度场的仿真方法获取所述连铸机的温度场信息；

构建以连铸机实时在线二维温度场仿真计算为基础的监控模型；

所述监控模型根据接收的所述温度场信息调整所述连铸机的各扇形段辊缝值与二冷分区的水量。

5.根据权利要求4所述的基于连铸机二维温度场的监控模型的运行方法，其特征在于，所述监控模块的运算耗时小于1秒。

6.根据权利要求4所述的基于连铸机二维温度场的监控模型的运行方法，其特征在于，所述监控模型与连铸机实时在线二维温度场仿真计算处于同一进程中。

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