CN114905023A - 一种板坯连铸冷却控制方法、系统、介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种板坯连铸冷却控制方法、系统、介质及电子设备，通过先按照稳态特征的板坯连铸过程查询基础冷却介质表，获取冷却介质量，并根据冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；当板坯单元运动到第二冷却分区中时，如果存在工艺参数的波动，则会导致位于第二冷却分区中的板坯单元的实际温度值与目标温度值不一致，此时获取温度值的偏差，并根据偏差采用闭环调节的方式对第二冷却分区中的冷却介质量进行调节，使得板坯单元在后续的冷区过程中得到冷却补偿，从而消除因为工艺参数波动对板坯凝固过程的干扰。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，尤其涉及一种板坯连铸冷却控制方法、系统、介质及电子设备。
背景技术
二次冷却是板坯连铸生产中的一个关键工艺环节，带液芯的板坯从结晶器底部被拉出来后在二次冷却区域继续受到冷却，从而对板坯中剩余的过热、潜热和显热进行释放。
二次冷却区域通常包含多个冷却分区，冷却强度沿拉坯方向从上至下逐段降低，从而使得板坯均匀冷却。二次冷却对板坯中液相穴的形状和深度具有非常重要的影响，其理论设计和实际控制的合理性对于连铸过程的顺行以及板坯质量的保证至关紧要。
但是在具有典型非稳态特征的板坯连铸过程中，其工艺参数(主要包括拉坯速度和浇铸温度)常常会发生波动，或者随连铸机工作状态变化而发生相应改变；例如在更换浸入式介质口时，或者结晶器漏钢预报系统发出报警时，拉坯速度会有所下降甚至停止，这种生产工艺波动对于正常的板坯冷却凝固进程会带来较大的干扰，不利于板坯质量的控制。
发明内容
本发明提供了一种板坯连铸冷却控制方法、系统、介质及电子设备，以解决现有技术中因为工艺参数波动导致的对板坯冷却凝固过程带来干扰的问题。
一种板坯连铸冷却控制方法，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，包括步骤：
获取处于所述第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置，所述板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
根据所述初始温度值、所述有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；所述基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
获取处于所述第二冷却分区的所述板坯单元的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值的偏差；
根据所述偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对所述第二冷却分区内的所述板坯单元进行冷却。
可选地，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值，包括：
从连铸历史数据获取中板坯位置与热传递边界条件的第二对应关系、板坯的几何信息、板坯在刚生成时的生成温度值；
从所述几何信息中获取与所述板坯单元位置对应的切片单元，获取所述切片单元的位置数据，并根据所述位置数据、所述第二对应关系获得所述切片单元的热传递边界条件；
将所述位置数据、所述切片单元的热传递边界条件、所述生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到所述切片单元的温度值，并将所述切片单元的温度值作为所述初始温度值。
可选地，将所述位置数据、所述切片单元的热传递边界条件、所述生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到所述切片单元的温度值，包括：
将所述位置数据中的宽度方向坐标、厚度方向坐标代入至所述板坯连铸冷却控制模型中，获得所述切片单元的热量平衡情况，所述热量平衡情况的数学表达式为：
数学表达式(1)中，T为温度；t为时间；x为所述切片单元的宽度方向坐标；y为所述切片单元的厚度方向坐标；ρ为的钢材密度；ceff为有效比热；λeff为有效导热系数；
根据所述生成温度值、所述热传递边界条件对数学表达式(1)进行离散化处理，获得所述切片单元中多个节点的离散差分方程，所述离散差分方程的数学表达式为：
aE＝(λeff，e·Δy)/Δx aW＝(λeff，w·Δy)/Δx aS＝(λeff，s·Δx)/Δy
数学表达式(2)中，Δτ为时间步长；Δx和Δy为空间步长；
aP为控制节点P的离散系数；
为控制节点P的初始离散系数；TP为控制节点P的温度；
为控制节点P的生成温度值；
aE为控制节点P的相邻节点E的离散系数；
为相邻节点E的生成温度值；
aW为控制节点P的相邻节点W的离散系数；
为相邻节点W的生成温度值；
aS为控制节点P的相邻节点S的离散系数；
为相邻节点S的生成温度值；
λeff，e为相邻节点E与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff，w为相邻节点W与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff，s为相邻节点S与控制节点P之间中心点的有效导热系数；相邻节点E与相邻节点W相对设置，且相邻节点E与控制节点P的连线与相邻节点W与控制节点P的连线处于同一条直线上，相邻节点S与控制节点P的连线与相邻节点E与控制节点P的连线垂直；
qin为内弧侧热流密度；所述弧侧热流密度qin由所述热传递边界条件确定；
将控制节点P的温度TP作为所述切片单元的温度值。
可选地，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的有效拉动速度，包括：
获取位于所述第一冷却分区中的板坯单元的数量、板坯单元的实际拉动速度、单位时间内板坯单元的拉坯的距离；
根据所述拉坯距离、所述单位时间计算所述板坯单元的平均拉动速度，所述平均拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(3)中，L为t时刻时板坯单元相对于生成位置的拉坯的距离；dzm为板坯单元在单位时间Δt内的拉坯的距离；
根据所述第一冷却分区中所有板坯单元的平均拉动速度、所述第一冷却分区中的板坯单元的数量计算总体平均拉动速度，第i个第一冷却分区的总体平均拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(4)中，N为所述第一冷却分区中板坯单元的数量，
表示第j个板坯单元的平均拉动速度；
引入调和因子，并根据所述调和因子、所述总体平均拉动速度、所述实际拉动速度计算所述有效拉动速度，所述有效拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(5)中，Vc为所述实际拉动速度，
为所述调和因子；所述调和因子
的取值的数学表达式为：
数学表达式(6)中，Nz为连铸机中冷却分区的数量，
为第一个冷却分区的调和因子；
为第Nz个冷却分区的调和因子。
可选地，根据所述偏差调节冷却介质量，包括：
通过闭环控制算法对获得的偏差值
进行运算，获得上一时刻的输出量、当前理论输出量，其中
为所述实际温度值，且i＝1，2，…，Nz，
为所述目标温度值，所述上一时刻的输出量u(t-1)的数学表达式为：
u(t-1)＝Kpe(t-1)+Ki∑e(t-1)+Kd[e(t-1)-e(t-2)] (7)
所述当前理论输出量u(t)的数学表达式为：
u(t)＝Kpe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)] (8)
根据所述上一时刻的输出量、所述当前理论输出量计算冷却介质的调节量，所述调节量Δu(t)的数学表达式为：
Δu(t)＝Kp[e(t)-e(t-1)]+KiΔe(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] (9)
对所述上一时刻的输出量u(t-1)与所述调节量Δu(t)进行求和，获得调节后的冷却介质量，所述调节后的冷却介质量的数学表达式为：
u(t)′＝u(t-1)+Δu(t) (10)
数学表达式(7)、数学表达式(8)、数学表达式(9)和数学表达式(10)中，Kp为比例参数、Ki为微分参数、Kd为积分参数，t为时间参数。
可选地，所述冷却控制方法还包括：
当所述板坯单元的所述实际拉动速度在单位时间内的下降幅度超过阈值时，查询所述基础冷却介质表获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对所述第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，直至所述板坯单元的所述实际拉动速度恢复至预设的正常范围。
可选地，所述冷却控制方法还包括：
对板坯尾端进行冷却时，直接根据所述冷却介质量对所述第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，所述板坯尾端为后离开连铸机的一端。
本发明还提供一种板坯连铸冷却控制系统，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，其特征在于，包括：
第一采集模块，用于获取处于所述第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置，所述板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
第一控制模块，用于根据所述初始温度值、所述有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；所述基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
第二采集模块，用于获取处于所述第二冷却分区的所述板坯单元的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值的偏差；
第二控制模块，用于根据所述偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对所述第二冷却分区内的所述板坯单元进行冷却。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述方法。
本发明还提供一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如上述任一项所述方法。
本发明提供一种板坯连铸冷却控制方法、系统、介质及电子设备，具有以下有益效果：通过先按照稳态特征的板坯连铸过程查询基础冷却介质表，获取冷却介质量，并根据冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；当板坯单元运动到第二冷却分区中时，如果存在工艺参数的波动，则会导致位于第二冷却分区中的板坯单元的实际温度值与目标温度值不一致，此时获取温度值的偏差，并根据偏差采用闭环调节的方式对第二冷却分区中的冷却介质量进行调节，使得板坯单元在后续的冷区过程中得到冷却补偿，从而消除因为工艺参数波动对板坯凝固过程的干扰。
附图说明
图1是本发明一实施例中的连铸工艺中的冷却分区划分示意图；
图2是本发明一实施例中的连铸机的辊子的外部结构示意图；
图3是本发明一实施例中的连铸机的辊子的内部结构示意图；
图4是本发明一实施例中的冷却控制方法的流程示意图；
图5是本发明一实施例中的计算有效拉动速度时的计算周期的范围示意图；
图6是本发明一实施例中通过闭环控制算法调节冷却水量的流程示意图；
图7是本发明一实施例中的冷却控制系统的结构示意图；
附图标记如下：
1 辊子；
2 插盘；
3 输送电缆；
4 信号发射器；
5 板坯；
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。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的。
如图1-3所示，本申请提供的一种板坯连铸冷却控制方法，运用在板坯连铸领域中，预先将连铸机中的传送区域分为多个冷却分区，传送区域中利用辊子1运送铸坯(或者板坯5)，辊子中间位置设有与辊子1同轴的插盘2，插盘2的边缘设置多个薄膜温度传感器，已采集对应冷却分区的板坯5温度，多个薄膜温度传感器通过设置在辊子内部的输送电缆3与信号发射器4连接，信号发射器4设置在辊子的边缘；通过信号发射器4发送采集的温度信号，以便于利用温度信号进行运算和控制。
如图4所示，本发明提供的一种板坯连铸冷却控制方法，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，包括步骤：
S1.获取处于第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、第一冷却分区的位置，板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
S2.根据初始温度值、有效拉动速度、第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
S3.获取处于第二冷却分区的板坯单元的实际温度值，并计算实际温度值与目标温度值的偏差；
S4.根据偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对第二冷却分区内的板坯单元进行冷却。
在一些实施例中，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值，包括：
S101.获取板坯在连铸历史中位置与热传递边界条件的对应关系、板坯的几何信息、板坯在生成时的生成温度值；
热传递边界条件是指板坯在连铸过程中，板坯的边界与不同物体接触到的情况，如水冲击传热、辐射传热、水聚集蒸发传热、夹辊接触传热，水冲击传热表示板坯与冷却水接触时的传热条件；辐射传热表示板坯以辐射的方式进行热传递的传热条件；水聚集蒸发传热表示冷却水蒸发后板坯通过水蒸气传热的传热条件；夹辊接触传热表示板坯与传送夹棍之间传热的传热条件；
板坯在连铸机内进行连铸时，处于不同位置的板坯会存在不同的传热条件，即位置与热传递边界条件的对应关系；
板坯的几何信息即通过将板坯视作薄片层，以数据的形式来描述板坯的几何特征并生成的信息；
液态的钢水在结晶器中进行凝固，生成温度值为板坯进入结晶器时的温度；
本实施例中，板坯连铸冷却控制模型通过“追踪”板坯单元的历史连铸过程，并将其采集的参数赋予给切片单元，从而获取板坯在连铸历史中的多种热传递边界条件、板坯在连铸历史中位置与热传递边界条件的对应关系、板坯的几何信息、板坯在生成时的生成温度值；在每一个跟踪周期内，实时读取当前的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拉坯速度、各面结晶器冷却水流量、各面结晶器冷却水进出口温差、各冷却分区喷淋水量及冷却水温度等。其中，拉坯速度会反映在现有全部切片单元上，其它信息则会反映在具体冷却区域对应的切片单元上。
S102.从几何信息中获取与板坯单元位置对应的切片单元，获取切片单元的位置数据，并根据位置数据、对应关系获得切片单元的热传递边界条件；
板坯单元为实际的板坯的一部分，而切片单元则是与板坯单元位置对应的部分几何信息，利用切片单元来模拟板坯单元在连铸机中的冷却过程，便可以通过模型计算出板坯单元在第一冷却区域中的温度；
切片单元的具体划分具体为：基于恒定间距法对几何信息进行切片单元划分，即沿拉坯方向上每两个相邻切片单元的间距取为恒定值(通常50～100mm)，且切片单元从结晶器弯月面处产生，在连铸机出口位置处消失，其在连铸机中的总停留时间定义为生命周期，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会有所差异，具体取决于浇铸时间范围内拉坯速度的变化情况。
S103.将位置数据、切片单元的热传递边界条件、生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到切片单元的温度值，并将切片单元的温度值作为初始温度值。
具体地，板坯连铸冷却控制模型的建立步骤包括
S10301.获取板坯在连铸历史中的多种热传递边界条件；
S10302.按照多种热传递边界条件在连铸过程中的所占比例进行折算，获得综合传热系数；
S10303.根据综合传热系数、预先设置的非稳态传热微分控制方程建立板坯连铸冷却控制模型。
由于连铸过程十分复杂，板坯连铸冷却控制模型的建立还需要对一些影响因素进行合理简化，包括：
1)考虑到铸坯长度方向的尺寸较之其横向尺寸要大得多(可视为无穷大)，故可以忽略沿拉坯方向上的传热；
2)钢液视为不可压缩的牛顿流体，在推导模型控制方程时将其热物理性质视为常数；
3)结晶器内钢液面由可视为绝热层的润滑剂和保护渣所覆盖，自由液面保持平直和固定的高度，忽略结晶器周期性振动以及弯月面波动的影响，且不考虑结晶器倒锥度对流场和温度场的影响效果；
4)不考虑钢液的湍流流动和溶质元素的宏观传输，铸坯内部的传热方式仅考虑为传导传热，且通过有效导热系数的换算来近似反映液态钢水对流传热的效果；
5)忽略板坯曲率，不考虑由于凝固冷却收缩和鼓肚变形引起的铸坯尺寸变化；
6)凝固过程中保持局部热力学平衡，忽略固固相变(铁素体δ相→奥氏体γ相)所释放的潜热；
7)采用比热转换方法来考虑凝固过程中液固相变潜热的释放效果，即在两相糊状区采用有效比热来代替钢的比热。
具体地，将位置数据、切片单元的热传递边界条件、生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到切片单元的温度值，包括：
S10304.将位置数据中的宽度方向坐标、厚度方向坐标代入至板坯连铸冷却控制模型中，获得切片单元的热量平衡情况，热量平衡情况的数学表达式为：
数学表达式(1)即为非稳态传热微分控制方程，非稳态传热微分控制方程基于微观单元体(即薄片层)的总体热量平衡来进行推导，即其内部存储热量等于输入热量与输出热量之差；
数学表达式(1)中，T为温度；t为时间；x为切片单元的宽度方向坐标；y为切片单元的厚度方向坐标；ρ为切片单元的钢材密度；ceff为切片单元的有效比热；λeff为切片单元的有效导热系数；
S10305.根据生成温度值、热传递边界条件对数学表达式(1)进行离散化处理针对其中的非稳态项和扩散项，分别采用简单适用的显式差分方案和中心差分方案，获得切片单元中多个节点的离散差分方程，如内部节点、内外弧边界节点、内外弧角部节点、侧面边界节点等，上述节点均为切片单元上的特征点，且根据前一时刻的相邻节点温度值来计算当前时刻与温度相关的控制节点热物理性质(包括有效导热系数和有效比热)，以内弧边界节点为例的离散差分方程的数学表达式为：
aE＝(λeff，e·Δy)/Δx aW＝(λeff，w·Δy)/Δx aS＝(λeff，s·Δx)/Δy
数学表达式(2)中，Δτ为时间步长；Δx和Δy为空间步长；
aP为控制节点P的离散系数；
为控制节点P的初始离散系数；TP为控制节点P的温度；
为控制节点P的生成温度值；
aE为控制节点P的相邻节点E的离散系数；
为相邻节点E的生成温度值；
aW为控制节点P的相邻节点W的离散系数；
为相邻节点W的生成温度值；
aS为控制节点P的相邻节点S的离散系数；
为相邻节点S的生成温度值；
λeff，e为相邻节点E与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff，w为相邻节点W与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff，s为相邻节点S与控制节点P之间中心点的有效导热系数；相邻节点E与相邻节点W相对设置，且相邻节点E与控制节点P的连线与相邻节点W与控制节点P的连线处于同一条直线上，相邻节点S与控制节点P的连线与相邻节点E与控制节点P的连线垂直；
qin为内弧侧热流密度；弧侧热流密度qin由热传递边界条件确定；
离散差分方程根据时间步长、空间步长经过多个周期的运算，获得切片单元对应位置的温度，当时间步长、空间步长恰好为板坯从生成到切片单元对应位置对应所需的时间、空间，则控制节点P的温度TP恰好为第一冷却分区下切片单元的温度。但是实际运算过程中需要经过多个周期的计算；
根据切片单元当前所处的位置确定其热传递边界条件，然后基于其上一个时刻对应的温度场，并结合切片单元当前移动的时间步长(即跟踪周期)，针对其上面的各个节点执行传热差分数值计算，从而获得当前时刻切片单元相应的温度场和固液相线位置(凝固前沿)，综合所有切片单元上的温度信息和坯壳厚度分布信息，即可得出板坯温度场以及凝固坯壳厚度沿拉坯方向上的变化规律。实时跟踪过程中，为尽量捕捉到每一个工艺波动细节及其对板坯凝固过程的影响，要求跟踪周期越短越好，但同时也要兼顾模型计算控制的实时性和现场自动化系统的软硬件能力，通常设定每隔3-5秒进行一次工艺参数的采集反馈及计算控制。
S10306.将控制节点P的温度TP作为初始温度值，控制节点P的温度TP为板坯连铸冷却控制模型计算的与板坯单元位置一直的切片单元的温度值；
板坯连铸冷却控制模型除了能够通过模拟计算获取初始温度值以外，还可以针对具体的板坯连铸生产，需要输入相应的操作工艺参数、铸坯及铸机结构参数、钢种热物理性质、边界热流条件、数值离散计算参数、冷却介质参数和冶金限制性准则，通过模型的数值运算即可以获得大量的连铸冶金工艺参数。
对于板坯连铸冷却控制模型来说，其计算结果的可靠性和合理性取决于热传递边界条件取值的准确性和真实性，板坯在离开结晶器后进入多个冷却分区受到持续冷却作用，释放板坯中剩余的过热、显热和潜热；多个冷却分区传热方式复杂多样，主要包括水冲击传热(占主导地位)、辐射传热、水聚集蒸发传热和夹辊接触传热，其占总传热比例大小与铸机结构、辊列布置、喷嘴布置及喷嘴冷热态性能相关，拉坯过程中板坯将反复经历这四种传热方式区域，因此板坯表面温度会出现一定的波动。
连铸机结构参数(辊列设计及布置、喷嘴选型及布置)一旦确定之后，实际生产过程中唯一可控的因素即为各冷却分区冷却介质输出量，即喷淋水量；为方便模型求解以及后续的工艺控制功能，通常可以基于各冷却分区的几何结构特征以及所存在四种传热方式各自的传热系数来定义其相应的综合传热系数。对于模型模拟的数值，若按实际存在的多种传热方式进行考虑，则模拟获得的板坯表面温度曲线必然带有一定的波动特性，这与连铸的实际情况是相符合的。但是，若按各种传热方式的综合传热效果来进行考虑，则通过仿真即可获得平滑的铸坯表面温度曲线，这样的处理方法虽然会带来一定的精度损失，但可以大幅降低程序在热传递边界条件定义方面的难度和运算量，对于后续的冷却水量确定和动态控制十分有利。
在一些实施例中，有效拉速是由该区所含切片单元的个数及其拉速历史来加以确定的，其定义可充分反映出铸坯各切片单元的拉坯历史(从生成时刻开始算)及其对铸机二冷区传热总量的总体影响效果。在当前计算周期内，冷却分区i共包含N个切片单元(编号对应于j、j+1、……、j+N-1和j+N)，各切片单元从弯月面位置处生成后即以一定的拉坯速度向铸机出口位置处移动，对于第i个冷却分区有效拉速的确定，必须综合考虑其所包含的N个切片单元在当前周期内对应的平均拉速和实际拉速Vc。
因此，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的有效拉动速度，包括：
S105.获取位于第一冷却分区中的板坯单元的数量，并根据单位时间定时获取板坯单元的拉坯距离；获取板坯单元的实际拉动速度；
板坯单元与切片单元一一对应，因此第一冷却分区中的板坯单元的数量可以通过读取切片单元的数量获取；板坯单元的实际拉动速度连铸机进行读取；
S106.设切片单元j在上一个计算周期(由该切片单元在弯月面位置处生成时开始计时而算起的t时刻)对应的拉坯距离为L，在当前计算周期(如图5所示，t+Δt时刻)，切片单元j在Δt期间内移动距离为dZm(dZm＝Vc·Δt)，其相应的平均拉速
为：
数学表达式(3)中，L为t时刻时板坯单元的位置；dZm为板坯单元在单位时间Δt内的拉坯距离；
S107.计算第一冷却分区中所有板坯单元的平均拉动速度，并根据所有板坯单元的平均拉动速度、第一冷却分区中的板坯单元的数量计算总体平均拉动速度，总体平均拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(4)中，N为第一冷却分区中板坯单元的数量；
S108.综合考虑计算获得的各冷却分区总体平均拉动速度和当前的实际拉动速度，必须引入一个适当的调和因子来描述二者在冷却分区有效拉动速度中的相对比例；因此引入调和因子，并根据调和因子、总体平均拉动速度、实际拉动速度计算有效拉动速度，有效拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(5)中，Vc为实际拉动速度，
为调和因子；
考虑到各冷却分区位置至弯月面位置的距离具有较大差异(距离随着冷却分区编号的增大而增加)，具备新工艺条件(包括拉坯速度和浇铸温度等)的切片单元移动至各冷却分区所需的时间也有所不同，因此冷却分区调和因子的取值必须适应这一技术特点。对于位于连铸机稍前方的冷却分区，其至弯月面位置的距离相对较近，实际拉速对有效拉速具有相对更大的影响效果，相应调和因子的取值应适当小一些；相反，对于位于连铸机稍后方的冷却分区，其至弯月面位置的距离相对较远，实际拉速在有效拉速的计算中所占比例相对较小，相应调和因子的取值应适当大一些。各冷却分区相应调和因子
的具体取值参见下式：
数学表达式(6)中，Nz为连铸机中冷却分区的数量，
为第一个冷却分区的调和因子，取值范围为0.3-0.4；
为第Nz个冷却分区的调和因子，取值范围为0.85-0.95。
获得了初始温度值、有效拉动速度后，根据预设的目标温度值查询基础冷却介质表，通过础冷却介质表中的回归式获得当前控制周期的冷却介质量(即冷却水量)，再经过传热仿真计算获得当前所有切片单元的温度场分布和凝固坯壳厚度分布，在坯头尚未到达铸机出口位置之前，不需要将各冷却分区中切片单元的目标控制点的计算温度值、板坯单元的实测温度值与设定温度值进行对比分析，在此期间仅采用查询基础冷却水表参数来进行水量控制(同期扇形段辊缝保持为基础辊缝，不作调整)。
在拉坯过程进行一段时间之后，待坯头离开铸机出口时，若各冷却分区目标控制点的智能辊测量盘上薄膜式温度传感器采集的温度正常(即负荷预设范围，没有剧烈波动)，即切换启用增量型PID控制算法(闭环控制算法中的一种)，通过对比实际温度值
与目标温度值
获得二者之间的偏差
再将偏差e(t)作为输入参数代入PID控制算法中，以获得当前控制周期的冷却水量，再以此冷却水量作为当前调整时刻之后至下一调整时刻之前经历的热传递边界条件，经仿真计算获得相应切片单元的温度场和坯壳厚度。若存在个别冷却分区没有温度在线检测数据供反馈使用的情况(因故没有安装智能辊或检测装置有故障)，考虑到其水量变化主要对其自身控制点的温度会产生较大影响，而对后方各分区控制点的温度影响逐渐衰减，故可以结合基础二冷水表中各区水量比例关系，根据其后方首个具有PID控制调节信息的冷却分区的水量调整值，计算获得当前时刻其相应的冷却水量。
如图6所示，本申请使用的PID控制算法以各冷却分区为控制单元结合实测温度进行动态二次冷却控制，各区末端温度为控制对象，将其与目标温度
进行比较，形成误差
再将e(t)作为PID控制模块的输入，输出值即为设定水量值，以此水量对板坯进行冷却喷淋，板坯温度会动态变化，进而逐步接近并稳定在目标温度附近。该控制算法尤其适用于非稳态情况，比如拉速出现较大调整情况下，能够通过实时动态水量调整，达到铸坯温度即热状态的稳定。
具体地，根据偏差调节冷却介质量，包括以下步骤：
S401.通过闭环控制算法对获得的偏差值
进行运算，其中
为实际温度值，且i＝1，2，…，Nz，
为目标温度值，获得上一时刻的输出量、当前理论输出量，上一时刻的输出量u(t-1)的数学表达式为：
u(t-1)＝Kpe(t-1)+Ki∑e(t-1)+Kd[e(t-1)-e(t-2)] (7)
当前理论输出量u(t)的数学表达式为：
对数学表达式(8)进行离散化，得到数学表达式：
对数学表达式(9)进行进一步化简，得到数学表达式：
u(t)＝Kpe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)] (10)
S402.根据上一时刻的输出量、当前理论输出量计算冷却介质的调节量，调节量Δu(t)的数学表达式为：
Δu(t)＝Kp[e(t)-e(t-1)]+KiΔe(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] (9)
S403.对上一时刻的输出量u(t-1)与调节量Δu(t)进行求和，获得调节后的冷却介质量，调节后的冷却介质量的数学表达式为：
u(t)′＝u(t-1)+Δu(t) (10)
数学表达式(7)、数学表达式(8)、数学表达式(9)和数学表达式(10)中，Kp为比例参数、Ki为微分参数、Kd为积分参数，t为时间参数。
PID控制算法中比例、微分、积分参数的整定是控制的核心，其影响控制的快慢及稳定性。比例调节控制，即P控制，反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。然而，单纯的比例调节不能使被调参数完全回到给定值，会产生余差。P参数应该由小到大逐步调整，P参数给定过大，容易导致过调现象；积分调节控制，即I控制，一般用于控制系统的准确性，消除静差，只要系统还未达到目标值，控制的输出就不为零，它要动作到把被调量的静差完全消除为止；微分调节控制，即D控制，一般只与偏差的变化快慢成比例，偏差变化越剧烈，调节输出作用越强，有助于提高系统的稳定性。
依据设定的目标温度与智能辊在线检测获得的实际温度之间的偏差，结合PID控制参数，可以计算出相应的喷淋水量，并下发给基础自动化控制设备进行控制，即可实现基于板坯实时接触式测温的增量型PID水量控制，能够以最迅速、最平稳的方式控制铸坯的热状态，实现连铸过程尤其是非稳态过程的精准控制。
计算获得的调节后的冷却介质量对第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，整个流程3-5秒采集一次位于第一分区中板坯单元的初始温度、有效拉动速度，然后几乎是同步计算出调节量Δu(t)、调节后的冷却介质量u(t)′，不断地进行获取和调节，便可以对板坯进行不断地冷却控制，从而消除了因为工艺因素波动带来的影响。
此外，如果辊子为三分节式智能辊，通常安装有两个测量盘，相应的检测点位于冷却分区目标控制点的两侧，可以根据其相对位置进行插值计算以获得控制点位置的温度信息，若控制点两侧的实测温度值分别为
和
相应检测点至目标控制点(板坯宽度中心)的距离分别为
和
则插值推算出的控制点实测温度为
然后再通过与目标温度值进行对比并代入PID控制算法，以获得当前控制周期的冷却分区水量值。
另外，通过冷却分区出口位置处智能辊上的两个检测点，可以获得板坯中心左右两侧的温度信息，对比二者差异即可判断该区水流密度分布的均匀性，理论上喷嘴的冷态性能及其布置方式应保证板坯宽度方向上获得均匀分布的水流密度，若左右侧实测温度出现较大差异，则说明实际的水流密度分布并不均匀，若排除铸机冷却系统设计阶段的不合理因素(喷嘴选型及布置)，则最大可能原因来自于局部区域喷嘴发生堵塞或者冷态特性发生异变。
在一些实施例中，当发生中间包在线更换、浸入式水口在线更换、结晶器漏钢报警等特殊事件时，会导致拉速大幅下降甚至停止，此时冷却控制方法还包括：
S5.当板坯单元的实际拉动速度的下降幅度超过阈值时，直接根据冷却介质量对第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，直至板坯单元的实际拉动速度恢复至预设的正常范围；
S6.当板坯单元的实际拉动速度恢复至预设的正常范围时，根据调节后的冷却介质量对第二冷却分区内的板坯单元进行冷却。
在一些实施例中，冷却控制方法还包括：
S7.对板坯中与拉坯方向相反的一端且沿拉坯方向长度为预设值的部分进行冷却时，直接根据冷却介质量对第二冷却分区中的板坯单元进行冷却。
本发明提供一种板坯连铸冷却控制方法，通过先按照稳态特征的板坯连铸过程查询基础冷却介质表，获取冷却介质量，并根据冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；当板坯单元运动到第二冷却分区中时，如果存在工艺参数的波动，则会导致位于第二冷却分区中的板坯单元的实际温度值与目标温度值不一致，此时获取温度值的偏差，并根据偏差采用闭环调节的方式对第二冷却分区中的冷却介质量进行调节，使得板坯单元在后续的冷区过程中得到冷却补偿，从而消除因为工艺参数波动对板坯凝固过程的干扰。
本发明还提供一种板坯连铸冷却控制系统，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，其特征在于，包括：
第一采集模块，用于获取处于所述第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置，所述板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
第一控制模块，用于根据所述初始温度值、所述有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；所述基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
第二采集模块，用于获取处于所述第二冷却分区的所述板坯单元的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值的偏差；
第二控制模块，用于根据所述偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对所述第二冷却分区内的所述板坯单元进行冷却。
本发明提供一种板坯连铸冷却控制系统，通过先按照稳态特征的板坯连铸过程查询基础冷却介质表，获取冷却介质量，并根据冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；当板坯单元运动到第二冷却分区中时，如果存在工艺参数的波动，则会导致位于第二冷却分区中的板坯单元的实际温度值与目标温度值不一致，此时获取温度值的偏差，并根据偏差采用闭环调节的方式对第二冷却分区中的冷却介质量进行调节，使得板坯单元在后续的冷区过程中得到冷却补偿，从而消除因为工艺参数波动对板坯凝固过程的干扰。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本实施例中的任一项方法。
本实施例还提供一种电子终端，包括：处理器及存储器；
存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行存储器存储的计算机程序，以使终端执行本实施例中任一项方法。
本实施例中的计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例提供的电子终端，包括处理器、存储器、收发器和通信接口，存储器和通信接口与处理器和收发器连接并完成相互间的通信，存储器用于存储计算机程序，通信接口用于进行通信，处理器和收发器用于运行计算机程序，使电子终端执行如上方法的各个步骤。
在本实施例中，存储器可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在上述实施例中，尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变形对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。
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 (10)
1.一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，包括步骤：
获取处于所述第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置，所述板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
根据所述初始温度值、所述有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；所述基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
获取处于所述第二冷却分区的所述板坯单元的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值的偏差；
根据所述偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对所述第二冷却分区内的所述板坯单元进行冷却。
2.根据权利要求1所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值，包括：
从连铸历史数据获取中板坯位置与热传递边界条件的第二对应关系、板坯的几何信息、板坯在刚生成时的生成温度值；
从所述几何信息中获取与所述板坯单元位置对应的切片单元，获取所述切片单元的位置数据，并根据所述位置数据、所述第二对应关系获得所述切片单元的热传递边界条件；
将所述位置数据、所述切片单元的热传递边界条件、所述生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到所述切片单元的温度值，并将所述切片单元的温度值作为所述初始温度值。
3.根据权利要求2所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，将所述位置数据、所述切片单元的热传递边界条件、所述生成温度值输入至预先建立的板坯连铸冷却控制模型中，计算得到所述切片单元的温度值，包括：
将所述位置数据中的宽度方向坐标、厚度方向坐标代入至所述板坯连铸冷却控制模型中，获得所述切片单元的热量平衡情况，所述热量平衡情况的数学表达式为：
数学表达式(1)中，T为温度；t为时间；x为所述切片单元的宽度方向坐标；y为所述切片单元的厚度方向坐标；ρ为的钢材密度；ceff为有效比热；λeff为有效导热系数；
根据所述生成温度值、所述热传递边界条件对数学表达式(1)进行离散化处理，获得所述切片单元中多个节点的离散差分方程，所述离散差分方程的数学表达式为：
aE＝(λeff,e·Δy)/Δx aW＝(λeff,w·Δy)/Δx aS＝(λeff,s·Δx)/Δy
数学表达式(2)中，Δτ为时间步长；Δx和Δy为空间步长；
aP为控制节点P的离散系数；
为控制节点P的初始离散系数；TP为控制节点P的温度；
为控制节点P的生成温度值；
aE为控制节点P的相邻节点E的离散系数；
为相邻节点E的生成温度值；
aW为控制节点P的相邻节点W的离散系数；
为相邻节点W的生成温度值；
aS为控制节点P的相邻节点S的离散系数；
为相邻节点S的生成温度值；
λeff,e为相邻节点E与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff,w为相邻节点W与控制节点P之间中心点的有效导热系数；λeff,s为相邻节点S与控制节点P之间中心点的有效导热系数；相邻节点E与相邻节点W相对设置，且相邻节点E与控制节点P的连线与相邻节点W与控制节点P的连线处于同一条直线上，相邻节点S与控制节点P的连线与相邻节点E与控制节点P的连线垂直；
qin为内弧侧热流密度；所述弧侧热流密度qin由所述热传递边界条件确定；
将控制节点P的温度TP作为所述切片单元的温度值。
4.根据权利要求1所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，获取处于第一冷却分区中的板坯单元的有效拉动速度，包括：
获取位于所述第一冷却分区中的板坯单元的数量、板坯单元的实际拉动速度、单位时间内板坯单元的拉坯的距离；
根据所述拉坯距离、所述单位时间计算所述板坯单元的平均拉动速度，所述平均拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(3)中，L为t时刻时板坯单元相对于生成位置的拉坯的距离；dZm为板坯单元在单位时间Δt内的拉坯的距离；
根据所述第一冷却分区中所有板坯单元的平均拉动速度、所述第一冷却分区中的板坯单元的数量计算总体平均拉动速度，第i个第一冷却分区的总体平均拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(4)中，N为所述第一冷却分区中板坯单元的数量，
表示第j个板坯单元的平均拉动速度；
引入调和因子，并根据所述调和因子、所述总体平均拉动速度、所述实际拉动速度计算所述有效拉动速度，所述有效拉动速度
的数学表达式为：
数学表达式(5)中，Vc为所述实际拉动速度，
为所述调和因子；所述调和因子
的取值的数学表达式为：
数学表达式(6)中，Nz为连铸机中冷却分区的数量，
为第一个冷却分区的调和因子；
为第Nz个冷却分区的调和因子。
5.根据权利要求1所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，根据所述偏差调节冷却介质量，包括：
通过闭环控制算法对获得的偏差值
进行运算，获得上一时刻的输出量、当前理论输出量，其中
为所述实际温度值，且i＝1,2,…,Nz，
为所述目标温度值，所述上一时刻的输出量u(t-1)的数学表达式为：
u(t-1)＝Kpe(t-1)+Ki∑e(t-1)+Kd[e(t-1)-e(t-2)] (7)
所述当前理论输出量u(t)的数学表达式为：
u(t)＝Kpe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)-e(t-1)] (8)
根据所述上一时刻的输出量、所述当前理论输出量计算冷却介质的调节量，所述调节量Δu(t)的数学表达式为：
Δu(t)＝Kp[e(t)-e(t-1)]+KiΔe(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] (9)
对所述上一时刻的输出量u(t-1)与所述调节量Δu(t)进行求和，获得调节后的冷却介质量，所述调节后的冷却介质量的数学表达式为：
u(t)'＝u(t-1)+Δu(t) (10)
数学表达式(7)、数学表达式(8)、数学表达式(9)和数学表达式(10)中，Kp为比例参数、Ki为微分参数、Kd为积分参数，t为时间参数。
6.根据权利要求1所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，所述冷却控制方法还包括：
当所述板坯单元的所述实际拉动速度在单位时间内的下降幅度超过阈值时，查询所述基础冷却介质表获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对所述第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，直至所述板坯单元的所述实际拉动速度恢复至预设的正常范围。
7.根据权利要求1所述的一种板坯连铸冷却控制方法，其特征在于，所述冷却控制方法还包括：
对板坯尾端进行冷却时，直接根据所述冷却介质量对所述第二冷却分区中的板坯单元进行冷却，所述板坯尾端为后离开连铸机的一端。
8.一种板坯连铸冷却控制系统，用于对二次冷却分区中的板坯进行冷却，所述二次冷却分区包括第一冷却分区、第二冷却分区，板坯从所述第一冷却分区运动至所述第二冷却分区，其特征在于，其特征在于，包括：
第一采集模块，用于获取处于所述第一冷却分区中的板坯单元的初始温度值、有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置，所述板坯单元通过预先对板坯进行等距划分获得；
第一控制模块，用于根据所述初始温度值、所述有效拉动速度、所述第一冷却分区的位置对预先设置的基础冷却介质表进行查询，获得冷却介质量，并根据所述冷却介质量对处于第一冷却分区的板坯单元进行冷却；所述基础冷却介质表包括初始温度值、拉动速度、冷却分区的位置与冷却介质量的第一对应关系；
第二采集模块，用于获取处于所述第二冷却分区的所述板坯单元的实际温度值，并计算所述实际温度值与所述目标温度值的偏差；
第二控制模块，用于根据所述偏差调节冷却介质量，并根据调节后的冷却介质量对所述第二冷却分区内的所述板坯单元进行冷却。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述方法。
10.一种电子终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如权利要求1至7中任一项所述方法。
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