一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法及系统

技术领域

本发明涉及连铸小方坯技术领域，尤其涉及一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法及系统。

背景技术

二冷水有静态和动态两种控制方式。静态控制是根据拉速控制冷却水量。动态控制是拉速不再直接决定水量，通过传热模型或其它智能控制的方法调整水量。

二次冷却水量控制方法可分为人工配水及自动配水，自动配水技术当前已经得到广泛应用。人工配水受人为因素影响，特别是拉速变化时水量控制的滞后现象，难以保证铸坯的质量，已被淘汰。由于实际浇注过程中二冷区环境恶劣，对铸坯表面很难准确而又可靠地测温，加之测温仪表在线维护困难，如何能适时检测跟踪铸坯有关控制点的表面温度，将其与目标表面温度作比较的闭环动态控制，成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法，包括如下步骤：

S1：根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型；

S2：根据所述铸坯表面温度模型计算不同时刻铸坯表面理论温度T

S3：根据铸坯表面理论温度T

本发明的有益效果是：本发明的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法，根据小方坯的冷却规律和特点，通过构建铸坯表面温度模型，将小方坯的结晶器冷却和弧形段区域冷却的关键参数关联起来，并计算不同时刻铸坯表面理论温度，从而根据铸坯表面理论温度T

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型具体包括如下步骤：

S11：构建铸坯截面上任一点的温度T与铸坯截面上对应点的横坐标x之间的导热微分方程：

其中，t为时间，T为温度，ρ为钢水密度，c为钢水比热容，λ为导热系数；

S12：确定边界条件，具体包括：

t＝0时，结晶器的钢水温度等于钢水浇注温度T

T

t＝0时，铸坯初期的表面温度等于固相线温度T

T

结晶器的传热热流量为：

弧形段区域传热热流量为：

q

空冷区的传热热流量为：

q

铸坯表面(x＝0)：

T

固液界面(x＝x

铸坯中心(x＝x

其中，h为综合换热系数，T

S13：根据所述边界条件将所述导热微分方程转化为导热差分方程：

铸坯的表面温度：

铸坯的中心点温度：

铸坯的截面上任一点的温度：

其中，n为铸坯的四分之一截面划分的网格数，

S14：根据所述边界条件和导热差分方程构建铸坯表面温度模型，具体包括：

计算铸坯凝固厚度：

非加速区：

加速区：

根据所述铸坯凝固厚度构建铸坯表面温度模型：

其中，G

上述进一步方案的有益效果是：通过构建导热微分方程，并确定边界条件，这样可以将所述导热微分方程转化为导热差分方程，从而进一步构建出所述铸坯表面温度模型，以便于计算出不同时刻铸坯表面理论温度。

进一步：所述根据铸坯表面理论温度T

计算铸坯表面理论温度T

根据所述差值计算调节水量，并根据所述调节水量控制冷却水阀门开度，以实现动态控水。

上述进一步方案的有益效果是：通过计算铸坯表面理论温度T

进一步：所述根据所述差值计算调节水量具体包括如下步骤：

根据所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，计算公式为：

Δu＝G(T

根据所述模型简化设定参数的调节量Δu对所述模型简化设定参数进行更新，得到更新后的模型简化设定参数u

u

根据更新后的模型简化设定参数u

其中，G为控制增益常数，λ为导热系数，h

上述进一步方案的有益效果是：由于水量的变化量取决于模型简化设定参数的变化，因此，通过计算所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，即可优化模型简化设定参数，从而进一步计算出调节水量，以便于根据调节水量来控制冷却水阀门开度，实现动态控水。

本发明还提供了一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水系统,包括温度模型模块、计算模块和调节模块；

所述温度模型模块，用于根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型；

所述计算模块，用于根据所述铸坯表面温度模型计算不同时刻铸坯表面理论温度T

所述调节模块，用于根据铸坯表面理论温度T

本发明的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水系统,根据小方坯的冷却规律和特点，通过构建铸坯表面温度模型，将小方坯的结晶器冷却和弧形段区域冷却的关键参数关联起来，并计算不同时刻铸坯表面理论温度，从而根据铸坯表面理论温度T

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步：所述温度模型模块根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型的具体实现为：

构建铸坯截面上任一点的温度T与铸坯截面上对应点的横坐标x之间的导热微分方程：

其中，t为时间，T为温度，ρ为钢水密度，c为钢水比热容，λ为导热系数；

确定边界条件，具体包括：

t＝0时，结晶器的钢水温度等于钢水浇注温度T

T

t＝0时，铸坯初期的表面温度等于固相线温度T

T

结晶器的传热热流量为：

弧形段区域传热热流量为：

q

空冷区的传热热流量为：

q

铸坯表面(x＝0)：

T

固液界面(x＝x

铸坯中心(x＝x

其中，h为综合换热系数，T

根据所述边界条件将所述导热微分方程转化为导热差分方程：

铸坯的表面温度：

铸坯的中心点温度：

铸坯的截面上任一点的温度：

其中，n为铸坯的四分之一截面划分的网格数，

根据所述边界条件和导热差分方程构建铸坯表面温度模型，具体包括：

计算铸坯凝固厚度：

非加速区：

加速区：

根据所述铸坯凝固厚度构建铸坯表面温度模型：

其中，G

上述进一步方案的有益效果是：通过构建导热微分方程，并确定边界条件，这样可以将所述导热微分方程转化为导热差分方程，从而进一步构建出所述铸坯表面温度模型，以便于计算出不同时刻铸坯表面理论温度。

进一步：所述调节模块根据铸坯表面理论温度T

计算铸坯表面理论温度T

根据所述差值计算调节水量，并根据所述调节水量控制冷却水阀门开度，以实现动态控水。

上述进一步方案的有益效果是：通过计算铸坯表面理论温度T

进一步：所述调节模块根据所述差值计算调节水量的具体实现为：

根据所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，计算公式为：

Δu＝G(T

根据所述模型简化设定参数的调节量Δu对所述模型简化设定参数进行更新，得到更新后的模型简化设定参数u

u

根据更新后的模型简化设定参数u

其中，G为控制增益常数，λ为导热系数，h

上述进一步方案的有益效果是：由于水量的变化量取决于模型简化设定参数的变化，因此，通过计算所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，即可优化模型简化设定参数，从而进一步计算出调节水量，以便于根据调节水量来控制冷却水阀门开度，实现动态控水

本发明还提供了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，实现所述的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法的步骤。

本发明还提供了一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述基于连铸小方坯表面目标温度动态控水的方法。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法，包括如下步骤：

S1：根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型；

S2：根据所述铸坯表面温度模型计算不同时刻铸坯表面理论温度T

S3：根据铸坯表面理论温度T

本发明的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法，根据小方坯的冷却规律和特点，通过构建铸坯表面温度模型，将小方坯的结晶器冷却和弧形段区域冷却的关键参数关联起来，并计算不同时刻铸坯表面理论温度，从而根据铸坯表面理论温度T

在本发明的一个或多个实施例中，所述根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型具体包括如下步骤：

S11：构建铸坯截面上任一点的温度T与铸坯截面上对应点的横坐标x之间的导热微分方程：

其中，t为时间，T为温度，ρ为钢水密度，c为钢水比热容，λ为导热系数；

这里，由于方坯的模型最大特点是截面对称性，有别于板坯非对称性。因此，本模型能将二维数学模型简化为一维数学模型，进而便于将一维方程换算成差分方程。

S12：确定边界条件，具体包括：

t＝0时，结晶器的钢水温度等于钢水浇注温度T

T

t＝0时，铸坯初期的表面温度等于固相线温度T

T

结晶器的传热热流量为：

弧形段区域传热热流量为：

q

空冷区的传热热流量为：

q

铸坯表面(x＝0)：

T

固液界面(x＝x

铸坯中心(x＝x

其中，h为综合换热系数，T

S13：根据所述边界条件将所述导热微分方程转化为导热差分方程：

铸坯的表面温度：

铸坯的中心点温度：

铸坯的截面上任一点的温度：

/>

其中，n为铸坯的四分之一截面划分的网格数，

S14：根据所述边界条件和导热差分方程构建铸坯表面温度模型，具体包括：

计算铸坯凝固厚度：

非加速区：

加速区：

根据所述铸坯凝固厚度构建铸坯表面温度模型：

其中，E为模型简化设定的无因次量，α为导温系数，u为模型简化设定参数，L

通过构建导热微分方程，并确定边界条件，这样可以将所述导热微分方程转化为导热差分方程，从而进一步构建出所述铸坯表面温度模型，以便于计算出不同时刻铸坯表面理论温度。

需要指出的是，这里综合换热系数是建立模型的关节环节。换热系数与二冷水流密度和进水温度密切相关。本实施例中，换热系数按经验公式：

h＝a*w

进行计算，其中a、b、c在一定铸坯表面水流密度区间表现为常数，但若脱离某一区间，其常数值也要做相应调整，w为冷却水水流密度，Tw为冷却水水温，a、b、c的设定根据冷却区所处的位置设定如下表1：

表1

/>

在本发明的一个或多个实施例中，所述根据铸坯表面理论温度T

S31：计算铸坯表面理论温度T

S32：根据所述差值计算调节水量，并根据所述调节水量控制冷却水阀门开度，以实现动态控水。

通过计算铸坯表面理论温度T

这里需要说明的是，为简化模型，小方坯连铸主要有两种目标温度设定方案：一是以生产棒材为主的中高合金钢，铸坯通过冷床以下线存放为主；二是以生产线材为主的低碳钢，铸坯通过热送线直接送入轧线进行轧制。前者目标温度以低温设置；后者目标温度以高温设置。

无论是低温设置还是高温设置，铸坯进入拉矫机时要使铸坯温度控制在大于900度以上，以躲避铸坯矫直“脆性敏感口袋区”。

本发明在铸坯进入拉矫机时，即在拉矫机入口处设置可靠的温度检测装置，用以检验铸坯实际温度与计算温度的差值，并实时修正目标温度曲线。

本发明的实施例中，铸坯表面理论温度T

表2

/>

通过铸坯表面温度模型计算铸坯表面理论温度T

具体地，在本发明的一个或多个实施例中，所述根据所述差值计算调节水量具体包括如下步骤：

S321：根据所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，计算公式为：

Δu＝G(T

S322：根据所述模型简化设定参数的调节量Δu对所述模型简化设定参数进行更新，得到更新后的模型简化设定参数u

u

S323：根据更新后的模型简化设定参数u

其中，G为控制增益常数，λ为导热系数，h

由于水量的变化量取决于模型简化设定参数的变化，因此，通过计算所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，即可优化模型简化设定参数，从而进一步计算出调节水量，以便于根据调节水量来控制冷却水阀门开度，实现动态控水。

如图2所示，本发明还提供了一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水系统,包括温度模型模块、计算模块和调节模块；

所述温度模型模块，用于根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型；

所述计算模块，用于根据所述铸坯表面温度模型计算不同时刻铸坯表面理论温度T

所述调节模块，用于根据铸坯表面理论温度T

本发明的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水系统,根据小方坯的冷却规律和特点，通过构建铸坯表面温度模型，将小方坯的结晶器冷却和弧形段区域冷却的关键参数关联起来，并计算不同时刻铸坯表面理论温度，从而根据铸坯表面理论温度T

在本发明的一个或多个实施例中，所述温度模型模块根据铸坯温度场和边界条件建立铸坯表面温度模型的具体实现为：

构建铸坯截面上任一点的温度T与铸坯截面上对应点的横坐标x之间的导热微分方程：

其中，t为时间，T为温度，ρ为钢水密度，c为钢水比热容，λ为导热系数；

确定边界条件，具体包括：

t＝0时，结晶器的钢水温度等于钢水浇注温度T

T

t＝0时，铸坯初期的表面温度等于固相线温度T

T

结晶器的传热热流量为：

弧形段区域传热热流量为：

q

空冷区的传热热流量为：

q

铸坯表面(x＝0)：

T

固液界面(x＝x

铸坯中心(x＝x

/>

其中，h为综合换热系数，T

根据所述边界条件将所述导热微分方程转化为导热差分方程：

铸坯的表面温度：

铸坯的中心点温度：

铸坯的截面上任一点的温度：

其中，n为铸坯的四分之一截面划分的网格数，

根据所述边界条件和导热差分方程构建铸坯表面温度模型，具体包括：

计算铸坯凝固厚度：

非加速区：

加速区：

根据所述铸坯凝固厚度构建铸坯表面温度模型：

其中，G

通过构建导热微分方程，并确定边界条件，这样可以将所述导热微分方程转化为导热差分方程，从而进一步构建出所述铸坯表面温度模型，以便于计算出不同时刻铸坯表面理论温度。

在本发明的一个或多个实施例中，所述调节模块根据铸坯表面理论温度T

计算铸坯表面理论温度T

根据所述差值计算调节水量，并根据所述调节水量控制冷却水阀门开度，以实现动态控水。

通过计算铸坯表面理论温度T

在本发明的一个或多个实施例中，所述调节模块根据所述差值计算调节水量的具体实现为：

根据所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，计算公式为：

Δu＝G(T

根据所述模型简化设定参数的调节量Δu对所述模型简化设定参数进行更新，得到更新后的模型简化设定参数u

u

根据更新后的模型简化设定参数u

其中，λ为导热系数，h

由于水量的变化量取决于模型简化设定参数的变化，因此，通过计算所述差值计算模型简化设定参数的调节量Δu，即可优化模型简化设定参数，从而进一步计算出调节水量，以便于根据调节水量来控制冷却水阀门开度，实现动态控水

本发明还提供了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，实现所述的基于连铸小方坯表面目标温度动态控水方法的步骤。

本发明还提供了一种基于连铸小方坯表面目标温度动态控水设备，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述基于连铸小方坯表面目标温度动态控水的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。