專利名稱：連鑄坯二次冷卻動態控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及連鑄工藝控制技術領域，具體涉及連鑄坯二次冷卻動態控制系統。
背景技術：
連鑄工藝中，鑄坯的大多數質量問題與鑄坯的冷卻過程相關，而鑄坯的主 要冷卻過程處于二冷段，該段的控制技術是連鑄工藝中的關鍵環節。目前在國 內多數鋼鐵企業的連鑄機二次冷卻控制系統均為基于拉速的比例或二次方配比 模式，該技術雖然函數關系簡單，易于實現控制，但是該技術模式對鑄坯凝固 傳熱過程的復雜性并沒有深入涉及，工藝參數的確定依賴于經驗，擴展性和移 植性相對較差，且在實施過程中工藝條件發生變化時，鑄坯表面溫度波動較大， 不能滿足現代鋼鐵企業對連鑄坯質量控制的要求。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出了能隨工藝參數的變化、及時調整水流 量、鑄坯凝固過程穩定、表面溫度波動小，可獲得良好鑄坯質量的連鑄二冷動 態控制系統。
本發明是采用如下技術方案來實現的
連鑄坯二次冷卻動態控制系統，包括連接于以現場操作為內容的一級系統 和以生產計劃管理為內容的三級系統之間的二級系統，所述的二級系統包括
數理模塊，它通過對鋼種、過熱度、拉坯速度、二次冷卻速度、鑄坯斷面 尺寸、二次冷卻區溫度、周圍環境溫度等的計算，來確定這些參數的變化對鑄 坯表面溫度，液相穴深度及凝固終點位置的影響關系，動態顯示二次冷卻段鑄
坯的溫度場和凝固末端的位置；
增量型PID控制系統，它根據計算溫度場與目標溫度場的差值、溫度變化 的速率和溫度積累程度來實施水量調節；
所述的數理模塊，其輸入端分別與內容為生產計劃管理的三級系統、邊界
條件模塊、擴展模塊的輸出端相連，其輸出端與增量型PID控制系統的輸入端 相連；所述的增量型PID的輸出端與現場操作為內容的一級系統相連；所述邊 界條件模塊其輸入端連接于現場操作的一級系統；所述的擴展模塊其輸入端與 生產計劃管理的三級系統相連。
所述的數理模塊，它可將瞬態的拉坯速度、水流速度、澆鑄溫度、二次冷 卻水溫度以及環境溫度等作為已知條件代入基于鑄機的結構參數、噴嘴布置、 工藝條件等而建立起來的非穩定凝固一傳熱方程，進行求解計算，使一些主要 結果參數的瞬間變化，如凝固點位置、固相分數分布以及鑄坯表面溫度隨工藝 條件的變化及時反饋出來，從而動態顯示二次冷卻段鑄坯的溫度場和凝固末端 的位置。
所述的增量型PID控制系統，其基本程序為，在初始化后，每個時間步內， 先計算鑄坯溫度場，再將控制點的計算結果與目標溫度差值輸入增量型PID控 制模塊，輸出各區水量。當計算溫度與目標溫度差值大于一定程度時，不投入 積分環節，以使水量調節速度加快；當計算溫度接近目標溫度時，投入積分環 節，以防止出現超調量而導致鑄坯表面溫度波動。最后根據改變后的各區水量， 重新計算邊界條件，準備下一個時間步的計算，如此反復進行，即可實時地實 現鑄坯溫度控制，最快可達到平均每0.2秒就輸出一次計算出的水量。
所述的二級系統中還包括邊界條件模塊，它可使得數理模塊求解更貼合實 際，準確地調節水量及其分布，能針對性地解決鑄坯局部質量問題。
所述的邊界條件模塊，其模型中的邊界換熱系數/7是分段設計的，是通過 現場歷史數據結合試驗測定而調整的，根據網絡數據更換方式獲得的鋼種、水 量、溫度、拉速等現場數據，使得數理模塊求解貼合實際，能準確調節水量， 能有針對性解決鑄坯局部質量問題。
所述的二級系統中還包括擴展模塊，它使系統適用于多結構類型的鑄機和 多品種的鋼材。
所述的擴展模塊，該模塊的數據庫內，列表存放著多種結構類型的鑄機即 其輥列布置、噴嘴布置等參數；列表存放著多品種鋼材的參數，當某一鑄機、 某一鋼種的參數輸入數據文件后，模塊將根據數據文件作出對應的選擇。
與現有技術相比本發明的優點在于
1、 可根據連鑄工藝的變化，實時計算并輸出計算區域表面及中心溫度隨時 間的變化關系。
2、 本發明通過控制鑄坯各個冷卻回路的水量，可有效的控制位于各冷卻回 路控制點的溫度，各控制點溫度場的穩定性明顯提高。
3、 在溫度場計算的結果上，結合固相線溫度，可方便地預測凝固末端位置， 為凝固末端輕壓下等技術的實施創造了良好的條件。
4、 能根據鑄機的結構和鋼種成分靈活制定有針對性的工藝。
附圖為連鑄坯二次冷卻動態控制系統結構示意框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
如圖所示，本發明連接于一級系統和三級系統之間，稱為二級系統，所述
的一級系統是以現場操作為主要內容的，所述的三級系統是以生產管理計劃為 主要內容，本發明即所述的二級系統主要包括數理模塊l、增量型PID控制系
統2，邊界條件模塊3和擴展模塊4，所述的數理模塊l，其輸入端分別與三級 系統、邊界條件模塊3和擴展模塊4的輸出端相連，其輸出端與增量型PID控 制系統2的輸入端相連，所述的增量型PID控制系統2的輸出端與現場操作的 一級系統相連，所述的邊界條件模塊3其輸入端連接于現場操作的一級系統， 所述的擴展模塊4其輸入端與生產計劃管理的三級系統相連接。
所述的數理模塊l，它通過對鋼種、過熱度、拉坯速度、二冷溫度、鑄坯斷 面尺寸、二冷區溫度、周圍環境溫度等的計算來確定這些參數的變化對鑄坯表 面溫度、液相穴深度及凝固終點位置的影響關系，動態顯示二冷段鑄坯的溫度 場和凝固末端的位置。
所述的數理模塊1，其基本原理是將瞬態的拉坯速度、水流速率、澆鑄溫度、 二冷水溫度等以及周圍環境溫度等作為已知條件代入基于鑄機的結構參數、噴 嘴布置、工藝條件等而建立起來的非穩態凝固一傳熱方程，<formula>formula see original document page 7</formula>其中r代表溫度，f^代表拉速，&#代表導熱系數，s代表凝固潛熱。
利用交替方向隱式求解方法迭代求解，來確定這些參數的變化對鑄坯表面 溫度，液相穴深度及凝固終點位置的影響關系，動態顯示二次冷卻段鑄坯的溫 度場和凝固末端的位置。
所述的增量型PID控制系統2，根據所述數理模塊求解的溫度場與所述現場
工藝數據庫中的目標溫度場的差值、溫度變化的速率和溫度積累程度來實施水
量調節；該控制系統依照如下增量型比例一積分一微分控制算法進行求解
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中A"pd(")、 A"i(")分別為經比例微分環節、積分環節計算的輸出水量的變化 量，"為積分分離值，A"(")為最終的輸出水量的變化量。
其基本原理為在初始化后，每個時間步內，先計算鑄坯溫度場，再將控 制點的計算結果與目標溫度差值輸入增量型PID控制模塊，輸出各區水量，當 計算溫度與目標溫度差值大于一定程度時，不投入積分環節，以使水量調節速 度加快；當計算溫度接近目標值時，投入積分環節，以防止出現超調量而導致 鑄坯表面溫度波動，最后根據改變后的各區水量，重新計算邊界條件，準備下 一個時間步的計算。如此反復進行，即可實時地實現鑄坯溫度控制，最快可達 到平均每0.2秒就輸出一次計算出的水量。
所述的邊界條件模塊3，它能使數理模塊1求解更貼合實際，準確的調節水 量及其分布，能針對性的解決鑄坯局部質量問題。其基本原理是
由數據采集設備采集到的鋼種、過熱度、拉坯速度、二次冷卻速度、鑄坯 斷面尺寸、二次冷卻區溫度、周圍環境溫度等，構成了冷卻邊界條件
<formula>formula see original document page 8</formula>其中&。U、 /2nat、 /2rad、 /^w分別為鑄坯與輥子接觸導熱、與周圍環境間的自然對 流換熱、輻射、與冷卻水霧間的強制對流換熱系數。所述邊界條件模塊中的邊 界換熱系數/2是分段設計的，并通過現場歷史數據結合試驗測定而調整的，使 數理模塊求解貼合實際，能準確調節水量，能有針對性解決鑄坯局部質量問題。
所述的擴展模塊4，它使系統適用于多結構類型的鑄機和多品種的鋼材。其 基本原理是該模塊的數據庫內，列表存放著多種結構類型的鑄機及其輥列布
置、噴嘴布置等參數；列表存放著多品種鋼材的技術參數，當某一鑄機或某一 鋼種的技術參數輸入到數據文件后，模塊將根據數據文件作出對應的選擇。
總的來說，本發明根據連鑄工藝的變化，實時計算并輸出計算區域表面及 中心溫度隨時間的變化關系，分鋼種計算結果與VAI-CPSS模塊提供的結果吻合 程度較好。
在本發明投入使用前，由生產計劃管理部門即三級系統將連鑄機的結構、 生產鋼種的工藝等參數輸入擴展模塊和數理模塊，完成系統的初始化。系統啟 動后，即不斷跟蹤一級系統的現場操作狀態， 一旦開始澆注，數理模塊即根據 當前的工藝參數開始溫度場計算，并將計算結果傳送給增量型PID控制系統， 該系統根據計算溫度場與工藝數據庫提供的目標溫度的差值，利用控制算法求 算出水量的調節值，并輸出給水量。邊界模塊根據現場操作狀態及改變后的各 區水量，重新修正邊界條件，輸入到數理模塊，數理模塊開始下一個輪次的計 算，在當前設備條件下，可達到平均每0.2秒即完成輸出一次計算出的水量。如 此反復進行，即可在整個澆次內連續實時地控制鑄坯溫度。
本發明通過控制鑄坯各個冷卻回路的水量，達到有效控制位于各冷卻回路 控制溫度的目的。結果表明，各控制點溫度場穩定性比靜態水表控制方式有明 顯改善。在溫度場計算的結果上，結合固相線溫度，可方便地預測凝固末端位 置，為凝固末端輕壓下等技術的實施提供了有利的條件。
幾個生產線上的實施結果表明，本發明在很大程度上保證了鑄坯溫度的穩 定性，改善了連鑄機工藝變化時對鑄坯質量的影響，可提高鑄坯合格率一個百 分點以上。
權利要求
1、連鑄坯二次冷卻動態控制系統，包括連接于以現場操作為內容的一級系統和以生產計劃管理為內容的三級系統之間的二級系統，其特征在于所述的二級系統包括數理模塊，它通過對鋼種、過熱度、拉坯速度、二次冷卻速度、鑄坯斷面尺寸、二次冷卻區溫度、周圍環境溫度等的計算，來確定這些參數的變化對鑄坯表面溫度、液相穴深度及凝固終點位置的影響關系，動態顯示二次冷卻段鑄坯的溫度場和凝固末端的位置；增量型PID控制系統，它根據計算溫度場與目標溫度場的差值、溫度變化的速率和溫度積累程度率來實施水量調節；所述的數理模塊，其輸入端分別與內容為生產計劃管理的三級系統、邊界條件模塊、擴展模塊的輸出端相連，其輸出端與增量型PID控制系統的輸入端相連；所述的增量型PID的輸出端與現場操作為內容的一級系統相連；所述邊界條件模塊其輸入端連接于現場操作的一級系統；所述的擴展模塊其輸入端與生產計劃管的三級系統相連。
2、 根據權利要求1所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于所 述的數理模塊，它可將瞬態的拉坯速度、水流速度、澆鑄溫度、二次冷卻水溫 度以及環境溫度等作為己知條件代入基于鑄機的結構參數、噴嘴布置、工藝條 件等而建立起來的非穩定凝固一傳熱方程，進行求解計算，使一些主要結果參 數的瞬間變化，如凝固點位置、固相分數分布以及鑄坯表面溫度隨工藝條件的 變化及時反饋出來，從而動態顯示二次冷卻段鑄坯的溫度場和凝固末端的位置。
3、 根據權利要求1所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于所述的增量型PID控制系統，其基本程序為，在初始化后，每個時間步內，先計 算鑄坯溫度場，再將控制點的計算結果與目標溫度差值輸入增量型PID控制模塊，輸出各區水量。當計算溫度與目標溫度差值大于一定程度時，不投入積分環節，以使水量調節速度加快；當計算溫度接近目標溫度時，投入積分環節， 以防止出現超調量而導致鑄坯表面溫度波動。最后根據改變后的各區水量，重 新計算邊界條件，準備下一個時間步的計算，如此反復進行，即可實現鑄坯溫 度實時控制，最快可達到平均每0.2秒就輸出一次計算出的水量。
4、 根據權利要求1所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于所 述的二級系統中還包括邊界條件模塊，它可使得數理模塊求解更貼合實際，準 確調節水量及其分布，能有針對性地解決鑄坯局部質量問題。
5、 根據權利要求4所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于；所述的邊界條件模塊，其模型中的邊界換熱系數/2是分段設計的，是通過現場歷史數據結合試驗測定而調整的，根據網絡數據更換方式獲得的鋼種、水量、溫 度、拉速等現場數據，使得數理模塊求解貼合實際，能準確的調節水量，能針 對性解決鑄坯局部質量問題。
6、 根據權利要求1所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于所述的二級系統中還包括擴展模塊，它使系統適用于多結構類型的鑄機和多品種 的鋼鐵產品。
7、 根據權利要求6所述的連鑄坯二次冷卻動態控制系統，其特征在于；所述的擴展模塊，該模塊的數據庫內，列表存放著多種結構類型的鑄機即其輥列布置、噴嘴布置等參數；列表存放著多鋼種的參數，當某一鑄機、某一鋼種的 參數輸入數據文件后，模塊將根據數據文件作出對應的選擇。
全文摘要
本發明提出了能隨工藝變化、及時調整水流量、鑄坯凝固過程穩定、表面溫度波動小、可獲得良好的鑄坯質量的連鑄坯二次冷卻動態控制系統。主要包括數理模塊和增量型PID控制系統，該數理模塊將現場的工藝參數代入非穩定凝固—傳熱方程，該方程是基于鑄機的結構參數建立起來的，由方程進行求解計算，確定這些參數的變化對鑄坯表面溫度、液相穴深度及凝固點終端位置的影響關系，動態顯示鑄坯溫度場和凝固末端的位置。增量型PID控制系統，根據計算溫度場與目標溫度場的差值、溫差率和溫差積累程度來實施水量調節。本發明適用于連鑄二冷段工藝控制。
文檔編號G05B19/418GK101187812SQ200710158908
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月14日 優先權日2007年12月14日
發明者紅 吳, 張洪峰, 沈厚發, 軍 王, 勇 田, 趙愛英 申請人:鞍鋼股份有限公司