板坯连铸二次冷却控制研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 10 4 2.38MB 58 页 15积分
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摘 要
随着连铸技术的发展，提高连铸坯产量和质量成为连铸技术研究的主要问题。
二次冷却控制是连铸控制系统的重要组成部分，连铸坯的凝固基本上是在二次冷
却区内完成的，因此二次冷却与铸机的产量和铸坯质量密切相关，研究二次冷却
中铸坯的凝固传热过程具有重要的意义。
本课题来源于宝钢冶炼厂1#连铸机三电改造工程。随着计算机技术的发展，计
算机数值计算和仿真技术已成为研究连铸二次冷却过程的一种重要手段。本文结
合冶炼厂1#连铸机的生产实际，对板坯的二次冷却凝固传热模型进行了研究，并
采用有限差分法推导得出了适合模型求解的离散形式，进一步得出了板坯非稳态
凝固传热的离散数学模型。通过适当选取模型参数，以离散模型为基础，以目标
表面温度为约束，采用VC++编制了用于模型求解的离线仿真程序，实现了连铸坯
在二冷区凝固传热状态的模拟。
在对传统二冷水控制方法分析的基础上，采用目标表面温度作为约束，建立了
基于模型的二冷水动态控制系统，还提出了带有水量补偿的控制方案对控制系统
进行了改进。最后还对模糊控制在二冷水控制系统中的应用进行了研究，设计了
模糊控制器进行动态配水计算，为提高二冷区的控制精度打下了一定的基础。也
为稳定铸坯表面温度，改善铸坯质量提供了理论依据。
关键词：板坯连铸 二次冷却 模型计算 模糊控制
ABSTRACT
With the continuous casting technology development, How to improve the casting’s
yield and quality become one of the main issues in continuous casting technology
researching. secondary cooling control is an important part of continuous casting
control system, Casting’s solidification is basically completed in the secondary cooling
zone. Therefore secondary cooling is closely related to the casting machine’s production
and casting’s quality. Research on casting slab’s secondary cooling mathematics model
has a great significance.
The project is one part of Baosteel’s project in 1# continuous casting machine
electric improvement. With the development of computer technology, computer
numerical calculation and simulation technology has become an important research
method in secondary cooling process. This paper is based on reality of the 1#
continuous casting machine production. This paper has done the research on casting
slab’s secondary cooling solidification heat transfer model, and deduced the discrete
form that used for the model solving by the finite difference method, Further more, we
get the discrete mathematical model of the steel slab’s the non-steady-state solidification
heat transfer. Based on the discrete model, we choose the parameters which is
appropriate of model, make the target surface temperature the model’s bound, we
program by VC++, the program can do the off-line simulation about model.
After analysis on the traditional control method We establish a secondary cooling
water control system based on the dynamic model, and in this system we used the
surface temperature as the bound. We also improve the system by the water
compensation method. Finally, we do some research on the fuzzy control’s application
in the cold water control system, laid a certain foundation for improving the cooling
zone control precision. These provide the theoretical basis for keep the surface
temperature stability and improve slab’s quality.
Key words: Slab continuous casting, Secondary cooling, Model
Calculation, Fuzzy Control
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 引言.....................................................................................................................1
§1.1 铸坯二次冷却技术现状....................................................................................1
§1.1.1 宝钢连铸生产工艺流程......................................................................1
§1.1.2 二次冷却的作用及要求.....................................................................2
§1.2 二次冷却控制技术现状...................................................................................3
§1.3 连铸冷却控制技术的发展趋势.......................................................................4
§1.4 本文主要内容及意义.......................................................................................5
第二章 二次冷却数学模型研究.....................................................................................7
§2.1 基于模型的动态控制法...................................................................................7
§2.2 一维传热数学模型的建立...............................................................................8
§2.2.1 模型的基本思想.................................................................................8
§2.2.2 模型建模的前提条件.........................................................................8
§2.2.3 凝固传热基本微分方程......................................................................9
§2.3 边界条件和初始条件的确定..........................................................................10
§2.3.1 边界条件............................................................................................10
§2.3.2 初始条件...........................................................................................11
第三章 板坯凝固传热数学模型的求解.......................................................................14
§3.1 求解方法的选择.............................................................................................14
§3.1.1 有限差分法........................................................................................14
§3.1.2 差分方程的建立[6] ............................................................................15
§3.2 模型处理中切片和控制点的设置.................................................................17
§3.2.1 切片设置说明...................................................................................17
§3.2.2 控制点设置说明...............................................................................17
§3.3 模型核心处理概要..........................................................................................18
§3.3.1 热传导系数计算...............................................................................18
§3.3.2 板坯固相凝固壳厚度计算...............................................................18
§3.3.3 铸坯表面温度计算............................................................................22
§3.3.4 铸片表面温度控制计算....................................................................23
§3.3.5 二次冷却水设定流量计算...............................................................26
第四章 连铸板坯数学模型的计算与仿真...................................................................28
§4.1 宝钢 1#连铸机工艺参数................................................................................28
§4.2 程序仿真..........................................................................................................30
§4.3 仿真程序的基本功能......................................................................................31
§4.3.1 连铸凝固传热状态模拟....................................................................32
§4.3.2 目标水量反算....................................................................................34
§4.3.3 二冷配水参数回归............................................................................36
§4.4 仿真结果及分析.............................................................................................37
§4.5 参数控制法与模型控制法的比较.................................................................38
第五章 二次冷却水控制系统的研究...........................................................................40
§5.1 二次冷却水控制方案分析.............................................................................40
§5.1.1 二次冷却水控制现状分析...............................................................41
§5.1.2 基于温度反馈的冷却水回路控制系统...........................................42
§5.2 二次冷却水控制策略研究.............................................................................43
§5.2.1 PID 控制 ............................................................................................44
§5.2.2 PID 控制的不足 ................................................................................44
§5.3 模糊控制在二冷水控制系统中的应用.........................................................44
§5.3.1 模糊控制的基本原理.......................................................................45
§5.3.2 模糊控制器的结构............................................................................45
§5.3.3 二次冷却水控制系统中模糊控制器的设计...................................46
第六章 总结与展望.......................................................................................................52
§6.1 论文总结.........................................................................................................52
§6.2 今后工作展望.................................................................................................52
参考文献.........................................................................................................................54
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................54
致 谢.............................................................................................................................56
第一章 引言
1
第一章 引言
连铸是冶炼工艺中把钢水浇铸成板坯的过程，它是炼钢领域内发展最快的技术
之一。过去十年，板坯连铸连轧技术为制造业提供了巨大的市场空间，该技术对
冶金工艺过程控制技术的要求使连铸控制技术进入了一个更高的水平。板坯连铸
连轧技术是多学科相互渗透、耦合与集成的产物，现代冶金技术已经进入了一个
以现代制造技术、计算机电子技术、控制技术为基础装备的现代化生产模式。机
械、电子、信息与冶金技术高度融合是现代冶金技术的特征。
§1.1 铸坯二次冷却技术现状
§1.1.1 宝钢连铸生产工艺流程
连铸机是连续铸钢的主体设备，是为完成连铸工艺操作所形成的连续作业机
组。一台连铸机主要是由盛钢桶运载装置、中间包、中间包车、结晶器震动装置、
二次冷却装置、拉坯(矫直)装置、切割装置和铸坯运载装置等部分组成的。图 1-1
为宝钢 1#连铸机主体示意图。
图 1-1 连铸机示意图
二次冷却区
一次冷却区（结晶器）
三次冷却区（空冷区）
冷却水喷嘴
钢包
中间包
拉坯矫直机
板坯连铸二次冷却控制模型研究
2
浇铸时钢水从大包经过中间钢包注入结晶器，中间包的主要作用是减小钢水净
压力的变化，稳定铸流流速。钢水流入到结晶器后，钢液沿着结晶器周边冷凝成
坯壳，结晶器的下口用引锭杆头堵塞并能上下震动。当结晶器下端出口处坯壳有
一定的厚度时，拉矫机开始将引锭头连同坯壳一起从结晶器内拉出。铸坯从结晶
器内拉出来时，铸坯还没有完全凝固，其中间部分是液体，坯壳较薄，并且温度
很高，在其内部钢水静压力的作用下，很容易产生变形和鼓起，甚至会破坏坯壳
而造成漏钢，因此，出结晶器后的铸坯还要进一步冷却，以使其在较短的时间里
进一步凝固，直到铸坯的液体基本上完全凝固；然后进入拉矫机进行矫直。矫直
后的铸坯，被同步运动的切割机切成一定长度的铸坯。
铸坯凝固冷却区分布，根据连铸的工艺流程，按铸坯所处的部位不同，铸坯的
冷却分为三个区。
(1) 一次冷却区(结晶器冷却)：钢水在水冷结晶器中冷却形成坯壳，坯壳厚度
以坯壳出结晶器时不拉漏为原则。该区所释放的热量主要由结晶器的冷却水带走；
(2) 二次冷却区：从结晶器拉出来的铸坯凝固成一个薄的外壳，而中心仍为温
度很高的液体，形成了一个很长的液相穴。为了使坯壳继续凝固，从结晶器出口
处到拉矫机的长度内，设置了一个喷水冷却区，叫做二次冷却区。该区采用喷淋
水的方式冷却，使从结晶器出来的带有液心的铸坯进一步冷却完成全部凝固任务；
(3) 三次冷却区：铸坯内的热量主要以热辐射的方式释放，在该区由于不喷淋
水冷却，冷却速度大大降低，目的是使铸坯内外温度趋于均匀。
其中，40％左右的热量是在结晶器和二次冷却区钢水凝固时释放出来的。铸坯
凝固过程的冷却条件对连铸机的产量和铸坯质量影响极大，结晶器的可调性很小，
空冷区的冷却条件更是固定不变，只有二冷区是可控的。二冷水分配如果不合理，
铸坯表面温度就不能稳定均匀变化，从而引起铸坯的质量缺陷，产生纵裂纹和横
裂纹。因此，能否合理地控制二次冷却水量直接关系到铸坯的质量。
§1.1.2 二次冷却的作用及要求
二次冷却的目的是对离开结晶器的铸坯进行连续冷却，使之逐渐完全凝固。凝
固过程受铸坯的导热性能，喷雾介质的冷却效果以及铸坯质量等的限制。
铸坯在二冷区冷却要求是：
1) 冷却效率要高，以加速铸坯热量的传递；
2) 喷水量要适当，使铸坯表面温度分布均匀；
3) 铸坯进入拉矫机之前应尽可能完全凝固；
摘要：

摘要随着连铸技术的发展，提高连铸坯产量和质量成为连铸技术研究的主要问题。二次冷却控制是连铸控制系统的重要组成部分，连铸坯的凝固基本上是在二次冷却区内完成的，因此二次冷却与铸机的产量和铸坯质量密切相关，研究二次冷却中铸坯的凝固传热过程具有重要的意义。本课题来源于宝钢冶炼厂1#连铸机三电改造工程。随着计算机技术的发展，计算机数值计算和仿真技术已成为研究连铸二次冷却过程的一种重要手段。本文结合冶炼厂1#连铸机的生产实际，对板坯的二次冷却凝固传热模型进行了研究，并采用有限差分法推导得出了适合模型求解的离散形式，进一步得出了板坯非稳态凝固传热的离散数学模型。通过适当选取模型参数，以离散模型为基础，以目标...

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