大圆坯连铸二冷配水设计模型的开发
北京科技大学科技成果——连铸二冷配水模型及自动控制技术
北京科技大学科技成果——连铸二冷配水模型及自
动控制技术
成果简介
连铸二次冷却对铸坯的表面与内部质量具有显著的影响。
欲得到优质铸坯，重要的是合理地控制浇铸过程铸坯温度，而连铸二冷配水的目的是均匀冷却铸坯，使铸坯表面温度保持在允许的范围内，对提高连铸坯的质量和连铸生产具有重要的作用。
原冶金部科技司将此项目列为“八五”攻关课题“大型连铸机自动控制系统的研究开发”中一个重要研究课题，主要是以济钢板坯连铸机二冷控制为研究对象，应用二维传热数学模型，建立了板坯连铸机二冷配水计算模型，编制了二冷配水计算软件，完成了对不同钢种和断面的连铸冷却的配水计算和控制系统，实现了对连铸二冷配水的在线控制。
本项目主要用在板坯、矩形坯、方坯连铸机二冷配水控制系统，结合现场具体条件，利用传热学基本原理建立凝固传热数学模型和计算软件，计算配水参数，实现二冷水自动控制，从而确保连铸机高的产量和良好的质量。
经济效益及市场分析
本项目自1995年开发以来已与多家钢厂合作，如济钢、武钢、鞍钢等，连铸二冷配水自动控制系统投入应用后，铸坯质量明显改善，效果非常显著。
圆坯连铸动态二冷水控制模型的研究
回路 。
二 冷水水 量 控制使 由结晶器 出来 的液 芯钢 坯在 结 晶器 中进行 初步 凝 固后 ，进入 二冷 区。 莱钢 板坯 连铸 机 二冷 区主要 包括 足辊 、一 段 、二段 、三 段 。调节 方式 分为 手动 和 自动 方式 。 其 中 自动方 式时 ，在每 流 的一段 、二段 、三段 根据拉 矫机 速度按 配水 数学模 型公 式 由Ｐ Ｌ Ｃ 计算 出水量来进行Ｐ Ｉ Ｄ 控制。足辊水量不安装调节阀，按模型给出的设定值手动微调。手动方式输 出Ｍ ｖ 值不经 过Ｐ Ｉ Ｄ 运算 ，通过 操作人 员操 作 鼠标 （ 或键 盘） 改变 值 ，调 节 阀门开度 。在 计算机 系统 故障时 也可用控 制柜上 的后各 手操 器实行 人工手动 调节 。手／ 自动 为无扰切 换 。 水量 调节关 系式为 ： ‘
Ｉ 一 学 熏燕…………………………．
圆坯连铸 动Biblioteka 二冷 水控制模 型的研 究 山钢 集 团莱芜分公 司 自 动化部 毕研 然
【 摘要 】二次冷却水控制是连铸 生产 中的一项核心技术 ，二次冷却水控制的效果直接影响到最终板 坯质 量的优 劣。因此，Ｚ － 冷水控制模型 的研 究与应用也 显得尤为重要 。 本 文主要针对莱 钢圆坯连铸机 ，对二冷水控制模型进行深入的分析与研 究。
【 关键词 】圆坯连铸机 ；二次冷却 ；控制模型
１ ． 概 述
目前 ， 国 内钢 厂 的 铸 坯 生 产 大 多 都 采 用 立 弯梁 式连 铸机 ，该类 型 的连铸 机 从浇 注 到 成材 需要经 过两 次 水冷 却 ，即 一次 冷却 和 二 次冷 却 。一 次冷 却 是 由结 晶器来 完 成 ，钢 水 在这 个 阶段 冻 结成 型 ，然后 钢坯 进入 二 冷 区， 二次 冷却 在整 个 连铸 生产 中尤 为 重要 ， 二 次冷 却水 控 制是 连铸 生产 中的一 项核 心技 术 ，二 次冷 却 水控 制 的效 果直接 影 响 到最 终 板 坯质 量 的优 劣 。根据 钢坯 的型 号、大 小 的 不 同对 二 次冷 却水 的要 求 也是 不一 样 的 ，下 面 将主 要根 据 山钢 集 团特钢 事 业部 连铸 模 型 进 行详细 的说 明。 ２ ． 工艺简 介 二 冷水 自动控 制连 铸机 在开 浇 、浇 铸不 同钢 种 以及 拉速 变 化时 需要 及 时对 二冷 水量 进 行适 当调 整 。早 期连 铸采 用手 动 调节 阀 门 来 改变 二冷 水量 ，人为 因 素影 响很 大 ，在 改 变 拉速 时往 往来 不 及调 整 ，造成 铸 坯冷 却不 均 匀 。二冷 水 的 自动控 制方 法 主要 可分 为静 态控 制法和 动态控 制法两类 。 静 态控 制 法一 般是 利用 数 学模 型 ，根据 所浇 铸 的断 面 、钢 种 、拉速 、过 热 度等 连铸 工 艺条 件计 算冷 却 水量 ，将 计算 的 二冷 水数 据表 存 入计 算机 中，在 生产 工 艺条 件变 化时 计 算机 按存 入 的数 据找 出合 适 的二 冷水 控制 量 ，调 整二 冷强 度 。静 态控 制法 是 目前 广泛 采 用 的二冷 水控 制 方法 ，在 稳 定生 产时 基本 能够满 足要求 。 根据 二 冷 区铸坯 的实 际情况 及 时改变 二 冷水 的控 制 方法 为动 态控 制 。 目前 能够 测得 的铸 坯温 度 仅为 表 面温度 ，如果 能够 准 确测 得铸 坯 的表 面温 度 ，则 可根 据表 面温 度对 二 冷水 及 时调 整 。但 是 ，铸坯 表面 覆 盖的 一层 氧化 铁 皮 、水膜 以及 二 冷 区存在 的 大量 水蒸 气严 重影 响 测量 结 果 的准确 性 。因 此 ，在实 际生产 中根据 实测 的铸坯 表 面温度 进 行动 态 控 制的方 法很少被 采用 。 比 较 可 行 的 方 法 是 进 行 温 度 推 算 控 制 法 。温 度 推算 控 制法 的 思路是 将铸 坯 整个 长 度 分 成许 多 小段 ，根 据铸 坯凝 固传 热 数学 模 型 每 隔一 定时 间 （ 例如 ２ Ｏ 秒） 计 算 出每 Ｖ － ＇ Ｊ ＇ 段 的温度 ，然后 与预 先 设定 的铸 坯所 要 求 的最 佳 温度 相 比较 ，根 据 比较 结 果 给 出最 合 适 的冷却 水量 。在二 十世 纪８ ０ 年 代 中后期 ，欧 洲 、 日本 以及 美 国 的一些 先进 的连 铸机 己逐 步 采 用 二 冷 动 态 控 制 系 统 。我 国现 有 的 大 部 分铸 机采 用 静态 控制 法控 制 二冷 水量 ，引 进 的现 代化 板 坯连 铸机 、薄板 坯连 铸机 等 一 般 采用 温度 推 算动 态控 制 法进 行二 冷水 的调
连铸机二冷水动态控制系统研究与应用
连铸机二冷水动态控制系统研究与应用作者：杨叶来源：《经济技术协作信息》 2018年第27期杨叶连铸二次冷却配水一直采用静态配水法，即“水表法”。
这种控制方法不适应拉速波动时浇注，对连铸正常生产造成困难，温度上下波动引发的热应力也会使表面纵裂纹扩展和延伸。
首秦公司建立了设计了二次冷却动态控制流程，并利用vc++编制完成实现了动态配水模型，开发了基于OPC的通用数据采集和过程跟踪系统，很好的适应了产品结构调整步伐的加快，具备浇铸高附加产品的能力、提高了浇铸质量及提高铸机作业率。
一、系统数据采集首秦2*板坯铸机的计算机控制系统为以PLC为主的集散控制系统，生产部分的联网方式为专用工业局域网，使用的协议为Profibus-DP工业局域网协议。
数据处理及管理部分为局域以太网，使用TCP/IP协议，做为首秦生产信息管理系统的一个子网。
用专用工业以太网的数据处理机为管理信息系统提供生产过程数据。
整个生产部分包括了4套PLC，分别是板坯铸机公共PLC、板坯铸机铸流PLC、出坯系统PLC和工艺控制系统PLC，每一套PLC都有对应的HMI系统，为了实现生产过程的统一管理，在网络中加入了生产管理过程机，整个铸机系统的数据也是通过这台过程机将数据传送到首秦MES。
动态水量控制系统是整个板坯铸机生产网的一个节点，包括一二级二套上位监控系统和一套PLC基础控制系统。
系统的通讯是通过Siemens公司的Simatic-Net软件中的OPC来完成的。
另外，原有系统中因为有静态水表的原因，因此每个回路的流量设定值来自于静态水表，现在选用动态控制，流量的设定值地址发生了变化，这些可以通过修改PLC程序来实现；其次是二次冷却动态模型需要一些工艺数据，这些工艺数据可以通过PLC中的数据包传送给模型，因此需要在PLC中做一个数据通讯包。
在动态模型系统中主要有两部分程序，一部分是由VB60编制的通讯及HMI程序，主要作用是与现场PLC通讯及人机接口的实现；另一部分就是用VC60编制的模型部分，包括静态离线模型及动态在线控制模型，这是整个系统的核心部分。
铸坯连铸二次冷却模型的研究与开发
铸坯连铸二次冷却模型的研究与开发连铸二次冷却在连续铸钢过程中占有非常重要的作用，与铸坯的质量和产量都有密切的联系，所以二次冷却模型越来越受到了人们的关注。
随着科学技术的不断进步，计算机技术逐渐应用到了二次冷却当中，为连铸提供了很大的便利。
本文将从二次冷却的重要性出发，分析铸坯二冷配水数学模型的建立，以及铸坯连铸二次冷却仿真软件的开发。
标签：铸坯连铸技术连铸二次冷却模型仿真软件引言伴随着我国产业结构的转型，钢铁工业的发展也受到了一定的影响，为了在降低生产成本的基础上，产出更加优质的钢材，以提高企业的经济效益，必须要对整个生产过程进行优化，其中最先创新的就是连铸二次冷却的过程了，接下来我们就对此进行简要说明。
一、连铸二次冷却的作用1.缩短冷却时间连铸二次冷却对冷却区的设备、冷却工艺以及冷却水等方面都有很大的改进，使其可以在很大程度上缩短铸坯冷却的时间，从而降低时间成本，以提高连铸机的生产能力。
此外，当前我国对于连铸二次冷却的技术要求非常高，可以有效地保证整个连铸过程的安全性，从而可以尽最大可能的降低事故的发生的可能性，使机械设备能够更加高效地运转，达到较高的生产效率。
随着技术的发展，我国逐渐出现了多种多样的二次冷却模型，对于缩短冷却时间的意义十分重大。
2.获得良好的铸坯质量二次冷却最主要的目的是形成铸锭凝壳，这样可以使铸坯在离开结晶器之后，接受连续的冷却，直到铸坯完全凝固，从而使其获得良好的铸坯质量，以提高钢材的质量，比如，连铸二次冷却可以在一定的温度条件下实现弯曲、矫直等过程。
而且，连铸二次冷却可以很好的提高冷却效率，使铸坯表面的温度能够保证均衡，而且还能够根据不同的要求调整冷却的温度，这也就保证了铸坯的质量，从而促进钢铁企业经济效益的提高，使用先进的冷却技术，对于我国钢铁工业的进步有很大的推动作用。
二、数学模型的建立对于连铸二次冷却来说，数学模型是最常用到的，而且设计起来还是较为容易，操作过程也是比较方便快捷的，接下来，我们说明铸坯凝固传热数学模型和铸坯二冷配水数学模型这两种模型的建立。
优化连铸机二冷室冷却配水
工艺要求和保持稳定 ， 从而提升和稳 定产品质量。因此 ， 还对如 何使二冷室各段冷却水量分配比例保持恒定等 ， 进行 了考虑。
二、 动态 配 水 模 型
一
般， 二冷室各段冷却水流量控制值 Ｑ可 由（ ） １式确定 ：
Ｑ Ａ Ｂ ＋ ＝ ｖ ｖＣ ＋ （） １
式 中 —— 铸坯 速 度 （ 速 ） 拉
、
、
系统 构 成
曰、—一一组与设定钢种 、 ｃ 铸坯截面和钢水温度有关
的常 数
动 态 配 水 系 统 采 用 串 行 ＰＤ控 制 方 式 ， 参 数 检 测 、 水 Ｉ 由 配
模型、 系统控制 、 钢水和钢坯温度反馈等组成（ １ 。 图 ）
显然 ， 采用静 态配水时 ， Ｑ只与拉速 有关。 实现动态配水 ， 需对 、 曰进行修正 ， Ｑ与钢水 、 使 钢坯温度 等有关 ：
测 温 过 程 中测 取 两 种 波 长 ， 行 比对 分 析 并测 得 结 果 。 置 内部 进 装
预置 了滤波等功能模块 ，消除 了氧化铁皮和气雾对测温结果的
影 响 。测 温装 置 的主 要 技 术参 数 如 表 １ 。 四、 态 配 水 系统 特 点 动 １ ， 基准 比水 量为 原 静 态 配水 模 型 的 比水量 ， 为避 免 模 型超 调
２ 王慧伦． 化工基础． 北京 ： 化学工业 出版社 ，９ ６１ １８． ２
Ｗ０ ．０ １ ７１ — ９
内屏蔽泵技术 的进步和产品的规范起到十分重要 的指导和促进 作用 ， 更加有利于进一步做好无密封离心泵 的选用 、 也 维修 、 改 造等工作 。
参 考 文 献
１ 范德 明． 工业 泵选用手册／ 国化工 设备设计 ． 令 北京 ： 化学 工业 出版
板坯连铸二冷配水模型的研究
s 0
式中, u 为 j 区长度上的变量。这里的密度 ! j 也 是依据 P j 所描述的范围而定, 是 !固, ! 混 和! 液 三 者中的一个。 为热传导
式中, Tz 为 t 时深度为 x 的 z 点的温度 ; h 为热函 , 包括可知热能和潜在热能 ; !为密度; 率。
2 模型的描述
21 模型跟踪 板坯连铸二冷动态配水系统是 L2 级过程控
况下 , 模型计 算机以其强 大的功能 , 利用 文字、 图像、 动画甚至声 音等 , 模拟并展现 连铸二冷 配水中复杂 的热交 换。给出了建立新型的连铸二 冷配水控制动态模型 通过计算机 模拟该模型控制的应用过程。 [ 关键词 ] 连铸机 ; 二冷配水 ; 数 学模型 ; Dynacs; 切片
0
前言
当铸坯移动超过一个切片的 长度时, 一个新 的切片就会增加 , 这个切片移动时, 在 t 时该切片 的可知热能出现的热量散失H ( t ) 可依据切片的当 前位置来判定。当切片在结 晶器中时, 热量散失 的计算公式如下 : H ( t) = H ( T) # ( Ts - Tm) + ∀ # (T4 sT4 a)
m 4 ( T s4 T a)
n , m 是根据经验确定的两个参数。 1 2 积分分析法 积分分析法是运用有限的元素对铸流进行积 分分析的方法。使用积分法 , 每个温度函数 T ( x , t ) 可近似 为关于 x 的 4 个多项式 Pj ( x , t ) |
4 j = 1。
其中两个多项式是有关固 态部分的, 另外两个一 个是有关液态部分的 , 一个是有关混合状态部分 的。
r ∃ %
中由模型跟踪所得到的数据, 如浇铸速度、 铸流规 格等 , 如表 2 给出的是对 Q235B 钢的仿真。
板坯连铸动态二冷水模型研究与应用
8-224
第八届（2011）中国钢铁年会论文集
过程中，有效拉速模型计算结果要优于实际拉速模型。
图 3 拉速变化时不同控制模型计算结果
图 1 连铸坯凝固示意图
2.1.1 凝固传热微分方程 传热一维平衡方程为：
ρCeff
∂T ∂t
=
∂ ∂x
(λ
∂T ∂x
)
式中， ρ 为密度； λ 为导热系数；固液两相区密度及比热取固相与液相平均值； ceff 为等效比热，
Ceff
= cp
−
L
∂fs ∂T
⋅ ⋅ ⋅ (TS
-T
- TL ) ， cp
为比热；t
本文通过建立二冷段凝固过程的数学模型，提出了一种结合有效拉速模型与目标表面温度模型两种动态 控制模型的方法，考虑铸坯生成时间，并以铸坯表面温降曲线为目标，动态计算出二冷各区相应的二冷水， 进而改善铸坯表面质量及减少三角区裂纹等铸坯缺陷。
2 动态二冷模型的开发
2.1 凝固传热数学模型
现以某钢厂 1650mm×230mm 板坯连铸机为目标机型，凝固传热方程简化为一维，只计算铸坯厚度方向 的温度变化。设板坯厚度方向为 x 轴，拉坯方向为 z 轴，考虑到铸坯及其冷却的对称性，取厚度一半为研究 对象。连铸坯凝固示意图如图 1 所示。
Qi = f (Vcial )
2.2.2 目标温度控制模型 目标表面温度动态控制考虑钢种、拉速及浇注状态，由二冷配水控制数学模型每隔一段时间计算一次铸 坯的表面温度，并与考虑了二冷配水原则所预先设定的目标表面温度进行比较，根据比较的差值结果给出各 段冷却水量，以使得铸坯的表面温度与目标的表面温度相吻合。 水量的调节按照如下方法实施:
P −1
]
板坯连铸机二次冷却系统通用设计软件的开发
从迭代计算 的效 率方 面着 眼 ，仅考虑板坯厚
度方 向上传热 ；
・
耦合基 于枝 晶粗化和 固相 反扩 散的多元合金 采用 与水 流密度呈指数变化 形式的综合传热
有考 虑 到■ 冷传热 的 基本物 理 特性 及其 对铸 坯温 度场分布的强烈非线性影 响关 系，故存在着 较大的 难 以弥补的设计缺 陷。 板坯连铸 二次 冷却区存 在多种 传热机 制 （ 冲 水 击传热、辐射传 热、夹 辊传热 、水聚集蒸发 传热和
如图 ３ ～４所示分别为启动： 次冷却分析模块 二
后相应 的 冷 水量 分析界面 和二冷喷嘴分析界面 ， 二 其 中 以表 格 的形 式给 出了所 有拉速 条 件下对应 的 二冷 水量设计 值，并通过 点击输 出按钮将其保存 为 Ｅ Ｃ Ｌ文件 ；设计所得 的二冷水 分配情况 以数据 ＸＥ 和条形 图的形式加 以了详细描述 ；二冷 喷嘴布置 的初步设计结果 以数据表格 的形式给 山，显然 ＿冷
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图 ５ 二 冷仿 真分析界 面
４ 结 论
针对板 坯连铸机 的工程 设计 ，基于板坯连铸二
图 ３ 二冷水量分析界 面
冷 凝 固传 热 数 学模 型和 目标 表 面温 度控 制迭代 算
法 ，开发 了通用 的二次冷却系统设计 软件 。软件具 有 全面 的功 能模 块 ，可 以很 方便 地任意添加或编辑
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大圆坯连铸二冷配水设计模型的开发
作者：曾智， 韩占光， 李景， 张家泉， Zeng Zhi， Han Zhanguang， Li Jing， Zhang
Jiaquan
作者单位：北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083
刊名：
特殊钢
英文刊名：SPECIAL STEEL
年，卷(期)：2011,32(3)
1.北京科技大学大圆坯连铸二冷动态在线控制软件 2009
2.北京科技大学大圆坯连铸二冷配水设计系统 2009
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本文链接：/Periodical_tsg201103001.aspx。