连铸异型坯在线热状态的跟踪方法技术

本发明专利技术属于冶金技术领域，提供了一种连铸异型坯在线热状态跟踪方法，步骤包括：将连铸坯沿着拉坯方向切成若干二维切片，在铸坯切片二维截面上划分三角形有限元网格单元，以数据块形式记录网格单元的数据。忽略各相邻切片之间的导热，将非线性传热方程转化为常系数微分方程，采用转换温度按照二维传热计算每个网格单元的热流率及热焓，再利用温度和热焓的对应关系，得到异型坯温度分布。用一种移动数据块的方法来仿真生产过程中铸坯的实际运动，用模型分析方式代替现场测量，本发明专利技术解决了异型坯在线测量困难无法进行状态跟踪的问题，实现了连铸异型坯在线热状态跟踪与监控。

【技术实现步骤摘要】
连铸异型坯在线热状态的跟踪方法
本专利技术属于冶金
，特别是涉及一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法。
技术介绍
异型坯连铸是一项近终型的钢材生产技术，由异型坯生产的轧材在建筑、桥梁和海洋石油开采平台等领域有着广泛的应用。异型坯因其几何形状复杂、比表面积大、各部位温差较大、坯壳凝固不均匀，容易产生裂纹等质量缺陷。连铸异型坯在线生产时的温度分布及变化直接影响坯体本身的微观组织和力学性能，是异型坯生产质量最重要的影响因素，所以在线热状态跟踪是控制异型坯温度分布及变化的前提，也是提高异型坯质量的重要技术。国内从上世纪末开始引进，其后自主设计了数十条异型坯连铸生产线，但是，连铸生产工况恶劣，在二冷室内，温度高并且有大量的水蒸气存在，对铸坯表面温度实施长期测量十分困难，无法根据实测温度进行生产控制。为了解决这个问题，一般采用数值计算方法，根据生产工艺参数实时计算铸坯的温度场代替实测值，进而掌握和控制铸坯冷却过程，这种方法被称为铸坯热状态跟踪技术。针对板坯、方坯和圆坯连铸，已经开发出了铸坯温度场实时计算程序，用于跟踪铸坯热状态，并在此基础上开发了动态配水和动态轻压下模型，进行计算机过程控制，取得了良好效果。现有的连铸过程在线热跟踪技术，主要是针对板坯、方坯和圆坯这种截面形状比较简单规则的铸坯，一般采用有限差分法高效地计算铸坯的温度场，有效实现铸坯热状态跟踪。异型坯因其几何形状复杂，在线实时计算存在困难，所以之前还没有把异型坯实时计算的在线热跟踪技术投入实际生产的先例，只有离线计算以辅助进行二冷工艺设计。异型坯的复杂几何形状，无法采用正交、结构化的网格，用有限差分法进行计算存在困难。经典的有限元方法可以采用灵活的剖分网格，适于计算异型坯的温度场，但主要用于离线计算、进行二冷工艺设计。经典的有限元方法通过建立关于未知离散节点温度的方程组，再求解线性方程，最终得到温度场，计算效率不高，不能满足实时计算要求。有限容积方法可以采用非等距、结构化的四边形网格划分，对于异型坯断面上尺寸较小的过度圆角，有限容积方法处理起来还不是很方便，要么采用更密的网格，要么忽略；若采用非结构化的网格，一般计算效率也不高。
技术实现思路
为了解决异型坯在线热跟踪问题，本专利技术提供了一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法，包括以下步骤：S01：划分切片，将连铸异型坯沿着拉坯方向划分二维切片；S02：划分网格单元，用有限元方法把步骤S01划分的每个切片沿二维截面划分成网格单元；S03：记录存储数据，以数据块形式记录存储步骤S02所划分的每个网格单元的过程数据及数据块的索引；S04：转换温度计算，根据步骤S03记录存储的数据块索引读取温度与转换温度，并利用铸坯在冷却过程中温度逐步降低的特点，插值计算各个网格单元的转换温度；S05：热流率分析，用转换温度为变量，以下面的热流率模型，根据间断伽略金有限元方法分析每个单元的热流率。由于间断伽略金有限元离散方程式系数仅与网格的几何尺寸和材料的热物性常数有关，对任意一个指定单元，离散方程式系数是常数，可以预先计算，并按照步骤S03记录，在其后的传热计算中直接引用。引入预先计算的离散方程式系数αe后，可化简得到以下热流率模型，用于分析切片二维截面网格单元的传热：式中：qe表示单元中心的热流率；φe表示网格单元中心的转换温度；[φe]表示网格单元与邻接网格单元或者环境之间的转换温度差；αe常量，是间断伽略金有限元方法离散方程式系数；是二维区域上的任意一个有限剖分网格单元的边界；S06：热焓分析，利用步骤S05的热流率分析结果，以下面的模型，按照间断伽略金有限元方法分析每个网格单元的热焓：式中：H(T)是网格单元的t+△t的热焓；H0(T)是网格单元的t时刻的热焓；βe常量，是间断伽略金有限元方法离散方程式系数，与步骤S05中的常数αe类似，可预先计算，并按照步骤S03记录，在其后的传热计算中直接引用；S07：温度分析，由步骤S06得到的每个单元热焓H(T)，插值计算其对应的温度。根据步骤S03记录存储的温度与热焓换算索引，并利用铸坯在冷却过程中温度逐步降低的特点，插值计算各个网格单元的温度，获得整个连铸异型坯温度分布；S08：铸坯运动仿真，仿真铸坯运动，每个扫描周期回到步骤S03进行数据存储处理，以分析结果替代生产现场实际测量温度，实现连铸异型坯在线热状态的跟踪。本专利技术用一种移动数据块的方法来仿真生产过程中铸坯的实际运动，用模型分析方式代替现场测量，解决了异型坯在线测量困难无法进行状态跟踪的问题，实现了连铸异型坯在线热状态跟踪与监控。优选的，在步骤S02中，切片沿二维截面划分的网格单元为三角形网格单元。本专利技术提供的连铸异型坯在线热状态跟踪方法采用切片方式，将连铸坯沿着拉坯方向切成若干二维切片，该切片只是为了跟踪和计算生产数据所做的虚拟划分，并非真正把连铸异型坯实物切成小段。因切片之间的导热不明显，可忽略各相邻切片之间的导热，仅仅考虑单个切片本身在二维截面上的传热，异型坯截面一般是内部温度高，边缘温度低，热量由内部向边缘传递。再把铸坯切片沿二维截面划分成若干网格单元，该划分也是并非真正把连铸异型坯实物进行分割开，为适应复杂断面的异型坯形状，可把铸坯切片二维截面划分成若干三角形网格单元，非结构化的三角形单元对异型坯断面进行网格划分，真实反映了铸坯的几何形状。将整个铸坯上用来描述每个三角形网格单元特征的数据组织在一起，形成一个数据块，其大小根据切片个数和每个切片上的网格单元个数来确定。每个数据块单元记录铸坯的温度、热焓、转化温度、热焓和温度换算插值索引号、转化温度和温度换算插值索引号等数据。采用间断伽略金有限元方法，根据分部积分原理，再利用高斯公式，推导出任意一个网格单元内的热流率qe的计算模型，以此进行异型坯温度场在线实时计算技术，采取了一些特殊技术手段增进计算速度、改进存储及调用数据方式，保证计算的实时性，使得实时计算得出的温度场与其生产过程中实际温度场更加吻合，以用于稳定控制异型坯生产及质量。采用了传热学上的物体温度与热焓转换方法，将非线性传热方程转化为常系数微分方程。经过这样处理后，离散方程式系数仅仅与网格单元尺寸等常数有关，可以预先计算，在计算铸坯温度变化时直接引用这些常数，能够避免因处理变物性参数和凝固潜热而进行的繁琐计算，加快计算速度。在步骤S03中，所述记录存储异型坯网格单元的数据包括温度区间的索引；在步骤S04和步骤S07中，通过索引指示读取经过一个时间步长后的温度区间，按照线性插值完成网格单元的转换温度与温度的计算。在温度场计算过程中，进行转换温度和温度、温度和热焓之间的换算，每一个时间步长都需要进行这样的换算，频繁的换算的计算量比较大。考虑到铸坯中的任意一个质点(或称为计算节点)从上游到下游移动时，温度是连续变化的，在一个计算时间步长内的温度变化不大，并且大多数节点温度逐步降低。依据这个特征，可以加速转换温度和温度(温度和热焓)之间的换算速度。优选的，在步骤S01中，将二次冷却区沿着拉坯方向划分成多个分区，二次冷却区同一分区内的异型坯切片为一组；在步骤S05中，利用计算机多线程技术，对每个组的切片的网格单元的热流率进行并行分析。连铸坯在结晶器中经过一次冷却形成凝固坯壳后，再进行二次喷水冷却，使铸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：S01：划分切片，将连铸异型坯沿着拉坯方向划分二维切片；S02：划分网格单元，用有限元方法把步骤S01划分的每个切片沿二维截面划分成网格单元；S03：记录存储数据，以数据块形式记录存储步骤S02所划分的每个网格单元的过程数据及数据块的索引；S04：转换温度计算，根据步骤S03记录存储的数据块索引读取温度与转换温度，插值计算各个网格单元的转换温度；S05：热流率分析，用转换温度为变量，以下面的热流率模型，根据间断伽略金有限元方法分析每个单元的热流率：

【技术特征摘要】
1.一种连铸异型坯在线热状态的跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：S01：划分切片，将连铸异型坯沿着拉坯方向划分二维切片；S02：划分网格单元，用有限元方法把步骤S01划分的每个切片沿二维截面划分成网格单元；S03：记录存储数据，以数据块形式记录存储步骤S02所划分的每个网格单元的过程数据及数据块的索引；S04：转换温度计算，根据步骤S03记录存储的数据块索引读取温度与转换温度，插值计算各个网格单元的转换温度；S05：热流率分析，用转换温度为变量，以下面的热流率模型，根据间断伽略金有限元方法分析每个单元的热流率：式中：qe表示单元中心的热流率；φe表示网格单元中心的转换温度；[φe]表示网格单元与邻接网格单元或者环境之间的转换温度差；αe常量，是间断伽略金有限元方法离散方程式系数；是二维区域上的任意一个有限剖分网格单元的边界；S06：热焓分析，利用步骤S05的热流率分析结果，以下面的模型，按照间断伽略金有限元方法分析每个网格单元的热焓：式中：H(T)是网格单元的t+△t的热焓；H0(T)是网格单元的t时刻的热焓；βe常量，是间断伽略金有限元方法离散方程式系数；S07：温度分析，由步骤S06得到的每个单元热焓H(T)，插值计算其对应的温度。S08：铸坯运动仿真，仿真铸坯运动，每个扫描周期回到步骤S03进行数据存储处理。2.根据权利要求1所述的连铸异型坯在线热状态的跟踪方法，其特征在于：在步骤S01中，将二次冷却区沿着拉坯方向划分成多个分区，二次冷却区同一分区内的异...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟涛，钱亮，白居冰，高仲，韩占光，
申请(专利权)人：中冶连铸技术工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42