一种连铸二次冷却水量动态优化方法技术

本发明专利技术设计一种连铸二次冷却水量动态优化方法，属于炼钢及连铸技术领域；首先获取铸坯在连铸生产过程中生产信息，包括铸坯的热物性参数以及连铸机设备的参数；根据铸坯的相关参数建立非稳态传热模型，并确定其初始条件和边界条件；根据边界条件和初始条件，利用有限差分法求解非稳态传热模型得到铸坯此时刻温度分布；然后对模型的换热系数求解利用混合共轲梯度算法得到非稳态传热模型中的最优换热系数；最终动态求解二冷区喷水量；本发明专利技术技术方案为钢厂铸坯生产过程中二冷水控制提供一种新的方法，有助于提高钢坯的生产质量。有助于提高钢坯的生产质量。

【技术实现步骤摘要】
一种连铸二次冷却水量动态优化方法


[0001]本专利技术属于炼钢及连铸
，具体涉及一种连铸二次冷却水量动态优化方法。

技术介绍

[0002]铸坯的生产过程可以看作是液态钢的凝固过程，在连铸机中完成。在其生产过程中，连铸二冷区是铸坯生产的重要环节。由于连铸二次冷中的液态钢已经完全凝固，因此二次冷却直接决定了铸坯的最终质量。连铸二次冷却过程中的冷却水流量(喷水的强度和控制策略)对凝固过程中的换热效率有很大的影响。铸坯质量的缺陷如内部裂纹、表面裂纹、铸坯鼓肚和铸坯菱变的形成都与连铸二冷区水量分配的不合理、冷却不均匀有关系。因此，控制和优化二次冷却区的水量引起了钢厂和广大科研人员的关注。
[0003]目前国内外调节连铸二冷区中的水流量值动态控制方法主要分为两种。1)基于实际测温的二冷水量控制方法。根据在不同冷却区间出口的传感器的即时测量温度与该钢种的目标温度比较来对冷却水量进行修正的动态控制法。这种方法对测量温度的精确和可靠性具有很高的要求。然而在铸坯的生产环境中存在蒸汽、氧化皮、灰尘和高温等不利的因素，所以铸坯的表面温度很难精确的连续的测量得到。2)基于铸坯凝固传热模型的二冷水量控制方法。通过不同钢种的不同目标温度，物理特性以及截面大小形状等等工艺参数通过计算机融合运算来计算铸坯的表面温度，根据计算出的温度与目标温度差值来对二冷各个区间的配水进行调节，使得钢坯实际温度尽可能的逼近目标温度。
[0004]实际上，在铸坯的生产过程中，经常发生转炉生产的原料供应不及时、运输设备没有及时到位或设备故障等生产扰动，引起炼钢和浇钢在时间上不匹配，为了避免断浇事故需要对连铸机的拉速设定值进行调整。此外，当浸入式水口、中间包或钢包更换时，连铸机的拉速设定值也需要进行调整。在拉速发生变化时，合理控制二次冷却水量值至关重要。但是目前研究的连铸二冷区中的水流量值的优化方法都很少考虑拉速变化的动态情况。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术设计一种连铸二次冷却水量动态优化方法。
[0006]一种连铸二次冷却水量动态优化方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：获取铸坯在连铸生产过程中生产信息，所述生产信息包括铸坯的热物性参数以及连铸机设备的参数；
[0008]所述铸坯的热物性参数包括铸坯的宽度、导热系数、密度、比热、固相线的温度、液相线的温度、凝固潜热、拉坯速度的变化率和铸坯的温度；所述连铸机设备的参数包括连铸机的冶金长度、铸造速度、有效模具长度、喷雾水的温度、连铸机二冷区的分段数、每段的喷水量和每段给定的期望温度；
[0009]步骤2：根据步骤1获取的铸坯的相关参数建立非稳态传热模型，并确定其初始条件与边界条件，所述相关参数包括固相线的温度、导热系数、密度、比热，液相线的温度、导
热系数、密度、比热以及凝固潜热；
[0010]步骤2.1：确定铸坯在变拉速下的非稳态传热模型为：
[0011][0012]式中，V
cast
为铸坯的拉速；ρ(T)、c
eff
(T)、λ(T)分别表示钢种的密度、等效比热、导热系数；T是铸坯的温度；x∈[0,l],z∈[0,L],t∈[0,t
m
]，其中l为铸坯的宽度，L为铸坯的长度，t
m
为铸坯的停留时间；
[0013]其中，非稳态传热模型的初始条件设置为：T
begin
＝T
cast
＝T0，其中，T
begin
为初始温度，T
cast
为浇注温度，T0为一个常数；
[0014]非稳态传热模型的边界条件设置为：其中，h(z,t)为换热系数；
[0015]步骤2.2：根据固、液相线的温度确定不同状态下钢的密度ρ：
[0016][0017]式中，ρ
s
为钢的固相密度，ρ
l
为钢的液相密度，T
s
为固相线的温度，T
l
为液相线的温度；
[0018]步骤2.3：根据固、液相线的温度确定不同状态下钢的导热系数的分段函数λ(T)：
[0019][0020]式中，其中λ
s
为钢的固相导热系数，λ
l
为钢的液相导热系数，m为一个工艺参数；
[0021]步骤2.4：根据等效比热容法确定钢水从液态到固态的物相转换过程中释放的凝固潜热量；所述等效比热容c
eff
为：
[0022]c
eff
＝c
l
+(c
s
‑
c
l
)(T
l
‑
T)/(T
l
‑
T
s
)+L
τ
/(T
l
‑
T
s
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]式中，c
s
为钢的固相比热，c
l
为钢的液相比热，L
τ
为凝固潜热；
[0024]步骤3：根据步骤2的边界条件和初始条件，利用有限差分法求解非稳态传热模型得到铸坯此时刻温度分布，最终得到铸坯的温度场；
[0025]步骤3.1：利用有限差分法求解式(1)，进行离散化得到如下表达式：
[0026][0027]其中，i，j为计算单元的位置，n、n+1为时间间隔增加之前、时间间隔增加之后，为位置i，j的密度，为位置i，j的等效比热，为位置i，j的温度，Δt为时间间隔，为位置i，j的导热系数，Dx,Dz分别表示宽度方向、长度方向的空间间隔；
[0028]步骤3.2：带入初始条件和边界条件得到非稳态传热模型中各边界以及主要节点
的离散方程，从而得到铸坯的温度分布；
[0029]步骤3.2.1：建立凝固传热模型中右边界的的离散方程为：
[0030][0031]步骤3.2.2：建立凝固传热模型中左边界的离散方程为：
[0032][0033]步骤3.2.3：建立凝固传热模型中上边界的离散方程为：
[0034][0035]其中，T
w
为冷却水温度；
[0036]步骤3.2.4：建立凝固传热模型中下边界的离散方程为：
[0037][0038]步骤3.2.5：建立凝固传热模型中原点的离散方程为：
[0039][0040]步骤3.2.6：建立凝固传热模型中右下节点的离散方程为：
[0041][0042]步骤3.2.7：建立凝固传热模型中左上节点的离散方程为：
[0043][0044]步骤3.2.8：建立凝固传热模型中右上节点的离散方程为：
[0045][0046]式中，和分别表示宽度方向、厚度方向的扩散系数，分别表示宽度方向、厚度方向的扩散系数，
[0047]以上的差分方程均由显示差分决定，对式1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连铸二次冷却水量动态优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：获取铸坯在连铸生产过程中生产信息，所述生产信息包括铸坯的热物性参数以及连铸机设备的参数；步骤2：根据步骤1获取的铸坯的相关参数建立非稳态传热模型，并确定其初始条件与边界条件，所述相关参数包括固相线的温度、导热系数、密度、比热，液相线的温度、导热系数、密度、比热以及凝固潜热；步骤3：根据步骤2的边界条件和初始条件，利用有限差分法求解非稳态传热模型得到铸坯此时刻温度分布，最终得到铸坯的温度场；步骤4：基于步骤3生成的铸坯的温度场，利用混合共轭梯度算法得到非稳态传热模型中的最优换热系数；步骤5：利用步骤4得到的最优换热系数，计算二冷区喷水量。2.根据权利要求1所述的一种连铸二次冷却水量动态优化方法，其特征在于，步骤1所述铸坯的热物性参数包括铸坯的宽度、导热系数、密度、比热、固相线的温度、液相线的温度、凝固潜热、拉坯速度的变化率和铸坯的温度；所述连铸机设备的参数包括连铸机的冶金长度、铸造速度、有效模具长度、喷雾水的温度、连铸机二冷区的分段数、每段的喷水量和每段给定的期望温度。3.根据权利要求1所述的一种连铸二次冷却水量动态优化方法，其特征在于，步骤2具体为：步骤2.1：确定铸坯在变拉速下的非稳态传热模型为：式中，V
cast
为铸坯的拉速；ρ(T)、c
eff
(T)、λ(T)分别表示钢种的密度、等效比热、导热系数；T是铸坯的温度；x∈[0,l],z∈[0,L],t∈[0,t
m
]，其中l为铸坯的宽度，L为铸坯的长度，t
m
为铸坯的停留时间；其中，非稳态传热模型的初始条件设置为：T
begin
＝T
cast
＝T0，其中，T
begin
为初始温度，T
cast
为浇注温度，T0为一个常数；非稳态传热模型的边界条件设置为：其中，h(z,t)为换热系数；步骤2.2：根据固、液相线的温度确定不同状态下钢的密度ρ：式中，ρ
s
为钢的固相密度，ρ
l
为钢的液相密度，T
s
为固相线的温度，T
l
为液相线的温度；步骤2.3：根据固、液相线的温度确定不同状态下钢的导热系数的分段函数λ(T)：
式中，其中λ
s
为钢的固相导热系数，λ
l
为钢的液相导热系数，m为一个工艺参数；步骤2.4：根据等效比热容法确定钢水从液态到固态的物相转换过程中释放的凝固潜热量；所述等效比热容c
eff
为：c
eff
＝c
l
+(c
s
‑
c
l
)(T
l
‑
T)/(T
l
‑
T
s
)+L
τ
/(T
l
‑
T
s
),
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，c
s
为钢的固相比热，c
l
为钢的液相比热，L
τ
为凝固潜热。4.根据权利要求1所述的一种连铸二次冷却水量动态优化方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤3.1：利用有限差分法求解式(1)，进行离散化得到如下表达式：其中，i，j为计算单元的位置，n、n+1为时间间隔增加之前、时间间隔增加之后，为位置i，j的密度，为位置i，j的等效比热，为位置i，j的温度，Δt为时间间隔，为位置i，j的导热系数，Dx,Dz分别表示宽度方向、长度方向的空间间隔；步骤3.2：带入初始条件和边界条件得到非稳态传热模型中各边界以及主要...

【专利技术属性】
技术研发人员：于洋，王雨，张凤奇，钟铨，张延钊，杨国栋，邓瑞，尹钰，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：