一种实现连铸过程仿真系统及其方法，属于钢铁企业连铸过程仿真领域。该系统包括数据库模块、ＰＬＣ信号模拟器、系统显示模块、温度场计算模块构成。核心模块是铸坯温度场计算模块，将连铸过程控制参数、炉次信息及铸坯生产计划信息等录入到数据库中后，启动仿真系统，通过ＰＬＣ信号模拟器给主界面发送信息，来模拟连铸生产过程中的重要事件，主界面在接收到信息后，仿真画面作出相应的展示。温度场计算模块直接从数据库中读取过程控制参数以及铸坯信息，以此来作为优化工艺参数时的参考。优点在于，系统主界面中除了显示各主要参数及温度场计算结果外，还实现了对钢包、中间包、连铸坯切片的动态展示，系统还实现了对炉次的跟踪，为以后系统功能的扩展提供了便利。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钢铁企业连铸过程仿真领域，特别是提供了，以ADI (Alternating Direction Implicit,交替方向隐式差分法)为铸坯温度场求解算法的连铸过程仿真系统。
技术介绍
由于连铸在钢铁生产中的重要地位，连铸过程的建模仿真与控制已成为目前国内外自动控制领域的研究热点之一。在连铸过程中为了保证铸坯质量，对铸坯的冷却过程有着较为严格的要求，为了达到这些要求，就需要深入了解工艺参数与铸坯温度之间的关系。直接做连铸实验装置复杂，成本高，过程难以控制，而且在高温下进行，安全性也必须考虑。随着计算机计算性能的大大提高，可以采用计算机仿真的方法来模拟连铸坯的冷却过程，由此来确定工艺参数对铸坯温度的影响。 目前关于连铸过程的仿真大多集中在连铸过程中物流的仿真，由于连铸坯质量与铸坯在冷却过程中温度场的变化过程密切相关，因此有必要对铸坯的温度场进行定量分析，而对于温度场的定量分析多数集中在科学计算方面，没有融入到整个连铸流程仿真系统中，本文中的连铸仿真系统最大的特点是将连铸工序流程的仿真与连铸坯温度场的求解有机结合起来，提供了一种以ADI算法为铸坯温度场求解算法的连铸过程仿真系统。 目前求解连铸坯温度场的方法大致可分为三类(1)有限差分法(F匿)。有限差分方法(Finite difference method)是计算机数值模拟较早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，利于编程实现。常用的有限差分法有显示差分法、隐式差分法、交替方向隐式差分法(ADI)等。交替方向隐式差分法的优点在于比显式差分法和隐式差分法的计算精度高，而且可以证明二维问题的ADI格式在数学意义上是无条件稳定的，交替方向隐式差分法的基本思想是把K到K+1时刻的铸坯温度场矩阵T的计算分成两步，第一步先由K时刻的T值计算K+l/2时刻的T值，在X轴方向采用隐式差分，在Y轴方向采用显式差分；第二步再由K+l/2时刻的T值计算K+1时刻的T值，此时在X轴方向采用显式差分，在Y轴方向采用隐式差分。(2)边界元法(BEM)。边界元方法(Boundary element method)应用格林函数公式，并通过选择适当的权函数把空间求解域上的偏微分方程转换成为其边界上的积分方程，把求解区中任一点的求解变量(如温度)与边界条件联系起来。通过离散化处理，由积分方程导出边界节点上未知值的代数方程。解出边界上的未知值后就可以利用边界积分方程来获得内部任一点的被求函数之值。该方法的优点是可以使求解问题的空间维数降低一阶，减小了计算量。缺点是需要已知所求解偏微分方程的格林函数基本解。(3)有限元法(FEM)有限元法(Finite element method)的求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元法的最大优点是对不规则几何区域的适应性好。 一般情况下，采用有限元法模拟需要购买专门的有限元仿真仿真软件(如ABQUS、 ADINA、 ANSYS、 BERSAFE等)来对温度场进行建模。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，以ADI算法为铸坯温度场求解算法的连铸过程仿真系统，除对连铸坯生产过程的主要环节进行模拟外，重点放在了连铸坯断面温度场的模拟，通过改变数据库中连铸过程工艺参数可以模拟不同生产情况下的铸坯切片的温度场，以此来作为优化工艺参数时的参考。此外，系统还实现了对炉次的跟踪，为以后系统功能的扩展提供了便利。根据现有的生产数据，模拟出在其它工艺参数改变的情况下连铸坯温度场的变化情况，在一定程度上为连铸过程工艺参数的优化提供决策依据。 功能上主要包括(1)对炉次和浇次的跟踪，并将该过程以动画的形式展现出来；(2)对生产过程中的重要事件如滑动水口的打开、结晶器开始浇铸等进行记录，并保存到数据库中；(3)对铸坯温度场的计算。通过从数据库中载入的各项数据，对各关键工位的温度场进行计算，以判断铸坯的生产是否符合该钢种的冶金准则。 本专利技术中在采用交替方向隐式差分法(ADI)对铸坯温度场进行建模时，取铸坯断面的二分之一面积，然后对其进行网格划分，采用内节点法进行分析。取铸坯断面的二分之一进行求解的好处是可以分别考虑铸坯的内弧、外弧、侧面的热流密度均不相同的情况下连铸坯温度场的变化情况，以保证求解模型的通用性。求解过程中将铸坯在拉坯方向上分割成一定厚度的切片，取其中一块切片，对该切片从进入结晶器到出空冷区的温度场进行求解，以该切片不同时刻的温度场来模拟出在恒定的拉速下某一时刻整个铸坯的温度场分布，求解时，采用TDMA法求解每半个周期内得到的三对角矩阵。 本专利技术的实现连铸过程仿真系统包括数据库模块、PLC信号模拟器、系统显示模块、温度场计算模块，及连接各模块计算机网络。下面逐一介绍各个模块 数据库模块要保存的数据包括重要事件信息、炉次信息、铸坯信息、过程参数信息、连铸机参数信息及其他参数信息。 (1)重要事件信息主要记滑动水口的打开与关闭、录流的打开与关闭、钢包的更替等； (2)炉次信息记录炉次号、每一炉次的质量信息等； (3)铸坯信息钢的固态密度、钢的液态密度、液相线温度、固相线温度、导热系数、铸坯的凝固潜热、铸坯断面面积； (4)过程参数信息拉速、浇注温度、结晶器、内弧、外弧、侧面的热流密度函数、二冷区各段每个面的水流密度、冷却水温度、环境温度； (5)连铸机参数信息结晶器长度、二冷区各段的长度、空冷区长度； (6)其他参数信息网格划分长度、仿真时间、温度场计算间隔时间； PLC信号模拟器通过给系统显示模块发送信号以模拟滑动水口打开、关闭以及各流的打开与关闭、钢包的替换等重要事件； 系统显示模块系统各主要参数、温度场计算结果显示以及连铸坯切片、钢包、中间包的动态显示。 温度场计算模块根据数据库中存储的铸坯信息、过程参数信息、连铸机信息及其他参数信息对特定工位的温度场进行计算，计算流程如下 (1)如图2所示，取铸坯断面的二分之一，然后对其进行网格划分，采用内节点法进行分析，即节点位于每个网格的中心，这里假设OA、 AB、 BC边界的热流密度是不同的，这将有利于提高模型的通用性。 (2)按九种情况计算当前周期内前半个周期过后铸坯的温度场，具体来说，这九种情况包括网格0、边界0A上的网格(不包含网格0、A)、网格A、OC上的网格(不包含网格0、 C)、网格C、内部网格、边界AB上的网格(不包含网格A、 B)、边界BC上的网格(不包含网格B、 C)、网格B，综合以上九种情况，在当前周期的前半个周期内，对于每一行网格均可得到形如<formula>formula see original document page 7</fo本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种实现连铸过程仿真系统，其特征在于：包括数据库模块、ＰＬＣ信号模拟器、系统显示模块、温度场计算模块及连接各模块计算机网络；数据库模块要保存的数据包括：重要事件信息、炉次信息、铸坯信息、过程参数信息、连铸机参数信息及其他参数信息；重要事件信息：主要记滑动水口的打开与关闭、录流的打开与关闭、钢包的更替；炉次信息：记录炉次号、每一炉次的质量信息；铸坯信息：钢的固态密度、钢的液态密度、液相线温度、固相线温度、导热系数、铸坯的凝固潜热、铸坯断面面积；过程参数信息：拉速、浇注温度、结晶器、内弧、外弧、侧面的热流密度函数、二冷区各段每个面的水流密度、冷却水温度、环境温度；连铸机参数信息：结晶器长度、二冷区各段的长度、空冷区长度；其他参数信息：网格划分长度、仿真时间、温度场计算间隔时间；ＰＬＣ信号模拟器：通过给系统显示模块发送信号以模拟滑动水口打开、关闭以及各流的打开与关闭、钢包的替换等重要事件；系统显示模块：系统各主要参数、温度场计算结果显示以及连铸坯切片、钢包、中间包的动态显示；温度场计算模块：根据系统中的铸坯信息、过程参数信息、连铸机信息及其他参数信息对特定工位的温度场进行计算。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：常亮，孙要夺，卢春苗，孙彦广，
申请(专利权)人：冶金自动化研究设计院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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