針對方坯拉速擾動和中間包鋼水溫度非穩(wěn)態(tài)的二冷配水控制的研究.pdf

1、連鑄二冷配水控制是影響連鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，基于穩(wěn)態(tài)傳熱模型建立的二冷靜態(tài)控制模式已經(jīng)難以滿足要求。與板坯生產(chǎn)相比，方坯生產(chǎn)中受設(shè)備、流程和節(jié)奏變化等因素的影響，拉速變化頻率更高，中間包溫度波動也更大，為保證鑄坯質(zhì)量，對二冷控制系統(tǒng)提出了更高的要求。因此研究以解決拉速擾動和中間包溫度波動為目的的方坯二冷動態(tài)控制系統(tǒng)有較大的實際意義。
　　本文以方坯凝固過程為研究對象，在建立連鑄生

2、產(chǎn)相關(guān)傳熱模型的基礎(chǔ)上，重點研究了拉速擾動時的前饋控制方案、以及引入二冷控制系統(tǒng)的中間包溫度測量可靠性內(nèi)容，進而設(shè)計了基于拉速擾動和中間包溫度的二冷動態(tài)控制方案，并進行了應(yīng)用研究。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下:
　　(1)方坯三維凝固傳熱模型的建立及溫度場的動態(tài)分析
　　三維動態(tài)凝固傳熱模型是建立二冷動態(tài)配水控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為克服由于計算量較大，計算時間較長而導(dǎo)致的三維動態(tài)傳熱模型難以在實際中應(yīng)用這一難題，在模型數(shù)值求解采用

3、網(wǎng)格自動劃分時，提出“小角優(yōu)先”節(jié)點選擇方式。保證了鑄坯橫截面網(wǎng)格單元接近于正三角形，模型網(wǎng)格劃分更加合理，矩陣存儲帶寬減小，保證模型具有更快的計算速度和計算精度。通過分析指出三維模型由于考慮了拉坯方向的傳熱和網(wǎng)格自動劃分，對縱截面方向的網(wǎng)格尺寸可以適當增加。
　　通過對鑄坯凝固傳熱模型的動態(tài)分析，指出溫度場的動態(tài)特性是由拉速和二冷水量的變化共同作用的結(jié)果。水量變化對鑄坯表面溫度影響的效果先于拉速的影響。拉速和水量呈階躍變化時，鑄

4、坯表面溫度呈現(xiàn)“波峰”變化的特性。
　　(2)建立了拉速擾動時前饋補償控制模型
　　針對拉速突變時，鑄坯表面溫度產(chǎn)生的“波峰”問題，提出將拉速突變視為“擾動”，設(shè)計一種拉速前饋控制器，改變靜態(tài)配水跟隨拉速突變的模式，利用水量變化對鑄坯表面溫度的作用抵消拉速擾動帶來的對溫度變化的影響。以建立的三維動態(tài)凝固傳熱模型為基礎(chǔ)，通過階躍響應(yīng)，采用最小二乘法辨識前饋控制器的控制通道和擾動通道傳遞函數(shù)。模擬結(jié)果表明:應(yīng)用該前饋補償控制器，

5、可以使鑄坯表面溫度與目標溫度的偏差縮小，誘發(fā)鑄坯質(zhì)量的幾率降低。
　　(3)建立中間包溫度場和流場的耦合模型
　　測量點的溫度與各個鑄流出口處溫度的一致性，是連續(xù)生產(chǎn)的前提，也是將過熱度引入二冷配水控制系統(tǒng)的可靠運行的前提。以生產(chǎn)中常采用的T型結(jié)構(gòu)五流的中間包為例，建立溫度場與流場耦合模型。分析流場對溫度場的影響，以及中間包溫度場的均勻性及測溫傳感器的安裝位置。
　　分析結(jié)果指出:由于受流場的影響，中間包溫度不是簡單地

6、呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象。對應(yīng)于中間包內(nèi)流場形成的兩個漩渦有兩個對稱的高溫區(qū)。在開始澆注時，由于中間包包襯的吸熱作用，最外側(cè)的兩個流鋼水溫度較低，中間包出口處內(nèi)部三個流的鋼水溫度相接近;在正常澆注階段，包襯的吸熱趨于熱平衡，五個流出口處溫度相差在3℃以內(nèi)。測溫傳感器安裝在最外側(cè)兩個注流出口處上方鋼水液位下300-400mm處，與鑄流出口處的溫度最為接近。
　　(4)建立中間包連續(xù)測溫的誤差補償模型
　　中間包鋼水溫度連續(xù)測量的可靠性是

7、保證建立可靠控制系統(tǒng)的前提。分別對傳感器插入的滯后和更換鋼包插入深度引起的測量誤差建立補償模型。根據(jù)實際采樣數(shù)據(jù)分析補償函數(shù)的結(jié)構(gòu)，在分析傳感器溫度場動態(tài)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上確定出測量的溫升函數(shù)相關(guān)系數(shù)，利用部分測量的前期數(shù)據(jù)以及遺傳算法，給出鋼水的實際溫度，以補償測量的滯后誤差。
　　結(jié)果表明，建立的中包溫度補償模型在傳感器插入鋼水的動態(tài)響應(yīng)時間由平均210s縮短至90s，誤差控制在±5℃以內(nèi);更換鋼包時，時間由原來3～5min縮短

8、至40s。誤差降低到±2℃以內(nèi)。
　　(5)提出一種基于拉速和中間包溫度擾動的二冷水前饋-反饋控制方案
　　針對拉速擾動的情況下，前饋控制模式進行二冷水的進行補償控制，當拉速穩(wěn)定以后，采用基于拉速和中間包溫度的穩(wěn)態(tài)控制模式，以克服中間包溫度等參數(shù)擾動引起的鑄坯表面溫度偏差問題。并且指出穩(wěn)態(tài)控制模式下的二冷配水系數(shù)是根據(jù)塑性溫度曲線及其高溫力學(xué)性能，確定的二冷各段和矯直點目標溫度等冶金準則后，在鑄坯正常拉速范圍，進行優(yōu)化后確定