专利名称：基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于连铸坯温度在线测量反馈控制和传热数学模型动态控制相结合的连铸二冷动态控制新方法。该方法主要应用于冶金行业钢铁材料及其他金属材料的连续浇铸成型领域，适用于各种类型连铸机的二次冷却动态控制。
背景技术：
随着钢铁行业的高速发展，国内外钢产量已经达到了饱和状态，钢产品的质量成了钢铁行业发展的重要目标。连铸坯的质量对后续产品的生产及最终产品质量有重要影响。高质量铸坯的生产，成了连铸生产企业和连铸工作者的主要目标，提升钢铁产品质量已经成为钢铁企业提高竞争力的主要途径。作为钢铁生产的一道重要工序，连铸过程是钢铁产品凝固成型、质量控制的关键环节，连铸过程中的二次冷却控制不合理是铸坯产生裂纹、中心偏析、疏松等缺陷的重要原因。加强连铸过程铸坯凝固状态的在线稳定控制，是提高连铸坯质量的重要手段和基本保证。伴随着钢铁连铸技术的诞生和快速发展，连铸二次冷却的控制方法也得到了迅速地发展。连铸技术发展初期，连铸机的二次冷却通常由一个固定的水表进行控制，并由配水工人肉眼判断连铸坯的温度，从而对二冷水进行人为调整。随着技术的发展以及计算机仿真技术在冶金中的应用，二次冷却水量已不再是由固定的水表和人为判断调整，而是根据连铸坯目标表面温度，通过离线传热仿真模型计算获得。二冷水量通常是一个随拉速变化 的曲线关系系，这更加符合拉速连续变化的实际情况。随着自动化技术和计算机模拟技术的发展成熟，目前大部分连铸机的二次冷却控制发展成了在线的计算机动态控制。二冷动态控制技术大大加强了二次冷却控制的灵活性，可以一定程度上考虑了拉速、过热度以及其他操作工艺因素对二次冷却的影响，并能根据实际工艺操作参数在线调整连铸机的二冷配水。对于连铸过程的二冷动态控制技术，国内外学者都做了大量的研究。目前主流的二冷动态控制为基于凝固传热数学模型的动态控制，即通过建立相应的连铸二冷传热模型，实时采集连铸生产操作参数(如拉速、过热度等)，计算连铸坯的温度场，并与预定的连铸坯目标表面温度作比较，在线确定铸机的二冷制度，并实施在线调整控制。二冷动态控制方法的应用，使连铸二次冷却控制有了很大的进步，灵活性大大增强，并一定程度上可以解决拉速、过热度等操作参数波动的干扰。但是，这种完全依赖计算机数学模型的动态控制方法仍存在一定的局限性
①二冷动态控制系统是一个开环控制系统，它不去考证实际铸坯表面温度，而是把自身传热模型计算得到铸坯温度场当作连铸坯实际温度，并用于判断和二冷控制。②二冷动态控制系统的控制效果完全依赖于它的传热模型的准确性和可靠性。如果传热模型的边界条件与实际连铸机边界条件不相符，传热模型计算的铸坯温度场就无法正确反映连铸坯的真实热状态，不能有效实施二冷水动态控制，甚至导致铸坯缺陷。
③连铸过程是一个连续运动的、非常复杂的冷却凝固过程。由于在线控制时间上的要求和数学模型建立求解的局限性，通常动态传热模型都为一维模型，做了很多简化假设，传热模型的边界条件很难完全符合连铸机生产的实际边界条件。基于传热模型二冷动态控制的上述3个限制性技术问题，正是目前很多钢铁企业连铸机二冷动态控制系统和二冷动态轻压下系统应用效果不佳的重要原因。为避免凝固传热模型准确性的干扰，另外一种方法是依据实际测量的连铸坯表面温度进行二冷水在线动态控制，即二冷闭环动态控制方法。控制过程中，对连铸坯的表面温度进行在线测量，实时反馈回到控制模型中，有控制模型实时计算，对连铸二冷水进行动态 控制。基于铸坯表面温度在线测量的二冷闭环动态控制模型的可靠性完全依赖于铸坯实际温度测量的准确程度。连铸过程中，连铸坯是高温运动的物体，所处的环境中有水雾、灰尘、油污等，同时铸坯表面布满不规整的氧化铁皮和水膜。这些因素均导致连铸二冷区铸坯表面温度的在线测量较困难。对于连铸坯表面温度的测量，目前只能对二冷中后期水雾较少区域的连铸坯表面温度进行在线准确测量。在无法直接测量铸坯表面温度的二冷区，其水量的动态控制的准确性得不到控制的保证。因此，基于铸坯表面温度在线测量的二冷动态控制模型在实际连铸应用中仍存在一定的局限性。综上所述，不管是基于凝固传热模型的二冷动态控制方法还是基于铸坯表面温度在线测量的二冷动态控制方法，目前都存在其局限性，直接影响到连铸坯质量的控制和提闻。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明解决现有连铸二冷动态控制局限性和准确性问题，提高连铸二冷动态控制的准确性、可靠性，及运行的稳定性；以提升钢铁产品质量，提高连铸生产率。解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下一种基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，其特征在于，构建连铸二冷动态新模型并植入计算机系统，嵌入连铸机的配水系统，并与PLC控制器连接通信；将非接触式测温仪CQU-2MB安装于连铸矫直区域，并与PLC控制器连接通信，与连铸二冷动态新模型构成反馈回路；具体方法包括如下步骤
1)连铸二冷动态新模型在线采集当前的工艺操作参数，包括拉速、钢水过热度、二冷水量、钢水成分、二冷水温、结晶器冷却水温，并实时仿真计算获得整个连铸过程中的铸坯温度分布、凝固壳厚度分布和液芯长度参数；
2)应用非接触式测温仪CQU-2MB，在线连续测量连铸坯表面温度；
3)结合实测铸坯表面温度和实时修正的动态传热模型仿真计算的铸坯表面温度，根据二冷各回路的分配系数，计算确定当前控制周期的二冷各回路真实的铸坯表面温度；
4)结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，采用PID控制算法，计算获得当前控制周期二冷各回路的冷却水量，并输出到PLC控制器，在线控制调整各二冷回路的水量；
5)在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测的铸坯温度和传热模型预测的铸坯温度，采用PID算法，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数，以供下次的传热模型计算使用；
6 )步骤I) 一步骤5 )均在一个控制周期内快速完成，控制周期设定在5秒以内，每个控制周期都会重复执行步骤I) 一步骤5)。进一步，在一个控制周期内，所述二冷动态新模型的控制步骤包括
A、确定当前连铸坯实际表面温度
结合实测温度和实时修正的传热模型预测温度，根据两者差 值确定各二冷回路当前的连铸坯实际表面温度，计算算法如下
Ti (T) = Z4 (T) +^V(TJj)-Tfj⑴)
(I)
式中'i -各二冷控制回路的序,=1，2，3，…； τ 一时间，s ；
Τ,{ τ )-时刻r第i 二冷回路的铸坯实际表面温度，° C;
tc,-时刻r传热模型预测计算的第i 二冷回路的铸坯表面温度，° C;
rcs(r)-时刻r传热模型预测计算的连续测温点的铸坯表面温度，° C;
Tm{r)-时刻r连续测温点所测得的铸坯表面温度，° C; η -温度修正系数；与实测温度的准确度有关，通常取值为O. 8-1. 2，正常情况下为
I.O ；
e(i)-第i 二冷回路的分配系数；此系数与二冷回路水量比例、二冷回路长度等有关，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系数之和必须为1.0 ;es -连续测温点所在二冷回路的分配系数；
B、实时计算和调整控制连铸二冷水量
结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，在线控制调整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，计算算法如下
AT“； : 7； (T)-Tsm
(2)
幽(3)
式中Λ7；.(γ)-时刻r第i 二冷回路铸坯实际表面温度与目标表面温度差值，° C;
Tainhi -第i 二冷回路的目标铸坯表面温度，° C;
^- ( O -时刻τ第i 二冷回路的控制水量，L/min ；
Kp^ KK0 —分别为比例增益、积分时间和微分时间。为便于计算机编程实现，通常可以对控制模型的微分方程或传递函数进行差分离散化得到过程控制差分方程。对公式(3)进行差分离散化后得到以下控制方程
Q (t) = Q +Kp I+——+-i tj!(i) — I+·---.....-1 ATi {A-1) +-γδ Νζ(A- 2| (4)
、ΔτJ\ ΔΤ/Δτ式中'Qi⑷、Qi (^-1)—时刻k和时刻左-I的第 二冷回路的控制水量，L/min ；
Δ τ -控制时间步长，即控制周期，S。C、实时修正动态传热模型的边界条件
在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测温度和传热模型预测的温度，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数；为提高动态传热模型的边界条件修正效率，使其平滑趋近连铸实际传热边界条件，采用PID控制方法对动态传热模型各二冷回路的传热系数进行修正
ATu(T)^Tej(T)-Ti(T)
(5)
/ % I r1 VdATlj (τ)
= ATki (r)+—J0 LTu {τ) τ+Κ j(6)
式中Λ7^(γ) —时刻τ第i 二冷回路模型预测计算温度与铸坯实际表面温度的差值，° C;
h人τ)-时刻τ第i 二冷回路的传热系数，W/(m2° C);
对公式(6)进行差分离散化后得到以下控制方程
(A)+Kp 1+^-+·^ LThi (λ-J(Ar-Ij ATkj (A-2) (7)
式中-Mi⑷^hi (H)—时刻k和时亥Ij k-\的第I 二冷回路的传热系数，ff/ (m2。C)。相比现有技术，本发明具有如下有益效果
I、结合了基于铸坯表面温度在线测量的二冷闭环动态控制方法和基于凝固传热模型的二冷动态控制方法的优点，并互补两者的不足和局限性，提出建立了一种新的连铸二冷动态模型；大大提高了连铸二冷动态控制的准确性、可靠性，及运行的稳定性。2、应用在线测量的铸坯表面温度，实时修正动态传热模型的边界条件，可以保证动态传热模型时时刻刻与连铸实际传热相符合，提高动态传热模型的温度预测准确率；弥补了基于凝固传热模型的二冷动态模型温度预测不准确的问题。3、采用铸坯温度在线测量与动态传热模型预测相结合的方法，确定连铸坯实际温度，并扩展获得无法进行在线测量的二冷区域的铸坯真实温度，确定的连铸坯温度更符合实际，更可靠；弥补了基于铸坯表面温度在线测量的二冷闭环动态控制方法只能测量部分区域铸坯温度的问题，以及基于凝固传热模型的二冷动态模型温度预测不准确的问题。4、以现有连铸二冷动态控制方法为基础，取长补短，建立一种新的连铸二冷动态模型，实现连铸二次冷却的长期稳定准确动态控制，应用基础已经具备，此方法应用简单易行，成效明显。
图I是本发明连铸二冷动态新模型控制原理 图2是本发明连铸二冷动态新模型的控制系统简图。
具体实施例方式参见图I和图2，一种基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，结合在线测温的动态控制模型和传热模型动态控制模型构建连铸二冷动态新模型并植入计算机系统，嵌入连铸机的配水系统，并与PLC控制器连接通信；将非接触式测温仪CQU-2MB安装于连铸矫直区域，并与PLC控制器连接通信，与连铸二冷动态新模型构成反馈回路；具体方法包括如下步骤
1)连铸二冷动态新模型在线采集当前的工艺操作参数，包括拉速、钢水过热度、二冷水量、钢水成分、二冷水温、结晶器冷却水温等，并实时仿真计算获得整个连铸过程中的铸坯温度分布、凝固壳厚度分布和液芯长度等参数；
2)应用非接触式测温仪CQU-2MB，在线连续测量连铸坯表面温度；考虑铸坯表面氧化铁皮的影响，在连续测量获得的若干组温度数据中，筛选最高温度值作为当前控制周期的真实铸坯表面温度，并通过PLC控制器反馈回到连铸中控室。本发明专利只对矫直区域(关键区域)的铸坯表面温度进行测量。
3)结合实测铸坯表面温度和实时修正的动态传热模型仿真计算的铸坯表面温度，根据二冷各回路的分配系数，计算确定当前控制周期的二冷各回路真实的铸坯表面温度；
4)结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，采用PID控制算法，计算获得当前控制周期二冷各回路的冷却水量，并输出到PLC控制器，在线控制调整各二冷控制回路的水量；
5)在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测的铸坯温度和传热模型预测的铸坯温度，采用PID算法，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数，以供下次的传热模型计算使用；
6)步骤I) 一步骤5 )均在一个控制周期内快速完成，控制周期设定在5秒以内，每个控制周期都会重复执行步骤I) 一步骤5)。进一步，在一个控制周期(一个水量控制周期)内，具体包括
A、确定当前连铸坯实际表面温度
结合实测温度和实时修正的传传热模型预测温度，根据两者差值确定各二冷回路当前的连铸坯实际表面温度，计算算法如下
Ti (T) = Tfj⑴ + 生Zs⑴)
(I)
式中'i -各二冷控制回路的序号，=1，2，3，…； τ 一时间，s ；
Τ,{ τ )-时刻r第i 二冷回路的铸坯实际表面温度，° C;
tc,-时刻r传热模型预测计算的第i 二冷回路的铸坯表面温度，° C;
rcs(r)-时刻r传热模型预测计算的连续测温点的铸坯表面温度，° C;
Tm{r)-时刻r连续测温点所测得的铸坯表面温度，° C; η -温度修正系数；与实测温度的准确度有关，通常取值为O. 8-1. 2，正常情况下为
I. O ；e{i)-第i 二冷回路的分配系数；此系数与二冷回路水量比例、二冷回路长度等有关，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系数之和必须为1.0 ;es -连续测温点所在二冷回路的分配系数；
B、实时计算和调整控制连铸二冷水量
结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，在线控制调整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，计算算法如下
权利要求
1.一种基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，其特征在于，构建二冷动态新模型并植入计算机系统，嵌入连铸机的配水系统，并与PLC控制器连接通信；将非接触式测温仪CQU-2MB安装于连铸矫直区域，并与PLC控制器连接通信，与连铸二冷动态新模型构成反馈回路；具体方法包括如下步骤 1)连铸二冷动态新模型在线采集当前的工艺操作参数，包括拉速、钢水过热度、二冷水量、钢水成分、二冷水温、结晶器冷却水温，并实时仿真计算获得整个连铸过程中的铸坯温度分布、凝固壳厚度分布和液芯长度参数； 2)应用非接触式测温仪CQU-2MB，在线连续测量连铸坯表面温度； 3)结合实测铸坯表面温度和实时修正的动态传热模型仿真计算的铸坯表面温度，根据二冷各回路的分配系数，计算确定当前控制周期的二冷各回路真实的铸坯表面温度； 4)结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，采用PID控制算法，计算获得当前控制周期二冷各回路的冷却水量，并输出到PLC控制器，在线控制调整各二冷回路的水量； 5)在对连铸二次冷却水量进行动态控制的同时，根据实测的铸坯温度和传热模型预测的铸坯温度，采用PID算法，在线修正动态传热模型的边界条件，即修正二冷各回路的传热系数，以供下次的传热模型计算使用； 6)步骤I) 一步骤5 )均在一个控制周期内快速完成，控制周期设定在5秒以内，每个控制周期都会重复执行步骤I) 一步骤5)。
2.根据权利要求I所述基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，其特征在于，在一个控制周期内，所述二冷动态新模型的控制步骤包括 A、确定当前连铸坯实际表面温度 结合实测温度和实时修正的传热模型预测温度，根据两者差值确定各二冷回路当前的连铸坯实际表面温度，计算算法如下 % (T) = & 执在.V (Tm (T) — TJt:))⑴ 式中'i -各二冷控制回路的序号，2 =1，2，3，…； τ —时间，s; Τ,{ τ )-时刻r第i 二冷回路的铸坯实际表面温度，° C; tc,-时刻r传热模型预测计算的第i 二冷回路的铸坯表面温度，° C; rcs(r)-时刻r传热模型预测计算的连续测温点的铸坯表面温度，° C; Tm{r)-时刻r连续测温点所测得的铸坯表面温度，° C; η -温度修正系数；与实测温度的准确度有关，通常取值为O. 8-1. 2，正常情况下为I. O ； e(i)-第i 二冷回路的分配系数；此系数与二冷回路水量比例、二冷回路长度等有关，O < e{i) < 1，所有二冷回路的分配系数之和必须为1.0 ; es -连续测温点所在二冷回路的分配系数； B、实时计算和调整控制连铸二冷水量 结合实际铸坯表面温度与目标表面温度，在线控制调整各二冷控制回路的水量；控制方法采用PID控制方法，计算算法如下
全文摘要
本发明提供一种基于在线测温与传热模型的连铸二冷动态控制方法，构建连铸二冷动态新模型并植入计算机系统，嵌入连铸机的配水系统，并与PLC控制器连接通信；将非接触式测温仪CQU-2MB安装于连铸矫直区域，并与PLC控制器连接通信，与连铸二冷动态新模型构成反馈回路；连铸过程中，连铸二冷动态新模型在线采集各种工艺操作参数；实时仿真计算参数；对连铸矫直区的铸坯表面温度进行在线测量；通过在线实测的温度、实时修正的传热模型预测的温度与目标铸坯表面温度进行对比计算，实时控制调整连铸二冷水量。本发明大大提高了连铸二冷动态控制的准确性、可靠性，及运行的稳定性；此方法应用简单易行，成效明显。
文档编号B22D11/22GK102814481SQ20121031014
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者龙木军, 陈登福, 董志华, 张蕾蕾, 谢鑫, 赵岩, 马有光, 张星 申请人:重庆大学