板坯连铸温度场实时仿真系统的分析和实现.docx
板坯连铸温度场实时仿真系统的分析和实主要介绍板坯连铸温度场实时仿真系统的组成、功能及实现，并利用在线生产数据对仿真结果开展了比较和验证,结果说明该仿真系统可以真实再现连铸生产实际浇铸过程中的各种情况，为研究人员及操作人员提供了很好的模拟工具和根底平台。O前言连铸凝固传热过程的仿真模拟在连铸生产中开展了广泛的应用，能对铸坯凝固过程准确地模拟与预测。板坯连铸温度场实时仿真系统的开发，将凝固传热计算运用到实际的连铸生产中，为动态二冷控制的实现提供了前提条件，同时准确的在线凝固末端位置预测也为动态轻压下的实现提供了必要保证。在梅钢2#板坯连铸机动态轻压下二级过程控制系统的开发过程中，建立实时温度场离线仿真系统，对模型计算所需关键参数开展优化，并针对工艺条件突然变化时相关参数的变化情况，解决工艺参数的控制问题。该仿真系统采用跟踪单元对在线过程数据开展跟踪、计算，再根据现场实测数据修正计算结果，在减少在线调试次数的同时，大大缩短了系统开发时间，也为工艺工程师提供了离线工艺仿真平台。温度场实时仿真系统在ViSUaIC+6.0环境下开发，核心代码采用C/C+编写，并在开发过程中结合了面向对象技术，具有较好的可移植性和可扩展性。系统主要由模拟器、工艺模型计算、工艺模型参数设定和监控显示及数据保存等模块组成，系统构造如图1所示。1模拟器模拟器模块结合现场环境，对连铸中不同生产过程及相应过程中浇铸条件参数的变化开展模拟，可以对连铸生产稳态和非稳态浇铸过程中浇铸条件参数的变化开展模拟，真实复原现场生产环境的同时方便了离线仿真的操作。模拟器模块由铸机状态模拟和浇铸条件模拟两个模块组成。1. 1铸机状态模拟铸机状态模拟子模块可以模拟连铸生产过程中不同的铸机状态，以便实现对连铸不同生产过程的控制，为进一步优化工艺参数使模型平稳实现非稳态过程过渡提供了根底平台，真实地复原了现场生产环境。铸机状态模拟子模块一方面可以模拟连铸过程中维护、插入引锭杆、准备浇铸、开浇、正常浇铸、快换水口、换钢包、快速更换中间包、出尾坯等不同的铸机操作状态，触发工艺控制模型不同的控制模式；另一方面，该模块还集成了仿真速度调节功能，即通过改变仿真系统运行周期使仿真速度110倍于现场真实生产速度。1.2浇铸条件模拟浇铸条件模拟子模块用于设定开浇前和浇铸过程中的钢种、浇铸温度、结晶器厚度和结晶器宽度等浇铸条件参数。生产中过程控制系统所采用的钢种和冷却工艺等相关信息是通过瞬时值传递的。生产过程中采用非连续式中间包温度测量，因此系统对中间包温度变化的模拟采用突变的方式，即在改变中间包温度的同时使其温度值瞬间变化到目标值；结晶器厚度在开浇前设为固定值，生产过程中无法改变,因此数据初始化后不允许更改该值；根据实际生产中结晶器在线调宽技术的应用情况，系统采用慢调方式开展在线调宽模拟，即将设定值以5cmmin的渐进速度变化至目标值。拉速是浇铸过程中变化最频繁的浇铸条件。根据生产实际，系统可以采用连续式和间歇式两种模式实现对拉速的升降，如图2所示。两种模式真实模拟和复原了现场条件下拉速的升降过程。其中连续式升降方式是严格按铸机操作中拉速上升和下降的加速度而设计的，即按阶梯式直接变化至目标拉速。间歇式变化是为非正常浇铸操作时拉速突然发生变化而设计的，例如在漏钢报警时的拉速陡降等。此外，在工艺模型参数调试和优化过程中，利用间歇式变化可以使拉速迅速到达目标值，从而在相对较短时间内完成非稳态过程的变化，使系统快速趋于稳定，缩短调试时间。为进一步真实模拟浇铸过程，利用浇铸条件模拟模块可以按照现场生产操作规程，对开浇、快换水口、换钢包、快速更换中间包和终浇等非稳态过程中主要浇铸条件参数的变化开展模拟。图3为非稳态过程中快速更换中间包的拉速变化曲线。通过对非稳态浇铸条件的设定，为开浇、快速更换中间包、终浇等过程中的操作规程设定和优化提供了仿真条件。2工艺模型计算工艺模型计算模块的核心是实时温度场计算模型。合理准确的实时温度场计算模型是实现动态轻压下的重要前提,同时为动态二冷配水提供表面温度反应信号，使二冷水冷却效果更加接近铸坯表面目标温度。实时温度场计算模型是这样实现的：将整条铸坯流线根据一样的时间间隔划分为许多个跟踪单元，认为流线是由不断“出生”的跟踪单元所组成，通过离散化处理对小单元的钢种、位置、坯龄、平均拉速、过热度、受水量开展跟踪，将初始条件和过程条件与单元格温度场相关联，从而使单元格与时间相关，从静态转向动态。结合实际生产过程和流线上所有小单元的信息，经过数学模拟计算，提供铸坯断面的温度分布、坯壳形状、两相区长度和凝固末端位置，为实施动态轻压下奠定了根底。3工艺模型参数设定该模块针对离线条件下工艺参数的调整和优化而设计。工艺参数包括物性参数和模型可调参数。其中，根据实际铸机情况，物性参数可以基本固定，而模型可调参数需要不断调试及优化，以提高模型的准确性。以二冷区传热系数为例，传热系数的表达式为：式中，h为二冷区传热系数；W为冷却水流密度；c1.,c2为与拉速有关的传热计算参数，它们具有一样的表达形式,即：式中，4为c1.,c2的调试参数，只是其取值不同。这些针对特定模型人为给出的诸如Q4的可调参数，可以根据实际生产数据的变化和操作人员的现场经验开展及时调整，从而使c1.,c2的值随之相应地变化，使得传热系数h的值能够在拉速改变过程中和二次冷却区间衔接处变化连续，从而保证了温度场计算值的连续性。4监控显示及数据保存监控显示及数据保存模块一方面提供了离线仿真系统的可视化界面，通过仿真结果数据接收子模块接收由局域网传输的相关数据信息，并通过仿真结果数据显示子模块更新界面；另一方面通过仿真结果数据存储子模块将接收的仿真结果数据存人MicrosoftAccess数据库中，作为历史数据以供查询，同时便于工艺和研究人员对整个仿真过程和结果做进一步的分析和研究，为系统的优化提供了数据根底。仿真结果数据主要包括铸机状态、拉速、冷却工艺、钢种、浇铸温度等过程参数数据、流线实时温度场及两相区分布和各二冷区水量设定等。该部分为模块化设计，便于系统的升级和维护。5结果分析结合梅钢2#板坯连铸机，以包晶钢和低碳钢为例，各工作拉速下仿真系统计算的凝固末端位置与实际生产数据的比较结果分别见表1和表2,非稳态条件下拉速和两相区长度的关系见图4o结果说明，该仿真系统计算的凝固末端位置与在线生产系统的最大偏差约为30cm,相对误差小于1%,拉速变化过程中凝固末端位置过渡平稳，非稳态条件下拉速和两相区长度关系符合实际变化规律，进一步验证了该仿真系统的稳定性和准确性，为在线实施轻压下奠定了根底。6结论连铸坯温度场实时仿真系统界面友好，操作简便，可以真实地模拟连铸浇铸全过程中铸坯温度场分布，再现板坯浇铸的动态过程。利用该仿真平台，可以对浇铸过程和工艺过程的主要计算过程开展仿真，有利于各种板坯连铸机实时仿真系统的开发。本离线仿真系统可大大降低调试风险，减少在线过程控制系统开发周期，同时可为工艺工程师提供离线仿真平台，为动态二冷和动态轻压下优化以及非稳态浇铸拉速曲线制定提供定量依据。目前该系统已在梅钢2#板坯连铸机上投入使用。
