连铸二冷水动态模型研究与应用

　　摘要：本文研究了连铸二冷动态模型DYNACS模型建立的理论依据，依据原理编制MATLAB参数设定程序，使用所编软件，设定连铸生产特殊钢的在线参数。
　　关键词：连铸机，动态二冷水，温度场，DYNACS
　　1、简介
　　连铸二冷动态配水是指在浇铸工艺条件变化时使冷却水量随拉速、中间包温度、钢种等参数变化时动态连续变化，配水量沿拉坯方向实现最优化分布，以控制铸坯表面温度符合钢种设定的最佳值，进而获得良好的铸坯质量。Dynacs模型基于温度场的概念，这与以往的依据速度配水的冷却模型是不同的。它综合考虑了二冷水的实际水流速度、中间包钢水温度和钢种热物性参数等诸多钢种自身特性。Dynacs模型除进行动态配水以外还向连铸过程控制提供铸坯的热力学状态。
　　图1：Dynacs模型控制流程图
　　2、二冷数学模型
　　模型以冶金准则和传热学为基础，建立传热学模型，计算铸坯各段表面温度的分布，给出各冷却水回路的最佳参数。铸坯传热为三维传热过程，其数学表达式为T(x,y,z,t)。X为浇铸长度方向上的坐标，Y为铸坯宽度方向上的坐标，Z为铸坯厚度方向上的坐标。t表示浇铸时间。实际应用时模型做如下简化，沿浇铸方向的传热仅由拉速产生，该方向的传热忽略不计。为了分析方便沿浇铸方向将铸流分切为切片，每片长度度10cm，切片以拉矫机速度移动，切片剖面和温度分布如图：
　　图2：铸坯切片及其温度分布示意图
　　对于每个切片可由如下数学表达式描述：
　　（1）
　　式中各变量物理意义如下：
　　：t时刻深度为x点Zi的温度。
　　h：热焓
　　：密度
　　：热传导率
　　钢的凝固是复杂的物理化学变化，其热焓包含两部分，凝固显热Cp和凝固潜热L,其分布与固相率fs有关，其函数关系为：
　　（2）
　　当铸坯移动长度大于切片长度时，一个新的单元切片形成，T>t0时刻切片单元表面和中心的热流可由（3）式和（4）式计算。
　　（3）
　　（4）
　　式中为t时刻切片的显热散失，切片所处位置不同，计算方法不同。
　　切片处于结晶器内时散热量由式（5）计算。
　　（5）
　　式中(T)是关于表面温度的热传递系数函数；波尔兹曼常数；热辐射常数；环境温度；结晶器铜板温度。
　　切片处于扇形段内时散热量由式（6）计算。
　　（6）
　　是二冷水进水温度；
　　为指定水流速引起的热散失参数；
　　（7）
　　是切片对应二冷区t时刻的水流速度，C1、C2为经验参数。
　　3、模型功能及应用效果
　　3.1离线设置
　　二冷配水的设置属于质量体系软件体系的一部分，质量体系软件设定的数据作为在线动态模型的入口数据，
　　离线模型可以对每个冷却区设定优化配水量。
　　图3：冷却区4IO的设置
　　3.2模型仿真
　　输入实际生产的数据，并设定好离线模型数据后即可开始仿真，
　　实际生产浇铸参数
　　拉速 宽度 厚度 过热度 中间包温度
　　m/min mm mm ℃ ℃
　　1.6 1380 200 25 1539.4
　　图4：M脚本程序铸坯温度3D分布图
　　开浇后二冷系统会依据模型设定值配水，实时计算铸坯表面及中心温度，为了提高铸坯的表面质量和保证铸坯形状，减少偏析和缩孔，提高铸坯直接轧制的比例，Dynacs工艺模型中的Dynacs3D散热模型，解决了连铸机的动态热平衡问题。Dynacs3D包含两个模型。一个模型是三维热能跟踪，计算了在浇铸过程中铸坯的温度分布（铸坯热辐射、铸坯与支撑辊接触产生的热传导、结晶器一次冷却及二次冷却所带走的热量等）。温度的测量是通过两个移动高温计来实现的，并将软件包Dynacs3D计算的结果和移动高温计的测量值进行了比较。还考虑了钢种的变化、轻压下和收缩的散热平衡、凝固时铸坯自然收缩和实施轻压下所产生的铸坯厚度变化。第二个模型是控制连铸机二次冷却的二冷水，如水流，压力和喷嘴的位置等。设定值能够使铸坯达到目标表面温度。通过对非线性的散热平衡值进行修正，达到总体的热平衡。
　　4、结论
　　1、本实验以合金包晶钢为例。采用手持式红外测温枪检测铸坯温度，测试点包括8段出口9段出口和11段出口铸坯表面温度，每点取10个数做统计分析T8=945；T9=948；T11=935；模型计算温度为T9=921;T10=916;T11=913.最大偏差3.4%，完全满足工艺设计要求。
　　2、铸坯表面温度波动分析，在矫直点出口处测试铸坯表面温度，结果显示模型计算与实测温度偏差<3.12%(工艺设计要求<5%)。
　　3、DYNACS是连铸过程控制系统最复杂、最先进的模型。DYNACS与轻压下模型联合使用，即使浇注特殊钢种也非常可靠。
　　4、经理化检测铸坯内部质密均匀,符合工艺要求。
　　参考文献
　　[1]蔡开科，连续铸钢原理与工艺[M],北京；冶金工业出版社，
　　[2]陈素琼等，板坯连铸机二次冷却水的控制模型，炼钢及连铸自动化.北京.冶金工业部科学技术司.1994
　　[3]许东。神经网络[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

《连铸二冷水动态模型研究与应用》

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