板坯连铸二次冷却及动态轻压下离线仿真系统

摘要

本发明提供了一种板坯连铸二次冷却及动态轻压下离线仿真系统，主要解决在生产实际中进行动态轻压下参数的调整成本过高的技术问题。仿真系统的计算机内包含有：模拟器内核单元，实现主要浇注条件过程参数的模拟仿真；工艺模型参数设定单元，用于对模型中的工艺及控制参数进行设定；模型计算内核单元，结合模拟浇注条件参数进行工艺模型计算；监控显示单元，主要完成对仿真结果的界面显示；模拟器内核单元和模型计算内核单元通过共享内存实现过程参数数据的交互，模型计算内核单元和监控显示单元通过Ethernet局域网络交互仿真结果数据，模型计算内核单元和工艺模型参数设定单元通过模型参数数据库实现工艺模型参数的交互。本发明主要用于对板坯连铸二次冷却配水及动态轻压下具体控制过程的模拟仿真。

说明书

技术领域：

本发明属于冶金连铸的生产仿真技术领域，特别是提供了连铸二冷及动态轻压下离线仿真系统，用于对板坯连铸生产中二次冷却配水及动态轻压下具体控制过程的模拟仿真。

背景技术：

随着工业技术的发展，人们对钢铁产品的质量要求越来越高，如输送天然气的管道用钢、海洋钻探、平台结构用钢等均要求具有高强度、高韧性、优良焊接性能以及良好抵抗氢致破裂性。连铸过程中常出现的铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷将会严重影响铸坯内部质量问题，一直是限制钢铁产品质量和产量获得进一步提高的瓶颈问题。为此国内外已采用凝固末端动态轻压下、凝固末端重压下、连续锻压、电磁搅拌、凝固末端强冷等技术来提高产品质量，减小中心偏析和中心疏松对铸坯内部质量的危害，其中动态轻压下技术能够较为有效地消除中心偏析和中心疏松，该技术通过在连铸坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量，达到消除中心偏析和疏松的目的。

动态轻压下技术能够成功地在线应用于连铸生产过程中的重要前提在于建立合理可靠的实时温度计算模型(热跟踪模型)、动态二次冷却配水模型和动态压下模型，并结合连铸的实际生产过程，不断进行调试和过程优化，最终确定合理准确的工艺模型参数。该工作建立在实际生产过程的基础之上，在线进行调试和优化必将影响现场生产的正常运行，同时耗费大量的资源、资金和成本，解决这一问题的有效办法是通过模拟仿真建立离线仿真系统，直观定量化地再现连铸实际生产过程，对过程中主要条件进行分析，减小在线调试的风险，同时大大节约成本和资源消耗。

目前，国内已经申请的专利一部分主要针对实现动态轻压下控制的扇形段设备，如专利CN00254878.X，CN200510098812.5，CN03108436.2，CN03819174.1，CN200510042964.3，一部分主要针对关于轻压下的工艺参数，如CN02289305.9，CN01122537.8，仿真方面则主要针对整个连铸生产过程的总体工艺流程，如CN200410009213.7；公开发表的相关文章除了上述内容外，大多停留在温度场计算及其二次冷却配水过程的稳态仿真。

发明内容：

本发明目的在于提供一种板坯连铸二次冷却及动态轻压下离线仿真系统，对连铸动态轻压下及其整套技术的具体控制过程进行仿真模拟，为研究人员和生产工艺人员提供模拟工具和基础平台，从而为动态轻压下技术的在线应用奠定良好的基础。相关人员通过输入不同的浇注状态、流线状态、参数指标，可以快速便捷的模拟板坯连铸过程中二次冷却和轻压下的控制过程，并根据仿真结果选择合适的控制参数和工艺过程参数，为生产过程中的参数设定和优化提供了很好的依据。

本发明的技术方案为：板坯连铸二次冷却及动态轻压下离线仿真系统，包括计算机，所述计算机含有模拟器内核单元、模型计算内核单元、监控显示单元和工艺模型参数设定单元，其中模拟器内核单元结合连铸实际生产过程，实现主要浇注条件过程参数的模拟仿真；工艺模型参数设定单元用于对模型中的工艺及控制参数进行设定；模型计算内核单元结合模拟浇注条件参数进行工艺模型计算；监控显示单元主要完成对仿真结果的界面显示。模拟器内核单元和模型计算内核单元通过共享内存实现过程参数数据的交互，模型计算内核单元和监控显示单元通过Ethernet局域网络交互仿真结果数据，模型计算内核单元和工艺模型参数设定单元通过模型参数数据库实现工艺模型参数的交互。

模拟器内核单元是本发明的关键，该部分结合现场环境对板坯连铸中不同的生产过程及过程中浇注条件参数的变化进行了模拟，可以对板坯连铸生产稳态和非稳态浇注过程中浇注条件参数的变化进行模拟，真实还原现场生产环境的同时方便了离线仿真的操作。模拟器内核单元由数据初始化模块、铸机状态模拟模块、浇注条件模拟模块和过程参数数据发布模块组成。其中数据初始化模块用于在启动仿真系统前初始化钢种、浇注温度、结晶器厚度和结晶器宽度等浇注条件参数。铸机状态模拟模块模拟连铸生产过程中不同的铸机状态，从而可以对连铸的不同生产过程进行控制，为进一步优化工艺参数使模型平稳的完成非稳态过程过渡提供了基础平台。铸机状态模拟模块包括维护、插入引锭杆、准备浇注、开浇、正常浇注、快换水口、换钢包、快速更换中间包和终浇。同时该模块严格按照现场生产操作规程，具体对开浇、快换水口、换钢包、快速更换中间包和终浇这些非稳态过程中主要浇注条件参数的变化进行模拟。如开浇过程中拉速参数的变化，本发明在开浇过程中对该参数变化的模拟严格按照操作规程中拉速升降设定曲线执行，尽量真实地还原了现场生产环境。浇注条件模拟模块模拟了连铸正常生产过程中主要浇注条件参数的变化，如升降拉速、中包温度变化、结晶器在线调宽等。采用连续式和间歇式两种模式实现对拉速的升降，满足离线仿真需要的同时，真实模拟和还原了现场条件下拉速的升降过程。其中连续式升降模式是为方便稳态浇注过程中对工艺参数的优化而设计的，需要改变拉速时，只需输入目标值，拉速便以较大的加速度改变到目标值，从而可以在相对较短的时间内完成非稳态过程的变化，使系统快速趋于稳定，缩短了离线仿真过程中对工艺模型参数进行调整和优化的时间；间歇式升降是为模拟现场生产过程中拉速的实际升降过程而设计的。现场拉速的升降严格按照操作规程由人工操作，趋势呈阶梯式变化，即拉速变化至目标拉速过程中，需要在中间的若干过渡拉速稳定一段时间，最终变化至目标值。基于生产过程中对中包温度的测定采用非连续式测温，该模块对中包温度变化的模拟采用突变的方式，即改变中包温度时瞬间变化到目标值。与中包温度类似，结晶器宽度、钢种、冷却工艺、辊缝工艺等参数的变化以突变的方式瞬间变化至目标值。过程参数数据发布模块将模拟的流线状态、主要浇注条件参数等信息写入共享内存，以供模型计算内核单元使用。上述对连铸生产过程中铸机状态、主要浇注条件过程参数的模拟适用于各种不同类型的铸机，实现了本发明的通用性。

模型计算内核单元集成了动态轻压下技术中最为核心的工艺模型，也是本发明的核心。该部分包括过程参数数据接收模块、动态小单元跟踪模块、实时温度场模型模块、动态二次冷却配水模型模块、动态轻压下模型模块、系统日志模块、时间管理模块和仿真结果数据发布模块。其中过程参数数据接收模块通过读取共享内存获取生产过程中重要过程参数的最新信息。连铸动态轻压下技术中最为核心的几个工艺模型算法建立在动态跟踪小单元思想的基础之上，动态小单元跟踪模块则在该思想的指导下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、受水量进行跟踪，为进一步的模型计算奠定了基础。合理精确的实时温度场计算模型是制定轻压下工艺参数的重要前提，同时为动态二次冷却配水提供表面温度反馈信号，使二次冷却水冷却效果更加接近铸坯表面目标温度，实时温度场模型模块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、两相区位置计和凝固末端位置，为动态二次冷却配水和动态轻压下模型奠定了基础。动态二次冷却配水模型模块和动态轻压下模型模块在实时温度场计算模型的基础上，结合实际生产过程，经过计算分别提供流线上各二次冷却区的水量设定和各扇形段的辊缝设定。系统日志模块记录了仿真过程中的主要事件和过程数据信息，以便进一步进行分析和研究。时间管理模块实现在时间上推进仿真系统的运行，维护系统时钟和连铸生产时间场景。仿真结果数据发布模块通过局域网以多播的形式对外发布仿真结果信息。

监控显示单元提供了本发明的可视化界面，通过仿真结果数据接收模块接收通过局域网传输的相关数据信息，并通过仿真结果数据显示模块更新界面，实时显示相关过程数据。该部分与其他部分完全分离，完全模块化，便于本离线仿真系统的升级和维护。

工艺模型参数设定单元包括温度场模型参数模块、冷却工艺参数模块和辊缝工艺参数模块。可分别通过上述模块调整实时温度场计算模型中的工艺模型参数、与各种二次冷却配水工艺相关的模型参数和与不同轻压下辊缝控制工艺相关的模型参数，并通过不断调试和分析，进一步优化相关工艺模型，为动态轻压下技术的在线应用奠定良好的基础。

本发明的优点在于：

1.如上所述，模拟器内核单元结合连铸实际生产过程对铸机状态和主要浇注条件的模拟，适用于不同类型的连铸机，从而实现了本发明中离线仿真系统的通用性，可以仿真模拟广泛板坯连铸生产过程中二次冷却及动态轻压下的具体控制过程。

2.本发明不仅可以对连铸生产稳态浇注过程中动态轻压下的具体实施过程进行仿真，同时也对非稳态浇注过程进行了仿真和研究，为进一步提高连铸非稳态浇注过程中模型计算的准确性及平稳过渡提供基础平台。

3.本发明中模拟器内核单元的实现过程严格依据连铸生产现场操作规程，整个模拟过程立足于现场实际生产过程，保证了本发明真实地还原现场环境，对动态轻压下技术的在线应用具有指导意义。

4.可以通过铸机状态模拟模块对仿真的连铸生产过程进行控制，使本发明可以表现连铸不同生产过程中动态轻压下的具体实施过程，从而为连铸动态轻压下技术的在线应用奠定了良好的基础。

5.工艺模型参数设定单元提供了修改连铸动态轻压下技术相关工艺参数的接口，使本发明可以优化现有钢种动态轻压下相关工艺的同时，具有良好的可扩展性，为开发新钢种及其轻压下相关工艺提供了模拟工具。

附图说明：

图1为本发明中离线仿真系统结构图。

图2为本发明模拟器内核流程控制框图

图3为本发明中开浇过程拉速升降设定曲线。

图4为本发明中拉速升降控制模式。

具体实施方式：

参照图1，用户在开始对板坯连铸生产中二次冷却及动态轻压下的具体控制过程进行仿真前，根据分析和研究的结果，分别通过工艺模型参数设定单元4中的温度场模型参数模块19确定实时温度场计算过程的合理工艺参数、冷却工艺参数模块20确定合理配套的二次冷却配水工艺，辊缝工艺参数模块21确定动态轻压下实施过程中合理配套的辊缝控制工艺。

对工艺参数进行合理的设定后，参照图2，用户根据实际需要，通过数据初始化模块5输入初始化数据，并通过铸机状态模拟模块6切换铸机状态控制连铸的不同生产过程，在浇铸条件准备好后，按照现场操作规程中相应非稳态浇注过程的拉速控制标准自动控制升速，对开浇、快换水口、换钢包、快速更换中间包和终浇进行控制，经判断，当非稳态拉速升降过程完毕则进入浇铸条件判定步骤，如果改变，则通过浇注条件模拟模块7改变浇注条件，如果不变，则拉速不变，改变浇铸长度，在拉尾坯状态时则改变尾坯长度；经判断，当非稳态拉速升降过程没有结束，则更新拉速和浇铸长度，在拉尾坯状态时则改变尾坯长度；并通过过程参数数据发布模块8发布过程参数数据。

在模拟器内核单元1不断发布过程参数数据的同时，模型计算内核单元2以设定的周期进行工艺模型计算。动态小单元跟踪模块10根据过程参数数据接收模块9接收的过程参数数据对小单元进行动态跟踪。实时温度场模型模块11、动态二次冷却配水模型模块12和动态轻压下模型模块13结合过程参数数据、生产过程中流线上小单元信息和各自的工艺模型参数，实时进行模型计算。一个周期仿真计算过程结束后，通过系统日志模块14输出一个周期内发生的主要事件和详细的仿真结果数据，时间管理模块15实现在时间上推进仿真系统的运行，维护系统时钟和连铸生产时间场景。仿真结果数据发布模块16通过局域网以多播的形式对外发布仿真过结果信息。

监控显示单元3与其他部分完全分离，以设定的周期独立运行，通过仿真结果数据接收模块17不断读取通过局域网传输的仿真结果数据信息，并通过仿真结果数据显示模块18更新可视化界面，实时显示仿真结果数据。

实施例中的各个模块，根据技术方案中对于模块功能的叙述，都是能够很容易获得，在此就不作赘述。