第4期 常运合等：基于有限元法异型坯动态二冷控制模型开发与应用 ·421· 坯由于自身的热应力而在凝固过程中产生裂纹或使 系统，使用Access数据库进行相关数据存储.系统 已有裂纹进一步加剧，如铸坯R角处温度高于腹板 运行界面如图5所示 表面中心，极易产生腹板表面纵裂纹，所以必须设计 色an已m无气性子理行 合理的二冷喷嘴布置和冷却制度.根据钢的高温力 学性能，确定钢种的目标温度，然后根据二次冷却冶 公共区界面 金准则综合考虑，利用编制的二冷控制软件进行大 量的离线模拟优化计算，得到拉速与二冷区水量分 质特行重 布的最佳关系： 重二法单样 Q=Av+B+C (13) 天样得 式中：Q:为二次冷却各段的水量，L·min；A,、B,和 C:为系数；v为拉速，mmin-.将各段水量与拉速的 对应数据回归，可确定合理的A、B和C,值，并将这 些参数储存于数据库中，这样就建立了基于目标表 图5动态二冷配水控制系统运行界面 面温度的水表数据库 Fig.5 Running interface of the dynamic secondary cooling control 由于铸坯传热具有滞后性，模型以有效拉速"： system 与水流量的关系来确定水量分布，避免因为拉速波 二冷控制模型静态配水模式下与大型商业软件 动导致水量剧烈变化，减小铸坯冷却不均匀性.有 Marc在相同的工艺条件下选取相同的工况进行计 效拉速是切片平均速度与瞬时速度的加权平均，即 算对比.节点选取如图6所示.二种方法计算铸坯 Um=(1-k,):+k,花。 (14) 表面典型位置温度变化曲线如图7和图8所示.可 式中：k:为权重；v:为平均速度，mmin-;v.为瞬时速 以看出本模型计算所得表面典型位置温度变化曲线 度，mmin1.在足辊区，坯壳薄，k取较大常数在 与大型商业软件Mac计算所得曲线的变化趋势基 二冷区末端，坯壳较厚k取较小常数.平均速度由 本一致.由图8还可以看出，翼缘尖角温度最低，腹 切片距弯月面的距离和坯龄计算得出，坯龄由动态 板表面中心温度次之，翼板表面中心温度稍高，内缘 热跟踪模型确定.在动态配水控制中，每个二冷区 R角表面中心温度最高，符合异型坯断面温度分布 的拉速用该区中间切片的有效拉速来表示，并由有 一般规律 效拉速从数据库中查找相应水表计算水量，下发给 A一腹板表面中，心 级PLC. 一内缘R角表面中心 在动态热跟踪模型具有足够的精度和计算效率 下一翼缘尖角 E一翼缘表面中心 基础上，采用表面目标温度控制法对二冷水量进一 B一腹板内部中心 步优化.水量调节按下式进行： △Q:=K1△T:+K2(△T:-△T:-1)(15) 式中：△Q:为调节水量，m3·min;K,和K2为调节系 数，根据经验和现场生产确定：△T,和△T:-1为第i和 图6特殊点选取示意图 i-1次温度偏差.根据偏差情况和变化趋势，加大 Fig.6 Diagram for choosing special points 或减小调节水量，使得偏差向着给定的方向变化， 结果表明：腹板表面1/4处和R角处平均温差 为90℃，最大达到120℃，不利于防止表面纵裂纹； 使温度尽快趋向于目标温度，二冷控制软件优化 计算所用目标温度指的是腹板表面中心温度.最 进拉矫机温度为930℃，且采用动态配水控制模型， 后通过动态热跟踪模型实时获得温度场来评价配 可有效控制表面回温100℃·m1以内，对防止表面 水效果. 裂纹有利. 在拉速由0.6mmin-提高到0.8mmin-1,再 3模型准确性验证 由0.8mmin-降低到0.6m·min-1(图9)，利用本 以某钢厂750mm×450mm×120mm大异型坯 模型在静态配水和动态配水模式下计算铸坯表面温 生产线工艺参数为基本数据，基于上述异型坯凝固 度变化情况如图10所示.可以看出，动态配水模式 传热模型以及有限元法求解原理，并用可视化编程 计算得到的铸坯表面温度变化较缓和，且能够很好 工具VC++6.0编制了异型坯连铸动态二冷控制 的适应连铸传热滞后性.第 4 期 常运合等: 基于有限元法异型坯动态二冷控制模型开发与应用 坯由于自身的热应力而在凝固过程中产生裂纹或使 已有裂纹进一步加剧，如铸坯 R 角处温度高于腹板 表面中心，极易产生腹板表面纵裂纹，所以必须设计 合理的二冷喷嘴布置和冷却制度． 根据钢的高温力 学性能，确定钢种的目标温度，然后根据二次冷却冶 金准则综合考虑，利用编制的二冷控制软件进行大 量的离线模拟优化计算，得到拉速与二冷区水量分 布的最佳关系: Qi = Aiv 2 + Biv + Ci ( 13) 式中: Qi为二次冷却各段的水量，L·min － 1 ; Ai、Bi和 Ci为系数; v 为拉速，m·min － 1 ． 将各段水量与拉速的 对应数据回归，可确定合理的 Ai、Bi和 Ci值，并将这 些参数储存于数据库中，这样就建立了基于目标表 面温度的水表数据库． 由于铸坯传热具有滞后性，模型以有效拉速 veff 与水流量的关系来确定水量分布，避免因为拉速波 动导致水量剧烈变化，减小铸坯冷却不均匀性． 有 效拉速是切片平均速度与瞬时速度的加权平均，即 veffi = ( 1 － ki ) vi + kivc ( 14) 式中: ki为权重; vi为平均速度，m·min － 1 ; vc为瞬时速 度，m·min － 1 ． 在足辊区，坯壳薄，ki取较大常数; 在 二冷区末端，坯壳较厚 ki取较小常数． 平均速度由 切片距弯月面的距离和坯龄计算得出，坯龄由动态 热跟踪模型确定． 在动态配水控制中，每个二冷区 的拉速用该区中间切片的有效拉速来表示，并由有 效拉速从数据库中查找相应水表计算水量，下发给 一级 PLC． 在动态热跟踪模型具有足够的精度和计算效率 基础上，采用表面目标温度控制法对二冷水量进一 步优化． 水量调节按下式进行: ΔQi = K1ΔTi + K2 ( ΔTi － ΔTi － 1 ) ( 15) 式中: ΔQi为调节水量，m3 ·min － 1 ; K1和 K2为调节系 数，根据经验和现场生产确定; ΔTi和 ΔTi － 1为第 i 和 i － 1 次温度偏差． 根据偏差情况和变化趋势，加大 或减小调节水量，使得偏差向着给定的方向变化， 使温度尽快趋向于目标温度，二冷控制软件优化 计算所用目标温度指的是腹板表面中心温度． 最 后通过动态热跟踪模型实时获得温度场来评价配 水效果． 3 模型准确性验证 以某钢厂 750 mm × 450 mm × 120 mm 大异型坯 生产线工艺参数为基本数据，基于上述异型坯凝固 传热模型以及有限元法求解原理，并用可视化编程 工具 VC + + 6. 0 编制了异型坯连铸动态二冷控制 系统，使用 Access 数据库进行相关数据存储． 系统 运行界面如图 5 所示． 图 5 动态二冷配水控制系统运行界面 Fig． 5 Running interface of the dynamic secondary cooling control system 二冷控制模型静态配水模式下与大型商业软件 Marc 在相同的工艺条件下选取相同的工况进行计 算对比． 节点选取如图 6 所示． 二种方法计算铸坯 表面典型位置温度变化曲线如图 7 和图 8 所示． 可 以看出本模型计算所得表面典型位置温度变化曲线 与大型商业软件 Marc 计算所得曲线的变化趋势基 本一致． 由图 8 还可以看出，翼缘尖角温度最低，腹 板表面中心温度次之，翼板表面中心温度稍高，内缘 R 角表面中心温度最高，符合异型坯断面温度分布 一般规律． 图 6 特殊点选取示意图 Fig． 6 Diagram for choosing special points 结果表明: 腹板表面 1 /4 处和 R 角处平均温差 为 90 ℃，最大达到 120 ℃，不利于防止表面纵裂纹; 进拉矫机温度为 930 ℃，且采用动态配水控制模型， 可有效控制表面回温 100 ℃·m － 1 以内，对防止表面 裂纹有利． 在拉速由 0. 6 m·min － 1 提高到 0. 8 m·min － 1 ，再 由 0. 8 m·min － 1 降低到 0. 6 m·min － 1 ( 图 9) ，利用本 模型在静态配水和动态配水模式下计算铸坯表面温 度变化情况如图 10 所示． 可以看出，动态配水模式 计算得到的铸坯表面温度变化较缓和，且能够很好 的适应连铸传热滞后性． ·421·