連鑄二冷水動態(tài)控制及其波形控制的設(shè)想

袁理

(北京奧恩機電工程有限公司,北京 100050)

連鑄二冷水動態(tài)控制及其波形控制的設(shè)想

袁理

(北京奧恩機電工程有限公司,北京 100050)

本文通過不同升降速曲線,揭示了連鑄二冷水動態(tài)控制下鑄坯表面溫度的變化過程。另外,本文指出了連鑄二冷水動態(tài)控制在控制方法上存在的缺陷,并指出了下一步的研究方向。

連鑄二冷水 動態(tài)控制 波形控制

1 使用的數(shù)學模型

1.1 靜態(tài)模型

靜態(tài)模型也稱為水表，本文使用計算方式的水表如下：

式中： flow為二冷水流量，與二冷水控制回路有關(guān)，v為鑄造速度(這里的速度意指速率)。a，b，c 為常數(shù)，與鑄坯厚度和噴水方式(全緩或前緩后強)有關(guān)。

圖1

圖2

圖3

1.2 動態(tài)模型

1.2.1 理論模型[1]

將坐標軸放在鑄坯橫斷面表面，x軸指向鑄坯中心，因鑄坯沿長度和寬度方向上的溫差變化率及其微小，可以假設(shè)熱量只沿厚度方向上傳遞。設(shè)時間為t，溫度分布函數(shù)為U(x，t)，那么，U(x，t)滿足如下熱傳導方程

邊界條件：

初始條件：

式中：c比熱，ρ密度，k熱傳導率，US為鑄坯表面溫度，h為熱傳導系數(shù)，UW為冷卻水溫度，XS為殼厚，TS為凝固溫度，TN結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度(=液相溫度)，QK為潛熱。

1.2.2 在線模型[2]

圖4

圖5

圖6

圖7

化簡理論模型可以得到如下在線模型：

(1)熱傳導系數(shù)

式中：h為導熱系數(shù)，S為熱傳導系數(shù)，k熱傳導率，hx，hr，γ為常數(shù)，與二冷水控制回路有關(guān)，w為單位面積單位時間上的冷卻水量。

(2)殼厚；

式中：Y鑄坯表面溫度計算參數(shù)，AY，BY為常數(shù)，TS為凝固溫度，UW為冷卻水溫度，XS為殼厚，t為時間，為時間增量。(4)鑄坯表面溫度控制計算

式中：USA為目標表面溫度，US為表面溫度，G為控制增益

(5)二次冷卻水流量計算

式中：QA為噴水流量，SPW為噴水寬度，SPL為噴水長度

2 運行結(jié)果

圖中紅色曲線為鑄坯實時表面溫度，藍色曲線為目標表面溫度，棕色曲線為鑄坯殼厚。在曲線顯示區(qū)域內(nèi)，鼠標左鍵按下，會產(chǎn)生一條量線，用以測量各曲線的值。

2.1 開澆時的控制結(jié)果(圖1)

2.2 穩(wěn)態(tài)時的控制結(jié)果(圖2)

2.3 降速時的控制結(jié)果(圖3、圖4)

2.4 升速時的控制結(jié)果(圖5、圖6)

2.5 停澆時的控制結(jié)果(圖7)

3 控制結(jié)果分析

總體來講，在拉速發(fā)生變化時，動態(tài)控制能很好地抑止鑄坯表面溫度的波動，對提高鑄坯質(zhì)量有一定的幫助。另外，動態(tài)控制可以提高出坯溫度，節(jié)省冷卻用水，有利于熱裝熱送和降低生產(chǎn)成本。但在拉速由高變低并且進入低速穩(wěn)態(tài)階段后，參見圖4，由于鑄坯表面溫度波形不好，導致動態(tài)控制有很大的控制誤差，這些誤差在接下來的加速過程中會存在很長一段時間。

4 連鑄二冷水動態(tài)控制存在的問題和解決方向

我們知道，連鑄二冷水動態(tài)控制是根據(jù)某冷卻回路的平均溫差決定水量的，參見式(16)平均溫差是由某冷卻回路內(nèi)各切片溫差之和除以切片個數(shù)得到的。這就在理論上存在一個問題，如果該冷卻回路的鑄坯表面溫度以目標溫度為橫軸呈正弦波狀，則不管振幅多大，其平均溫差等于0，此時動態(tài)控制就不進行水量調(diào)節(jié)，存在的溫差得不到抑制，見圖4。盡管控制軟件很容易判斷出該冷卻回路是否出現(xiàn)了正弦波狀的表面溫度，但增加水量或減少水量的擾動處理都不能破壞正弦波的波形，因為這一周期的水量增加，就意味著下一周期的水量減少。從圖4可以看到：一個區(qū)鑄坯表面溫度產(chǎn)生正弦波波形后，會使接下去的冷卻區(qū)同樣產(chǎn)生正弦波波形，具有一定的傳遞性。

5 結(jié)語

綜上所述，這種各個冷卻區(qū)單獨調(diào)節(jié)，不考慮本區(qū)的調(diào)節(jié)對其它冷卻區(qū)產(chǎn)生的影響，很難從理論上徹底解決連鑄二冷水的控制問題。筆者認為：為了徹底解決目前連鑄二冷水動態(tài)控制的缺陷，為了實現(xiàn)表面溫度波形的有效控制，應該使用現(xiàn)代控制論的方法，整體考慮連鑄二冷水的控制，以最小二次性能指標為目標函數(shù)(鑄坯表面溫度與目標溫度之差的絕對值和)，研究多輸入(各回路流量)多輸出(鑄坯表面溫度)以及之間的關(guān)系，建立一套基于現(xiàn)代控制論的數(shù)學模型。

[1]寶鋼板坯連鑄二冷動態(tài)控制新模型開發(fā)及應用.連鑄二冷技術(shù)交流會論文匯編.

[2]寶鋼連鑄精整計算機控制系統(tǒng)功能說明書(VOL1/1).未出版的設(shè)計資料.