一種實現連鑄過程仿真系統及其方法

2023-06-26 10:39:11 1

專利名稱：：一種實現連鑄過程仿真系統及其方法
技術領域：
：本發明屬於鋼鐵企業連鑄過程仿真領域，特別是提供了一種實現連鑄過程仿真系統及其方法，以ADI(AlternatingDirectionImplicit,交替方向隱式差分法)為鑄坯溫度場求解算法的連鑄過程仿真系統。
背景技術：
：由於連鑄在鋼鐵生產中的重要地位，連鑄過程的建模仿真與控制已成為目前國內外自動控制領域的研究熱點之一。在連鑄過程中為了保證鑄坯質量，對鑄坯的冷卻過程有著較為嚴格的要求，為了達到這些要求，就需要深入了解工藝參數與鑄坯溫度之間的關係。直接做連鑄實驗裝置複雜，成本高，過程難以控制，而且在高溫下進行，安全性也必須考慮。隨著計算機計算性能的大大提高，可以採用計算機仿真的方法來模擬連鑄坯的冷卻過程，由此來確定工藝參數對鑄坯溫度的影響。目前關於連鑄過程的仿真大多集中在連鑄過程中物流的仿真，由於連鑄坯質量與鑄坯在冷卻過程中溫度場的變化過程密切相關，因此有必要對鑄坯的溫度場進行定量分析，而對於溫度場的定量分析多數集中在科學計算方面，沒有融入到整個連鑄流程仿真系統中，本文中的連鑄仿真系統最大的特點是將連鑄工序流程的仿真與連鑄坯溫度場的求解有機結合起來，提供了一種以ADI算法為鑄坯溫度場求解算法的連鑄過程仿真系統。目前求解連鑄坯溫度場的方法大致可分為三類(1)有限差分法(F匿)。有限差分方法(Finitedifferencemethod)是計算機數值模擬較早採用的方法，至今仍被廣泛運用。該方法將求解域劃分為差分網格，用有限個網格節點代替連續的求解域。有限差分法以Taylor級數展開等方法，把控制方程中的導數用網格節點上的函數值的差商代替進行離散，從而建立以網格節點上的值為未知數的代數方程組。該方法是一種直接將微分問題變為代數問題的近似數值解法，數學概念直觀，表達簡單，利於編程實現。常用的有限差分法有顯示差分法、隱式差分法、交替方向隱式差分法(ADI)等。交替方向隱式差分法的優點在於比顯式差分法和隱式差分法的計算精度高，而且可以證明二維問題的ADI格式在數學意義上是無條件穩定的，交替方向隱式差分法的基本思想是把K到K+1時刻的鑄坯溫度場矩陣T的計算分成兩步，第一步先由K時刻的T值計算K+l/2時刻的T值，在X軸方向採用隱式差分，在Y軸方向採用顯式差分；第二步再由K+l/2時刻的T值計算K+1時刻的T值，此時在X軸方向採用顯式差分，在Y軸方向採用隱式差分。(2)邊界元法(BEM)。邊界元方法(Boundaryelementmethod)應用格林函數公式，並通過選擇適當的權函數把空間求解域上的偏微分方程轉換成為其邊界上的積分方程，把求解區中任一點的求解變量(如溫度)與邊界條件聯繫起來。通過離散化處理，由積分方程導出邊界節點上未知值的代數方程。解出邊界上的未知值後就可以利用邊界積分方程來獲得內部任一點的被求函數之值。該方法的優點是可以使求解問題的空間維數降低一階，減小了計算量。缺點是需要已知所求解偏微分方程的格林函數基本解。(3)有限元法(FEM)有限元法(Finiteelementmethod)的求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式，藉助於變分原理或加權餘量法，將微分方程離散求解。採用不同的權函數和插值函數形式，便構成不同的有限元方法。有限元法的最大優點是對不規則幾何區域的適應性好。一般情況下，採用有限元法模擬需要購買專門的有限元仿真仿真軟體(如ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE等)來對溫度場進行建模。
發明內容本發明的目的在於提供一種實現連鑄過程仿真系統及其方法，以ADI算法為鑄坯溫度場求解算法的連鑄過程仿真系統，除對連鑄坯生產過程的主要環節進行模擬外，重點放在了連鑄坯斷面溫度場的模擬，通過改變資料庫中連鑄過程工藝參數可以模擬不同生產情況下的鑄坯切片的溫度場，以此來作為優化工藝參數時的參考。此外，系統還實現了對爐次的跟蹤，為以後系統功能的擴展提供了便利。根據現有的生產數據，模擬出在其它工藝參數改變的情況下連鑄坯溫度場的變化情況，在一定程度上為連鑄過程工藝參數的優化提供決策依據。功能上主要包括(1)對爐次和澆次的跟蹤，並將該過程以動畫的形式展現出來；(2)對生產過程中的重要事件如滑動水口的打開、結晶器開始澆鑄等進行記錄，並保存到資料庫中；(3)對鑄坯溫度場的計算。通過從資料庫中載入的各項數據，對各關鍵工位的溫度場進行計算，以判斷鑄坯的生產是否符合該鋼種的冶金準則。本發明中在採用交替方向隱式差分法(ADI)對鑄坯溫度場進行建模時，取鑄坯斷面的二分之一面積，然後對其進行網格劃分，採用內節點法進行分析。取鑄坯斷面的二分之一進行求解的好處是可以分別考慮鑄坯的內弧、外弧、側面的熱流密度均不相同的情況下連鑄坯溫度場的變化情況，以保證求解模型的通用性。求解過程中將鑄坯在拉坯方向上分割成一定厚度的切片，取其中一塊切片，對該切片從進入結晶器到出空冷區的溫度場進行求解，以該切片不同時刻的溫度場來模擬出在恆定的拉速下某一時刻整個鑄坯的溫度場分布，求解時，採用TDMA法求解每半個周期內得到的三對角矩陣。本發明的實現連鑄過程仿真系統包括資料庫模塊、PLC信號模擬器、系統顯示模塊、溫度場計算模塊，及連接各模塊計算機網絡。下面逐一介紹各個模塊資料庫模塊要保存的數據包括重要事件信息、爐次信息、鑄坯信息、過程參數信息、連鑄機參數信息及其他參數信息。(1)重要事件信息主要記滑動水口的打開與關閉、錄流的打開與關閉、鋼包的更替等；(2)爐次信息記錄爐次號、每一爐次的質量信息等；(3)鑄坯信息鋼的固態密度、鋼的液態密度、液相線溫度、固相線溫度、導熱係數、鑄坯的凝固潛熱、鑄坯斷面面積；(4)過程參數信息拉速、澆注溫度、結晶器、內弧、外弧、側面的熱流密度函數、二冷區各段每個面的水流密度、冷卻水溫度、環境溫度；(5)連鑄機參數信息結晶器長度、二冷區各段的長度、空冷區長度；(6)其他參數信息網格劃分長度、仿真時間、溫度場計算間隔時間；PLC信號模擬器通過給系統顯示模塊發送信號以模擬滑動水口打開、關閉以及各流的打開與關閉、鋼包的替換等重要事件；系統顯示模塊系統各主要參數、溫度場計算結果顯示以及連鑄坯切片、鋼包、中間包的動態顯示。溫度場計算模塊根據資料庫中存儲的鑄坯信息、過程參數信息、連鑄機信息及其他參數信息對特定工位的溫度場進行計算，計算流程如下(1)如圖2所示，取鑄坯斷面的二分之一，然後對其進行網格劃分，採用內節點法進行分析，即節點位於每個網格的中心，這裡假設OA、AB、BC邊界的熱流密度是不同的，這將有利於提高模型的通用性。(2)按九種情況計算當前周期內前半個周期過後鑄坯的溫度場，具體來說，這九種情況包括網格0、邊界0A上的網格(不包含網格0、A)、網格A、OC上的網格(不包含網格0、C)、網格C、內部網格、邊界AB上的網格(不包含網格A、B)、邊界BC上的網格(不包含網格B、C)、網格B，綜合以上九種情況，在當前周期的前半個周期內，對於每一行網格均可得到形如formulaseeoriginaldocumentpage7的線性方程組，其中A為MXM的三對角矩陣，根據已知條件可求出，/4、4為列向量(已知)，由於矩陣A中的所有Q、A元素均為大於零的數，該線性方程組完全符合追趕法(TDMA)法求解三對角矩陣的約束條件。A"^均可由K時刻的已知條件求出，然後採用追趕法求解該線性方程組，當依次求解完N個這樣的方程組(即j從1逐一增加到N)後，可以得到鑄坯斷面所有網格在K+1/2時刻鑄坯的溫度場矩陣formulaseeoriginaldocumentpage7(3)當前周期後半個周期內的溫度場仍然是通過綜合九種情況來求出，與前半個周期不同的是，這次是在y方向上採用隱式差分，x方向上採用顯式差分，這與前半個周期恰好相反，而且在求解的過程中需要用到前半個周期內得到的鑄坯溫度場值7^4J寸於每一列網格均可得到形如formulaseeoriginaldocumentpage7的線性方程組，其中A2為NXN階的三對角矩陣，t^為N維列向量，A2、b2均可由前半個周期內得到的K+1/2時刻的溫度值/+*和其他已知條件求出，後半周期內的線性方程組仍完全符合追趕法求解約束條件。在求出A2、b2以後，採用追趕法求解線性方程組。當依次求解完M個這樣的方程組(S卩i從1逐一增加到M)後，可以formulaseeoriginaldocumentpage8-formulaseeoriginaldocumentpage8(4)判斷當前時刻是否已達到總的仿真時間，如果是則退出計算，否則將當前的周期個數加l，繼續進行迭代運算，直至達到總的仿真周期個數Kf。總的溫度場計算流程如圖3所示。對連鑄爐次和澆次的跟蹤主要通過對爐次的狀態加以界定來實現，系統將爐次的狀態劃分為以下四種(1)待澆爐次即滑動水口未打開時，正等待澆注的爐次；(2)澆注爐次當前由大包往中間包裡澆注鋼液所屬的爐次；(3)連鑄爐次當前正從通過結晶器口出來鑄坯所屬的爐次；(4)切割爐次當前正在進行切割操作的鑄坯所屬的爐次；某些鋼種成分相似的的鑄坯可以進行連續澆注，但是假如下一爐次的鋼水與正在進行生產的爐次鋼水差異較大時，一般要求上一爐次完全從中間包進入結晶器才能進行下一爐次的生產，即必須分成兩個澆次來完成。若模擬一個澆次，假設從1號爐次一直到n號爐次為--個完整的澆次，則鑄坯爐次的跟蹤過程如下表所示(其中"_"表示無爐次數據)表1爐次狀態轉換表tableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9本發明實現連鑄過程仿真的方法為(1)在計算機上安裝資料庫伺服器和本仿真系統，並將連鑄過程控制參數、爐次信息及鑄坯生產計劃信息錄入到資料庫中；(2)運用本仿真系統，設定待澆注爐次，如果要仿真的爐次與資料庫中生產計劃不符合，手動選擇爐次；(3)啟動PLC信號模擬器，給主界面發送打開滑動水口信號，在中間包內鋼水液面達到指定標度後，給主界面發送打開中間包塞棒信號；(4)在系統主界面選擇溫度場計算界面，然後選擇要計算的鑄坯切片所處的工位，點擊計算，顯示出該工位處鑄坯切片溫度場矩陣，通過改變連鑄過程控制參數可以將不同工藝參數下鑄坯溫度場的情況進行對比，選擇最符合要求的工藝參數，以達到優化工藝參數的目的；(5)在鋼包液面降低到指定標度時，用PLC信號模擬器給主界面發送旋轉鋼包橫臂、更換鋼包的信號，進行下一爐次的模擬；(6)達到設定的總的仿真時間後本次仿真結束。本發明的優點在於系統中鑄坯溫度場求解模型採用ADI算法求解的同時將模型中邊界熱流密度函數分別設置。求鑄坯溫度場的數值解，關鍵是要確定出鑄坯傳熱偏微分方程的初始條件和邊界條件，初始條件一般是根據已知條件直接確定的，而邊界條件的設置直接關係到模型求解的準確性，本文分別設置鑄坯的內弧、外弧和側面的邊界熱流密度函數後保存到資料庫中，這樣做的好處是可以模擬三個面熱流密度各不相同的情況下的溫度場，更貼近實際情況，而且增強了模型的通用性，通過設置鑄坯側面的熱流密度函數不僅可以模擬方坯溫度場的仿真還可以將模型應用於板坯溫度場的仿真。此外系統還實現了對連鑄爐次的跟蹤仿真，選擇其中的一個切片，即可以看到該切片所屬的爐次信息，這為以後把優化切割模塊加入到仿真系統中提供了很大方便。另外，鋼包、中間包液位及連鑄坯切片的動畫展示更具有直觀性，在仿真過程中一目了然。圖1是本發明的系統結構圖，主要包括資料庫模塊、PLC信號模擬器、系統顯示模塊、溫度場計算模塊。圖2是本發明中鑄坯斷面網格剖分示意圖，由於鑄坯的對稱性，取一半鑄坯斷面的溫度場的進行分析。圖3是本發明的鑄坯溫度場求解流程圖，將已知條件代入溫度場模型進行求解，直至達到總的仿真時間。圖4是本發明的連鑄生產過程仿真流程圖。具體實施例方式圖1圖4為本發明的一種具體實施方式。如圖1所示，本發明的系統包括包括資料庫模塊、PLC信號模擬器、系統顯示模塊、溫度場計算模塊，及連接各模塊計算機網絡。PLC信號模擬器在被觸發以後會給系統顯示模塊發送生產過程重要事件信息，通過系統顯示模塊將這些信息顯示出來，同時這些信息會保存到資料庫模塊。溫度場計算模塊從資料庫模塊讀取所需的數據進行計算後，計算結果也通過系統顯示模塊顯示出來，此外，資料庫模塊中爐次等信息也會通過系統顯示模塊展示出來。1、在計算機上安裝資料庫伺服器和本仿真系統，並將連鑄過程控制參數、爐次信息及鑄坯生產計劃信息等錄入到資料庫中；2、運用本仿真系統，設定待澆注爐次，如果要仿真的爐次與資料庫中生產計劃不符合，可以手動選擇爐次；3、啟動PLC信號模擬器，給主界面發送打開滑動水口信號，在中間包內鋼水液面達到指定標度後，給主界面發送打開中間包塞棒信號；4、在系統主界面選擇溫度場計算界面，然後選擇要計算的鑄坯切片所處的工位，點擊計算，即可顯示出該工位處鑄坯切片溫度場矩陣，通過改變連鑄過程控制參數可以將不同工藝參數下鑄坯溫度場的情況進行對比，選擇最符合要求的工藝參數，以達到優化工藝參數的目的。5、在鋼包液面降低到指定標度時，用PLC信號模擬器給主界面發送旋轉鋼包橫臂、更換鋼包的信號，進行下一爐次的模擬；6、達到設定的總的仿真時間後本次仿真結束。權利要求一種實現連鑄過程仿真系統，其特徵在於包括資料庫模塊、PLC信號模擬器、系統顯示模塊、溫度場計算模塊及連接各模塊計算機網絡；資料庫模塊要保存的數據包括重要事件信息、爐次信息、鑄坯信息、過程參數信息、連鑄機參數信息及其他參數信息；重要事件信息主要記滑動水口的打開與關閉、錄流的打開與關閉、鋼包的更替；爐次信息記錄爐次號、每一爐次的質量信息；鑄坯信息鋼的固態密度、鋼的液態密度、液相線溫度、固相線溫度、導熱係數、鑄坯的凝固潛熱、鑄坯斷面面積；過程參數信息拉速、澆注溫度、結晶器、內弧、外弧、側面的熱流密度函數、二冷區各段每個面的水流密度、冷卻水溫度、環境溫度；連鑄機參數信息結晶器長度、二冷區各段的長度、空冷區長度；其他參數信息網格劃分長度、仿真時間、溫度場計算間隔時間；PLC信號模擬器通過給系統顯示模塊發送信號以模擬滑動水口打開、關閉以及各流的打開與關閉、鋼包的替換等重要事件；系統顯示模塊系統各主要參數、溫度場計算結果顯示以及連鑄坯切片、鋼包、中間包的動態顯示；溫度場計算模塊根據系統中的鑄坯信息、過程參數信息、連鑄機信息及其他參數信息對特定工位的溫度場進行計算。2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述的連鑄機信息及其他參數信息對特定工位的溫度場進行計算的計算流程如下(1)取鑄坯斷面的二分之一，然後對其進行網格劃分，採用內節點法進行分析，節點位於每個網格的中心，這裡假設OA、AB、BC邊界的熱流密度是不同的，這將有利於提高模型的通用性；(2)按九種情況計算當前周期內前半個周期過後鑄坯的溫度場，具體來說，這九種情況包括網格0、邊界OA上的網格、網格A、0C上的網格、網格C、內部網格、邊界AB上的網格、邊界BC上的網格、網格B，綜合以上九種情況，在當前周期的前半個周期內，對於每一行網格均可得到形如^-"的線性方程組，其中A為MXM的三對角矩陣，根據已知條件可求出，7^、^為列向量，由於矩陣A中的所有Q、A元素均為大於零的數，該線性方程組完全符合追趕法(TDMA)法求解三對角矩陣的約束條件；A"^均由K時刻的已知條件求出，然後採用追趕法求解該線性方程組，當依次求解完N個這樣的方程組，j從1逐一增加到N後，得到鑄坯斷面所有網格在K+1/2時刻鑄坯的溫度場矩陣formulaseeoriginaldocumentpage2formulaseeoriginaldocumentpage3(3)當前周期後半個周期內的溫度場仍然是通過綜合九種情況來求出，與前半個周期不同的是，這次是在y方向上採用隱式差分，x方向上採用顯式差分，這與前半個周期恰好相反，而且在求解的過程中需要用到前半個周期內得到的鑄坯溫度場值/+*;對於每一列網格均可得到形如A2XTk+1=b2的線性方程組，其中A2為NXN階的三對角矩陣，h為N維列向量，A2、b2均可由前半個周期內得到的K+l/2時刻的溫度值/^和其他已知條件求出，後半周期內的線性方程組仍完全符合追趕法求解約束條件；在求出A2、b2以後，採用追趕法求解線性方程組。當依次求解完M個這樣的方程組(即i從1逐一增加到M)後，可以得到鑄坯斷面在K+l時刻的溫度場矩陣Tk+1;formulaseeoriginaldocumentpage3(4)判斷當前時刻是否已達到總的仿真時間，如果是則退出計算，否則將當前的周期個數加l，繼續進行迭代運算，直至達到總的仿真周期個數Kf;對連鑄爐次和澆次的跟蹤是通過對爐次的狀態加以界定來實現，系統將爐次的狀態劃分為以下四種待澆爐次即滑動水口未打開時，正等待澆注的爐次；澆注爐次當前由大包往中間包裡澆注鋼液所屬的爐次；連鑄爐次當前正從通過結晶器口出來鑄坯所屬的爐次；切割爐次當前正在進行切割操作的鑄坯所屬的爐次；某些鋼種成分相似的鑄坯進行連續澆注，但是假如下一爐次的鋼水與正在進行生產的爐次鋼水差異較大時，要求上一爐次完全從中間包進入結晶器才能進行下一爐次的生產。3.—種採用權利要求1所述系統實現連鑄過程仿真的方法，其特徵在於，仿真步驟為(1)在計算機上安裝資料庫伺服器和本仿真系統，並將連鑄過程控制參數、爐次信息及鑄坯生產計劃信息錄入到資料庫中；(2)運用本仿真系統，設定待澆注爐次，如果要仿真的爐次與資料庫中生產計劃不符合，手動選擇爐次；(3)啟動PLC信號模擬器，給主界面發送打開滑動水口信號，在中間包內鋼水液面達到指定標度後，給主界面發送打開中間包塞棒信號；(4)在系統主界面選擇溫度場計算界面，然後選擇要計算的鑄坯切片所處的工位，點擊計算，顯示出該工位處鑄坯切片溫度場矩陣，通過改變連鑄過程控制參數可以將不同工藝參數下鑄坯溫度場的情況進行對比，選擇最符合要求的工藝參數，以達到優化工藝參數的目的；(5)在鋼包液面降低到指定標度時，用PLC信號模擬器給主界面發送旋轉鋼包橫臂、更換鋼包的信號，進行下一爐次的模擬；(6)達到設定的總的仿真時間後本次仿真結束。全文摘要一種實現連鑄過程仿真系統及其方法，屬於鋼鐵企業連鑄過程仿真領域。該系統包括資料庫模塊、PLC信號模擬器、系統顯示模塊、溫度場計算模塊構成。核心模塊是鑄坯溫度場計算模塊，將連鑄過程控制參數、爐次信息及鑄坯生產計劃信息等錄入到資料庫中後，啟動仿真系統，通過PLC信號模擬器給主界面發送信息，來模擬連鑄生產過程中的重要事件，主界面在接收到信息後，仿真畫面作出相應的展示。溫度場計算模塊直接從資料庫中讀取過程控制參數以及鑄坯信息，以此來作為優化工藝參數時的參考。優點在於，系統主界面中除了顯示各主要參數及溫度場計算結果外，還實現了對鋼包、中間包、連鑄坯切片的動態展示，系統還實現了對爐次的跟蹤，為以後系統功能的擴展提供了便利。文檔編號G06F17/50GK101727530SQ201010033630公開日2010年6月9日申請日期2010年1月7日優先權日2010年1月7日發明者盧春苗,孫彥廣,孫要奪,常亮申請人:冶金自動化研究設計院