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连铸坯的凝固传热是钢水在连铸机内经结晶器、二冷区以及辐射空冷区,以对流、传导和辐射等多种方式将热量从凝固前沿向外传递的冷却过程。由于钢液的凝固传热影响连铸坯质量和连铸机生产效率,因此,运用计算机数值模拟技术与实验技术对连铸坯凝固传热进行研究,定量分析热量在连铸过程中的传递,对控制和改善铸坯质量,实现生产动态控制有着重要意义。 本文以构建具通用性的连铸板坯凝固传热模型软件为目标,以攀钢提钒炼钢厂2~#板坯连铸机的连铸坯凝固传热计算与控制问题为应用背景,通过对铸坯凝固传热过程的分析,构建运算速度较快的一维实时控制模型和计算精度较高的二维切片跟踪模型,模拟计算钢液在凝固传热过程铸坯的温度场变化及分布特征、铸坯液相区和两相位置、铸坯坯壳的厚度及铸坯凝固末端位置等参量,为连铸生产的二冷控制及工艺调试提供支持。 连铸板坯凝固传热模型由沿板坯厚度方向传热的一维实时控制模型,与沿板坯宽度方向和厚度方向传热的二维切片跟踪模型构成。通过对凝固传热微分方程数值求解方法——有限差分算法的不同差分格式、算法特点、差分方程的稳定性以及差分算法解的准确性等的分析,确定了以混合隐式差分算法(C-N差分算法)作为内核算法来构建连铸板坯沿厚度方向传热的一维实时控制模型;根据交替隐式差分算法(ADI差分算法)具有方程无条件稳定,算法计算精度优于显式和隐式差分算法的特点,以ADI算法为内核算法建立沿连铸板坯宽度方向和厚度方向传热的二维切片跟踪模型:采用追赶法(TDMA算法)对实时控制模型和切片跟踪模型进行数值求解。 连铸板坯凝固传热模型软件基于Windows开发平台,选用Microsoft的VisualBasic6.0编程实现,模型界面设计以可用性、灵活性及可靠性为设计原则。其中,一维C-N实时控制模型可以实时计算连铸板坯厚度方向的温度分布情况,二维ADI切片跟踪模型可以计算连铸机内所有切片在连铸板坯宽度和厚度方向的温度分布,并可通过定时间步长变切片位置和定切片位置变时间步长的方式完成对连铸机内的切片跟踪。 连铸板坯凝固传热模型软件的离线测试和应用效果表明:凝固传热模型软件的运算结果具有较好的准确性(计算误差最大仅为2.08%),且实时控制传热模型的运算速度(模型一次运算的时间约为2.5s)可以满足在线控制对模型计算时间的要求。