一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法与流程

本发明属于连铸技术领域，更具体地说，涉及一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法。

背景技术：

20世纪50年代美国研发一种新型技术为连铸技术，该技术特点是将钢液直接浇铸成型，相比于传统的浇注方法，该技术具有良好的板坯质量、较高的金属产量和较高的资源利用率。其生产过程是：先把钢液倒入钢包中，然后钢液顺着钢包流出至中间包内，钢液在中间包内经过一系列反应，夹杂物会在中间包上浮被去除，使得钢液更纯净，接着钢液会流到结晶器内，结晶器通过冷却水对其冷却，钢液在结晶器内会逐渐冷却凝固，接着进入弧形导向段，在此会受到二冷区喷嘴所喷出的雾化水强制冷却凝固，然后经过拉坯矫直机矫直，最后经过切割装置被切成有一定尺寸的铸坯。

异型坯连铸技术可以追溯到20世纪60年代，早在1961年原苏联就有报道过进行异型坯的连铸实验。1968年5月，世界上第一台工字形坯连铸机由阿尔戈玛委托瑞士concast公司在100t转炉配合生产的条件下建成投产。1973年，日本川崎钢铁公司在其水岛厂兴建起世界上第二台异型坯连铸机，该连铸机是一台大方坯和工字形坯兼容型连铸机，生产铸坯质量相较之前有大幅提高。以上成功案例给予世界上其他国家极大的信心，世界各国都开始了对异型坯连铸技术进行深入研究。直到21世纪前，世界上异型坯连铸机的数量已经相当可观了。我国异型坯连铸技术起步较其他国家晚，但发展十分迅速，1998年我国第一条异型坯连铸机生产线由马钢委托西马克集团在其工厂建立，同年11月莱钢引进由奥钢联公司总体设计的国内第二台异型坯连铸机。2006年，规格为h250mm-h900mm的型钢生产线在河北津西钢铁建成并投入生产中。2007年，由国内公司自主研发设计的异型坯连铸生产线在山西长治公司建立。2011年，由中冶赛迪设计的异型坯连铸机在唐山钢铁公司建立。

h型钢具有断面金属分配合理、壁薄、便于拼装组合、重量轻而界面模数大等优点。h型异型坯可以分为三类：极端近终形坯、普通异型坯和近终形异型坯，其腹板厚度分别是约50毫米、小于50毫米和大于50毫米。轧机的压下比决定着h型异型坯腹板和凸缘厚度的大小。异型坯连铸机的构造除了结晶器的形状和二冷区支撑辊的布局不同之外，大致与方坯连铸机相同。相比于传统的铸坯(方坯、圆坯以及板坯)连铸，异型坯连铸具有自身独特的特点：

(1)方坯和板坯结晶器中存在4个面和4个拐角，异型坯连铸结晶器中有12个面和12个拐角，内腔形状十分复杂，而且12个面和12个拐角的冷却情况各不相同，易造成结晶器中铸坯坯壳不均匀凝固。

(2)常采用敞开式水口浇注，由于异型坯的腹板和翼缘较薄，常采用缩短中间包的钢液铸流到结晶器液面的距离，来减少对初始凝固坯壳的冲刷。

(3)异型坯自身表面积相对较大，散热快，铸坯温度容易下降，在二冷区阶段能凝固完全，故有较短冶金长度；在拉坯矫直区，铸坯局部表面温度很难让其不处于各种钢的低温脆性区，导致矫直过程中铸坯已存在的表面裂纹很容易扩展。

(4)异型坯断面形状复杂，更加容易贵产生裂纹等质量缺陷，因为在异型坯断面上各点散热情况差异较大，会使得断面上各点的温差相比于传统连铸要大。

在连铸过程中，结晶器内钢液的凝固、传热对铸坯质量有重要影响。生产过程中，如果结晶器冷却制度不合理，导致铸坯的初始凝固坯壳厚度不均匀，在坯壳薄弱处会产生应力集中，当作用于凝固前沿的张应力超过临界值时，铸坯表面就形成各种裂纹缺陷；同时，不均匀的初始凝固坯壳厚度还使得结晶器内铸坯周向不同部位抵抗凝固变形的能力存在差异，当结晶器角部凝固收缩作用较强或因凝固收缩产生卷动时，就会在铸坯凝固薄弱处形成表面纵向凹陷。因此，上述的技术问题亟待解决。

经检索，中国专利申请号为：201210335743.5，申请日为：2012年9月11日，发明创造名称为：“一种动态控制板坯连铸结晶器冷却的系统和方法”，其系统包括初始水流量设定模块、各面平均热流密度计算模块、对称面平均热流密度比较模块、水流量重新设定模块和安全水流量判定模块。该发明可提供更加均匀的结晶器冷却条件，有利于结晶器内钢液的均衡对称传热，同时通过结晶器冷却水流量的精细化动态设定，提高结晶器自动化与智能化水平；但由于单点非平衡浇铸异型坯结晶器内的流场是非常不对称的，加剧了结晶器内传热和流动的不均匀性，恶化了连铸工艺条件，对铸坯质量和连铸工艺顺行提出了更严峻的挑战，而钢液在结晶器内的冷却、传热、凝固和摩擦力情况对连铸坯的质量有非常大的影响，该发明专利并不能解决由于浇铸带来的结晶器内断面各点温度的过大差异，对结晶器冷却提出的巨大的挑战，不能满足结晶器各个面温差过大，冷却不均的现象。

又如，中国专利申请号为：201410399554.3，申请日为：2014年8月14日，发明创造名称为：“一种结晶器冷却水控制装置及方法”，其包括连铸结晶器，该连铸结晶器的入口端连接有进水干路，连铸结晶器的内弧、外弧、左侧、右侧分别连接内弧回水支路、外弧回水支路、左侧回水支路、右侧回水支路；进水干路上设有用于检测进水温度的第一温度传感器；内弧回水支路、外弧回水支路、左侧回水支路、右侧回水支路上分别设有用于检测各支路回水温度的第二温度传感器，统计各支路回水流量的电磁流量计，气动薄膜调节阀；根据钢种、拉速、进水温度、进水与回水温差、钢液过热度、铸坯断面尺寸等因素计算结晶器内外弧、左右侧冷却水量，通过电磁流量计与气动调节阀实现水量的pid调节。浇注时，改善了铸坯的传热，降低了表面缺陷的发生率；但其不能解决单点非平衡浇铸，异型坯结晶器温度分布极不均匀，自由液面温度分布不均匀所带来的结晶器冷却不均的问题。

综上所述，两篇专利文献都对于结晶器的冷却装置及冷却方法提供了解决方案，但两种结晶器冷却装置以及冷却方法都不能解决单点非平衡浇铸异型坯，结晶器温度分布极不均匀，各个面温差过大，自由液面温度分布不均匀所带来的结晶器冷却不均，铸坯缺陷增多的问题。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有结晶器冷却控制装置及控制方法不能解决单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却不均的问题，本发明的目的是提供一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置，其能够有效的解决单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却不均的问题，有利于异型坯结晶器温度均匀化，结晶器内钢液非对称均衡传热，利于铸坯的凝固和生长，使得结晶器不易出现拉漏的现象，改善铸坯在腹板处和圆角处的表面纵裂的缺陷。

本发明的另一目的是提供一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制方法，利用单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置，实现在线实时控制系统的自反馈，以及离线冷却水量计算系统指导在线实时控制系统，在线实时控制系统修正离线冷却水量计算系统的功能。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置，包括离线冷却水量计算系统、在线实时控制系统、进水总管道以及出水总管道；

所述的在线实时控制系统与离线冷却水量计算系统电连接；

所述的在线实时控制系统包括结晶器冷却水循环模块以及冷却水温差计算和水量计算单元，所述的结晶器冷却水循环模块与冷却水温差计算和水量计算单元电连接，结晶器冷却水循环模块包括宽面内弧冷却模块、宽面外弧冷却模块、窄面左侧冷却模块和窄面右侧冷却模块，所述的进水总管道和出水总管道分别与宽面内弧冷却模块、宽面外弧冷却模块、窄面左侧冷却模块以及窄面右侧冷却模块两端连接；

所述的冷却水温差计算和水量计算单元包括宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元、宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元、窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元以及窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元；宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元与宽面内弧冷却模块电连接，宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元与宽面外弧冷却模块电连接，窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元与窄面左侧冷却模块电连接，窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元与窄面右侧冷却模块电连接。

作为本发明优选的方案，所述的宽面内弧冷却模块包括宽面内弧结晶器冷却水支管、宽面内弧冷却水流量调控阀、宽面内弧冷却水进口测温仪、结晶器宽面内弧冷却水缝以及宽面内弧冷却水出口测温仪；所述的宽面内弧结晶器冷却水支管一端连接有进水总管道，另一端连接有出水总管道，宽面内弧结晶器冷却水支管上按照冷却水流动的方向设有宽面内弧冷却水流量调控阀、宽面内弧冷却水进口测温仪、结晶器宽面内弧冷却水缝、宽面内弧冷却水出口测温仪，宽面内弧冷却水流量调控阀、宽面内弧冷却水进口测温仪和宽面内弧冷却水出口测温仪与宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元电连接；

所述的宽面外弧冷却模块包括宽面外弧结晶器冷却水支管、宽面外弧冷却水流量调控阀、宽面外弧冷却水进口测温仪、结晶器宽面外弧冷却水缝以及宽面外弧冷却水出口测温仪；所述的宽面外弧结晶器冷却水支管一端连接有进水总管道，另一端连接有出水总管道，宽面外弧结晶器冷却水支管上按照冷却水流动的方向设有宽面外弧冷却水流量调控阀、宽面外弧冷却水进口测温仪、结晶器宽面外弧冷却水缝、宽面外弧冷却水出口测温仪，宽面外弧冷却水流量调控阀、宽面外弧冷却水进口测温仪和宽面外弧冷却水出口测温仪与宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元电连接；

所述的窄面左侧冷却模块包括窄面左侧结晶器冷却水支管、窄面左侧冷却水流量调控阀、窄面左侧冷却水进口测温仪、结晶器窄面左侧冷却水缝以及窄面左侧冷却水出口测温仪；所述的窄面左侧结晶器冷却水支管一端连接有进水总管道，另一端连接有出水总管道，窄面左侧结晶器冷却水支管上按照冷却水流动的方向设有窄面左侧冷却水流量调控阀、窄面左侧冷却水进口测温仪、结晶器窄面左侧冷却水缝、窄面左侧冷却水出口测温仪，窄面左侧冷却水流量调控阀、窄面左侧冷却水进口测温仪和窄面左侧冷却水出口测温仪与窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元电连接；

所述的窄面右侧冷却模块包括窄面右侧结晶器冷却水支管、窄面右侧冷却水流量调控阀、窄面右侧冷却水进口测温仪、结晶器窄面右侧冷却水缝以及窄面右侧冷却水出口测温仪；所述的窄面右侧结晶器冷却水支管一端连接有进水总管道，另一端连接有出水总管道，窄面右侧结晶器冷却水支管上按照冷却水流动的方向设有窄面右侧冷却水流量调控阀、窄面右侧冷却水进口测温仪、结晶器窄面右侧冷却水缝、窄面右侧冷却水出口测温仪，窄面右侧冷却水流量调控阀、窄面右侧冷却水进口测温仪和窄面右侧冷却水出口测温仪与窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元电连接。

作为本发明优选的方案，所述的宽面内弧冷却水进口测温仪以及宽面内弧冷却水出口测温仪分别安装在结晶器宽面内弧处铜板两侧；

所述的宽面外弧冷却水进口测温仪以及宽面外弧冷却水出口测温仪分别安装在结晶器宽面外弧处铜板两侧；

所述的窄面左侧冷却水进口测温仪以及窄面左侧冷却水出口测温仪分别安装在结晶器窄面左侧处铜板两侧；

所述的窄面右侧冷却水进口测温仪以及窄面右侧冷却水出口测温仪分别安装在结晶器窄面右侧处铜板两侧。

作为本发明优选的方案，所述的冷却水温差计算和水量计算单元与对称面冷却水温差调控单元电连接，并将对称面温差信息传送给对称面冷却水温差调控单元，对称面冷却水温差调控单元进行对称面冷却水量调控。

作为本发明优选的方案，所述的对称面冷却水温差调控单元的调控标准为，对称面冷却水温差差值小于0.5℃。

本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制方法，采用上述装置，包括以下步骤：

1)通过离线冷却水量计算系统计算异型坯结晶器冷却模块的冷却水量范围；

2)在线实时控制系统的冷却水温差计算和水量计算单元通过安装在结晶器四个面冷却水进口和冷却水出口位置的测温仪，计算得到宽面内弧、宽面外弧、窄面左侧以及窄面右侧的冷却水温差，并计算实际所需冷却水量；

3)冷却水温差计算和水量计算单元将计算所得结晶器四个面冷却水温差和所需冷却水量结果进行动态分析，并将动态分析结果反馈给冷却水流量调控阀调控冷却水流量；

动态分析包括：当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差低于4.5℃时，通过控制四个面的冷却水流量调控阀减少冷却水量，当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差高于6℃时，通过控制四个面的冷却水流量调控阀增大冷却水量，当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差介于4.5℃-6℃之间时，属于冷却水正常温差，无需调节。

作为本发明优选的方案，所述的离线冷却水量计算系统的计算步骤为：

a.输入结晶器工艺参数计算热流q；

b.输入拉速参数计算水缝面积；

c.输入冷却水温差计算冷却水量。

作为本发明优选的方案，所述的冷却水温差计算和水量计算单元计算冷却水流量的方法为：

1)计算铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内由冷却水带走的热量q；

2)计算铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内每10s内由冷却水带走的平均热量

3)计算结晶器冷却水流量w。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明具有以下显著的有益效果：

(1)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，装置包括离线冷却水量计算系统、在线实时控制系统、进水总管道以及出水总管道；离线冷却水量计算系统用于在离线状态计算冷却水初始用量，以及在线实时控制系统对离线冷却水量计算系统实时反馈，调整相关的连铸工艺参数，保证了离线计算的冷却水量相对准确性；在线实时控制系统实时控制单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却，利于连铸生产根据实际结晶器温度以及结晶器冷却状况快速调控；

(2)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，进水总管道与出水总管道分别与异型坯结晶器四个面的冷却模块两端连接，进水总管道为结晶器提供冷却水，出水总管道将结晶器冷却水出口处水量进行汇集，统一处理，方便使用；结晶器冷却水循环模块对异型坯结晶器四个面分别设立相对独立的冷却模块，四个冷却模块根据异型坯结晶器四个面不同的温度状况以及所需要的冷却水量，独立供应冷却水对结晶器的四个面进行冷却，针对于单点非平衡浇铸时，结晶器温度不均匀造成的结晶器所需要的冷却水量不均匀的问题，提供解决方案；

(3)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，异型坯结晶器四个面的结晶器冷却模块都包括结晶器冷却水支管、冷却水流量控制阀、冷却水进口测温仪、结晶器冷却水缝以及冷却水出口测温仪，结晶器冷却水支管两端分别与进水总管道与出水总管道连接，用于承接四个面的冷却水，冷却水流量控制阀对冷却水支管的冷却水流量进行调控，分别针对异型坯结晶器四个面不同的冷却需要进行冷却，冷却水进口以及出口测温仪对异型坯结晶器四个面冷却水进口与出口处水温进行测量，量化异型坯结晶器的冷却过程，并为异型坯结晶器冷却水量的调控提供依据；

(4)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，在线实时控制系统包括结晶器冷却水循环模块和冷却水温差计算和水量计算单元，冷却水温差计算和水量计算单元用于异型坯结晶器冷却水温差以及冷却水量的计算，并根据计算所得进行动态分析得到分析结果，并将结果反馈给结晶器冷却模块进行实时的调控，通过合理分配结晶器冷却水，有利于异型坯结晶器内钢液的非对称均衡传热，有利于良好凝固坯壳的生长，避免造成拉漏等生产事故以及减少铸坯在腹板处和圆角处的表面纵裂；在异型坯结晶器冷却的过程中，结晶器冷却水循环模块将出水总管道中的冷却水收集并进行处理，在满足进水总管道对于冷却水的要求时，将处理完的冷却水投入进水总管道，实现冷却水的循环利用，减少资源浪费，降低生产成本；

(5)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，为了确保异型坯对称面的冷却情况基本保持一致，单独设立对称面冷却水温差调控单元，对异型坯结晶器两组对称面的冷却水温差和冷却水流量信息进行收集和计算，确保对称面冷却水温差差值小于0.5℃，利于铸坯的均匀凝结，减少铸坯的缺陷，提高产品的合格率；

(6)本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法，控制方法通过离线冷却水量计算系统计算异型坯结晶器冷却模块的冷却水量范围，为异型坯结晶器冷却提供理论基础和初始冷却水量，通过在线实时控制系统得到异型坯结晶器四个面冷却水的温差值，并计算实际所需要的冷却水量，通过动态分析得到分析结果，并将结果反馈给冷却水流量调控阀进行冷却水的调控，同时将结果反馈给离线冷却水量计算系统对参数进行修正，两次反馈的方法，优化了异型坯结晶器的冷却效果，解决了由单点非平衡浇铸异型坯导致的异型坯结晶器表面温度分布极不均匀，结晶器自由液面温度分布也不均匀导致的凝固坯壳生长不均匀及表面纵裂等问题；

(7)本发明结构简单，设计合理，易于实施。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明涉及的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置示意图；

图2为本发明实施例中涉及的异型坯结晶器示意图；

图3为本发明离线冷却水量计算系统与在线实时控制系统的反馈示意图；

图4为本发明实施例中涉及的结晶器内流场图；

图5为本发明实施例中涉及的结晶器内钢液扩散流场图。

附图中：

1、宽面内弧冷却模块；1-1、宽面内弧结晶器冷却水支管；1-2、宽面内弧冷却水流量调控阀；1-3、宽面内弧冷却水进口测温仪；1-4、结晶器宽面内弧冷却水缝；1-5、宽面内弧冷却水出口测温仪；1-6、宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元；

2、宽面外弧冷却模块；2-1、宽面外弧结晶器冷却水支管；2-2、宽面外弧冷却水流量调控阀；2-3、宽面外弧冷却水进口测温仪；2-4、结晶器宽面外弧冷却水缝；2-5、宽面外弧冷却水出口测温仪；2-6、宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元；

3、窄面左侧冷却模块；3-1、窄面左侧结晶器冷却水支管；3-2、窄面左侧冷却水流量调控阀；3-3、窄面左侧冷却水进口测温仪；3-4、结晶器窄面左侧冷却水缝；3-5、窄面左侧冷却水出口测温仪；3-6、窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元；

4、窄面右侧冷却模块；4-1、窄面右侧结晶器冷却水支管；4-2、窄面右侧冷却水流量调控阀；4-3、窄面右侧冷却水进口测温仪；4-4、结晶器窄面右侧冷却水缝；4-5、窄面右侧冷却水出口测温仪；4-6、窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元；

5-1、进水总管道；5-2、出水总管道；

6-1、浇铸口；6-2、自由液面；6-3、结晶器出口。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

如图1和图3所示，本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置，包括离线冷却水量计算系统、在线实时控制系统、进水总管道5-1以及出水总管道5-2。

离线冷却水量计算系统用于在离线状态计算冷却水初始用量，指导实时冷却水量，以及在线实时控制系统对离线冷却水量计算系统实时反馈，调整相关的连铸工艺参数，保证了离线计算的冷却水量相对准确性。

在线实时控制系统包括结晶器冷却水循环模块和冷却水温差计算和水量计算单元，在线实时控制系统与离线冷却水量计算系统电连接；实时控制单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却，利于连铸生产根据实际结晶器温度以及结晶器冷却状况快速调控。

进水总管道5-1与出水总管道5-2分别与异型坯结晶器四个面的冷却模块两端连接，进水总管道5-1为结晶器提供冷却水，出水总管道5-2将结晶器冷却水出口处水量进行汇集，统一处理，方便使用。

结晶器冷却水循环模块与冷却水温差计算和水量计算单元电连接，结晶器冷却水循环模块向异型坯结晶器四个面分别设立相对独立的冷却模块，四个冷却模块根据异型坯结晶器四个面不同的温度状况以及所需要的冷却水量，独立供应冷却水对结晶器的四个面进行冷却，针对于单点非平衡浇铸时，结晶器温度不均匀造成的结晶器所需要的冷却水量不均匀的问题，提供解决方案。结晶器冷却模块具体包括宽面内弧冷却模块1、宽面外弧冷却模块2、窄面左侧冷却模块3和窄面右侧冷却模块4，进水总管道5-1和出水总管道5-2分别与宽面内弧冷却模块1、宽面外弧冷却模块2、窄面左侧冷却模块3以及窄面右侧冷却模块4两端连接。结晶器冷却水支管两端分别与进水总管道5-1与出水总管道5-2连接，用于承接异型坯结晶器四个面的冷却水，冷却水流量控制阀对冷却水支管的冷却水流量进行调控，分别针对异型坯结晶器四个面不同的冷却需要进行冷却，冷却水进口以及出口测温仪对异型坯结晶器四个面冷却水进口与出口处水温进行测量，量化异型坯结晶器的冷却过程，并为异型坯结晶器冷却水量的调控提供依据。

冷却水温差计算和水量计算单元包括宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元1-6、宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元2-6、窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元3-6以及窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元4-6；宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元1-6与宽面内弧冷却模块1电连接，宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元2-6与宽面外弧冷却模块2电连接，窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元3-6与窄面左侧冷却模块3电连接，窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元4-6与窄面右侧冷却模块4电连接。

宽面内弧冷却模块1包括宽面内弧结晶器冷却水支管1-1、宽面内弧冷却水流量调控阀1-2、宽面内弧冷却水进口测温仪1-3、结晶器宽面内弧冷却水缝1-4以及宽面内弧冷却水出口测温仪1-5；宽面内弧结晶器冷却水支管1-1一端连接有进水总管道5-1，另一端连接有出水总管道5-2，宽面内弧结晶器冷却水支管1-1上按照冷却水流动的方向设有宽面内弧冷却水流量调控阀1-2、宽面内弧冷却水进口测温仪1-3、结晶器宽面内弧冷却水缝1-4、宽面内弧冷却水出口测温仪1-5。宽面内弧冷却水流量调控阀1-2、宽面内弧冷却水进口测温仪1-3和宽面内弧冷却水出口测温仪1-5与宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元1-6电连接；宽面内弧冷却水进口测温仪1-3以及宽面内弧冷却水出口测温仪1-5分别安装在结晶器宽面内弧处铜板两侧。

宽面外弧冷却模块2包括宽面外弧结晶器冷却水支管2-1、宽面外弧冷却水流量调控阀2-2、宽面外弧冷却水进口测温仪2-3、结晶器宽面外弧冷却水缝2-4以及宽面外弧冷却水出口测温仪2-5；宽面外弧结晶器冷却水支管2-1一端连接有进水总管道5-1，另一端连接有出水总管道5-2，宽面外弧结晶器冷却水支管2-1上按照冷却水流动的方向设有宽面外弧冷却水流量调控阀2-2、宽面外弧冷却水进口测温仪2-3、结晶器宽面外弧冷却水缝2-4、宽面外弧冷却水出口测温仪2-5。宽面外弧冷却水流量调控阀2-2、宽面外弧冷却水进口测温仪2-3和宽面外弧冷却水出口测温仪2-5与宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元2-6电连接；宽面外弧冷却水进口测温仪2-3以及宽面外弧冷却水出口测温仪2-5分别安装在结晶器宽面外弧处铜板两侧。

窄面左侧冷却模块3包括窄面左侧结晶器冷却水支管3-1、窄面左侧冷却水流量调控阀3-2、窄面左侧冷却水进口测温仪3-3、结晶器窄面左侧冷却水缝3-4以及窄面左侧冷却水出口测温仪3-5；窄面左侧结晶器冷却水支管3-1一端连接有进水总管道5-1，另一端连接有出水总管道5-2，窄面左侧结晶器冷却水支管3-1上按照冷却水流动的方向设有窄面左侧冷却水流量调控阀3-2、窄面左侧冷却水进口测温仪3-3、结晶器窄面左侧冷却水缝3-4、窄面左侧冷却水出口测温仪3-5。窄面左侧冷却水流量调控阀3-2、窄面左侧冷却水进口测温仪3-3和窄面左侧冷却水出口测温仪3-5与窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元3-6电连接；窄面左侧冷却水进口测温仪3-3以及窄面左侧冷却水出口测温仪3-5分别安装在结晶器窄面左侧处铜板两侧。

窄面右侧冷却模块4包括窄面右侧结晶器冷却水支管4-1、窄面右侧冷却水流量调控阀4-2、窄面右侧冷却水进口测温仪4-3、结晶器窄面右侧冷却水缝4-4以及窄面右侧冷却水出口测温仪4-5；窄面右侧结晶器冷却水支管4-1一端连接有进水总管道5-1，另一端连接有出水总管道5-2，窄面右侧结晶器冷却水支管4-1上按照冷却水流动的方向设有窄面右侧冷却水流量调控阀4-2、窄面右侧冷却水进口测温仪4-3、结晶器窄面右侧冷却水缝4-4、窄面右侧冷却水出口测温仪4-5。窄面右侧冷却水流量调控阀4-2、窄面右侧冷却水进口测温仪4-3和窄面右侧冷却水出口测温仪4-5与窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元4-6电连接；窄面右侧冷却水进口测温仪4-3以及窄面右侧冷却水出口测温仪4-5分别安装在结晶器窄面右侧处铜板两侧。

冷却水温差计算和水量计算单元用于异型坯结晶器冷却水温差以及冷却水量的计算，并根据计算所得进行动态分析得到分析结果，并将结果反馈给结晶器冷却模块进行实时的调控，通过合理分配结晶器四个面的冷却水流量，有利于异型坯结晶器内钢液的非对称均衡传热，有利于良好凝固坯壳的生长，避免造成拉漏等生产事故以及减少铸坯在腹板处和圆角处的表面纵裂。同时，在异型坯结晶器冷却的过程中，结晶器冷却水循环模块将出水总管道5-2中的冷却水收集并进行处理，在满足进水总管道5-1对于冷却水的要求时，将处理完的冷却水投入进水总管道5-1，实现冷却水的循环利用，减少资源浪费，降低生产成本。

冷却水温差计算和水量计算单元与对称面冷却水温差调控单元电连接，并将对称面温差信息传送给对称面冷却水温差调控单元，对称面冷却水温差调控单元进行对称面冷却水量调控。对称面冷却水温差调控单元的调控标准为，对称面冷却水温差差值小于0.5℃。为了确保异型坯对称面的冷却情况基本保持一致，单独设立对称面冷却水温差调控单元，对异型坯结晶器两组对称面的冷却水温差和冷却水流量信息进行收集和计算，确保对称面冷却水温差差值小于0.5℃，利于铸坯的均匀凝结，减少铸坯的缺陷，可以提高产品的合格率。

本发明的一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制方法，采用上述的装置，包括以下步骤：

1)通过离线冷却水量计算系统计算异型坯结晶器冷却模块的冷却水量范围。

2)在线实时控制系统的冷却水温差计算和水量计算单元通过安装在结晶器四个面冷却水进口和冷却水出口位置的测温仪，计算得到宽面内弧、宽面外弧、窄面左侧以及窄面右侧的冷却水温差，并计算实际所需冷却水量。

3)冷却水温差计算和水量计算单元将计算所得结晶器四个面冷却水温差和所需冷却水量结果进行动态分析，并将动态分析结果反馈给冷却水流量调控阀调控冷却水流量；同时将动态分析结果反馈给离线冷却水量计算系统对参数进行修正。

动态分析包括：当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差低于4.5℃时，通过控制四个面的冷却水流量调控阀减少冷却水量，当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差高于6℃时，通过控制四个面的冷却水流量调控阀增大冷却水量，当结晶器四个面出口冷却水与进口冷却水温差介于4.5℃-6℃之间时，属于冷却水正常温差，无需调节。

该控制方法通过离线冷却水量计算系统计算异型坯结晶器冷却模块的冷却水量范围，为异型坯结晶器冷却提供理论基础和初始冷却水量，通过在线实时控制系统得到异型坯结晶器四个面冷却水的温差值，并计算实际所需要的冷却水量，通过动态分析得到分析结果，并将结果反馈给冷却水流量调控阀进行冷却水的调控，同时将结果反馈给离线冷却水量计算系统对参数进行修正。解决了由单点非平衡浇铸异型坯导致的异型坯结晶器表面温度分布极不均匀，结晶器自由液面6-2温度分布也不均匀导致的凝固坯壳生长不均匀及表面纵裂等问题。

关于离线冷却水量计算系统的计算步骤为：

a.输入结晶器工艺参数计算热流q；

b.输入拉速参数计算水缝面积；

c.输入冷却水温差计算冷却水量。

关于冷却水温差计算单元计算冷却水流量的方法为：

1)计算铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内由冷却水带走的热量q；

2)计算铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内每10s内由冷却水带走的平均热量

3)计算结晶器冷却水流量w。

实施例2

本实施例的控制装置与控制方法与实施例1相同，其不同之处在于对本发明进行进一步解释，并对本发明提供支持。

如图4和图5所示，为水模拟单点非平衡浇铸异型坯结晶器内，浇铸时钢液的流场，以及短暂时间后，钢液经过扩散后的流场，水模拟结果显示，在进行单点非平衡浇铸时，异型坯结晶器流场分布极不均匀，由于流场的不均匀性，导致异型坯结晶器内钢液的温度场不也均匀，结晶器各个面的冷却状况相差很大。

如图2所示，为本发明的控制装置和控制方法所使用的异型坯结晶器示意图，在异型坯结晶器上表面留有浇铸口6-1，用于异型坯的单点非平衡浇铸，浇铸口6-1附近以及留有浇铸口6-1一侧翼缘，在异型坯浇铸时温度较高；结晶器内远离浇铸口6-1的自由液面6-2温度较低，造成结晶器出口6-3上方的异型坯结晶器四个面的冷却需求不同。

针对上述异型坯结晶器流场温度场不均匀的情况下，造成异型坯结晶器冷却不均匀的状况，本发明提供一种单点非平衡浇铸异型坯结晶器冷却控制装置及控制方法。现了实时动态控制结晶器铜板各面冷却水流量，确保了结晶器铜板各面温度的均匀，确保异型坯铸坯出结晶器时各面温度一致，在1200—1250℃之间。

其具体内容包括：首先通过离线冷却水量计算系统计算储不同钢种、不同断面及不同工艺参数下的冷却水量范围。

具体的，首先根据结晶器工艺参数计算热流q，其计算方法为：

q＝levρ{c1(te-tl)+lf+cs(ts-to)}

式中：q—结晶器钢液放出的热量，kj/min；

l—结晶器横截面各边长度，m；

e—出结晶器坯壳厚度，m；

v—拉速，2.2m/min；

ρ—钢液密度，kg/m³；

cl—液态钢液比热容，kj/(kg·℃)；

cs—固态铸坯比热容，kj/(kg·℃)；

lf—凝固潜热，kj/kg；

te—中间包内钢液温度，℃；

tl—结晶器内钢液温度，℃；

ts—初生坯壳温度，℃；

to—出结晶器铸坯表面温度，℃。

随后计算结晶器水缝面积f，其计算方法为：

f＝qks×10⁶/(3600v)

式中：f—结晶器水缝面积，m²；

qk—单位水流量，m³/s·m，经验取值100-500m³/s·m；

s—结晶器周边长度，m；

v—冷却水流速，m/s，取6-10m/s。

根据计算得到的结晶器水缝面积f，计算所需冷却水量，其计算方法为：

w＝36×f×v/1000(l/min)

式中：w—冷却水量，l/min；

f—结晶器水缝面积，m²；

v—冷却水流速，m/s，取6-10m/s。

离线冷却水计算系统计算各面冷却水流量后，为异型坯结晶器冷却提供初始冷却水量并指导在线实时控制系统。

在线实时控制系统包括结晶器冷却水循环模块和冷却水温差计算和水量计算单元，在线实时控制系统与离线冷却水量计算系统电连接。

进水总管道5-1与出水总管道5-2分别与异型坯结晶器四个面的冷却模块两端连接，进水总管道5-1为结晶器提供冷却水，出水总管道5-2将结晶器冷却水出口处水量进行汇集。

结晶器冷却水循环模块与冷却水温差计算和水量计算单元电连接，结晶器冷却水循环模块向异型坯结晶器四个面分别设立相对独立的冷却模块，四个冷却模块分别为宽面内弧冷却模块1、宽面外弧冷却模块2、窄面左侧冷却模块3以及窄面右侧冷却模块4。结晶器四个面的冷却模块构造相同，结晶器冷却模块包括结晶器冷却水支管、冷却水流量调控阀、冷却水进口测温仪、结晶器冷却水缝以及冷却水出口测温仪；结晶器冷却水支管一端连接有进水总管道5-1，另一端连接有出水总管道5-2，结晶器冷却水支管上按照冷却水流动的方向设有冷却水流量调控阀、冷却水进口测温仪、结晶器冷却水缝、冷却水出口测温仪。冷却水进口测温仪以及冷却水出口测温仪分别安装在结晶器铜板两侧，测温仪为数值显示型测温器，插入冷却水中，直接显示冷却水的温度，或为热电偶、热电阻型，将冷却水温度记录下来，并将冷却水温数值传送给冷却水温差计算单元。

冷却水温差计算和水量计算单元包括宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元1-6、宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元2-6、窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元3-6以及窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元4-6；宽面内弧冷却水温差计算和水量计算单元1-6与宽面内弧冷却模块1电连接，宽面外弧冷却水温差计算和水量计算单元2-6与宽面外弧冷却模块2电连接，窄面左侧冷却水温差计算和水量计算单元3-6与窄面左侧冷却模块3电连接，窄面右侧冷却水温差计算和水量计算单元4-6与窄面右侧冷却模块4电连接。

通过结晶器冷却水量动态分析控制单元对异型坯结晶器各面冷却水进出水温差进行动态分析，并实时与4.5-6℃的标准温差进行对比，进而启动冷却水量调控装置，从而确保异型坯结晶器各面冷却水温差控制在4.5-6℃范围内，同时将对称面冷却水温差进行比较，将对称面冷却水温差调控在0.5℃以内，铸坯出结晶器时各面温度控制在1200-1250℃范围内。

进出水温差计算及冷却水流量计算装置计算冷却水流量的方法为：

q＝c×m×δθ

上述式中：

q—表示铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内由冷却水带走的热量，kj；

w—表示结晶器冷却水流量，l/min；

—表示铸坯出结晶器时表面温度在1200-1250℃范围内每10s内由冷却水带走的平均热量，kj；

c—表示冷却水的比热容，kj/(kg.℃)；

δθ—表示结晶器冷却水进出水温差，℃，标准温差为4.5-6℃；

ρ—表示结晶器冷却水密度，ρ＝1×10³kg/m³；

t—表示结晶器冷却水流经结晶器铜板的时间，min。

冷却水量动态分析控制单元对冷却水温差进行动态分析，并与标准温差4.5-6℃进行比较，根据比较结果，有针对性的调控冷却水流量调控冷却水流量调控装置：当结晶器冷却水进出水温差高于标准温差4.5-6℃，实施结晶器冷却水的增大模式增大冷却水量；当结晶器冷却水进出水温差低于标准差4.5-6℃，实施结晶器冷却水减小模式减少冷却水量，从而确保结晶器铜板各面温度基本一致，且对称面冷却水温差小于等于0.5℃。

在线实时控制系统实时调控结晶器各面冷却水流量的同时，将结果实时反馈给离线冷却水量计算系统，如果实时冷却水流量在离线冷却水量计算系统计算的冷却水量范围内，则不必调整连铸工艺参数，否则需要调整连铸工艺参数。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的内容之一，实际的内容并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。