連鑄二冷控制及拉速調節系統

高維

摘 要：鑄坯質量和鑄機生產率在很大程度上決定于二次冷卻強度、冷卻水的分配與控制、冷卻方式、二冷區設備的水平。二冷強度的增加可以使得拉速增大，生產率提高；二冷控制直接影響著鑄坯的質量，鑄坯的內部裂紋、表面裂紋、鑄坯鼓肚、鑄坯菱變等缺陷均由不合理的二冷造成。由此可見，二冷對于連鑄生產具有重大的意義。拉坯速度是連鑄生產操作中的重要控制參數。正確控制拉速是保證順利澆鑄、充分發揮連鑄機的生產能力、改善鑄坯質量的關鍵因素之一。

關鍵詞：連鑄生產狀況 二冷控制 連鑄自動化

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0121-02

1 連鑄生產狀況簡介

連鑄過程是煉鋼車間和高速線材廠之間的處理過程，連鑄的物質流向如圖1所示。

連鑄車間的主要工藝設備包括：盛鋼桶及回轉臺、中間包及其小車、結晶器及其振動和冷卻供水設施、二次冷卻段、鑄坯切割設備、鑄坯輸送輥道、循環水系統等。其簡略的工藝流程為：煉鋼車間把1560℃左右的鋼水裝在盛鋼桶內運送到連鑄車間，放置到鋼包回轉臺上。盛鋼桶回轉到中包上方時，打開盛鋼桶的滑動水口，鋼水注入中間包。中間包鋼液達到一定量后打開中間包塞棒，鋼水分5流流入結晶器。鋼水在結晶器內經一次冷卻形成坯殼并在引錠桿的拖動下慢慢拉出結晶器，進入二冷區進行二次冷卻，使液芯鑄坯逐漸完全凝固。鑄坯出二冷段后經過拉矯機矯直，然后經火焰切割成要求的長度，并由輸送輥道送至線材廠或外運。

2 二冷控制及拉速調節系統

2.1 二冷控制系統

鑄坯冷卻過程控制系統由一冷控制和二冷控制兩部分構成，連鑄坯由結晶器“出生”后，即經過一次冷卻形成的初生坯殼進入扇形輥道所組成的二冷區，然后進入拉矯機矯直。電爐廠的連鑄機根據拉速和鑄坯質量的要求，結合鑄機冶金長度和二冷水控制的要求，把二冷區段分為3段。

根據冷卻水在二冷區整個長度上的分配要與鑄坯凝固相適應的原則，而且鑄坯的坯殼厚度是隨著時間的平方根而增加，即，其中，式中s為結晶器液面到二冷區某一點的長度，v為拉速。從而可得：，由此可得二冷水各段的冷卻水量分配為：

分別為第一、二、三段的冷卻水量，分別為結晶器液面到第一、二、三段冷卻區中心點的長度。

二冷控制系統的生產現場級主要有如下控制量：各流各段水流量大小的調節和測量；二冷出口處鑄坯的表面溫度的測量；拉矯機上用于位移增量的測量；變頻器上的速度測量，由變頻器直接給出的拉矯機平均速度；中間包鋼水溫度的測量。

二冷基礎級的過程控制部分由PLC進行現場數據采集，由工控機進行監控，兩者之間通過工業以太網相連；在工控機上，可以根據現場要求顯示二冷每段的流量、壓力以及二冷出口處的溫度，還可設定配水表的系數K1、K2、K3以及溫度反饋控制器的KP、KI等。

二冷過程控制級主要用來管理生產過程中二冷控制所產生的歷史數據庫和技術數據庫，可方便專業技術人員對生產過程進行離線分析和優化。

二冷水控制中水量的大小應該與鋼種、斷面、鋼水溫度、拉坯速度等因素有關。對于鋼種、斷面已知的澆鑄過程，二冷控制可以采用二冷水量與拉坯速度成二次關系進行各段水量的設定，此種方法只是根據拉速設定流量而沒考慮鋼水溫度的影響，所以這種方法無法實現準確有效的鑄坯表面溫度閉環控制，為此，在對二次冷卻進行建模研究的基礎上給出了一個溫度串級控制系統，其中流量控制為副回路，由控制器、電動調節閥等組成，鑄坯表面溫度為主回路，由鑄坯表面溫度模型、水流量設定值、鋼水溫度前饋量等組成。

2.2 拉速控制系統

鑄坯的拉矯單元有兩個功能：一是把引錠桿輸送到結晶器；二是保證連續拉矯從冷卻室出來的鑄坯。拉矯機驅動的兩個矯直輥位于兩個半徑不同的弧線上，從而使得鑄坯固-液界面產生的拉伸強度很小從而避免內部裂紋的產生。

鑄流的拉矯機由變頻器控制變速，變頻器的控制信號、速度給定信號、速度反饋信號直接連接到各流PLC上。拉矯機速度調節設計有兩種方式：二級控制系統設定、手動設定。二級系統根據煉鋼廠物流的綜合情況設定合適的拉矯速度，但是由于現場條件所限，二級系統經常不能正常運行，因此，速度調節只能是人工調節。

拉速可否根據過熱度自動調節取決于結晶器的液位控制方式。結晶器液位根據設備使用情況采用兩種控制方式：速度調節和塞棒液位調節。在中間包鋼水流出采用定徑水口的情況下，拉矯機的速度是結晶器液位控制系統的調節對象，它是保證結晶器液位穩定的根本因素；在中間包采用塞棒調節的方式下，拉速只是液位調節的一個干擾量，可通過前饋補償減弱其對液位的影響，在這種情況下，若中間包溫度起伏較大，則可自動調整拉速以保證澆鑄的正常進行。

3 連鑄自動化的發展狀況

隨著工業自動化技術的發展和連鑄工藝的不斷提高，連鑄的自動化技術得到了迅速的發展，目前已經由局部的繼電器邏輯控制和傳統的模擬控制儀表發展到大規模的DCS集散控制系統或PLC控制，電氣傳動則采用交流調速和矢量控制技術，這種基礎自動化是用新的控制策略實現高級綜合控制的系統，從而為提高系統的控制的品質提供了很大的便利和靈活性。在連鑄過程檢測和控制自動化中，可充分利用DCS或PLC系統連續PID控制和順序邏輯控制及可進行較為復雜的運算等特點，實現復雜的方式切換、連鎖、自適應、動態補償等。現在又新增加專家控制系統等新技術，即DICS，使現在連鑄過程的控制更加完善。近年來隨著網絡技術的發展，國外一些先進的連鑄生產國更進一步發展了管理級控制系統，統一管理和調度連鑄及其相關生產工序，使各工序協調運行，并保存連鑄生產的歷史數據和提供連鑄關鍵控制環節如中間包和結晶器液位控制、二冷水控制等的動態控制模型。

由于連鑄生產過程的復雜性，傳統的PID控制系統不能實現滿意的控制效果，因此國內外一些控制專家已經將諸如自適應控制、預測控制、控制、模糊專家系統、神經元網絡等智能控制方法用到連鑄生產的各個控制環節中，并且較好地解決了各環節之間的耦合控制及整個過程的優化和故障診斷與處理等問題。這些檢測和控制項目充分利用控制理論、計算機技術、網絡技術方面的最新技術和成果，對改善鑄坯的質量、提高澆鑄速度，指導生產，節能和降低運行費用等方面都具有很重要的意義。