連鑄自動控制技術的研究與應用

摘要：連鑄是整個煉鋼工藝過程的中間環節，從煉鋼接受鋼水澆鑄成鑄坯后送到軋鋼，起到承上啟下的作用。針對連鑄經常出現的質量問題，對結晶器鋼水液面控制系統、二冷水控制系統進行了自動化控制技術的研發工作。

關鍵詞：液面控制； 二冷水控制

連鑄是特鋼100t電爐生產線的中間環節，在整個生產過程中起到承上啟下的作用，因此提高連鑄坯的質量是至關重要的，連鑄坯主要存在有純凈度、表面質量、內部質量和外觀性質幾類質量問題。

連鑄坯表面質量的好壞決定了鑄坯在熱加工之前是否需要精整，是影響金屬收得率和成本的重要因素，也是鑄坯熱送和直接軋制的前提條件，其形成的原因很復雜，但總體來說，主要是受結晶器內鋼液凝固所控制。鑄坯的內部質量是指鑄坯是否具有正確的凝固結構、偏析程度、內部裂紋、夾雜物含量及分布狀況，凝固結構是鑄坯的低倍組織，即鋼液凝固過程中形成等軸晶和柱狀晶的比例，鑄坯的內部質量與二冷水及支持系統密切相關。

1 主要控制技術的確定

連鑄機主要由鋼包、中間包、結晶器、結晶器振動裝置、二次冷卻和鑄坯導向裝置、拉坯矯直裝置、切割裝置、出坯裝置等部分組成。

連鑄坯的表面缺陷直接影響軋制成品的表面質量，熱裝熱送或直接軋制工藝要求鑄坯進加熱爐必須無缺陷，因此重點關注了結晶器和二次冷卻區，以下是整個系統開發的流程圖，見下圖。

連鑄工藝流程圖

2 主要控制技術的應用

2.1 結晶器液面控制

結晶器安裝在振動裝置上，通過振動裝置的上下振動可防止結晶器內壁和鋼水粘連、均勻鑄坯在結晶器內的摩擦阻力，其作用是利用流經結晶器體內腔的凈環水，將和結晶器內壁接觸的鋼水快速冷卻并使其迅速結晶。

結晶器是在盡可能的拉速下，保證鑄坯出結晶器形成足夠厚度的坯殼，使連鑄過程安全的進行下去，決定了連鑄機的生產能力，結晶器內的鋼水將熱量平穩的傳到給銅板，使鑄坯厚度能均勻的生長，保證鑄坯表面質量。

鋼液在結晶器內的凝固傳熱分為拉坯方向的傳熱和垂直于拉坯方向的傳熱兩部分，絕大部分熱量是通過垂直于拉坯方向傳遞的，此傳遞過程由三部分構成，即鑄坯液芯與坯殼間的傳熱，坯殼與結晶器壁間的傳熱，結晶器壁與冷卻水之間的傳熱。

結晶器液面檢測與自動控制對保證穩定拉坯工藝和保證連鑄機的安全生產、降低溢漏率、減少結晶器及備件消耗、改善鑄坯質量，提高勞動生產率。結晶器液面的檢測方法是同位素法，中間包鋼流控制方式有中間包塞棒和中間包滑動水口兩種，為使生產操作更方便和安全，采用兩種方法相結合。一種結合使用方法是正常工作是用塞棒來實現自動開澆和液面控制，緊急情況時使用滑動水口；一種結合使用方法是正常使用滑動水口，緊急時使用塞棒。

2.2 二冷水控制

同一臺連鑄機在開澆、澆鑄不同鋼種及拉速變化時需要對二冷水量進行適當調整。二冷水的自動控制方法主要可分為靜態和動態控制發兩類。靜態控制法一般利用數學模型，根據所澆鑄的斷面、鋼種、拉速、過熱度等連鑄工藝條件計算冷卻水量，將計算的二冷水數據表存入計算機中，在生產工藝條件變化時計算機按存入的數據找出二冷水控制量，調整二冷強度。

為了避免這種鑄坯表面溫度的波動，就引入了動態噴霧冷卻控制思想，即使在拉速急劇變化的情況下，也能保持鑄坯表面溫度的穩定。

連鑄機穩態條件下的水流量是用戶可定義的，并存儲在一個稱之為“配水表”的文件中。整個噴霧冷卻段被劃分為多個冷卻控制回路。控制模型將鑄流分成許多小的單元來考慮，這些單元隨澆鑄速度而沿澆鑄方向移動。該系統監視每個冷卻回路中這些單元的駐留時間，并根據駐留時間和一些其他因素（如鋼種、中間包溫度、結晶器斷面規格、澆鑄速度等）來確定這些冷卻回路的水流量設定值。

在每個冷卻區定義一個或幾個特定的點，這些點被稱之為“節點”。對每個節點考慮其附近的單元，利用這些單元的澆鑄速度從配水表中取出一個基本水流量。處于兩個數據對之間的數值采用線性插值計算。

對于最終水流量設定值的確定，數學模型計算還考慮下列因素：

1） 靜態控制：靜態控制與常規控制算法相似。它是根據實際的澆鑄速度從配水表中取出該節點的基本水流量，然后根據鑄流寬度和中間包當前的鋼水溫度來對這個基本水流量進行修正；2） 動態控制：對于動態控制，實際的澆鑄速度將被該節點的速度平均值取代，而各回路的水流量設定值計算與靜態控制相類似；3）靜態控制和動態控制相結合：設定值的計算可采用靜態控制和動態控制的結果。在兩者結合時，靜態控制和動態控制的結果將按一個稱之為“動態因子”的參數來分配；4）配水表優先級：每個爐次的鋼種數據中，對每個配水表分配一個0到9之間的優先數字。這個數字被稱為“配水表優先級”；5） 澆鑄開始期間的安全水流量；6） 鑄流停止時的水流量修正；7） 澆鑄坯頭的水流量修正；8） 澆鑄坯尾的水流量修正；9） 尾坯輸出期間的回路關閉建議。

3 總結

自采用新的自動化控制技術以來，鋼坯表面質量問題得到了改善，棒材控制得到了優化，不合格產品的數量明顯減少，冷卻效率和冷卻質量大大提高，冷卻模型得到了充分應用，品種鋼的成材率得到了提高。

參考文獻：

[1]蔡開科.連續鑄鋼原理與工藝.北京：冶金工業出版社，1994.

[2]朱文佳譯.連續鑄鋼過程中的鋼水保護.北京：冶金工業出版社，1991.

[3]吳勤勤.控制儀表及裝置.北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：王晉卿（1984），女，漢族，山東青島人，工學學士學位，工程師，研究方向：冶金工業自動化控制。