板坯連鑄機二次冷卻控制技術應用

何道娟

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

在現代化鋼鐵企業中，連鑄工序承載著將鋼水轉變為板坯，為后道熱軋提供合格原材料，是保證整個鋼鐵企業生產物料平衡至關重要的環節。在連鑄工序中，水系統占據相當關鍵的地位，尤其是對鑄坯進行二次冷卻技術，對提高鑄坯表面和內部質量有著十分顯著影響，因此各種先進二次冷卻配水方法也在研究并應用到實際生產中[1，2]。首鋼京唐公司板坯連鑄機二次冷卻控制系統基于先進的控制技術，有效保證鑄坯質量，同時結合現場實際情況，提供多種優化措施，大大提高鑄坯冷卻效果。

1 二次冷卻傳熱方式與鑄坯質量

1.1 二次冷卻區傳熱方式

從連鑄結晶器出口到扇形段最后一對夾持輥內設置一個噴水冷卻區，叫做二次冷卻區。據測算二次冷卻區散熱占23%~28%[1]，因此二次冷卻區占鋼水完全凝固熱量接近四分之一。

鑄坯冷卻的動力是鑄坯中心熱量與外界的溫度差造成的。二冷區鑄坯表面熱量傳導的方式分為：①鑄坯表面向空氣中的輻射傳熱25%：②支撐輥與板坯之間的接觸傳熱17%；③水滴的蒸發傳熱33%；④水滴沿內弧表面浸漬而帶走的熱量25%[1]。在設備和工藝一定條件下，輻射和支撐輥導熱變化不大，噴淋水傳熱占主導地位。因此，提高二冷區的冷卻效率，就必須研究噴淋水滴與高溫鑄坯之間的熱交換。它是一個復雜的傳熱過程，可用對流傳熱方程來表示。

式中，Φ——熱流，h——傳熱系數，Ts——鑄坯表面溫度，Tw——冷卻水溫度，A——噴淋水冷卻面積。

由公式可知，除冷卻水溫度和表面溫度對傳熱有影響外，其他因素對鑄坯表面傳熱的影響反映在傳熱系數上。要提高二冷區冷卻效率和保證板坯質量就要提高h值和在二冷各段A值的合理分布。

1.2 二次冷卻對鑄坯質量的影響

二次冷卻與鑄坯缺陷，特別是內部裂紋、中心疏松偏析等密切相關。冷卻強度增大，可加速鑄坯的凝固，但冷卻強度是與鋼的裂紋敏感性緊密相關的，受鑄坯質量的約束。二冷對鑄坯質量的影響是：①冷卻不均勻，導致坯殼溫度回升，鑄坯易產生中間裂紋或皮下裂紋；②鑄坯矯直時表面溫度過低(如小于900℃)，易產生表面橫裂紋；③冷卻強度不夠，鑄坯帶液心矯直易產生矯直裂紋；④二冷區鑄坯表面溫度過高，板坯易產生鼓肚變形而使中心偏析加重；⑤二冷強度過大，促使柱狀晶發達易形成穿晶結構，使中心疏松和偏析加重。

因此對二冷區的冷卻要求是：①冷卻效率要高，以加速熱量的傳遞；②噴淋水量合適，使鑄坯表面溫度分布均勻；③鑄坯在矯直前盡可能完全凝固；④鑄坯矯直時鑄坯表面溫度應大于900℃。

2 板坯連鑄機二次冷卻系統組成

從結晶器出口足輥到扇形段上均布置有噴嘴，為達到均勻冷卻，噴嘴在輥道之間按排布置，為確保適當的重疊，排與排以一定錯位交叉排列，同時將整個二次冷卻系統分成24個回路。結晶器足輥分為1~2兩個回路，0段為3~6回路，1段為7~8回路，2~3段為9~12回路，4~5段為13~14回路，6段為15~16回路，7~8段為17~18回路，9~11段為19~20回路，12~15段為21~22回路，16~19段為23~24回路，詳見圖1。

圖1 二次冷卻水回路劃分

為保證噴淋水冷卻效果，水在噴淋前是和壓縮空氣混合的，以氣霧狀噴到鑄坯表面，從而確保均勻冷卻效果。二次冷卻水3~24回路是水和壓縮空氣混合的，其中5~18回路設置有寬、窄面，實現根據板坯寬度來控制噴淋區域，以防止出現鑄坯邊角部和窄面出現過度冷卻。每個二次冷卻水回路設置一個電磁流量計和一臺氣動調節閥，通過流量計檢測實際水流量反饋到控制系統，與系統目標流量對比，系統控制調節閥動作使實際水流量達到目標值。實際澆鋼中，根據二次冷卻控制技術，二次冷卻水回路水流量有一個對應的二次冷卻氣壓力與之匹配，實現氣霧冷卻效果。

3 二次冷卻水控制技術

隨著連鑄技術的發展，二次冷卻自動配水控制技術的應用已越來越廣泛。根據實際連鑄機維修測試、澆鋼生產等需要，首鋼京唐公司連鑄機二次冷卻水控制模式分為自學習模式、生存時間模型和凝固模型等三種方式。

3.1 自學習模式

自學習模式是在連鑄機維修時測試二冷卻自動配水的循環過程，目的用于檢驗二冷卻水系統的自動調節能力。在二冷水執行自學習時，系統會分別執行不同的目標水流量，當實際水流量達到目標值時(見圖2)，系統便得到與水流量對應的水壓力值(即參考值)。測試完所有的目標水流量后，系統會把對應的水壓力值數據保存起來，同時在主控室HMI上顯示。

圖2 二次冷卻水自學習過程

當鑄機澆鋼過程中，系統會不斷檢驗每個二冷水回路的水壓力，如果當前水壓力和自學習測試的參考水壓力的差別比較大，主控室HMI上就會產生報警，提示操作工二次冷卻水回路有異常。現場出現幾次連鑄機二冷水流量正常，但水壓力卻遠低于參考值，系統自動產生報警。雖然水流量正常但水壓力低，因此及時排查故障，通過檢查發現二冷水前幾回路有水管開裂漏水，這意味著冷卻水沒有進入到噴嘴上，而是漏掉了，對板坯質量及事故發生有極大威脅，處理完隱患后水壓恢復正常，避免板坯質量事故發生。

3.2 生存時間模型

生存時間模型計算每一段鑄坯在當前二次冷卻噴淋扇形段區域下鑄坯的生存時間，再由生存時間計算出有效澆鑄速度(拉速)，從而在二次冷卻配水設置曲線中提取目標水流量。當拉速發生變化時，如鑄機開澆、中間包快換(飛包)、換水口、執行粘結報警等，拉速會發生變化，但是二次冷卻水量要求是均勻逐步變化的，過快的水量變化會造成已澆鑄的鑄坯產生過冷或冷卻不足，這對鑄坯質量影響很大。因此通過鑄坯的生存時間來計算有效拉速，然后根據有效拉速計算出新的水量是逐步均勻變化的，符合鑄機實際生產需求。

這種模型將扇形段二次冷卻噴淋區域內的鑄坯分割成多個小段，每一段鑄坯代表在扇形段中的特定位置。每一段鑄坯停留時間從在結晶器中開始計算，當每一段鑄坯移動了一個特定的長度，到達新的噴淋區域內，則生存時間被更新并向前移動一個臺階，從而被轉換成目標鑄坯有效拉速。

式中，V1—分割段速度，S—噴淋區與結晶器之間的距離，t—分割段生存時間。

為了給初始扇形段獲得精確的鑄坯分割段速度，模型計算鑄坯分割段速度和真實速度的權衡值。

式中，V1—分割段速度，V2—實際澆鑄速度，V3—精準分割段速度(有效拉速)，k—權衡平均值常數。

若k=0，分割段的精確速度=分割段速度；若k=100，分割段的精確速度=鑄流的實際速度。根據實際生產需求，通過優化k值參數，就能計算出來精準分割段速度(有效拉速)，依據精準分割速度從設置曲線中提取目標水流量，從而完成二次冷卻自動配水功能。

3.3 凝固模型

鑄坯凝固模型就是LPC模型(Liquid Pool Control Mode)，意思為鋼水液芯控制模型。考慮到鋼種、拉速及澆鑄狀態，從中間包鋼水溫度開始，計算結晶器冷卻水所帶走的熱量，從而算出鋼水凝固成鑄坯后液芯的位置。通過計算扇形段中鑄坯的鋼水液芯的位置，再計算出每個二次冷卻噴淋區域的鑄坯表面溫度，并把這些溫度同從二級下載的溫度曲線相比較(目標溫度隨著速度變化而變化)，通過PID功能計算出偏差用來校正二次冷卻配水曲線的流量參考值。

凝固模型的使用的前提必須要先投入生存時間模型。由于凝固模型完全根據鑄坯拉速、中包鋼水溫度等，計算鑄坯表面溫度而給出二冷配水量，因此是最為合理的配水模式。

4 提高連鑄二次冷卻系統穩定性措施

在鑄機實際生產過程中，為了保證二次冷卻配水穩定可靠執行，針對發生的各類故障，制定了合理改進措施和方法。

（1）二冷卻水總管閥前增加壓力表，與閥后壓力進行對比，實時監控二冷水壓力變化情況。同時取消此總管壓力的澆鑄主要條件報警，轉為澆鑄次要條件報警，避免總管壓力表堵塞造成鑄機停機事故。

（2）將二冷水流量檢測信號分別從鑄機現場遠程柜中，直接移位到PLC室控制柜中。由于PLC室環境良好，溫度恒定濕度低，避免因環境不好造成信號丟失或不準現象。改造后避免以前因二冷水信號異常造成鑄機主要條件丟失而導致鑄機停機事故。

（3）二冷水泵停止再啟動前，必須關閉二冷水過濾罐，沖水排污20分鐘以上，檢修后沖水排污30分鐘以上。同時開發過濾罐自動反沖系統，生產期間每小時反沖洗一次，以保證二冷水供應符合要求。

（4）每次鑄機備機前操作工必須查前八回路水流量，發現噴嘴堵塞或水量少的立即安排處理。鑄機每次檢修前操作工把所有二冷水回路查一遍，利用鑄機檢修處理所有堵塞的噴嘴，以保證噴嘴工作良好。

（5）在澆鋼過程中，選用生存時間模型或者凝固模型，盡量不用單純的拉速模式，從而實現二冷水合理配置。

5 結語

二次冷卻配水對于鑄機生產至關重要，是保證鑄坯質量的關鍵因素。通過提高設備穩定性和規范操作要求，保證二次冷卻水系統的穩定可靠運行。同時利用生產時間模型和凝固模型來實現二次冷卻的動態配水，大大保證鑄坯質量，并產生很大經濟效益。