高維

摘 要：鑄坯質(zhì)量和鑄機生產(chǎn)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(qū)設(shè)備的水平。二冷強度的增加可以使得拉速增大，生產(chǎn)率提高；二冷控制直接影響著鑄坯的質(zhì)量，鑄坯的內(nèi)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(chǎn)具有重大的意義。拉坯速度是連鑄生產(chǎn)操作中的重要控制參數(shù)。正確控制拉速是保證順利澆鑄、充分發(fā)揮連鑄機的生產(chǎn)能力、改善鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

關(guān)鍵詞：連鑄生產(chǎn)狀況 二冷控制 連鑄自動化

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

1 連鑄生產(chǎn)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(zhì)流向如圖1所示。

連鑄車間的主要工藝設(shè)備包括：盛鋼桶及回轉(zhuǎn)臺、中間包及其小車、結(jié)晶器及其振動和冷卻供水設(shè)施、二次冷卻段、鑄坯切割設(shè)備、鑄坯輸送輥道、循環(huán)水系統(tǒng)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(nèi)運送到連鑄車間，放置到鋼包回轉(zhuǎn)臺上。盛鋼桶回轉(zhuǎn)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(jié)晶器。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)一次冷卻形成坯殼并在引錠桿的拖動下慢慢拉出結(jié)晶器，進入二冷區(qū)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(jīng)過拉矯機矯直，然后經(jīng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 二冷控制系統(tǒng)

鑄坯冷卻過程控制系統(tǒng)由一冷控制和二冷控制兩部分構(gòu)成，連鑄坯由結(jié)晶器“出生”后，即經(jīng)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(qū)，然后進入拉矯機矯直。電爐廠的連鑄機根據(jù)拉速和鑄坯質(zhì)量的要求，結(jié)合鑄機冶金長度和二冷水控制的要求，把二冷區(qū)段分為3段。

根據(jù)冷卻水在二冷區(qū)整個長度上的分配要與鑄坯凝固相適應(yīng)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(jié)晶器液面到二冷區(qū)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(jié)晶器液面到第一、二、三段冷卻區(qū)中心點的長度。

二冷控制系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場級主要有如下控制量：各流各段水流量大小的調(diào)節(jié)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(chǔ)級的過程控制部分由PLC進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，由工控機進行監(jiān)控，兩者之間通過工業(yè)以太網(wǎng)相連；在工控機上，可以根據(jù)現(xiàn)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(shè)定配水表的系數(shù)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(chǎn)過程中二冷控制所產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)庫和技術(shù)數(shù)據(jù)庫，可方便專業(yè)技術(shù)人員對生產(chǎn)過程進行離線分析和優(yōu)化。

二冷水控制中水量的大小應(yīng)該與鋼種、斷面、鋼水溫度、拉坯速度等因素有關(guān)。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(guān)系進行各段水量的設(shè)定，此種方法只是根據(jù)拉速設(shè)定流量而沒考慮鋼水溫度的影響，所以這種方法無法實現(xiàn)準(zhǔn)確有效的鑄坯表面溫度閉環(huán)控制，為此，在對二次冷卻進行建模研究的基礎(chǔ)上給出了一個溫度串級控制系統(tǒng)，其中流量控制為副回路，由控制器、電動調(diào)節(jié)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(shè)定值、鋼水溫度前饋量等組成。

2.2 拉速控制系統(tǒng)

鑄坯的拉矯單元有兩個功能：一是把引錠桿輸送到結(jié)晶器；二是保證連續(xù)拉矯從冷卻室出來的鑄坯。拉矯機驅(qū)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(chǎn)生的拉伸強度很小從而避免內(nèi)部裂紋的產(chǎn)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(diào)節(jié)設(shè)計有兩種方式：二級控制系統(tǒng)設(shè)定、手動設(shè)定。二級系統(tǒng)根據(jù)煉鋼廠物流的綜合情況設(shè)定合適的拉矯速度，但是由于現(xiàn)場條件所限，二級系統(tǒng)經(jīng)常不能正常運行，因此，速度調(diào)節(jié)只能是人工調(diào)節(jié)。

拉速可否根據(jù)過熱度自動調(diào)節(jié)取決于結(jié)晶器的液位控制方式。結(jié)晶器液位根據(jù)設(shè)備使用情況采用兩種控制方式：速度調(diào)節(jié)和塞棒液位調(diào)節(jié)。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(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象，它是保證結(jié)晶器液位穩(wěn)定的根本因素；在中間包采用塞棒調(diào)節(jié)的方式下，拉速只是液位調(diào)節(jié)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(diào)整拉速以保證澆鑄的正常進行。

3 連鑄自動化的發(fā)展?fàn)顩r

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展和連鑄工藝的不斷提高，連鑄的自動化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，目前已經(jīng)由局部的繼電器邏輯控制和傳統(tǒng)的模擬控制儀表發(fā)展到大規(guī)模的DCS集散控制系統(tǒng)或PLC控制，電氣傳動則采用交流調(diào)速和矢量控制技術(shù)，這種基礎(chǔ)自動化是用新的控制策略實現(xiàn)高級綜合控制的系統(tǒng)，從而為提高系統(tǒng)的控制的品質(zhì)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(tǒng)連續(xù)PID控制和順序邏輯控制及可進行較為復(fù)雜的運算等特點，實現(xiàn)復(fù)雜的方式切換、連鎖、自適應(yīng)、動態(tài)補償?shù)取，F(xiàn)在又新增加專家控制系統(tǒng)等新技術(shù)，即DICS，使現(xiàn)在連鑄過程的控制更加完善。近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國外一些先進的連鑄生產(chǎn)國更進一步發(fā)展了管理級控制系統(tǒng)，統(tǒng)一管理和調(diào)度連鑄及其相關(guān)生產(chǎn)工序，使各工序協(xié)調(diào)運行，并保存連鑄生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)和提供連鑄關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)如中間包和結(jié)晶器液位控制、二冷水控制等的動態(tài)控制模型。

由于連鑄生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)滿意的控制效果，因此國內(nèi)外一些控制專家已經(jīng)將諸如自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、控制、模糊專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法用到連鑄生產(chǎn)的各個控制環(huán)節(jié)中，并且較好地解決了各環(huán)節(jié)之間的耦合控制及整個過程的優(yōu)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(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的最新技術(shù)和成果，對改善鑄坯的質(zhì)量、提高澆鑄速度，指導(dǎo)生產(chǎn)，節(jié)能和降低運行費用等方面都具有很重要的意義。