淺談連鑄控制系統(tǒng)的重要性

【摘 要】鑄坯質(zhì)量和鑄機(jī)生產(chǎn)率在很大程度上決定于二次冷卻強(qiáng)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(qiáng)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(jiàn)，二冷對(duì)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(jī)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(dòng)化

1.連鑄生產(chǎn)狀況簡(jiǎn)介

連鑄過(guò)程是煉鋼車間和高速線材廠之間的處理過(guò)程，連鑄的物質(zhì)流向。連鑄車間的主要工藝設(shè)備包括：盛鋼桶及回轉(zhuǎn)臺(tái)、中間包及其小車、結(jié)晶器及其振動(dòng)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(jiǎn)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(yùn)送到連鑄車間，放置到鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)上。盛鋼桶回轉(zhuǎn)到中包上方時(shí)，打開(kāi)盛鋼桶的滑動(dòng)水口，鋼水注入中間包。中間包鋼液達(dá)到一定量后打開(kāi)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(dòng)下慢慢拉出結(jié)晶器，進(jìn)入二冷區(qū)進(jìn)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(guò)拉矯機(jī)矯直，然后經(jīng)火焰切割成要求的長(zhǎng)度，并由輸送輥道送至線材廠或外運(yùn)。

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(guò)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(guò)一次冷卻形成的初生坯殼進(jìn)入扇形輥道所組成的二冷區(qū)，然后進(jìn)入拉矯機(jī)矯直。電爐廠的連鑄機(jī)根據(jù)拉速和鑄坯質(zhì)量的要求，結(jié)合鑄機(jī)冶金長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)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δ是隨著時(shí)間τ的平方根而增加，即δ=K，其中τ=S/V，式中S為結(jié)晶液面到二冷區(qū)某一點(diǎn)的長(zhǎng)度，v為拉速，從而可得：Q∝，由此可得二冷水。

各段的冷卻水量分配為：

Q1、Q2、Q3=：：

Q1、Q、2Q3、分別為第一、二、三段的冷卻水量，s1、 s2、s3分別為結(jié)晶器液面到第一、二、三段冷卻區(qū)中心點(diǎn)的長(zhǎng)度。二冷控制系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要有如下控制量：各流各段水流量大小的調(diào)節(jié)和測(cè)量；二冷出口處鑄坯的表面溫度的測(cè)量；拉矯機(jī)上用于位移增量的測(cè)量；變頻器上的速度測(cè)量，由變頻器直接給出的拉矯機(jī)平均速度；中間包鋼水溫度的測(cè)量。二冷基礎(chǔ)級(jí)的過(guò)程控制部分由PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，由工控機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，兩者之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)相連；在工控機(jī)上，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程控制級(jí)主要用來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程中二冷控制所產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，可方便專業(yè)技術(shù)人員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(duì)于鋼種、斷面已知的澆鑄過(guò)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(jìn)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(méi)考慮鋼水溫度的影響，所以這種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效的鑄坯表面溫度閉環(huán)控制，為此，在對(duì)二次冷卻進(jìn)行建模研究的基礎(chǔ)上給出了一個(gè)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，其中流量控制為副回路，由控制器、電動(dòng)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(gè)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(lái)的鑄坯。拉矯機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)矯直輥位于兩個(gè)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(qiáng)度很小從而避免內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。鑄流的拉矯機(jī)由變頻器控制變速，變頻器的控制信號(hào)、速度給定信號(hào)、速度反饋信號(hào)直接連接到各流PLC上。拉矯機(jī)速度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)有兩種方式：二級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)定、手動(dòng)設(shè)定。二級(jí)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(chǎng)條件所限，二級(jí)系統(tǒng)經(jīng)常不能正常運(yùn)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(guò)熱度自動(dòng)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(jī)的速度是結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)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(gè)干擾量，可通過(guò)前饋補(bǔ)償減弱其對(duì)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(dòng)調(diào)整拉速以保證澆鑄的正常進(jìn)行。

3.連鑄自動(dòng)化的發(fā)展?fàn)顩r

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和連鑄工藝的不斷提高，連鑄的自動(dòng)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(dòng)則采用交流調(diào)速和矢量控制技術(shù)，這種基礎(chǔ)自動(dòng)化是用新的控制策略實(shí)現(xiàn)高級(jí)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(guò)程檢測(cè)和控制自動(dòng)化中， 可 充 分 利DCS或PLC系統(tǒng)連續(xù)PID控制和順序邏輯控制及可進(jìn)行較為復(fù)雜的運(yùn)算等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的方式切換、連鎖、自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(guò)程的控制更加完善。近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些先進(jìn)的連鑄生產(chǎn)國(guó)更進(jìn)一步發(fā)展了管理級(jí)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(yùn)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(dòng)態(tài)控制模型。由于連鑄生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)滿意的控制效果，因此國(guó)內(nèi)外一些控制專家已經(jīng)將諸如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、 H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(gè)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(gè)過(guò)程的優(yōu)化和故障診斷與處理等問(wèn)題。這些檢測(cè)和控制項(xiàng)目充分利用控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的最新技術(shù)和成果，對(duì)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(yùn)行費(fèi)用等方面都具有很重要的意義。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]巫英偉，盧義，索曉娜，王秋旺.板坯連鑄二冷區(qū)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的預(yù)測(cè)方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（01）.