連鑄二次冷卻基礎(chǔ)自動(dòng)化模擬系統(tǒng)

馬海峰　張濤

摘 要：通過(guò)對(duì)連鑄二冷控制一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化的分析，確定一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化模擬系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，并以Visual Basic6.0為編程環(huán)境，編制了連鑄一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分模擬系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與二冷二級(jí)控制系統(tǒng)之間的通訊，將連鑄生產(chǎn)過(guò)程的模擬數(shù)據(jù)反饋給二冷二級(jí)控制系統(tǒng)，為連鑄二冷二級(jí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試提供了便利條件。從鋼水的凝固過(guò)程為多元系相變出發(fā)，建立連鑄板坯凝固傳熱的二冷控制模型，以此求得鑄坯表面的溫度分布，將此溫度分布作為連鑄坯表面溫度反饋。

關(guān)鍵詞：連鑄；二次冷卻；一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化；模擬系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TF777 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）05-0009-02

我國(guó)使用的板坯連鑄生產(chǎn)線絕大部分是從國(guó)外成套引進(jìn)的，極少購(gòu)買(mǎi)價(jià)格昂貴的核心程序。一些小型鋼鐵企業(yè)只使用一級(jí)PID控制實(shí)現(xiàn)二冷控制，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定性較差。而引進(jìn)板坯連鑄生產(chǎn)線的企業(yè)并沒(méi)有重視對(duì)控制系統(tǒng)的消化吸收，隨著年產(chǎn)量的提高和開(kāi)發(fā)市場(chǎng)需求新鋼種的需要，感到力不從心、困難重重，甚至因系統(tǒng)維護(hù)不及時(shí)造成控制系統(tǒng)某些模塊不能正常工作，只能靠基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的PID控制，嚴(yán)重影響了鑄坯質(zhì)量。從生產(chǎn)能力及開(kāi)發(fā)新鋼種，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)講，控制系統(tǒng)的升級(jí)改造都迫在眉捷。目前國(guó)內(nèi)對(duì)二冷控制的研究主要是對(duì)模型的改進(jìn)、利用智能算法對(duì)二冷配水優(yōu)化或通過(guò)調(diào)整噴嘴的布局來(lái)達(dá)到改善鑄坯質(zhì)量的目的，而對(duì)二冷二級(jí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍未見(jiàn)有關(guān)報(bào)道。

連鑄二冷控制是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其開(kāi)發(fā)過(guò)程也是繁復(fù)的，其調(diào)試也是不可或缺的，但是由于生產(chǎn)過(guò)程的不可中斷性和經(jīng)濟(jì)效益方面的因素，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不可能在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中直接調(diào)試，所以，開(kāi)發(fā)一套可以模擬基礎(chǔ)自動(dòng)化部分模擬系統(tǒng)，是二冷二級(jí)控制系統(tǒng)順利開(kāi)發(fā)的有效保證。

1 連鑄一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化的功能

連鑄一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化接收二級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)送的二冷各段的設(shè)定水量或二冷各段水量控制參數(shù)，依此調(diào)節(jié)噴嘴閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)水量的控制，并將采集到的二冷各段實(shí)際水量、拉坯速度、中包溫度及二冷各段的鑄坯表面溫度反饋到二級(jí)控制系統(tǒng)，二級(jí)控制系統(tǒng)通過(guò)反饋的數(shù)據(jù)計(jì)算出下一時(shí)間段內(nèi)二冷各段的設(shè)定水量或二冷各段水量控制參數(shù)。因此，一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化模擬系統(tǒng)應(yīng)具有相應(yīng)的通訊端口，可以實(shí)現(xiàn)以上的數(shù)據(jù)收發(fā)，為了模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化模擬系統(tǒng)向二級(jí)控制系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)應(yīng)具有一定的波動(dòng)性，由此，開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖1所示。

2 接口及功能實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分與二級(jí)控制系統(tǒng)之間一般通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，因此開(kāi)發(fā)環(huán)境的通訊端口也選擇以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)交換的端口，二冷控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用VisualBasic6.0編制，通過(guò)UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）或TCP協(xié)議（數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議）連接到遠(yuǎn)程的機(jī)器并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

調(diào)試二冷二級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，首先在開(kāi)發(fā)環(huán)境中選擇相應(yīng)的鋼種和冷卻模式，并填寫(xiě)鑄坯寬度、厚度、中包溫度以及拉速和拉速的波動(dòng)方式、范圍，如圖1所示，表示拉速以1 m/min，每隔80 s產(chǎn)生一個(gè)±10%范圍內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)值，作為當(dāng)前拉速，圖1中當(dāng)前的拉速為1.04 m/min。二冷各段的實(shí)際水量，將按照設(shè)定水量在輸入的百分比（圖1中為±10%）范圍內(nèi)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)確定。這些數(shù)據(jù)將作為反饋數(shù)據(jù)傳送到二冷二級(jí)控制系統(tǒng)。反饋數(shù)據(jù)中，鑄坯表面溫度，按照以下方式求解。

3 鑄坯表面溫度的求解

鋼的成分除Fe外，還有C、Si、Mn、P、S等其他元素，鋼水的凝固過(guò)程為多元系相變，，凝固過(guò)程中存在固相區(qū)、糊狀區(qū)和液相區(qū)，板坯凝固傳熱的微分方程為：

將鑄坯沿拉速方向分割成（0～N）個(gè)斷面。假定0斷面在結(jié)晶器彎月面處。各個(gè)斷面都以v=v（t）的拉速沿z軸運(yùn)動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)結(jié)晶器和二冷段各區(qū)域，同時(shí)新的斷面在結(jié)晶器彎月面附近以一定的頻率（與拉速v有關(guān)）產(chǎn)生，出二冷區(qū)后結(jié)束。兩相鄰斷面之間的距離用Δh來(lái)表示，通過(guò)實(shí)際的拉速跟蹤計(jì)算各切片單元所在位置，在相鄰的兩個(gè)斷面之間的單元內(nèi)假設(shè)溫度T只是空間位置的函數(shù)，不隨時(shí)間t而變化。首先，在一個(gè)單元內(nèi)對(duì)傳熱偏微分方程按各個(gè)不同的相區(qū)進(jìn)行空間位置積分，得到的是溫度T關(guān)于時(shí)間導(dǎo)數(shù)的常微分方程組，按追趕法求解此常微分方程組，得到溫度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，由溫度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就可求得鑄坯的表面溫度。

設(shè)固相區(qū)、糊狀區(qū)、液相區(qū)的厚度分別為d1、d2、d3，各個(gè)相區(qū)內(nèi)的溫度分布是厚度方向函數(shù)，其關(guān)系如下，以厚度方向?yàn)閤軸：

4 模型驗(yàn)證

采用以上鑄坯表面溫度求解方法，以1 500×150Q235B為例計(jì)算鑄坯溫度，并與河南某鋼廠控制實(shí)際生產(chǎn)的Alpha機(jī)在相同參數(shù)情況下離線運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。連鑄機(jī)的參數(shù)如下：

該鑄機(jī)為立彎型板坯連鑄機(jī)，平板型結(jié)晶器，鑄機(jī)基本弧形半徑8 m，矯直方式為連續(xù)矯直。

二冷區(qū)共分為8個(gè)冷卻段，其中第8冷卻段的水量不進(jìn)行控制，處于常開(kāi)狀態(tài)，其余七段的長(zhǎng)度分別為：0.5 m、1.08 m、1.7 m、1.9 m、3.81 m、3.84 m和4.66 m。其中1段的寬面和窄面冷卻水量、4～7段內(nèi)外弧冷卻水量按一定的比例分配。2、3段內(nèi)外弧冷卻水量相同。鋼的物性參數(shù)：固態(tài)、糊狀、液態(tài)的比熱容分別為665.31、700.00、743.50 J/（kg·K），密度為7 200 kg/m3；固態(tài)、糊狀、液態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為31.33、41.27、99.00 W/（m·K）；液相溫度為1 528.5 ℃，固相溫度為1 506.9 ℃，澆注溫度為1 553 ℃。澆注速度1.0 m/min，澆注速度波動(dòng)不超過(guò)正常拉速的20%。

運(yùn)行結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

5 結(jié) 語(yǔ)

①表1中，Alpha機(jī)運(yùn)行在離線狀態(tài)下，實(shí)際水量無(wú)波動(dòng)，按設(shè)定水量取值。

②分析了連鑄二冷控制一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分的功能，并以VisualBasic6.0為編程語(yǔ)言，編寫(xiě)了連鑄二冷一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化模擬系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與二級(jí)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊，將鋼種、冷卻模式、鑄坯寬度、厚度、中包溫度、拉速及表面溫度等信息反饋到二級(jí)控制系統(tǒng)。實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)可以作為二冷二級(jí)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分的模擬，便于二級(jí)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

③從鋼水的凝固過(guò)程為多元系相變出發(fā)，建立了連鑄板坯凝固傳熱的二冷傳熱模型，通過(guò)這個(gè)模型求得連鑄坯表面溫度，以此作為一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分向二級(jí)控制系統(tǒng)的表面溫度反饋。

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