寶鋼連鑄二冷輕壓下模型自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

鄧 龍,郭亮亮,梅 峰

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

連鑄二冷壓下技術(shù)的發(fā)展有兩個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因素,一個(gè)是產(chǎn)品高質(zhì)量要求,一個(gè)是生產(chǎn)高效率要求。這兩方面直接影響生產(chǎn)工藝、連鑄設(shè)備以及控制策略的變化。比如,為了滿足產(chǎn)品表面質(zhì)量控制的個(gè)性化要求,二冷水在幅切、噴嘴以及工藝配置上都會(huì)趨于更加靈活;為了滿足提高連連鑄爐數(shù)、提高收得率的高效生產(chǎn)需求,就必須強(qiáng)化異常和非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)處理能力。正是因?yàn)檫@些變化,連鑄二冷和輕壓下模型逐漸從相對(duì)穩(wěn)定的控制模式,向更靈活的柔性控制模式轉(zhuǎn)變,這對(duì)模型系統(tǒng)的精度、可靠性、拓展性等都提出了很高的要求。

寶鋼在連鑄工序積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及深刻的模型控制認(rèn)知[1-4],為了確保2CC技改項(xiàng)目的順利實(shí)施,并進(jìn)一步推動(dòng)模型的優(yōu)化和創(chuàng)新,自主開發(fā)了新一代二冷輕壓下模型自動(dòng)控制系統(tǒng),在線應(yīng)用取得較好的控制效果。文章從模型原理、自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)、軟件構(gòu)架及功能等幾個(gè)方面,對(duì)二冷輕壓下模型自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了說明。

1 模型原理

二冷水控制是連鑄坯質(zhì)量控制的重要工藝參數(shù)之一,它和連鑄坯裂紋等缺陷的形成有緊密的關(guān)系;輕壓下技術(shù)是在二冷技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來,是在鑄坯完全凝固前通過實(shí)施適當(dāng)?shù)膲合铝?來改善鑄坯內(nèi)部的偏析和疏松[4-6]。

二冷水控制原理如圖1所示。

圖1 二冷水控制原理

二冷水控制分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制兩大類。靜態(tài)控制是開環(huán)控制方式,一般根據(jù)實(shí)際拉速或模型計(jì)算拉速,利用靜態(tài)水表直接計(jì)算二冷控制區(qū)的水量,進(jìn)行水量設(shè)定。動(dòng)態(tài)控制是閉環(huán)控制方式,根據(jù)反饋對(duì)象的不同,有多種不同的動(dòng)態(tài)控制模式,最常見的是鑄坯表面溫度反饋控制;除此之外,基于坯殼厚度反饋控制、基于鑄坯表面溫度下降梯度反饋控制的模式也有相關(guān)研究,但是在國內(nèi)還沒有成熟運(yùn)用案例。在進(jìn)行二冷水動(dòng)態(tài)控制時(shí),鑄坯表面溫度、坯殼厚度等在線檢測(cè)技術(shù)還不成熟,在線檢測(cè)值難以直接運(yùn)用到反饋控制之中去,現(xiàn)在一般都采用鑄坯凝固傳熱模型[2]作為軟測(cè)量方法,參與反饋控制。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),為了保證控制過程的穩(wěn)定性和控制精度,也可以將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制結(jié)合起來使用。

如圖2所示,輕壓下技術(shù)是在鑄坯跟蹤基礎(chǔ)上,計(jì)算鑄坯凝固終點(diǎn),結(jié)合工藝給出壓下區(qū)間、壓下總量、壓下速率等參考值,實(shí)現(xiàn)可壓下扇形段的選擇以及對(duì)應(yīng)的壓下量分配控制。按照控制方式的不同,可分為靜態(tài)輕壓下(Static Soft Reduction)和動(dòng)態(tài)輕壓下(Dynamic Soft Reduction)。靜態(tài)輕壓下是在澆注前設(shè)置好固定的可壓下扇形段以及對(duì)應(yīng)壓下量,并在澆注過程中保持不變,靜態(tài)輕壓下對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的要求很高、對(duì)連澆爐數(shù)的限制很大;動(dòng)態(tài)輕壓下是根據(jù)鑄坯實(shí)際凝固狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整輕壓下的控制參數(shù),壓下位置是變化的,在動(dòng)態(tài)輕壓下控制方式下,允許工藝參數(shù)存在適當(dāng)波動(dòng),允許中間更換中間包、甚至允許異鋼種連續(xù)澆鑄,有利于合理安排生產(chǎn),充分釋放設(shè)備產(chǎn)能。輕壓下技術(shù),鑄坯凝固終點(diǎn)的確定非常關(guān)鍵,可以通過壓下力、鑄坯低倍偏析實(shí)績對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正,以提高模型計(jì)算精度。

圖2 輕壓下示意圖

2 自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)

在鋼鐵生產(chǎn)少人化、集控化、一鍵化等大背景下,現(xiàn)場生產(chǎn)對(duì)模型系統(tǒng)全自動(dòng)化控制要求越來越高,模型控制系統(tǒng)逐漸從附加項(xiàng)變?yōu)楸剡x項(xiàng)。要實(shí)現(xiàn)模型全自動(dòng)控制,除了對(duì)模型機(jī)理及其適用邊界的充分理解外,還要結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)操作以及控制的特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)的集成。下面針對(duì)連鑄過程對(duì)產(chǎn)品拓展及個(gè)性化控制、澆注異常,以及全流程自動(dòng)控制等方面的需求,就二冷輕壓下模型自動(dòng)控制的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明。

2.1 產(chǎn)品層別劃分技術(shù)

合理的產(chǎn)品層別劃分應(yīng)該涵蓋所有產(chǎn)品類別,是連鑄生產(chǎn)控制的基礎(chǔ)。在進(jìn)行產(chǎn)品層別劃分時(shí),模型控制需要考慮以下幾個(gè)方面的使用:產(chǎn)品物性參數(shù)、工藝控制參數(shù)以及模型調(diào)整參數(shù)等。產(chǎn)品物性參數(shù)包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱焓、固液相線溫度等信息,工藝控制參數(shù)包括產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)二冷水、輕壓下的制造標(biāo)準(zhǔn),模型調(diào)整參數(shù)包括模型運(yùn)算和控制優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

在進(jìn)行產(chǎn)品層別劃分時(shí),需要兼顧參數(shù)維護(hù)、控制精度以及控制穩(wěn)定性的要求,同時(shí)還應(yīng)該具有可擴(kuò)展性,便于將來可能進(jìn)行的鋼種擴(kuò)展。以產(chǎn)品物性參數(shù)層別劃分為例,采用JmatPro、DynaPhase等鋼鐵材料計(jì)算軟件,計(jì)算不同C含量下的鋼坯固相線、液相線溫度分布,如圖3所示。隨著碳含量的增加,鋼坯固相線、液相線溫度呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)?？梢奀含量對(duì)產(chǎn)品物性參數(shù)影響顯著,因此,可以按照C含量對(duì)產(chǎn)品物性參數(shù)層別進(jìn)行劃分,然后再根據(jù)合金含量進(jìn)一步細(xì)分,形成碳—合金兩個(gè)維度的產(chǎn)品物性參數(shù)層別劃分方式,這樣既有利于維護(hù),也方便拓展。

圖3 C含量和固液相線溫度的關(guān)系

2.2 產(chǎn)品個(gè)性化控制技術(shù)

二冷輕壓下控制是工藝、裝備、模型緊密融合的綜合性控制技術(shù),產(chǎn)品的個(gè)性需求、設(shè)備狀態(tài)的變化對(duì)實(shí)際控制效果影響很大。模型系統(tǒng)要保證控制效果、提高適用性,需要開放調(diào)節(jié)手段,以滿足不同產(chǎn)品的差異化控制需求。

二冷水控制有靜態(tài)水表控制、表面溫度控制、坯殼厚度控制、主從控制等多種模式,根據(jù)設(shè)備實(shí)際狀態(tài),允許不同二冷水控制區(qū)采用不同的控制策略進(jìn)行多種策略的組合控制。舉個(gè)簡單的例子,根據(jù)實(shí)際冷卻效果以及設(shè)備控制特性,冷卻區(qū)的內(nèi)外弧、中邊部等不同冷卻回路可以采用主從控制方式,足輥區(qū)域可以選擇靜態(tài)水表控制,而彎曲矯直段則可以采用鑄坯表面溫度控制等。同樣,輕壓下控制也需要根據(jù)產(chǎn)品跟蹤計(jì)算得到的凝固狀態(tài),進(jìn)行輕壓下位置、輕壓下量的動(dòng)態(tài)修正,以滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制需求。當(dāng)然,新的控制策略也需要新的模型技術(shù)的支撐,當(dāng)鑄坯寬度方向噴嘴阻塞或水流密度不一致時(shí),要精確計(jì)算鑄坯凝固終點(diǎn),就需要三維溫度計(jì)算模型的支撐。

總之,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際控制效果,不斷總結(jié)、優(yōu)化最合理的控制參數(shù)和控制策略,配置成一個(gè)具體的控制方案,由模型系統(tǒng)自動(dòng)檢索,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品個(gè)性化的配置控制。

2.3 全流程控制技術(shù)

全流程以及非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)處理能力是自動(dòng)控制的重要組成部分,對(duì)于二冷輕壓下控制而言,全流程控制包括了如下兩個(gè)方面:①準(zhǔn)備、插入、保持、鑄造、引拔等連鑄生產(chǎn)所涵蓋的所有生產(chǎn)模式;②連連鑄、中間包更換、滯坯、漏鋼降速等連鑄特殊場景。

要在保證生產(chǎn)穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)二冷輕壓下模型全流程自動(dòng)控制難度很大,可以說,每一個(gè)生產(chǎn)模式、每一個(gè)特殊場景都是一個(gè)具體的模型。要實(shí)現(xiàn)模型控制,首先是能夠準(zhǔn)確識(shí)別生產(chǎn)過程,其次才是差異化控制。通過對(duì)生產(chǎn)模式、特殊場景的抽象以及對(duì)應(yīng)控制邏輯的梳理,提供一個(gè)開放的框架,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程和工藝需求、控制參數(shù)之間的自由映射,為模型全自動(dòng)控制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。圖4為連鑄不同生產(chǎn)場景下進(jìn)行差異化控制工藝配置的示意圖。

圖4 場景控制配置

3 軟件構(gòu)架及功能

連鑄工序過程控制主要包括L1和L2系統(tǒng),過程控制層面的智能化有兩個(gè)維度,一種是基于智能算法、專家系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用,主要應(yīng)用于過程決策、分析和診斷;一種是基于數(shù)學(xué)模型和專家知識(shí)的物理過程控制,主要應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制。這兩個(gè)維度都有一個(gè)趨勢(shì),就是進(jìn)一步融合L1和L2系統(tǒng),挖掘L1和L2系統(tǒng)之間的互補(bǔ)性價(jià)值作為傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的有益拓展。新一代的連鑄動(dòng)態(tài)二冷及動(dòng)態(tài)輕壓下模型自動(dòng)控制系統(tǒng),要解決二冷輕壓下的全自動(dòng)控制問題,和L1系統(tǒng)結(jié)合更加密切。為了保證控制的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性,二冷輕壓下模型控制系統(tǒng)直接和L1系統(tǒng)進(jìn)行交互,和現(xiàn)有系統(tǒng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 二冷輕壓下模型系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的交互關(guān)系

模型系統(tǒng)采用C/S構(gòu)架實(shí)現(xiàn)。服務(wù)端的所有服務(wù)采用了基于ICE的封裝,具有跨平臺(tái)特性,能夠較方便地實(shí)現(xiàn)服務(wù)和服務(wù)以及服務(wù)和應(yīng)用之間的交互,并實(shí)現(xiàn)服務(wù)進(jìn)程的調(diào)度和管理。

服務(wù)端的所有服務(wù)包括:①模型服務(wù),負(fù)責(zé)鑄坯跟蹤、溫度及凝固計(jì)算、動(dòng)態(tài)二冷水設(shè)定、動(dòng)態(tài)輕壓下設(shè)定、鑄坯裂紋預(yù)測(cè)等運(yùn)算模塊,是二冷輕壓下模型系統(tǒng)的核心功能。②靜態(tài)水表設(shè)計(jì)服務(wù),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品不同目標(biāo)表面溫度下的個(gè)性化水表優(yōu)化設(shè)計(jì)。③通訊服務(wù),負(fù)責(zé)模型系統(tǒng)和流儀表、流電氣、平臺(tái)公用等PLC之間的數(shù)據(jù)交互,具體包括讀取L1過程數(shù)據(jù)以及制造標(biāo)準(zhǔn)信息,寫入模型設(shè)定信息以及模型過程信息。④靜態(tài)水表維護(hù)服務(wù),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)L1控制所需靜態(tài)水表的維護(hù)功能。⑤數(shù)據(jù)庫服務(wù),負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫保存。

模型系統(tǒng)客戶端主要畫面如圖6、7所示。

圖6 鑄坯3D溫度跟蹤

圖7 動(dòng)態(tài)輕壓下控制

4 結(jié)語

寶鋼股份2CC二冷輕壓下模型自動(dòng)控制系統(tǒng),是在寶鋼早期開發(fā)的模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場豐富的生產(chǎn)知識(shí),自主研發(fā)的新一代智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)更多考慮了工藝優(yōu)化、產(chǎn)品拓展、全流程控制等方面的需求,采用數(shù)字建模,實(shí)現(xiàn)控制工藝、控制策略的配置式生產(chǎn),擴(kuò)展性強(qiáng),便于生產(chǎn)控制的持續(xù)優(yōu)化和全自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn),也為高拉速控制以及產(chǎn)品拓展提供了模型基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)現(xiàn)已穩(wěn)定上線運(yùn)行,并在2CC成功拓展了中碳鋼、管線鋼等新產(chǎn)品的生產(chǎn)能力,試制產(chǎn)品的鑄坯表面裂紋、中心偏析等質(zhì)量缺陷均滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制要求,這為連鑄工序產(chǎn)品交叉生產(chǎn)提供了可行方案。