板坯連鑄機(jī)二次冷卻控制技術(shù)應(yīng)用

何道娟

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

在現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)中，連鑄工序承載著將鋼水轉(zhuǎn)變?yōu)榘迮?，為后道熱軋?zhí)峁┖细裨牧希潜ＷC整個(gè)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)物料平衡至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在連鑄工序中，水系統(tǒng)占據(jù)相當(dāng)關(guān)鍵的地位，尤其是對(duì)鑄坯進(jìn)行二次冷卻技術(shù)，對(duì)提高鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量有著十分顯著影響，因此各種先進(jìn)二次冷卻配水方法也在研究并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中[1，2]。首鋼京唐公司板坯連鑄機(jī)二次冷卻控制系統(tǒng)基于先進(jìn)的控制技術(shù)，有效保證鑄坯質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提供多種優(yōu)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(zhì)量

1.1 二次冷卻區(qū)傳熱方式

從連鑄結(jié)晶器出口到扇形段最后一對(duì)夾持輥內(nèi)設(shè)置一個(gè)噴水冷卻區(qū)，叫做二次冷卻區(qū)。據(jù)測(cè)算二次冷卻區(qū)散熱占23%~28%[1]，因此二次冷卻區(qū)占鋼水完全凝固熱量接近四分之一。

鑄坯冷卻的動(dòng)力是鑄坯中心熱量與外界的溫度差造成的。二冷區(qū)鑄坯表面熱量傳導(dǎo)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(fā)傳熱33%；④水滴沿內(nèi)弧表面浸漬而帶走的熱量25%[1]。在設(shè)備和工藝一定條件下，輻射和支撐輥導(dǎo)熱變化不大，噴淋水傳熱占主導(dǎo)地位。因此，提高二冷區(qū)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(gè)復(fù)雜的傳熱過程，可用對(duì)流傳熱方程來表示。

式中，Φ——熱流，h——傳熱系數(shù)，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(duì)傳熱有影響外，其他因素對(duì)鑄坯表面?zhèn)鳠岬挠绊懛从吃趥鳠嵯禂?shù)上。要提高二冷區(qū)冷卻效率和保證板坯質(zhì)量就要提高h(yuǎn)值和在二冷各段A值的合理分布。

1.2 二次冷卻對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

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

因此對(duì)二冷區(qū)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(shí)鑄坯表面溫度應(yīng)大于900℃。

2 板坯連鑄機(jī)二次冷卻系統(tǒng)組成

從結(jié)晶器出口足輥到扇形段上均布置有噴嘴，為達(dá)到均勻冷卻，噴嘴在輥道之間按排布置，為確保適當(dāng)?shù)闹丿B，排與排以一定錯(cuò)位交叉排列，同時(shí)將整個(gè)二次冷卻系統(tǒng)分成24個(gè)回路。結(jié)晶器足輥分為1~2兩個(gè)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(shè)置有寬、窄面，實(shí)現(xiàn)根據(jù)板坯寬度來控制噴淋區(qū)域，以防止出現(xiàn)鑄坯邊角部和窄面出現(xiàn)過度冷卻。每個(gè)二次冷卻水回路設(shè)置一個(gè)電磁流量計(jì)和一臺(tái)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過流量計(jì)檢測(cè)實(shí)際水流量反饋到控制系統(tǒng)，與系統(tǒng)目標(biāo)流量對(duì)比，系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作使實(shí)際水流量達(dá)到目標(biāo)值。實(shí)際澆鋼中，根據(jù)二次冷卻控制技術(shù)，二次冷卻水回路水流量有一個(gè)對(duì)應(yīng)的二次冷卻氣壓力與之匹配，實(shí)現(xiàn)氣霧冷卻效果。

3 二次冷卻水控制技術(shù)

隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，二次冷卻自動(dòng)配水控制技術(shù)的應(yīng)用已越來越廣泛。根據(jù)實(shí)際連鑄機(jī)維修測(cè)試、澆鋼生產(chǎn)等需要，首鋼京唐公司連鑄機(jī)二次冷卻水控制模式分為自學(xué)習(xí)模式、生存時(shí)間模型和凝固模型等三種方式。

3.1 自學(xué)習(xí)模式

自學(xué)習(xí)模式是在連鑄機(jī)維修時(shí)測(cè)試二冷卻自動(dòng)配水的循環(huán)過程，目的用于檢驗(yàn)二冷卻水系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。在二冷水執(zhí)行自學(xué)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)分別執(zhí)行不同的目標(biāo)水流量，當(dāng)實(shí)際水流量達(dá)到目標(biāo)值時(shí)(見圖2)，系統(tǒng)便得到與水流量對(duì)應(yīng)的水壓力值(即參考值)。測(cè)試完所有的目標(biāo)水流量后，系統(tǒng)會(huì)把對(duì)應(yīng)的水壓力值數(shù)據(jù)保存起來，同時(shí)在主控室HMI上顯示。

圖2 二次冷卻水自學(xué)習(xí)過程

當(dāng)鑄機(jī)澆鋼過程中，系統(tǒng)會(huì)不斷檢驗(yàn)每個(gè)二冷水回路的水壓力，如果當(dāng)前水壓力和自學(xué)習(xí)測(cè)試的參考水壓力的差別比較大，主控室HMI上就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，提示操作工二次冷卻水回路有異常?，F(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)幾次連鑄機(jī)二冷水流量正常，但水壓力卻遠(yuǎn)低于參考值，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。雖然水流量正常但水壓力低，因此及時(shí)排查故障，通過檢查發(fā)現(xiàn)二冷水前幾回路有水管開裂漏水，這意味著冷卻水沒有進(jìn)入到噴嘴上，而是漏掉了，對(duì)板坯質(zhì)量及事故發(fā)生有極大威脅，處理完隱患后水壓恢復(fù)正常，避免板坯質(zhì)量事故發(fā)生。

3.2 生存時(shí)間模型

生存時(shí)間模型計(jì)算每一段鑄坯在當(dāng)前二次冷卻噴淋扇形段區(qū)域下鑄坯的生存時(shí)間，再由生存時(shí)間計(jì)算出有效澆鑄速度(拉速)，從而在二次冷卻配水設(shè)置曲線中提取目標(biāo)水流量。當(dāng)拉速發(fā)生變化時(shí)，如鑄機(jī)開澆、中間包快換(飛包)、換水口、執(zhí)行粘結(jié)報(bào)警等，拉速會(huì)發(fā)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(huì)造成已澆鑄的鑄坯產(chǎn)生過冷或冷卻不足，這對(duì)鑄坯質(zhì)量影響很大。因此通過鑄坯的生存時(shí)間來計(jì)算有效拉速，然后根據(jù)有效拉速計(jì)算出新的水量是逐步均勻變化的，符合鑄機(jī)實(shí)際生產(chǎn)需求。

這種模型將扇形段二次冷卻噴淋區(qū)域內(nèi)的鑄坯分割成多個(gè)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(shí)間從在結(jié)晶器中開始計(jì)算，當(dāng)每一段鑄坯移動(dòng)了一個(gè)特定的長(zhǎng)度，到達(dá)新的噴淋區(qū)域內(nèi)，則生存時(shí)間被更新并向前移動(dòng)一個(gè)臺(tái)階，從而被轉(zhuǎn)換成目標(biāo)鑄坯有效拉速。

式中，V1—分割段速度，S—噴淋區(qū)與結(jié)晶器之間的距離，t—分割段生存時(shí)間。

為了給初始扇形段獲得精確的鑄坯分割段速度，模型計(jì)算鑄坯分割段速度和真實(shí)速度的權(quán)衡值。

式中，V1—分割段速度，V2—實(shí)際澆鑄速度，V3—精準(zhǔn)分割段速度(有效拉速)，k—權(quán)衡平均值常數(shù)。

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(shí)際速度。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，通過優(yōu)化k值參數(shù)，就能計(jì)算出來精準(zhǔn)分割段速度(有效拉速)，依據(jù)精準(zhǔn)分割速度從設(shè)置曲線中提取目標(biāo)水流量，從而完成二次冷卻自動(dòng)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?？紤]到鋼種、拉速及澆鑄狀態(tài)，從中間包鋼水溫度開始，計(jì)算結(jié)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(jì)算扇形段中鑄坯的鋼水液芯的位置，再計(jì)算出每個(gè)二次冷卻噴淋區(qū)域的鑄坯表面溫度，并把這些溫度同從二級(jí)下載的溫度曲線相比較(目標(biāo)溫度隨著速度變化而變化)，通過PID功能計(jì)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(shí)間模型。由于凝固模型完全根據(jù)鑄坯拉速、中包鋼水溫度等，計(jì)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(tǒng)穩(wěn)定性措施

在鑄機(jī)實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了保證二次冷卻配水穩(wěn)定可靠執(zhí)行，針對(duì)發(fā)生的各類故障，制定了合理改進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)監(jiān)控二冷水壓力變化情況。同時(shí)取消此總管壓力的澆鑄主要條件報(bào)警，轉(zhuǎn)為澆鑄次要條件報(bào)警，避免總管壓力表堵塞造成鑄機(jī)停機(jī)事故。

（2）將二冷水流量檢測(cè)信號(hào)分別從鑄機(jī)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程柜中，直接移位到PLC室控制柜中。由于PLC室環(huán)境良好，溫度恒定濕度低，避免因環(huán)境不好造成信號(hào)丟失或不準(zhǔn)現(xiàn)象。改造后避免以前因二冷水信號(hào)異常造成鑄機(jī)主要條件丟失而導(dǎo)致鑄機(jī)停機(jī)事故。

（3）二冷水泵停止再啟動(dòng)前，必須關(guān)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(shí)開發(fā)過濾罐自動(dòng)反沖系統(tǒng)，生產(chǎn)期間每小時(shí)反沖洗一次，以保證二冷水供應(yīng)符合要求。

（4）每次鑄機(jī)備機(jī)前操作工必須查前八回路水流量，發(fā)現(xiàn)噴嘴堵塞或水量少的立即安排處理。鑄機(jī)每次檢修前操作工把所有二冷水回路查一遍，利用鑄機(jī)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(shí)間模型或者凝固模型，盡量不用單純的拉速模式，從而實(shí)現(xiàn)二冷水合理配置。

5 結(jié)語(yǔ)

二次冷卻配水對(duì)于鑄機(jī)生產(chǎn)至關(guān)重要，是保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過提高設(shè)備穩(wěn)定性和規(guī)范操作要求，保證二次冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)利用生產(chǎn)時(shí)間模型和凝固模型來實(shí)現(xiàn)二次冷卻的動(dòng)態(tài)配水，大大保證鑄坯質(zhì)量，并產(chǎn)生很大經(jīng)濟(jì)效益。