連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)

寶山鋼鐵股份有限公司

一、企業(yè)及項(xiàng)目概況

連鑄生產(chǎn)過程中，隨著鋼包 澆注的進(jìn)行，鋼包內(nèi)部的鋼水液面會逐漸下降，同時(shí)會產(chǎn)生流動(dòng)。在澆注的中后期，鋼水在鋼包內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在出鋼口上方附近形成漩渦，漂浮在鋼水上面的鋼渣被漩渦的吸附力卷下，混著鋼水經(jīng)長水口流入中間包，形成下渣。過量的鋼渣不僅會降低鋼水的潔凈度，影響鑄坯質(zhì)量，甚至導(dǎo)致拉漏事故；而且會加速中間包耐火材料的腐蝕，縮短其使用壽命，增加中間包渣殼重量，影響連鑄生產(chǎn)的進(jìn)行。

為了減少從鋼包中流出過量鋼渣所產(chǎn)生的不良影響，現(xiàn)有連鑄生產(chǎn)線采用人工或自動(dòng)下渣檢測手段來判斷鋼渣的出現(xiàn)，當(dāng)檢測到鋼渣超過工藝規(guī)定值時(shí)，及時(shí)關(guān)閉滑動(dòng)水口，結(jié)束澆注。這樣雖然防止了鋼渣的流出，保證了鋼水的質(zhì)量，但由于漩渦吸附卷渣的存在，所以在鋼包下渣時(shí)，包內(nèi)還留有大量的純凈鋼水。通過長期對連鑄生產(chǎn)線大包終澆后鋼包翻渣量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在鋼包澆注結(jié)束時(shí)，150噸的鋼包平均剩余的鑄余渣（鋼水+鋼渣）為4噸以上，其中純凈鋼水2噸以上；300噸的鋼包平均鑄余渣為6噸，其中純凈鋼水3噸以上。這些鋼水一般全當(dāng)鋼渣處理，造成資源的很大浪費(fèi)。

針對目前連鑄鋼包澆注過程中存在的不足，寶鋼股份研究院智能制造所提出了對連鑄鋼包殘留鋼水實(shí)施優(yōu)化控制的思想，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，成功研制出“連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制技術(shù)”。該技術(shù)研究了鋼包澆注末期漩渦吸附卷渣的形成機(jī)理，通過實(shí)時(shí)檢測和在線辨識澆注過程中包內(nèi)鋼水流場的動(dòng)態(tài)分布，識別漩渦的形成情況，并通過智能優(yōu)化控制策略進(jìn)行控制，抑制和破壞漩渦的形成，使鋼渣留在包中而使鋼水流出，從而減少殘鋼量，提高鋼水收得率。

二、項(xiàng)目主要實(shí)施內(nèi)容

（一）技術(shù)原理

根據(jù)流體力學(xué)原理可知，容器通過小孔向外排流過程中，四周的液體會向小孔方向匯流，隨著液面的降低，當(dāng)容器中液體快流完而液面降到臨界高度時(shí)，原本向流出口中心線匯流而出的流體質(zhì)點(diǎn)會疊加切向速度（角速度），使其流動(dòng)軌跡越來越偏離徑向而逐漸演變成圍繞中心線的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，從而在流出口上方就會形成漩渦，漩渦的形狀呈倒錐體，具有很強(qiáng)的吸附力。漩渦是普遍存在的一種自然現(xiàn)象，這種由于液體匯流到流出孔中心線而形成的漩渦，也稱為匯流漩渦。

在連鑄鋼包澆注過程中具有同樣的現(xiàn)象，鋼水從鋼包流入中間包的過程中，隨著澆注的進(jìn)行，鋼包內(nèi)部的鋼水液面會逐漸下降，同時(shí)會產(chǎn)生流動(dòng)，在澆注的中后期，鋼水在鋼包內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在出鋼口上方形成漩渦。鋼水產(chǎn)生漩渦后，由于離心力的作用，使中心渦不斷增大。因鋼渣是由鋼水帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，鋼渣的粘度大，所以旋轉(zhuǎn)速度比鋼水低很多，產(chǎn)生的離心力就小，會匯聚在漩渦中心附近，在漩渦的吸附作用卷下，混著鋼水經(jīng)長水口流入中間包，形成下渣。由于連鑄鋼包存在漩渦吸附卷渣的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在澆注結(jié)束時(shí)鋼包內(nèi)留有大量純凈鋼水。

連鑄鋼包澆注過程中的下渣情況極其復(fù)雜，尤其是鋼包內(nèi)漩渦的形成和流場形態(tài)。在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，該技術(shù)總結(jié)了與包內(nèi)漩渦和流場形態(tài)密切相關(guān)的各種關(guān)鍵因素，利用鋼包內(nèi)漩渦形成機(jī)理，在鋼包澆注全過程中，提取生產(chǎn)過程特征數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)檢測和計(jì)算包內(nèi)鋼水流場分布，識別漩渦的形成情況，根據(jù)鋼水和鋼渣不同的形態(tài)，選擇對應(yīng)的優(yōu)化策略加以控制。針對漩渦的形成過程，主要分兩個(gè)階段來進(jìn)行控制：

第一個(gè)階段是在出鋼口上方剛生成表面凹渦開始到形成貫通漩渦這段時(shí)間。該階段采用抑制漩渦形成的控制方法，即延遲貫通漩渦的形成，這樣就延遲了下渣的發(fā)生，減少了鋼包內(nèi)的殘留鋼水。

第二個(gè)階段是在貫通漩渦形成之后，即檢測到下渣后。該階段采用破壞漩渦的控制方法，打散或移位已經(jīng)形成的貫通漩渦并減弱漩渦的吸附力，避免卷渣的發(fā)生，使鋼渣留在包中，而使鋼水流出。

通過以上兩個(gè)階段的優(yōu)化控制，可以有效減少鋼包澆注結(jié)束后的殘鋼量，實(shí)現(xiàn)提高鋼水收得率的目標(biāo)。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

1.鋼包內(nèi)鋼水流場檢測識別技術(shù)

連鑄鋼包澆注過程中，下渣情況與包內(nèi)鋼水的流動(dòng)形態(tài)和流場分布關(guān)系密切。該技術(shù)能在鋼包澆注末期，對包內(nèi)的鋼水流場分布情況進(jìn)行檢測識別，有效進(jìn)行澆鋼優(yōu)化策略選擇和控制。

2.滑動(dòng)水口開度在線測量技術(shù)

由于高溫影響，鋼包滑動(dòng)水口油缸位置傳感器極易損壞，水口開度無法測量。該技術(shù)利用鋼包內(nèi)鋼水重量變化梯度和速率、鋼水靜壓力及鋼水粘度等信息，通過模型實(shí)時(shí)測量得到滑動(dòng)水口開度大小，保證了優(yōu)化控制的精度和效果。

3.連鑄鋼包澆注特性識別技術(shù)

針對不同爐次鋼包澆注時(shí)的鋼水成分不同、鋼包的腐蝕程度不同、滑動(dòng)水口機(jī)械特性的差異等多種復(fù)雜因素，識別出當(dāng)前的澆注特性，選擇相應(yīng)的控制方法和策略，從而保證最佳的優(yōu)化控制效果。

4.抑制漩渦卷渣優(yōu)化控制技術(shù)

鋼包澆注末期的下渣主要由于漩渦吸附卷渣引起，該技術(shù)利用包內(nèi)鋼水流場分布情況及漩渦卷渣機(jī)理，通過優(yōu)化控制策略，抑制和破壞漩渦形成，推遲下渣發(fā)生，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在不出渣的情況下使鋼水流出，減少鋼包殘留鋼，提高鋼水收得率。

（三）系統(tǒng)組成

連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套獨(dú)立的測量與控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理裝置、中央控制柜、遠(yuǎn)程控制面板、報(bào)警指示燈，以及系統(tǒng)控制軟件組成（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

該系統(tǒng)具有的功能和特點(diǎn)：獨(dú)立的控制設(shè)備，與原有產(chǎn)線物理電氣隔離，無擾切換，安全穩(wěn)定；智能識別現(xiàn)場工藝狀態(tài)，人工無需干預(yù)，全自動(dòng)運(yùn)行，維護(hù)使用方便；多個(gè)級別優(yōu)化控制策略，滿足不同鋼種要求；手動(dòng)/自動(dòng)功能切換，適應(yīng)現(xiàn)場突發(fā)情況，安全可靠；歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢，重現(xiàn)澆鋼歷史過程；中間包液位精準(zhǔn)控制，利于夾雜物上浮、提升鋼水質(zhì)量；滑動(dòng)水口動(dòng)作頻率優(yōu)化，降低故障及損耗；有效減少鋼包內(nèi)殘留鋼水，提高鋼水收得率。

三、實(shí)施成效

（一）效益體現(xiàn)

本技術(shù)的使用能有效降低鋼包殘留鋼水，獲得經(jīng)濟(jì)效益。在鋼包澆注結(jié)束后，包中還留有殘留鋼（在工藝上被稱為鑄余渣，由鋼水和渣組成），這些鑄余渣會被倒入渣罐，然后進(jìn)入鋼渣回收流程處理，最后回收渣鋼到轉(zhuǎn)爐冶煉。

該技術(shù)的作用是在保證不下渣的情況下，能使鋼包澆注結(jié)束后，包中的鑄余渣量減少，使得原本要進(jìn)入鋼渣回收流程的一部分鋼水，直接進(jìn)入連鑄機(jī)變成了鑄坯。所以，該技術(shù)創(chuàng)造的價(jià)值就是這部分鋼水的價(jià)值減去回收的渣鋼的價(jià)值。按照普通碳鋼的成本每噸3500元、渣鋼成本每噸1350元計(jì)算，多優(yōu)化1噸鋼水的價(jià)值是2150元。這其中沒有考慮回收渣鋼時(shí)需要的能源消耗以及渣鋼的回收率。

（二)創(chuàng)新點(diǎn)

1.連鑄澆鋼優(yōu)化控制技術(shù)是針對目前連鑄澆鋼過程中的不足而開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)鋼包殘留鋼水的優(yōu)化控制。該技術(shù)屬于首發(fā)技術(shù)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）首次提出了鋼包澆注末期抑制卷渣優(yōu)化控制方法并開發(fā)出成套裝備；

（2）無需位置傳感器的鋼包滑動(dòng)水口開度在線測量技術(shù)；

（3）鋼包內(nèi)鋼水流場形態(tài)檢測識別技術(shù)；

（4）有效減少鋼包內(nèi)殘留鋼水，提高鋼水澆注收得率；

（5）經(jīng)濟(jì)效益顯著，投資回報(bào)率高。

2.相關(guān)技術(shù)已成功申請發(fā)明專利8項(xiàng)（國外專利2項(xiàng)）：

（1）201910575881.2 一種提升連鑄鋼包滑動(dòng)水口使用壽命的方法及裝置；

（2）201910636570.2 一種連鑄中間包渣量的測量方法和裝置；

（3）201910452529.X 一種連鑄鋼包下渣量的測量方法和裝置；

（4）201610942959.6 連鑄鋼包澆注末期抑制卷渣控制方法和裝置；

（5）201410283613.0 連鑄鋼包澆注時(shí)鋼水流場分布的測量方法及裝置；

（6）201410155129.X 一種連鑄鋼包滑動(dòng)水口開度在線測量裝置及其測量方法；

（7）PCT/CN2017/106043 一種連鑄鋼包抑制卷渣的控制方法和裝置（國際專利）；

（8）PCT/CN2012/001660 一種連鑄澆鋼控制方法和裝置（國際專利）。

四、實(shí)施經(jīng)驗(yàn)

連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套獨(dú)立的測控系統(tǒng)，與原有連鑄生產(chǎn)工藝流程十分契合，并且在不改變原有連鑄操作流程的情況下，能有效降低鋼包中的殘留鋼，使這部分鋼水直接通過鑄機(jī)澆注成鑄坯，直接提高鋼水收得率，也間接提高了連鑄過程的生產(chǎn)效率和鋼包的使用效率，該技術(shù)的降本效益顯著。我國連鑄坯年產(chǎn)量大、連鑄機(jī)數(shù)量多，該技術(shù)適合目前所有連鑄機(jī)的應(yīng)用，推廣應(yīng)用前景廣闊。按照0.5%的收得率計(jì)算，每年可優(yōu)化的鋼水量非?？捎^，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。