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1、二冷动态配水在莱钢板坯连铸中的应用宁伟 1 卢波 1 谢兴军 1 阎炳正 1 刘伟涛 2 白居冰 2 钱亮 2（1. 莱钢银山型钢炼钢厂，莱芜，271104；2.中冶连铸北京冶金技术研究院，北京，100081）摘要：莱钢银山型钢原 2#连铸机采用参数法进行二冷自动配水，在热换中包和水口等操作中，由于拉速变化，水量波动较大，容易造成设备故障和铸坯质量问题。经过对原有铸机进行改造，采用二冷动态配水，解决了在非稳定生产情况下存在的问题，铸坯质量得到了较大提高。本文介绍所采用的动态配水模型。关键词：板坯连铸机，二冷动态配水前言莱钢型钢 2#老连铸机是 2004 年 7 月投产的常规板坯连铸机，铸坯的二
2、次冷却采用参数控制。参数控制的思路是根据浇铸钢种的特性，找出要使铸坯（若干控制点）表面温度符合目标温度时各冷却段水量的控制参数 A、B、C，建立符合 二次方程式的水量控制模型。这里 A、B、C 是储存于智能仪表（PLC ）的参数，V 是拉坯速度，Q 是各回路冷却水量1。在实际应用中，如果拉坯变化不大，这种控制方式可以将铸坯温度控制在目标温度附近，能够保证铸坯内部质量。但这种控制为静态控制，只能适用于拉速相对稳定的情况。在热换中包和水口等过程中，拉速从正常值降到零或低拉速，各个冷却区的水量会同时减小。但是，此时铸坯表面温度还较高，在内部钢水静压力的作用下，铸坯会产生鼓肚变形，导致铸坯内部产生裂纹
3、和偏析；鼓肚变形还会增加拉坯阻力，造成设备故障。为了解决减速过程中的问题，莱钢技术人员在生产实践中摸索出一套工艺参数，采用人工控制，在热换中包过程中逐步降低拉速，逐步降低各个冷却区的水量。这种控制方式人为因素较多，不能很好地控制生产，不能有效地保证铸坯质量。经过两年的生产实践，发现该连铸机不能满足产量和质量的要求，为了提高产量和铸坯质量，2007 年10 月，对老铸机进行了改造，采用了新的二冷动态配水技术。目前，在国外先进的连铸机上，已经采用了“坯龄模型”和表面目标温度控制等方法2。这些方法考虑到连铸过程中铸坯传热凝固的特点，按照铸坯冷却规律调节各个冷却区的水量，避免了参数控制法同时增加或减小
4、各区水量的缺点，能够在非稳定生产情况下控制铸坯的冷却。借鉴前人的经验，作者开发了二冷动态配水软件，其中有两种控制方式，一种是考虑到铸坯冷却历程的坯龄模型，即用有效拉速代替当前实际拉速的配水模型，其优点是考虑了铸坯传热的滞后现象，可以避免因为拉速波动导致的水量剧烈变化，减小铸坯冷却不均匀性。另一种是在坯龄模型基础上，考虑到不同钢种的冶金特点，根据连铸过程中拉速、中包温度、结晶器冷却水量和进出水温差以及二冷水量等工艺数据，进行铸坯温度场实时计算，再根据计算出的铸坯表面温度与目标温度的差值进行二冷水量优化，进一步消除铸坯冷却的不均匀性。本文介绍这两种控制方法及其在莱钢的应用。有效拉速控制方法连铸过程
5、是一个钢水连续充填、连续凝固的过程，如图 1 所示。图 1 连铸示意图钢水在结晶器中冷却形成足够厚度的坯壳，在二冷区对铸坯表面施加喷水或气雾冷却，使铸坯继续凝固。从传热的角度来分析，可以把铸坯的传热和凝固过程分为三个环节：首先，在液固界面（或两相区中）由于液固相变放出凝固潜热；其次，这些热量经过已经凝固的坯壳传导到铸坯表面；最后，经过表面换热被冷却水带走，或辐射到周围环境中。在上述三个环节中，经过坯壳的传导是限制环节，而坯壳的增长与凝固时间的平方根成正比。二冷配水应该符合上述传热规律，即二冷水量应该根据坯壳的凝固时间或“坯龄”来决定。在恒定拉速的生产过程中，铸坯所经历的冷却时间仅仅是拉速的函数
6、；因此，二冷水量可以表达为拉速的函数，这也是二冷参数控制法的理论基础。借鉴上述思想，在拉速变化的连铸过程，各个冷却区的水量由有效拉速来确定，有效拉速根据铸坯的“坯龄”计算得出。定义有效拉速如下：上式中， 是平均速度； 是铸机瞬时拉速； 称之为有效速度，取平均速度与瞬时速度的加权平均， 是权重系数。 的取值符合以下原则：考虑到铸坯传热的滞后现象，在足辊区，坯壳较薄， 取较大的常数（例如 0.8）2；而在铸机的末端，坯壳较厚甚至已经完全凝固， 取较小的常数（例如 0.2） 。平均速度由坯块距弯月面的距离和坯龄计算得出，坯龄由铸坯热跟踪模型确定。铸坯热跟踪模型：如图 2 所示，把整个铸坯沿着拉坯方向
7、分割成足够小的切片(比如 20mm)，称之为坯块，这些坯块组成一个队列，用这个队列的移动来模拟铸坯的运动。图 2 坯龄模型示意图用 C+语言来描述坯块，将与坯块相关的数据封装在一个类中，其中定义了坯块的诞生时间、距弯月面的距离、温度场和坯壳厚度等数据。将连铸过程分为三个阶段，第一个阶段是刚开始浇铸的起始阶段，铸坯从结晶器中不断被拉出，但坯头还没有到达切割位置。第二个阶段是稳定拉坯阶段，钢水不断注入结晶器，而凝固的铸坯不断地被移出铸机。第三个阶段是拉尾坯阶段，此时，铸坯被移出铸机，但不再浇铸钢水到结晶器中。用队列形式的数据结构来管理坯块，模拟铸坯在上述三个阶段中的运动。第一个阶段，坯块不断地从队
8、列的尾部压入队列，队列中的坯块个数不断增加，直到队列中占满了坯块。第二个阶段铸坯的移动可以想象为：在队列的尾部压入坯块，而在队列的头部弹出坯块，队列中的坯块个数保持不变，用循环队列来描述这个过程。在第三个阶段，坯块到达切割位置后，被弹出队列，队列中的坯块个数逐渐减少，直到坯块个数减到零。压入或弹出坯块的速度根据拉坯速度来确定，坯块从压入队列起计算坯龄直到它被弹出队列而消亡。上述模型可以恰当地仿真整个拉坯过程，由于采用了队列管理坯块，即用 C+语言中的指针技术处理数据的移动，计算效率很高。采用坯龄模型控制二冷水量时，拉速不再直接决定水量的大小，而是通过拉速计算出铸坯切片所在位置，依据它的位置和诞
9、生时间供给所需的水量。热换中包过程中的实际拉速和水量变化如图 3 所示，图 3（a）为前三个冷却区内外弧的水量变化曲线，图 3（b）为后三个冷却区内弧的水量变化曲线。从图 3（a）可以看出：1）拉速降低时，前三个冷却区的水量平稳下降；2）换包过程中（大约 3 分钟） ，拉速接近零，水量维持在最小水量；3）换包以后从新开浇，水量不会因为提速而立即增加，而是经过一段时间，等在结晶器中产生的冷铸坯通过以后，前三个冷却区的水量才逐步增加。图 3（b）与（a）具有类似的特征，只是越往后的冷却区，水量变化越滞后于拉速变化。在图 3（b）中，当 5 区和 6 区内弧设定值为最小水量时，控制变得不稳定，水量出
10、现震荡。与以前热换中包相比，铸坯产生鼓肚变形或者产生过冷的倾向明显减小，驱动辊和拉矫机的电机工作电流变化平稳，拉坯更顺利，铸坯内部质量也提高了。 图 3（a）换中包过程中拉速与水量变化图 3（b）换中包过程中拉速与水量变化表面目标温度控制方法因为有足够的精度并且计算效率高，在板坯连铸问题中，普遍针对中心纵截面建立传热和凝固数学模型，采用转换温度和转换热焓方法计算铸坯的温度场。关于温度场计算和边界条件的处理在文献1、2已有详细的论述，本文不再阐述。下文主要介绍水量调节的方法。采用每个冷却区出口的计算温度 Tc 和设定的目标温度 Taim 的差值T 作为控制输入参数，根据 PID 调节原理，可以用
11、下式调节水量 Q:(2) 式中: k，采样序号；，分别是第 和 次采样温度偏差； Kp，比例系数；KI，积分系数；Kd，微分系数。比例项即时对偏差产生控制作用，以减小偏差；积分项用以消除静差，提高系统的无误差度；而微分项根据偏差的变化趋势进行调节，减小调节时间。这些比例系数根据经验或实验确定。但是，倘若系数取值不当，可能造成过调、振荡等不良后果，或者调节速度太慢。为了避免上述问题，人们提出了自适应和模糊等改进的 PID 调节方法3 。这些方法的基本思想是：当每个采样时刻获得系统响应后，根据偏离情况和变化趋势，运用模糊控制的方法，加大或减小调节量，使得偏离向着给定的方向变化，使温度尽快趋向于目标
12、温度。我们也借鉴这个思想，依据调节的变化趋势自动修正调节的比例系数，提高动态配水稳定性和自适应性，满足连铸过程中的复杂调节。那么，如何衡量调节变化趋势？从传热学的角度分析，设定点（每个冷却区出口的）的温度变化是由两部分传热造成的，其一是由于当地的二冷水冷却作用（铸坯表面换热）和垂直于铸坯表面方向上的导热作用；其二是由于铸坯移动造成的，即传热方程中的对流项。对于非稳态传热，当拉速有较大的波动时，比较而言，第二部分的作用可能是主要的。因此，仅仅用两个时刻的温度和目标温度的差值判断水量调节的情况和趋势可能是不够的，还应考虑拉速和调节时间间隔的影响。我们引入斜率参数来描述调节的趋势，定义斜率如下：(3
13、)如图 4 所示，图中 T(z,t-t) 和 T(z,t)为距离弯月面为 z 的目标点处，在 t-t 和 t 时刻的铸坯表面中心温度；T(z,t-t)和T(z,t)为两个时刻计算温度和目标温度的差值；Ve(t-t)和 Ve(t)分别为 t-t 和 t 时刻的有效拉速。这里采用有效拉速而不用瞬时拉速是为了抹平参数的突变。如图所示，t 时刻的斜率比 t-t 的斜率减小了，说明前一次调节使得铸坯温度向着目标温度靠近，趋势是好的。下文分三种不同情况介绍根据斜率参数调节水量的方法。图 4 斜率法原理示意图1） 当 K(t-t）K(t）0 时：如果 K(t）0，说明表面温度已经达到了目标温度，不用调节；如
14、果 K(t-t ）0，而 K(t）0，需要调节，因为是出现偏差后首次水量调节，还没有前一次的斜率值（K(t-t）0）作为参考依据，只能根据目前的温度偏差，同时考虑冷却区的喷水能力，按照模糊控制原则分等级设置初始的调节水量。2）当 K(t-t）K(t ）0 时：说明调节的方向没有改变，这时根据偏差的大小，按照自适应原则：在前一次调节Q(t-t ）的基础上进行适当的修正，Q(t）= Q(t-t）K(t ）/K(t-t） ，再继续调节。如果|K(t）|K(t-t）| ，说明前一次调节使得铸坯表面温度向着目标温度靠近，趋势是好的，此时调节系数是一个小于 1 的值，本次的水量调节量小于前一次。相反，则说
15、明前一次的调节没能使铸坯表面温度向着目标温度靠近，此时调节系数是一个大于 1 的值，这时需要加强调节。采用这种策略可以加快调节，并能防止过调。3）当 K(t-t）K(t ）0 时：说明需要改变调节方向，按照 t-t 和 t 时刻的斜率 K(t）和K(t-t）,预估恰好能够达到目标的修正系数 K=|K(t）|/(|K(t）|+|K(t- t）|),修正调节水量：Q(t）=Q(t-t ）K 。采用生产现场数据，利用上述调节方法进行了离线模拟，表面温度与目标值误差可以控制在 20 度左右，能够有效地控制铸坯冷却。与有效拉速控制方法比较，第二种方法要求二冷水流密度与热交换系数的关系必须正确，铸机状态良
16、好，才能可靠地控制铸坯冷却。目前，在莱钢生产的初期按照第一种方法进行控制。使用效果2#机改造前拉速保持在 1.25-1.31m/min，日均产量在 4800t 左右。提效改造后，铸坯断面由160mm 改为 175mm，拉速目前稳定在 1.35-1.40m/min，日均产量在 5500t 左右，比改造前提高 700t 左右。改造后，铸坯内部质量有很大好转，未发现有裂纹及明显的中心偏析，铸坯质量合格率在 99.8%以上。在莱钢的生产实践证明二冷动态配水有以下的优点：1）应用二冷动态配水以后，拉速剧烈变化时水量平稳变化，保证铸坯表面温度的稳定。尤其在拉速突然降低时，不会出现水量突降，避免生产事故，保证生产顺行。2）以前，莱钢在拉速变化过程中需要采用手动配水，生产过多地依赖操作人员。在应用动态配水后，拉速变化过程中的水量由程序自动控制，避免了无人操作或者人工操作出错的可能。
