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1、连铸机二冷水自动控制系统文均、刘卫标、李会祥、粟小琴昆钢重装集团维检中心摘要：炼钢厂3#、4#连铸机二冷水系统的升级改造，通过增加二冷水自动控制功能、采用PID控制调节阀，实现了对水量的精确控制，获得铸坯最佳冷却效果，满足了生产工艺需要，降低了漏钢率，提高了铸坯外形质量。关键词： 二冷水、拉速、配水模型、PID调节1 引言炼钢厂3#、4#连铸机建于2003年，机型为三机三流全弧形二点矫直小方坯连铸机。从浇注到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却是由结晶器来完成，这个阶段的目的是使钢水在结晶器内冷却形成坯壳，然后钢坯进入二冷区，二次冷却水在整个连铸生产阶段是非常重要的，它的冷却
2、效果直接影响着钢坯的质量。由于原来二冷水流量固定不可调节，没有跟随拉速变化，近年来随着股份公司品种钢的开发，在生产优钢过程中，由于二次冷却控制不当，出现了一些铸坯缺陷：如内部裂纹、铸坯菱变（脱方）、铸坯鼓肚、表面裂纹。原有的二冷水流量固定配水方式已不能满足工艺需要，达不到最佳的冷却效果，严重影响了钢坯的质量。鉴于这一原因，必须采用二冷水动态调节，获得最佳冷却效果。2 二冷水的工艺简介及控制思路连铸机在生产过程中，钢水从中间包到结晶器（一冷）冻结成型，在引锭杆的牵引下钢坯进入二冷环节的冷却，然后到拉矫机，经火切机切割后输出钢坯。整个工艺品过程钢水从1500度的液态变成700度方钢坯。对于高效连铸
3、而言，二冷水的配置是否合理，是钢坯生产较为关键的因素，直接关系到铸坯质量的优劣，合理的冷却制度是杜绝铸坯内部裂纹的关键工艺要素。良好的二冷模式应具有以下特点：有助于铸坯内部质量乃至表面质量的提高；能延长二次冷却区设备的使用寿命；用水量少；满足生产效率的要求。二冷水的控制方式根据现场实际工艺要求（包括钢种、规格、质量等要求），理论上确定沿浇铸方向预测凝固厚度梯度和温度分布变化，用拉速来控制冷却水的流量。控制过程如下图：炼钢厂3#、4#连铸机改造后二次冷却水分三段进行水量的比例配水控制，即足辊段、段、段。三段均为水雾冷却且依据内外弧和两侧边分别配水，水量随拉速的变化是不间断均匀变化的。每一个冷却段
4、使用一个流量计和一个调节阀，在调节阀后分管直至分水器，通过分水器再分成内外弧和左右两侧喷淋管。3 二冷水控制数学模型的实现二冷水动态模型控制是指在任一浇注条件下，使冷却水量跟随拉速连续变化，且沿拉速方向按最佳状态分布，以控制铸坯表面温度符合设定的目标温度，从而获得良好的铸坯质量。3.1 配水模型基本公式运用拉速相关控制法，也称水表法、比水量法或比例控制法，属于一级控制。即以拉速为控制参数，根据拉速V的大小来决定冷却水量Qi的大小。通常采用以下公式计算冷却水量：Qi=Ai*V2+Bi*V+Ci (1)式中：Q冷却水量，m3； V拉速，m/min； A、B、C是由钢种和铸坯断面尺寸等各项因素所确定
5、的系数； i冷却段序号，i=1、2、3；3.2 控制原理在中包钢水温度相对稳定的条件下，采用闭环控制方式。该控制是使二冷区各段水量随拉速的变化而变化。是对不同钢种、不同断面尺寸的铸坯，在不同的拉速下进行模型运算，从而得到不同拉速下二冷区各段的配水量，经回归得到相应的水量与钢坯拉速的关系，如式（1）。该控制系统根据这一关系，实现二冷区各段对铸坯冷却的最佳配水。系统的原理框图如图1所示。铸坯表面温度+SP-PV-图1拉速流量调节器流量调节对象温度调节对象流量变送器数学模型4 自动化控制系统组成及功能实现4.1 二冷水自动控制系统的硬软件配置炼钢厂4#连铸机整个生产工艺的自动控制系统的硬件采用GE公
6、司的9030 PLC。软件使用SIMATIC人机界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro编程软件。Wincc监控界面与PLC之间通过GE OPC Server进行标准化的数据交换，PLC站与站之间、PLC站与上位机之间通讯使用以太网网络来进行数据交换，如图2。人机终端界面HMI有写入修改参数，读出需要数据功能，并做有报警程序，当水量低、水温温差大的情况下发出声光报警，提醒当班人员查看设备，了解生产状态，排查隐患，提高设备安全长周期运行率。该铸机共有三个流，每流有1套反冲洗装置、1台快切阀、1只电子压力表；每段上有1只电子流量计和1台气动比例阀。在原有连铸机的PLC系统扩展机架中加入
7、数据采集模块，并在PLC中对其进行组态，分配好相应的I/O地址。现场采集的数据包括二冷水系统的水流量、水压、调节阀位反馈、振动装置的振动频率与拉矫机拉速反馈，结晶器水流量及温度等。为了防止信号干扰，在采集流量、压力、温度的信号回路中间加装有无源信号隔离器，如图3。图2无源信号隔离器图34.2 二冷水水量计算及修正根据配水模型基本公式（1），综合相关经验数据，取用下列数据模型（以足辊为例）：Q1JS=1.138*V2+3.491*V-1.321 其中：Q1JS计算后的配水量（m3/min)V拉速（m/min）修正后的流量： Q1XZ = K*K1其中：Q1JS修正后的配水量（m3/min)K总流
8、量修正系数 K1足辊流量修正系数在整个冷却水配水过程中，每个速度段的配水公式的系数是不同的，所以流量也不同。在实际应用中，水量的控制采用分段函数：Q1 = 0 (V1.5 m/min)二冷水水量修正计算是根据二冷各段喷嘴设计布置的理论流量分配比例，以实际生产时，拉速为2.0m/min的合理比水量确定出的k、k1、k2、k3调节数值，k初步确定统一为1.00，调节范围12；其中低合金钢足辊k1=1.91,一段k2=1.23，二段k3=0.84，普碳钢足辊k1=1.67,一段k2=1.08，二段k3=0.74，调节范围03.0。分钢种在拉速为2.0m/min的理想给水量，调整时应郑重，一般不作调整
9、。如果某一段的供水管或喷嘴发生严重堵塞造成水量的严重不足，可参照k1、k2、k3值作出调整。实际生产中k值一般不作调整，k1、k2、k3调整操作应精细，以0.05为一个调整单位进行调整。在实际调试时，结合生产要求，考虑到足辊流量在开浇起步阶段的重要性，足辊调节阀设为全开状态。即当拉速大于0.4m/min时，足辊流量为最大值。水量修正计算程序如下图5：足辊PID调节给定水量图5 4.3 二冷水每段水量PID（比例、积分、微分）闭环控制在每流的PLC程序中，我们采用二次配水曲线数学模型的闭环PID调节方式来控制二冷水，并可通过监控画面直接进行完全自动化配水功能，在WinCC画面上对应各段分别设有自
10、动、手动两种配水控制方式按钮。在自动调节方式下，铸流水量设定值SP（计算流量）由PLC通过配水公式及修正后计算给定。通过电位器给定拉速，并通过配水公式计算出每段的喷水量SP，SP通过工程量换算成4-20mA的电流信号输出给执行器，执行器控制阀门开度，并通过阀门的阀位反馈信号输入到PID控制程序，与此同时，电磁流量计检测到的水流量PV（实际流量），与PID过程设置点SP的数据比较，输入到PID程序块中通过对比工程量和喷水量，计算出偏差，再输出给执行器来控制阀门。根据工艺要求，设定目标参数，由PID回路的调试曲线，不断调整Kp（比例系数）、Kd(积分系数）、Ki（微分系数)控制参数，使被控参数稳定
11、在设定值的正常波动范围内，从而实现控制阀门的开度，达到对流量精确控制，实现理论喷水量与实际流量一致。整个配水过程是调节阀利用PID控制回路进行闭环控制。把最终数据放到R03050，最后通过模拟量模块AQ0040输出给执行器。其PID功能块程序如图6：图6利用上位机对过程监控画面进行优化。在回路调节画面中，PID回路的PV值、SP值、CV（PID输出）值同时用棒图形式和数字形式显示，操作人员可以直观看到回路的调节情况，也可以精确的对回路调节参数进行设定。在回路调节画面中设有手/自动切换按钮。手动控制是指二冷水流量设定值由操作人员在WINCC监控画面上进行手动输入阀门开度，范围为：0-32000（
12、0100%），在PLC程序中，跳过PID调节，直接对AQ0040赋值，实现对阀门的控制。使水量调节最大程度接近理想曲线。WINCC PID监控趋势图7。PVSP图75 改造产生效果本改造项目的成功实施，不仅可通过HMI进行在线监控及操作，且操作灵活方便，提高了劳动生产率，而且实现了手-自动迅速无干扰切换，节省了调水的时间，为炼钢厂3#、4#连铸机的稳定生产起到了强有力的保障作用。改造后的控制系统自投入运行以来，解决了长期冷却效果差的难题，消除了因二冷水冷却效果差造成生产废钢的现象，杜绝了中间裂纹、鼓肚等现象，大大降低了铸坯脱方、疏松、缩孔等缺陷的概率。系统的成功改造，不论在控制系统方面，还是在生产工艺方面，都是一次质的飞跃，实现了普通连铸机生产优钢的功能，具有显著的社会经济效益。6 参考文献（1）、自动化控制理论 冶金工业出版社（2）、炼钢工艺及自动化控制 冶金工业出版社（3）、GE使用手册 GE公司（4）、连续铸铁铸钢500问 冶金工业出版社（5）、金属材料与冶金工程 机械工业出出版社
