周林 唐瑞尹 周偉

摘要：為了提高連鑄生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平，提升澆鑄效率和鑄坯質(zhì)量，對(duì)唐鋼中厚板1#板坯連鑄機(jī)二冷水模型進(jìn)行了研究和應(yīng)用，根據(jù)不同鋼種的高溫力學(xué)特性和極限應(yīng)力范圍，制定出不同鋼種在各區(qū)段適宜的溫度區(qū)間，對(duì)鑄坯傳熱方程進(jìn)行一維劃分，應(yīng)用有限元方法求解，根據(jù)不同的鑄坯尺寸、鋼種成分、中包過(guò)熱度和拉速等，實(shí)時(shí)計(jì)算鑄坯各位置的溫度和凝固狀態(tài)，動(dòng)態(tài)顯示兩相區(qū)和凝固末端位置等澆鑄關(guān)鍵參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各區(qū)水量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要，開(kāi)發(fā)多種控制模式。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試，模型控制各項(xiàng)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)要求，可有效降低人工干預(yù)，提升生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量，使鑄坯在各區(qū)所受應(yīng)力低于極限應(yīng)力，減少裂紋產(chǎn)生的概率，為高效連鑄的實(shí)施提供了必要的模型控制基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：煉鋼;板坯連鑄;二冷配水;數(shù)學(xué)模型;動(dòng)態(tài)控制

中圖分類號(hào)：TF31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi： 10.7535/hbgykj.2018yx02010

ZHOU Lin， TANG Ruiyin， ZHOU Wei.Study on application of secondary water cooling model of continuous caster[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2018，35（2）：134-138.Study on application of secondary water cooling

model of continuous caster

ZHOU Lin1，2， TANG Ruiyin1， ZHOU Wei2

（1. School of Electrical Engineering， North China University of Technology， Tangshan，Hebei 063000， China; 2. Tangshan Iron & Steel Group WILL Automation Company Limited， Tangshan，Hebei 063000， China）

Abstract：In order to improve the level of automation of continuous casting production， the casting efficiency and the quality of slab， secondary cooling water model is researched and applied in the Tangshan Iron and Steel Plate 1# slab caster. According to the high temperature mechanical properties and critical strain range of different steel grades， the safe temperature ranges of different steel grades in each section are determined. The model uses one-dimensional division for the slab heat transfer equation and uses the finite element method to solve the equation. According to the different size， steel composition， overheat and speed， the slab temperature and the solidification state are calculated and displayed in real-time， and casting key parameters such as two-phase region and solidification terminal position are dynamically displayed. The model dynamically adjusts the cooling water flow in each zone. According to the actual production needs of the site， some control modes are developed. In the actual production test， the results meet the? production requirements. The test results show that the model method reduces the manual intervention， improves the production efficiency and the slab quality， makes the slab stress lower than the ultimate stress in each zone， reduces the probability of crack， and provides an indispensable model basis for high-efficiency continuous casting

Keywords：steelmaking;continuous casting; secondary water cooling; mathematical model; dynamic control

在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，二次冷卻的強(qiáng)度、冷卻方式、冷卻水量的分配與控制等是影響鑄坯質(zhì)量的重要因素，大部分的表面缺陷出現(xiàn)在結(jié)晶器階段，而其他缺陷如裂紋、脫方、鼓肚出現(xiàn)在二冷階段。鋼水在結(jié)晶器中形成一定厚度的坯殼，以保證鑄坯出結(jié)晶器不被拉漏，進(jìn)入二冷區(qū)后，冷卻水對(duì)鑄坯進(jìn)行噴淋冷卻，以加速鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，使之逐漸凝固[1]。二次冷卻的主要作用是加速鑄坯的凝固進(jìn)程，對(duì)從結(jié)晶器出來(lái)的大部分尚未凝固的鑄坯進(jìn)行進(jìn)一步冷卻，確保鑄坯的質(zhì)量，盡量避免鑄坯表面和內(nèi)部因二次冷卻不當(dāng)而產(chǎn)生各類缺陷[2]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)對(duì)鋼材品質(zhì)需求的不斷提高，對(duì)二次冷卻工藝的要求也逐步提高。在此背景下，唐鋼中厚板公司1#板坯連鑄機(jī)于2016年應(yīng)用浦項(xiàng)ICT的二級(jí)控制系統(tǒng)和二次冷卻水模型（SWC），控制鑄坯凝固進(jìn)程，以保證鑄坯質(zhì)量。

目前連鑄控制主要有以下方式：1）根據(jù)拉速變化來(lái)調(diào)節(jié)水量，其中對(duì)應(yīng)的拉速和水量是固定的，稱為靜態(tài)水表法[3-5];2）動(dòng)態(tài)模型控制，是指在一定程度上適應(yīng)拉速、斷面、過(guò)熱度等變化情況的二次冷卻配水方法[6-8]，其中一類是基于實(shí)測(cè)鑄坯表面溫度的動(dòng)態(tài)控制，一類是基于模型計(jì)算的動(dòng)態(tài)控制，本文中SWC模型則屬于后者。

1澆鑄要求和表面目標(biāo)溫度的確定

二次冷卻區(qū)的冷卻要求是：1）冷卻效率要高，保證熱量的傳遞和生產(chǎn)效率;2）噴水量合適，鑄坯溫度在空間上和時(shí)間上不會(huì)劇烈變化，避免較大的熱應(yīng)力;3）凝固末端要在矯直段前;4）矯直前要保證一定鑄坯溫度，一般大于900 ℃;5）有較好的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量[9-12]。

鑄坯的表面目標(biāo)溫度的確定主要依據(jù)所澆鑄的鋼種成分，包括鋼中的碳含量、錳硫比、合金元素B，V，Nb等含量和鋼的高溫力學(xué)性能等。由于不同鋼種的高溫脆性曲線不同，即對(duì)裂紋的敏感程度不同，對(duì)應(yīng)力的承受極限也不同。在澆鑄過(guò)程中鑄坯會(huì)受到膨脹鼓肚應(yīng)力、彎曲/矯直應(yīng)力、鋼水靜壓力、錯(cuò)位應(yīng)力等影響，當(dāng)鑄坯所受到的應(yīng)力大于極限應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生裂紋的概率就會(huì)比較大，反之產(chǎn)生裂紋的概率就比較小，裂紋產(chǎn)生的原因和位置如圖1所示。

所以，為了避免裂紋產(chǎn)生，就要控制鑄坯的溫度，使鑄坯在低裂紋敏感性和高塑性溫度區(qū)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)計(jì)算不同的鋼種在各區(qū)段的目標(biāo)溫度如表1所示，各區(qū)段溫度控制模式如表2所示。

2實(shí)時(shí)傳熱模型及求解

綜上，通過(guò)連鑄坯傳熱數(shù)學(xué)模型及其求解，可求得鑄坯特定位置的實(shí)時(shí)溫度。

將計(jì)算結(jié)果顯示在模型畫面上，如圖3所示。

圖3中的模型主畫面，在左上分別顯示了鑄坯的當(dāng)前拉速、鋼種及成分、結(jié)晶器寬度、澆鑄長(zhǎng)度、中包溫度和當(dāng)前控制方式等基本參數(shù);在左下對(duì)應(yīng)各冷卻區(qū)顯示了當(dāng)前應(yīng)用的冷卻模式表號(hào)、設(shè)定溫度、計(jì)算溫度、設(shè)定及實(shí)際水量等。在畫面右側(cè)顯示了冷卻水量對(duì)比圖、鑄坯內(nèi)部、表面的計(jì)算和目標(biāo)溫度曲線。在右下窗格顯示了固相、液相和兩相區(qū)的長(zhǎng)度位置和厚度。

為了應(yīng)對(duì)不同的生產(chǎn)情況，模型提供了3種控制方式：PLC控制、半自動(dòng)控制和全自動(dòng)控制模式。PLC模式是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)不使用二級(jí)系統(tǒng)和模型時(shí)，根據(jù)特定的鋼種和拉速，直接從一級(jí)讀取水表進(jìn)行澆鑄控制。半自動(dòng)控制是根據(jù)特定的鋼種和拉速，從二級(jí)系統(tǒng)讀取水表，傳入一級(jí)進(jìn)行澆鑄控制，二級(jí)系統(tǒng)采集和傳輸數(shù)據(jù);全自動(dòng)控制是通過(guò)二級(jí)系統(tǒng)和模型進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)比較計(jì)算溫度和目標(biāo)溫度的差值，由模型實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)各回路水量，來(lái)控制鑄坯的表面溫度趨近目標(biāo)溫度，從而避開(kāi)裂紋敏感區(qū)，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，提高鑄坯的質(zhì)量，全自動(dòng)控制和半自動(dòng)控制邏輯如圖4所示。

3實(shí)際測(cè)試

針對(duì)不同鋼種，在全自動(dòng)控制模式下，對(duì)模型進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試鋼種和爐數(shù)如表3所示。

類別鋼種對(duì)應(yīng)模型溫度表爐數(shù)量中碳鋼NQ235B-2TP022加Ti合金SS400-TiTP041加Ti合金NSS400-TiTP041高碳鋼45#-2TP032高碳鋼SM50-2TP031高碳鋼SM50-4TP034加Ti合金NQ345C-2TP043加Ti合金NQ345B-2TP041Mn， V 添加鋼NQ420B-1TP032Mn， V 添加鋼NQ345C-2TP032高碳鋼SM45-4TP033

在測(cè)試結(jié)果中，分別對(duì)屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率、屈強(qiáng)比、裂紋程度、生產(chǎn)穩(wěn)定性的指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以上指標(biāo)的同時(shí)合格率為90.9%，模型計(jì)算的鑄坯表面的實(shí)時(shí)溫度與生產(chǎn)實(shí)際相符合，可滿足生產(chǎn)需要。

4結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用了二級(jí)系統(tǒng)和水冷模型的唐鋼中厚板公司1#連鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，使連鑄生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化。實(shí)際運(yùn)行效果表明，系統(tǒng)安全穩(wěn)定，控制精度滿足需求。模型有效地彌補(bǔ)了PLC模式和半自動(dòng)模式不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制鑄坯溫度的缺陷。該模型方法為高效連鑄的實(shí)施提供了必要的模型控制基礎(chǔ)，具有推廣意義。

隨著更先進(jìn)的傳感器和測(cè)量?jī)x表逐漸投入到冶金生產(chǎn)中，更精準(zhǔn)更全面的實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)將會(huì)被采集，制約制造系統(tǒng)快速實(shí)施的建模效率將會(huì)持續(xù)提高[15]。在對(duì)連鑄過(guò)程復(fù)雜行為認(rèn)識(shí)逐漸加深的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和人工智能技術(shù)，不斷迭代優(yōu)化連鑄過(guò)程的控制模型，形成對(duì)連鑄全過(guò)程進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)控、質(zhì)量控制、事故預(yù)防和節(jié)能降耗的全自動(dòng)化綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連鑄的更綠色更智能化生產(chǎn)，將是未來(lái)冶金工作者的研究方向。

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