连铸二次冷却基础自动化模拟系统

马海峰　张涛

摘 要：通过对连铸二冷控制一级基础自动化的分析，确定一级基础自动化模拟系统需要实现的功能，并以Visual Basic6.0为编程环境，编制了连铸一级基础自动化部分模拟系统，通过以太网实现模拟系统与二冷二级控制系统之间的通讯，将连铸生产过程的模拟数据反馈给二冷二级控制系统，为连铸二冷二级控制系统的开发调试提供了便利条件。从钢水的凝固过程为多元系相变出发，建立连铸板坯凝固传热的二冷控制模型，以此求得铸坯表面的温度分布，将此温度分布作为连铸坯表面温度反馈。

关键词：连铸；二次冷却；一级基础自动化；模拟系统

中图分类号：TF777 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0009-02

我国使用的板坯连铸生产线绝大部分是从国外成套引进的，极少购买价格昂贵的核心程序。一些小型钢铁企业只使用一级PID控制实现二冷控制，导致铸坯质量稳定性较差。而引进板坯连铸生产线的企业并没有重视对控制系统的消化吸收，随着年产量的提高和开发市场需求新钢种的需要，感到力不从心、困难重重，甚至因系统维护不及时造成控制系统某些模块不能正常工作，只能靠基础自动化级进行简单的PID控制，严重影响了铸坯质量。从生产能力及开发新钢种，提高企业的竞争能力来讲，控制系统的升级改造都迫在眉捷。目前国内对二冷控制的研究主要是对模型的改进、利用智能算法对二冷配水优化或通过调整喷嘴的布局来达到改善铸坯质量的目的，而对二冷二级控制系统的开发仍未见有关报道。

连铸二冷控制是一个复杂的控制系统，其开发过程也是繁复的，其调试也是不可或缺的，但是由于生产过程的不可中断性和经济效益方面的因素，控制系统开发过程中，不可能在实际生产过程中直接调试，所以，开发一套可以模拟基础自动化部分模拟系统，是二冷二级控制系统顺利开发的有效保证。

1 连铸一级基础自动化的功能

连铸一级基础自动化接收二级控制系统发送的二冷各段的设定水量或二冷各段水量控制参数，依此调节喷嘴阀门的开度实现水量的控制，并将采集到的二冷各段实际水量、拉坯速度、中包温度及二冷各段的铸坯表面温度反馈到二级控制系统，二级控制系统通过反馈的数据计算出下一时间段内二冷各段的设定水量或二冷各段水量控制参数。因此，一级基础自动化模拟系统应具有相应的通讯端口，可以实现以上的数据收发，为了模拟实际生产过程，一级基础自动化模拟系统向二级控制系统反馈的数据应具有一定的波动性，由此，开发环境界面如图1所示。

2 接口及功能实现

在实际生产过程中，一级基础自动化部分与二级控制系统之间一般通过工业以太网连接，实现数据的通讯，因此开发环境的通讯端口也选择以太网作为数据交换的端口，二冷控制系统开发环境采用VisualBasic6.0编制，通过UDP协议（用户数据报协议）或TCP协议（数据传输协议）连接到远程的机器并进行数据交换。

调试二冷二级控制系统时，首先在开发环境中选择相应的钢种和冷却模式，并填写铸坯宽度、厚度、中包温度以及拉速和拉速的波动方式、范围，如图1所示，表示拉速以1 m/min，每隔80 s产生一个±10%范围内的随机波动值，作为当前拉速，图1中当前的拉速为1.04 m/min。二冷各段的实际水量，将按照设定水量在输入的百分比（图1中为±10%）范围内产生的随机数确定。这些数据将作为反馈数据传送到二冷二级控制系统。反馈数据中，铸坯表面温度，按照以下方式求解。

3 铸坯表面温度的求解

钢的成分除Fe外，还有C、Si、Mn、P、S等其他元素，钢水的凝固过程为多元系相变，，凝固过程中存在固相区、糊状区和液相区，板坯凝固传热的微分方程为：

将铸坯沿拉速方向分割成（0～N）个断面。假定0断面在结晶器弯月面处。各个断面都以v=v（t）的拉速沿z轴运动，依次经过结晶器和二冷段各区域，同时新的断面在结晶器弯月面附近以一定的频率（与拉速v有关）产生，出二冷区后结束。两相邻断面之间的距离用Δh来表示，通过实际的拉速跟踪计算各切片单元所在位置，在相邻的两个断面之间的单元内假设温度T只是空间位置的函数，不随时间t而变化。首先，在一个单元内对传热偏微分方程按各个不同的相区进行空间位置积分，得到的是温度T关于时间导数的常微分方程组，按追赶法求解此常微分方程组，得到温度关于时间的导数，由温度关于时间的导数就可求得铸坯的表面温度。

设固相区、糊状区、液相区的厚度分别为d1、d2、d3，各个相区内的温度分布是厚度方向函数，其关系如下，以厚度方向为x轴：

4 模型验证

采用以上铸坯表面温度求解方法，以1 500×150Q235B为例计算铸坯温度，并与河南某钢厂控制实际生产的Alpha机在相同参数情况下离线运行的结果进行对比验证。连铸机的参数如下：

该铸机为立弯型板坯连铸机，平板型结晶器，铸机基本弧形半径8 m，矫直方式为连续矫直。

二冷区共分为8个冷却段，其中第8冷却段的水量不进行控制，处于常开状态，其余七段的长度分别为：0.5 m、1.08 m、1.7 m、1.9 m、3.81 m、3.84 m和4.66 m。其中1段的宽面和窄面冷却水量、4～7段内外弧冷却水量按一定的比例分配。2、3段内外弧冷却水量相同。钢的物性参数：固态、糊状、液态的比热容分别为665.31、700.00、743.50 J/（kg·K），密度为7 200 kg/m3；固态、糊状、液态的导热系数分别为31.33、41.27、99.00 W/（m·K）；液相温度为1 528.5 ℃，固相温度为1 506.9 ℃，浇注温度为1 553 ℃。浇注速度1.0 m/min，浇注速度波动不超过正常拉速的20%。

运行结果对比见表1。

5 结 语

①表1中，Alpha机运行在离线状态下，实际水量无波动，按设定水量取值。

②分析了连铸二冷控制一级基础自动化部分的功能，并以VisualBasic6.0为编程语言，编写了连铸二冷一级基础自动化模拟系统，通过工业以太网实现模拟系统与二级控制系统之间进行通讯，将钢种、冷却模式、铸坯宽度、厚度、中包温度、拉速及表面温度等信息反馈到二级控制系统。实际使用表明，该系统可以作为二冷二级控制系统开发过程中一级基础自动化部分的模拟，便于二级控制系统的开发和调试。

③从钢水的凝固过程为多元系相变出发，建立了连铸板坯凝固传热的二冷传热模型，通过这个模型求得连铸坯表面温度，以此作为一级基础自动化部分向二级控制系统的表面温度反馈。

参考文献：

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