连铸自动控制技术的研究与应用

摘要：连铸是整个炼钢工艺过程的中间环节，从炼钢接受钢水浇铸成铸坯后送到轧钢，起到承上启下的作用。针对连铸经常出现的质量问题，对结晶器钢水液面控制系统、二冷水控制系统进行了自动化控制技术的研发工作。

关键词：液面控制； 二冷水控制

连铸是特钢100t电炉生产线的中间环节，在整个生产过程中起到承上启下的作用，因此提高连铸坯的质量是至关重要的，连铸坯主要存在有纯净度、表面质量、内部质量和外观性质几类质量问题。

连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前是否需要精整，是影响金属收得率和成本的重要因素，也是铸坯热送和直接轧制的前提条件，其形成的原因很复杂，但总体来说，主要是受结晶器内钢液凝固所控制。铸坯的内部质量是指铸坯是否具有正确的凝固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布状况，凝固结构是铸坯的低倍组织，即钢液凝固过程中形成等轴晶和柱状晶的比例，铸坯的内部质量与二冷水及支持系统密切相关。

1 主要控制技术的确定

连铸机主要由钢包、中间包、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直装置、切割装置、出坯装置等部分组成。

连铸坯的表面缺陷直接影响轧制成品的表面质量，热装热送或直接轧制工艺要求铸坯进加热炉必须无缺陷，因此重点关注了结晶器和二次冷却区，以下是整个系统开发的流程图，见下图。

连铸工艺流程图

2 主要控制技术的应用

2.1 结晶器液面控制

结晶器安装在振动装置上，通过振动装置的上下振动可防止结晶器内壁和钢水粘连、均匀铸坯在结晶器内的摩擦阻力，其作用是利用流经结晶器体内腔的净环水，将和结晶器内壁接触的钢水快速冷却并使其迅速结晶。

结晶器是在尽可能的拉速下，保证铸坯出结晶器形成足够厚度的坯壳，使连铸过程安全的进行下去，决定了连铸机的生产能力，结晶器内的钢水将热量平稳的传到给铜板，使铸坯厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。

钢液在结晶器内的凝固传热分为拉坯方向的传热和垂直于拉坯方向的传热两部分，绝大部分热量是通过垂直于拉坯方向传递的，此传递过程由三部分构成，即铸坯液芯与坯壳间的传热，坯壳与结晶器壁间的传热，结晶器壁与冷却水之间的传热。

结晶器液面检测与自动控制对保证稳定拉坯工艺和保证连铸机的安全生产、降低溢漏率、减少结晶器及备件消耗、改善铸坯质量，提高劳动生产率。结晶器液面的检测方法是同位素法，中间包钢流控制方式有中间包塞棒和中间包滑动水口两种，为使生产操作更方便和安全，采用两种方法相结合。一种结合使用方法是正常工作是用塞棒来实现自动开浇和液面控制，紧急情况时使用滑动水口；一种结合使用方法是正常使用滑动水口，紧急时使用塞棒。

2.2 二冷水控制

同一台连铸机在开浇、浇铸不同钢种及拉速变化时需要对二冷水量进行适当调整。二冷水的自动控制方法主要可分为静态和动态控制发两类。静态控制法一般利用数学模型，根据所浇铸的断面、钢种、拉速、过热度等连铸工艺条件计算冷却水量，将计算的二冷水数据表存入计算机中，在生产工艺条件变化时计算机按存入的数据找出二冷水控制量，调整二冷强度。

为了避免这种铸坯表面温度的波动，就引入了动态喷雾冷却控制思想，即使在拉速急剧变化的情况下，也能保持铸坯表面温度的稳定。

连铸机稳态条件下的水流量是用户可定义的，并存储在一个称之为“配水表”的文件中。整个喷雾冷却段被划分为多个冷却控制回路。控制模型将铸流分成许多小的单元来考虑，这些单元随浇铸速度而沿浇铸方向移动。该系统监视每个冷却回路中这些单元的驻留时间，并根据驻留时间和一些其他因素（如钢种、中间包温度、结晶器断面规格、浇铸速度等）来确定这些冷却回路的水流量设定值。

在每个冷却区定义一个或几个特定的点，这些点被称之为“节点”。对每个节点考虑其附近的单元，利用这些单元的浇铸速度从配水表中取出一个基本水流量。处于两个数据对之间的数值采用线性插值计算。

对于最终水流量设定值的确定，数学模型计算还考虑下列因素：

1） 静态控制：静态控制与常规控制算法相似。它是根据实际的浇铸速度从配水表中取出该节点的基本水流量，然后根据铸流宽度和中间包当前的钢水温度来对这个基本水流量进行修正；2） 动态控制：对于动态控制，实际的浇铸速度将被该节点的速度平均值取代，而各回路的水流量设定值计算与静态控制相类似；3）静态控制和动态控制相结合：设定值的计算可采用静态控制和动态控制的结果。在两者结合时，静态控制和动态控制的结果将按一个称之为“动态因子”的参数来分配；4）配水表优先级：每个炉次的钢种数据中，对每个配水表分配一个0到9之间的优先数字。这个数字被称为“配水表优先级”；5） 浇铸开始期间的安全水流量；6） 铸流停止时的水流量修正；7） 浇铸坯头的水流量修正；8） 浇铸坯尾的水流量修正；9） 尾坯输出期间的回路关闭建议。

3 总结

自采用新的自动化控制技术以来，钢坯表面质量问题得到了改善，棒材控制得到了优化，不合格产品的數量明显减少，冷却效率和冷却质量大大提高，冷却模型得到了充分应用，品种钢的成材率得到了提高。

参考文献：

[1]蔡开科.连续铸钢原理与工艺.北京：冶金工业出版社，1994.

[2]朱文佳译.连续铸钢过程中的钢水保护.北京：冶金工业出版社，1991.

[3]吴勤勤.控制仪表及装置.北京：化学工业出版社，2008.

作者简介：王晋卿（1984），女，汉族，山东青岛人，工学学士学位，工程师，研究方向：冶金工业自动化控制。