连铸机二冷水模型应用研究

周林 唐瑞尹 周伟

摘要：为了提高连铸生产的自动化控制水平，提升浇铸效率和铸坯质量，对唐钢中厚板1#板坯连铸机二冷水模型进行了研究和应用，根据不同钢种的高温力学特性和极限应力范围，制定出不同钢种在各区段适宜的温度区间，对铸坯传热方程进行一维划分，应用有限元方法求解，根据不同的铸坯尺寸、钢种成分、中包过热度和拉速等，实时计算铸坯各位置的温度和凝固状态，动态显示两相区和凝固末端位置等浇铸关键参数，动态调节各区水量，根据现场实际生产需要，开发多种控制模式。经过实际生产测试，模型控制各项指标均满足生产要求，可有效降低人工干预，提升生产效率和铸坯质量，使铸坯在各区所受应力低于极限应力，减少裂纹产生的概率，为高效连铸的实施提供了必要的模型控制基础。

关键词：炼钢;板坯连铸;二冷配水;数学模型;动态控制

中图分类号：TF31 文献标志码：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

在連铸生产过程中，二次冷却的强度、冷却方式、冷却水量的分配与控制等是影响铸坯质量的重要因素，大部分的表面缺陷出现在结晶器阶段，而其他缺陷如裂纹、脱方、鼓肚出现在二冷阶段。钢水在结晶器中形成一定厚度的坯壳，以保证铸坯出结晶器不被拉漏，进入二冷区后，冷却水对铸坯进行喷淋冷却，以加速铸坯内部热量的传递，使之逐渐凝固[1]。二次冷却的主要作用是加速铸坯的凝固进程，对从结晶器出来的大部分尚未凝固的铸坯进行进一步冷却，确保铸坯的质量，尽量避免铸坯表面和内部因二次冷却不当而产生各类缺陷[2]。

随着经济的发展和社会对钢材品质需求的不断提高，对二次冷却工艺的要求也逐步提高。在此背景下，唐钢中厚板公司1#板坯连铸机于2016年应用浦项ICT的二级控制系统和二次冷却水模型（SWC），控制铸坯凝固进程，以保证铸坯质量。

目前连铸控制主要有以下方式：1）根据拉速变化来调节水量，其中对应的拉速和水量是固定的，称为静态水表法[3-5];2）动态模型控制，是指在一定程度上适应拉速、断面、过热度等变化情况的二次冷却配水方法[6-8]，其中一类是基于实测铸坯表面温度的动态控制，一类是基于模型计算的动态控制，本文中SWC模型则属于后者。

1浇铸要求和表面目标温度的确定

二次冷却区的冷却要求是：1）冷却效率要高，保证热量的传递和生产效率;2）喷水量合适，铸坯温度在空间上和时间上不会剧烈变化，避免较大的热应力;3）凝固末端要在矫直段前;4）矫直前要保证一定铸坯温度，一般大于900 ℃;5）有较好的表面质量和内部质量[9-12]。

铸坯的表面目标温度的确定主要依据所浇铸的钢种成分，包括钢中的碳含量、锰硫比、合金元素B，V，Nb等含量和钢的高温力学性能等。由于不同钢种的高温脆性曲线不同，即对裂纹的敏感程度不同，对应力的承受极限也不同。在浇铸过程中铸坯会受到膨胀鼓肚应力、弯曲/矫直应力、钢水静压力、错位应力等影响，当铸坯所受到的应力大于极限应力时，产生裂纹的概率就会比较大，反之产生裂纹的概率就比较小，裂纹产生的原因和位置如图1所示。

所以，为了避免裂纹产生，就要控制铸坯的温度，使铸坯在低裂纹敏感性和高塑性温度区间内，经过计算不同的钢种在各区段的目标温度如表1所示，各区段温度控制模式如表2所示。

2实时传热模型及求解

综上，通过连铸坯传热数学模型及其求解，可求得铸坯特定位置的实时温度。

将计算结果显示在模型画面上，如图3所示。

图3中的模型主画面，在左上分别显示了铸坯的当前拉速、钢种及成分、结晶器宽度、浇铸长度、中包温度和当前控制方式等基本参数;在左下对应各冷却区显示了当前应用的冷却模式表号、设定温度、计算温度、设定及实际水量等。在画面右侧显示了冷却水量对比图、铸坯内部、表面的计算和目标温度曲线。在右下窗格显示了固相、液相和两相区的长度位置和厚度。

为了应对不同的生产情况，模型提供了3种控制方式：PLC控制、半自动控制和全自动控制模式。PLC模式是当现场不使用二级系统和模型时，根据特定的钢种和拉速，直接从一级读取水表进行浇铸控制。半自动控制是根据特定的钢种和拉速，从二级系统读取水表，传入一级进行浇铸控制，二级系统采集和传输数据;全自动控制是通过二级系统和模型进行实时控制，通过比较计算温度和目标温度的差值，由模型实时计算来调节各回路水量，来控制铸坯的表面温度趋近目标温度，从而避开裂纹敏感区，保证生产的顺利进行，提高铸坯的质量，全自动控制和半自动控制逻辑如图4所示。

3实际测试

针对不同钢种，在全自动控制模式下，对模型进行了测试，测试钢种和炉数如表3所示。

类别钢种对应模型温度表炉数量中碳钢NQ235B-2TP022加Ti合金SS400-TiTP041加Ti合金NSS400-TiTP041高碳钢45#-2TP032高碳钢SM50-2TP031高碳钢SM50-4TP034加Ti合金NQ345C-2TP043加Ti合金NQ345B-2TP041Mn， V 添加钢NQ420B-1TP032Mn， V 添加钢NQ345C-2TP032高碳钢SM45-4TP033

在测试结果中，分别对屈服强度、拉伸强度、延伸率、屈强比、裂纹程度、生产稳定性的指标进行检测，以上指标的同时合格率为90.9%，模型计算的铸坯表面的实时温度与生产实际相符合，可滿足生产需要。

4结语

应用了二级系统和水冷模型的唐钢中厚板公司1#连铸机实现了实时自动控制，使连铸生产自动化和信息化。实际运行效果表明，系统安全稳定，控制精度满足需求。模型有效地弥补了PLC模式和半自动模式不能实时动态控制铸坯温度的缺陷。该模型方法为高效连铸的实施提供了必要的模型控制基础，具有推广意义。

随着更先进的传感器和测量仪表逐渐投入到冶金生产中，更精准更全面的实绩数据将会被采集，制约制造系统快速实施的建模效率将会持续提高[15]。在对连铸过程复杂行为认识逐渐加深的基础上，结合工业大数据驱动和人工智能技术，不断迭代优化连铸过程的控制模型，形成对连铸全过程进行生产调控、质量控制、事故预防和节能降耗的全自动化综合系统，实现连铸的更绿色更智能化生产，将是未来冶金工作者的研究方向。

参考文献/References：

[1]蔡开科，程士富.续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1994：235-236.

[2]WAYER A， FRICK J. Secondary cooling concepts to increase the efficiency and flexibility of slab casters [J]. Metallurgical Plant and Technology International，2013，36（1）： 36-41.

[3]郭戈，乔俊飞.连铸过程控制理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2003：1-2.

[4]孙一康，王京.冶金过程自动化基础[M] .北京：冶金工业出版社，2006：2-4.

[5]何航，唐卫红，丁金虎，等.方/板坯连铸机浇铸矩形坯二冷制度优化[J].炼钢，2009，25（5）：12-15.

HE Hang， TANG Weihong， DING Jinhu，et al. Optimization of secondary cooling scheme of combined caster [J]. Steelmaking， 2009，25（5）：12-15.

[6]冯科，韩志伟，毛敬华，等.八钢一号板坯连铸机二冷水量的优化[J].炼钢，2007，23（4）：18-21.

FENG Ke， HAN Zhiwei， MAO Jinghua， et al. Optimization of secondary cooling water calculation at the No. 1 Slab Caster in Bayi Steel[J]. Steelmaking，2007，23（4）：18-21.

[7]纪振平，马交成，谢植，等.基于混沌蚁群算法的连铸二冷参数多准则优化[J].东北大学学报（自然科学版），2008，29（6）：782-785.

JI Zhenping， MA Jiaocheng， XIE Zhi， et al. Multi-criteria optimization based on chaos ant colony algorithm for secondary cooling parameters in continuous casting [J]. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2008，29（6）：782-785.

[8]王葉婷，孙猛.板坯连铸表面目标温度值二冷动态控制[J].重工与起重技术，2010（3）：1-5.

[9]贺道中.连续铸钢[M] .北京：冶金工业出版社，2007：72-76.

[10]韩朋，张兴中.连铸坯二次冷却的非稳态控制[J] .钢铁研究学报，2002，14（4）：73-76.

HAN Peng， ZHANG Xingzhong. Non-steady control of secondary cooling used for continuous casting slab [J]. Journal of Iron and Steel Research， 2002，14（4）：73-76.

[11]程子建，于寿海，尉小兵.酒钢220 mm×1 600 mm板坯连铸机二次冷却自动配水控制[C] //连铸二次冷却技术交流会论文汇编.[S.l.]：[s.n.]，2005：104-108.

CHENG Zijian， YU Shouhai， WEI Xiaobing.Automatic spay distribution control on secondary cooling of 220 mm× 1 600 mm slab caster in Jiuquan steel [C] //Continuous Casting Secondary Cooling Technical Papers Symposium.[S.l.]：[s.n.]，2005：104-108.

[12]石俊红，蒋道顶，马会刚.8字形管角部裂纹问题研究[J]. 焊管，2003，26（5），20-21.

SHI Junhong， JIANG Daoding， MA Huigang. Corner cracks research of “8” shape pipe [J]. Welded Pipe and Tube， 2003，26 （5）： 20-21.

[13]韩志伟，冯科，王勇，等.板坯连铸二冷计算机仿真的研究和应用[J].铸造技术，2006，27（10）：1130-1132.

HAN Zhiwei，FENG Ke，WANG Yong，et al.Study and application of computer simulation of secondary cooling in slab continous casting process[J].Foundry Technology， 2006，27（10）：1130-1132.

[14]干勇，仇圣桃，萧泽强.连续铸钢过程数学物理模拟[M] .北京：冶金工业出版社，2001：106.

[15]陈华伟，刘国平，图海宁，等.数据驱动的制造系统快速建模技术 [J] .河北科技大学学报，2014，35（6）：504-511.

CHEN Huawei， LIU Guoping， TU Haining， et al. Data-driven rapid modeling of manufacturing system [J]. Journal of  Hebei University of  Science and Technology， 2014， 35 （6）： 504-511.