连铸控制系统在穆巴拉克板坯生产线上的应用

2019-02-20米进周杨文峰刘维鸽

重型机械 2019年1期

米进周，张非，温恒，杨文峰，刘维鸽

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032；2.中国重型机械有限公司，北京 100070)

0 前言

伊朗穆巴拉克板坯连铸生产线是穆巴拉克钢铁公司引进中国重型机械研究院股份公司连铸技术的一条整体装机水平较高的一台两机两流(铸坯最大厚度250 mm，宽度2 000 mm)板坯连铸生产线，其自动化和工艺控制均达到了一流水平。其中，连铸过程控制系统是自动控制和工艺控制的重要组成部分。

连铸过程控制系统是位于L3级(生产制造执行层级)与L1级(基础自动化层级)之间的层级，对连铸生产的信息流起到承上启下的作用。其主要包括连铸生产物料跟踪制造命令执行系统、连铸生产工艺控制数学模型两个部分[1]。

连铸生产物料跟踪与制造命令执行系统一方面对连铸生产的物料、最终铸坯和生产过程进行全程跟踪，收集记录相关的数据，进行处理和统计后发送给L3级；另一方面，其根据L3级下发的生产计划与制造标准生成制造命令下发给基础自动化系统。连铸生产物料跟踪与制造命令执行系统的应用实现了连铸生产过程的数字化、透明化和无纸化，使得炼钢与轧制工序之间的生产信息流得以贯通,大大提升了连铸生产的自动化和信息化水平，降低了操作人员的工作量,提高了生产管理的效率。

连铸生产工艺控制主要是热工过程和物理化学反映过程[2]，这些过程控制的数学模型主要包括切割优化模型、质量控制模型、动态二次冷却水模型、动态轻压下模型。这些工艺控制模型的应用，提高了最终合格铸坯的收得率，铸坯的质量也得到了很大的提升，给企业带来了可观的经济效益。

1 连铸生产物料跟踪与生产制造命令执行

连铸生产物料跟踪与制造命令执行系统主要包括物料跟踪和生产制造命令执行两个部分。

1.1 连铸生产物料跟踪

连铸生产物料跟踪是过程控制系统的基本功能，其物料跟踪数据也是工艺控制模型的基础数据来源之一。该系统对各包钢水从到达连铸机回转台开始跟踪，直至切割成定尺铸坯，最后下线或热送的全过程进行跟踪。物料跟踪主要包括炉次跟踪、铸流跟踪、铸坯跟踪三个部分[3]。

(1)炉次跟踪。炉次跟踪是对钢包从到达回转台直到离开回转台的全过程信息的跟踪和收集。主要内容包括浇次、炉次、包号、钢种、钢种化验成分、钢包开浇时间、停浇时间、重量、钢水温度等。其中，浇次、炉次、包号、钢种通常取自于L3级下发的生产计划，当L3级通讯出现故障时，这些参数可以通过人工录入完成。

当上一包钢水从中间包完全流入结晶器时，系统自动记录炉次间接缝信息。收集到的数据同时保存到内存和数据库中，将用于操作员查询、分析和报表生成；同时，系统根据下一包开浇时的中包重量和前后炉钢种成分差规则，自动进行异钢种连浇的混钢区域计算。

(2)铸流跟踪。铸流跟踪收集从钢水进入中间包开始，经过结晶器、扇形段设备直到板坯切割完成整个生产过程中的信息，铸流跟踪系统将铸流区域划分为定长的切片，再以切片的形式跟踪记录浇铸过程中各铸流产生的每个切片的实时数值和平均参数数值，包括浇铸拉速、浇铸长度、中间罐钢水温度、结晶器振频、振幅、一冷水量、一冷水压力、二冷区水量等。

铸流跟踪系统自动根据生产切割计划和炉次接缝信息在扇形段中预生成计划长度的虚拟铸坯。当实际切割完成后，系统自动记录切割的铸坯实绩(包括铸坯号、炉次、坯序等信息)。收集到的数据同时保存到内存和数据库中，将用于操作员查询、分析和报表生成[4]。

(3)铸坯跟踪。铸坯跟踪区域为从完成切割形成实际铸坯开始到板坯下线或热送为止，收集每块铸坯经过处理的信息(包括喷号、去毛刺、称重等)，收集到的数据同时被保存到内存和数据库中，将用于操作员查询、分析和报表生成。铸坯生成后，由人工进行表面质量检测，将质量结果录入铸坯信息中。

1.2 生产制造命令执行

生产制造命令执行系统是过程控制系统接受L3级系统下达的生产计划和制造标准，生成连铸生产制造命令，再从冶金数据库中提取对应的铸造设定参数下发给基础自动化系统执行。主要内容包括设定拉速、一次冷却水设定模式、二次冷却水设定模式、结晶器振动模式、远程辊缝设定参数、定尺参数等。

当前铸坯切割完成后，系统自动从生产计划中提取下一块切割定尺参数，下发给切割机控制系统执行。由切割实绩产生的铸坯号经过顺序跟踪后，发送到铸坯喷号机控制系统完成铸坯编号的喷印。

2 连铸工艺控制模型

穆巴拉克板坯连铸生产线应用的工艺控制模型主要包括切割优化模型、质量控制模型、动态二次冷却水模型和动态轻压下模型。

2.1 切割优化模型

切割优化模型是对铸坯切割长度进行控制与优化，其目的是在完成生产计划的同时，尽量减少铸坯损失，提高收得率，以获取最大的经济效益[5]。

铸坯切割优化长度，是在切割计划中切割定尺长度基础之上制定的可变切割长度的“最大—最小”值范围。通过修改相关“铸坯数量”和“最佳的坯长”来实现新的设定切割长度,并下载到基础自动化系统。切割长度优化不仅应用了最佳长定尺和短定尺最佳组合计算，而且遵循最佳定尺专家库规则，使得切割定尺更加符合生产需要和客户订制要求[6]。

优化切割长度系统对自中包开始，直到上次切割完成切缝线间的虚拟铸坯区域进行铸坯长度优化。按照区段类型进行划分，主要包括良坯区段优化、异常坯区段优化和人工强制优化三个部分。良坯段优化主要是尾坯优化和多流停浇优化。异常区段优化主要包括异钢种混合区段优化、废坯区段优化、降级钢种区段优化。人工强制区段是当系统没有自动识别出异常区段时，由人工通过HMI界面强制设定起点和长度以及特殊的铸坯识别号作为异常识别段。

良坯段优化，根据目标长度、最大—最小范围长度并结合钢水多计算、钢水少计算方法进行，此方法为通用的长度优化方法[7]。

尾坯优化就是单流钢水停止浇入结晶器时，对尚未切割的所有剩余铸坯进行切割长度优化计算。

流关闭优化是在多流同时浇铸的情况下，多流统一考虑整体的切割长度优化。本系统中采用了当某流最后一块虚拟坯先到达定尺长度并预留了尾坯长度时，先关闭此流。最后一流进行尾坯优化的方法。

良坯区段与异常区段相接时，对良坯区段进行正常优化，如果优化后有剩余，剩余部分则加入异常坯段中。

异常优化方法主要基于生产的工艺要求，一般的原则是使得异常坯上占有的良坯区间最小，并保证良坯的纯洁。如果异常区段长度小于长度500 mm，则附着在前一块良坯的尾部，再下线后切割掉；如果长度在500 mm与4 500 mm之间不能全部附着在前一块良坯的尾部，则前铸坯取设备上限长度，剩余的异常部分附于后一块铸坯的前部；如果长度大于4 500 mm时，单独作为一块异常坯。

2.2 质量控制模型

由于生产过程中出现的质量相关异常事件与可能造成的铸坯质量问题之间的关系非常复杂，包括铸钢宏观外形变化、微观组织的变化，涉及到复杂的铸坯受力力学性能理论、铸坯动态凝固传热理论等专业知识领域，造成了连铸过程异常事件与可能造成的铸坯质量缺陷之间的关系经常是非线性的，不能用解析式来准确表达[8,9]。所以在实际应用中，需要选择简单实用的方案来实现质量判定功能，再以智能方法(例如自学习)作为补充来逐步完善系统。

本系统的质量控制模型主要是基于专家数据库。主要功能包括系统变量的建立、事件定义、异常事件触发、异常处理专家数据库建立、异常事件关联、异常处理结果最终判定和铸坯表面缺陷检测。

(1)系统变量的定义。系统通过HMI界面，在全局变量数据库表中添加变量。变量分为手动变量和自动变量。手动变量由操作工在HMI界面进行操作，通过WCF通讯传送到质量控制模型进行赋值(例如，大包裸露浇注、结晶器液面渣圈等)。自动变量将所有与质量相关的PLC数据自动采集，建立的变量可在定义异常事件时连接到异常事件中。

(2)质量事件定义。如图1所示，异常事件分为3层结构，异常事件定义层、1级相关项层和2级相关项层。

图1 异常事件结构

2级相关项为最小的关系表达式，其由变量、操作符、数值三部分组成。其中，变量从定义好的变量表中选择。操作符包括“>”、“<”、“=”、“>=”、“<=”五种符号。值为数值或者字符串，表达式最终将得到一个比较运算的结果，true为满足条件，false为不满足。

1级相关项表达式由多个2级相关表达式通过逻辑运算组成，逻辑运算符包括“与运算”和“或运算”。1级相关项表达式最终将得到一个逻辑运算的结果，true为满足条件，false为不满足。

事件定义表包括了事件触发标志、异常事件前偏移量、异常事件后偏移量、异常事件优先级和异常事件1级相关项字段。事件触发标志为事件触发的控制开关，值为0表示事件不触发，值为1表示事件可以触发；异常事件前偏移量表示对事件开始之前的铸坯质量影响范围(以长度表示)；异常事件后偏移量表示事件结束后对之后的铸坯质量影响范围(以长度表示)；事件优先级为事件对质量的影响程度；1级相关项表达式为异常事件触发的条件，条件满足时就触发事件。

(3)异常事件触发。定义好事件后，在事件触发标志值为1的前提下，如果事件对应的1级相关表达式中的逻辑运算结果从false变为true时，则触发事件，同时异常事件前偏移量将事件向前延长前偏移量的长度；当事件对应的1级相关表达式中的逻辑运算结果从true变为false时，则结束事件，异常事件结束的长度也将向后延长一个后偏移量。系统自动将事件的触发和结束信息写入数据库和内存中保存。触发的事件将以切片的形式根据不同等级用不同颜色在HMI中进行显示。

(4)异常事件专家数据库建立。专家数据库是通过建立完善的、切合实际的生产经验库，并利用生产经验库的各种规则，实时地监测铸机状况，准确地记录那些不符合规则的参数(即质量事件)，并最终反映到铸坯上，进而对生产过程进行实时的评估[10]。

系统根据钢种用途将钢种分为5个钢种组，每个异常事件与5个钢种组组合产生三种处理方式，将所有的事件数据、钢种组数据以及两者组合对应的处理方法经验数据录入数据库中，建立了异常事件处理专家数据库。

三种处理方式包括钢种降级、是否定尺优化和切后精整处理方法。钢种降级的内容包括OK—不降级，DEV—降级；定尺优化的内容选项包括YES—优化，NO—不优化；精整处理方式的内容包括OK—按原计划处理，CSM—机器火焰机清理，TC—横向切割，DDR—直接送轧机，MSC—手动火焰机清理，SSR—表面反向翻转。

对于需要降级的钢种，根据碳当量和降级钢种成分标准进行组合，形成降级钢种专家数据库。

(5)异常事件关联。异常事件关联是根据事件发生的开始长度和结束长度将其分别关联到虚拟区铸坯的切片上、虚拟区铸坯上和实际切割铸坯上，并对事件在铸坯上进行精确定位。

(6)异常处理结果最终判定。生产过程中，根据当前生产的钢种和发生的异常事件数据，在异常事件处理专家库中找出对应的板坯处理结果。当某一钢种需要降级时，在降级数据库中按照当前钢种的化验成分查找到对应的降级钢种，系统再将处理结果数据自动保存到相关联的铸坯信息中。

(7)铸坯表面缺陷检测。当铸坯生成后，由人工对铸坯进行表面质量检测，发现缺陷后，将缺陷信息直接录入铸坯信息中，再将铸坯信息最终发送给L3级。

2.3 动态二冷水模型

连铸二次冷却在连铸生产中占有非常重要的地位，二次冷却过程很大程度上影响着铸坯的热状态，进而影响铸坯凝固组织的形成[11]。

系统的动态二冷控制主要包括有效拉速控制和目标铸坯表面温度控制两种方法。

(1)有效拉速控制。在实际连铸生产中，由于中间包内的钢水温度过高或过低、更换中间包等异常情况会引起拉坯速度的提升或降低，系统从一个稳态过渡到另一个稳态的过程中出现了非稳态情况，违反了冶金准则的要求，对铸坯的质量造成了影响。所以系统根据“传热—距离”原理引入有效拉速控制方法解决这一问题。方法是把浇铸的铸坯分成若干个小切片后，对每个铸坯切片在生产过程中所经历的拉速变化进行历史追溯，根据切片历史数据计算出各冷却区的平均拉速作为有效拉速，以此有效拉度替代实时速度。使二次冷却水量在拉速突变后，冷却水量能够动态的缓慢变化，从而保证了铸坯的质量[12]。

有效拉速的计算公式为

Vi=[(Pij/Tij) ]/Ni

(1)

式中，Vi为第i冷却区的有效拉速；Pij为第i冷却区第j个切片的当前位置；Tij为第i冷却区第j个切片的经历的时间；Ni第i冷却区的切片数目。

计算冷却水量与有效拉速之间的函数关系的二次方程式为

(2)

式中，Qi为i冷却区计算水量；Ai、Bi、Ci分别是对应于i冷却区的二次方程水量系数；K1为过热度修正系数；K2为二冷进水温度修正系数；K3为人工干预修正系数。

实践证明，每个冷却区的水量按照本冷却区的有效拉速变化，设定的水量在非稳态过程中平缓过渡。对于低拉速、开始浇注、拉尾坯等特殊工况的水量控制采用特定的工艺水量设定。

(2)铸坯表面温度控制。铸坯表面温度控制基于铸坯凝固传热计算，其输入参数包括了钢种化验成份、钢种物性参数、中包过热度、二冷水温度、环境温度、结晶器钢水液面、实时拉速等动态参数，系统根据铸坯凝固传热数学模型和铸坯切片跟踪原理实时的计算出生产过程中各冷却区的铸坯实际表面温度、内部温度、坯壳厚度等热力学参数。系统应用预先设定的在线钢种对应的各冷却区目标铸坯表面温度与铸坯凝固传热数学模型计算出的铸坯实际表面温度构成PID闭环水量调节系统，实时调节设定水量，使各冷却区的铸坯表面温度达到与目标表面温度一致[13]。这种方法相对于有效拉速二冷控制更加准确和精细，更符合铸坯凝固传热规律，可以很好的适应连铸生产的非稳态工况。

2.4 动态轻压下模型

中心偏析与疏松是连铸坯的主要内部缺陷,会引发一系列的钢材质量问题。通过实施动态轻压下，使溶质元素在钢水中合理的分配，使铸坯更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用，从而达到改善铸坯内部质量的目的。

轻压下实施的位置一般在两相区，通常以固相率区间来定义压下区间。系统首先通过温度场模型计算，获得板坯的凝固末端两相区状态参数，再结合铸坯的压下模型，计算得到铸坯的压下位置、压下量和压下率参数，并转换到辊缝上，最后传递给基础自动化的远程辊缝控制系统，实现对铸坯的动态轻压下控制。

动态轻压下系统的参数计算包括温度场参数计算和动态轻压下参数计算两个部分。

(1)温度场参数计算。系统将扇形段中的虚拟铸坯划分为切片进行跟踪，依据铸坯凝固传热理论，计算扇形段中每个位置切片铸坯的表面温度、中心温度和坯壳厚度，最终计算出铸坯凝固末端的两相区内的固相率分布参数。

对于板坯凝固传热模型，本系统依据的假设：温度场模型采用一维差分进行计算；忽略结晶器周期性振动以及弯月面波动的影响；忽略连铸坯的曲率，认为内外弧传热过程完全一致；忽略铸坯凝固收缩对温度场的影响；二冷区中采用综合换热系数的概念；不考虑对流场和溶质浓度场进行耦合计算[14]。

本项目采用热焓法得到板坯凝固传热方程

(3)

式中，λ为导热系数；ρ为密度；H为热焓；T为温度；x为坐标沿板坯中心指向厚度方向；t为时间。

(2)动态轻压下参数计算。压下模型的功能分为压下参数计算和压下规则制定两个部分。合理的轻压下参数是有效消除铸坯中心偏析与疏松的前提条件。准确的扇形段动作规则是压下动作准确实施的保证。

压下参数计算过程是：首先从数据库中获取扇形段设备参数、实时生产数据、钢种对应的压下参数等；再由温度场模型获取铸坯凝固末端两相区内固相率的分布参数；然后根据特定钢种的凝固末端两相区的热力学特点、热铸坯的机械力学特性计算得出的压下区域、压下总量、压下率和各扇形段入口和出口的压下量。一般采用固相率为0.2～0.75作为压下区间,压下量在2～6 mm区间[15,16]。

扇形段动作规则主要包括开始浇铸时的扇形段动作规则，拉尾坯时的扇形段动作规则,稳定拉速时的扇形段动作规则，升高拉速时扇形段的动作规则，降低拉速时扇形段的动作规则和异常情况下的扇形段动作规则。具体体现为实施轻压下的各扇形段在执行动作时的动作先后顺序和压下量的平缓变化两个指标。