铜管坯水平连铸水冷调控与实验分析

王守权岳峰丽陈大勇刘劲松陈传来

(1.沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心，沈阳 110016；3.常州润来科技有限公司，江苏 常州 213149)

铸轧法具有工艺流程短、模具费用低、能源消耗低、占地面积小、投资少等诸多优点，是铜杆、铜管、铜线、铜板带等铜材的主流生产工艺[1－3]。 水平连铸作为整个铸轧工艺的首道工序，决定铜材的组织及性能，其核心的控制环节是一冷水系统。现有铜管加工工艺的一冷水系统大多由人控制，操作者要具有丰富的经验，且水受到各种外界因素的干扰，温度会发生变化，若不能及时调整水量，会引发各种问题，影响生产效率和产品质量。一冷水量过大，铸坯会产生裂纹；水量过小，冷却不够，使坯壳太薄，造成漏液。

国内外对水平连铸水冷技术研究较多，但都集中在钢厂二冷水的控制上。 唐钢1700 板坯连铸机二次冷却水控制调节采用动态控制，通过比例控制、参数控制、目标表面温度控制等方法调节气动阀门开度以改变二次冷却段水流量[4]。 纪振平等[5]以方坯铸机为研究对象，研究了一种自适应的比例－积分－微分(PID)动态权值调整法用于二冷动态控制。 Wang 等[6]通过建立中厚板坯连铸凝固传热数学模型，开发了模拟板坯连铸凝固传热及水量分布的软件，利用软件确定了二冷区各回路的水量。 Ma 等[7]基于实时传热模型开发了动态控制系统，可连续测量二次冷却出口钢坯表面温度及针对不同铸造条件调整二次冷却水流量。 Brezina 等[8]通过建立热凝固数值模型，对比不同优化调节算法在连续铸钢二次冷却区的应用，优化冷却喷嘴的水流量，以满足在二次冷却过程中尽可能少出现缺陷的质量要求。 Cho 等[9]综述了利用电磁力控制板坯连铸过程中流体流动以提高连铸质量的研究现状，通过电磁系统设计防止缺陷的形成和提高钢的质量。

目前对一冷水控制的研究没有明确文献，国内大多数企业通过经验对铜管坯一冷水进行控制。 本研究建立一冷水控制模型，通过闭环控制，由上位机、可编程逻辑控制器(PLC)、触摸屏等进行流量控制，实现数据采集、精准控制、自我调节、自动报警等功能，从而提高生产效率和高铸坯质量。 通过对铜管坯水平连铸一次水冷进行自动控制研究，能稳定控制温度区间，实现铸坯水平连铸的自动化控制。

1 一次冷却水系统调控

1.1 结晶器结构

结晶器一次冷却水的控制在铜管坯水平连铸生产过程中至关重要，其结构由石墨、钢套、铜套等组成，如图1 所示。

图1 结晶器结构Fig.1 Structure of the crystallizer

1.2 水平连铸工艺

水平连铸工艺以电解铜板为原材料，电解铜板在熔炼炉中经1 150 ℃高温被融化成铜水，将铜水转移到保温炉中保存。 在铜管坯生产时，铜水在重力作用下注入水平放置的石墨结晶器中，经过一次冷却逐渐凝固形壳，从结晶器中被牵引出来后，经二次冷却凝固成铜管坯。

1.3 一冷水控制系统

铜管坯水平连铸生产线共有A、B、C、D 四个结晶器，每个结晶器的进水流量又分为两个流次，结晶器A 包含一次进水流量7 和一次进水流量8。 为实现PLC 控制流量，在原有管路中增加电动调节阀来控制结晶器水流量。 电动调节阀安装在结晶器的两进两出冷却水管路上，电动调节阀两端安装截止球阀，若电动调节阀出现失控情况，先打开旁路，再关闭截止球阀，可以迅速由在线切换为手动方式。 为节约成本，实验阶段在结晶器A 上进行。 一冷水控制系统设计思路如图2所示。

图2 一冷水控制系统设计思路Fig.2 Design concept of the primary cooling water control system

结晶器一冷水控制系统使用西门子S7-1200PLC。 在复杂工况中合理运用PLC 技术能显著增加系统的抗干扰性能，满足用户所需要的良好系统性能[10]。 在模拟量闭环控制系统中，被控量(水流量)是模拟量，执行机构(电动控制阀)要求PLC 输出模拟量信号，而PLC 的CPU 只能处理数字量。 在PLC 中可通过A/D 转换器和D/A 转换器将模拟量与数字量相互转换，最终输出模拟量用于控制电动调节阀的开度从而控制水流量[11]。

一次冷却水系统调控采用闭环控制，闭环控制程序的逻辑思路是把输出量直接或间接地反馈到输入端构成闭环。 通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能[12－14]。

为实现PLC 控制输入信号的设置功能，选择电动阀门输入输出信号为DC 4 ~20 mA。 根据现场实际情况，电动控制阀以AC 220 V 作为电源。水冷框架长1 835 mm、宽1 520 mm、高1 260 mm，水冷框架模型如图3 所示。

图3 水冷框架模型Fig.3 Frame of the water cooling system model

水平连铸生产过程中，结晶器一次冷却水的进水流量根据牵引机的平均牵引速度在程序中进行定义。 以正常生产阶段为例，其流量与牵引速度(档位)对应关系如表1 所示。

表1 不同牵引速度对应水流量Table 1 Water flow rate at different casting speeds

闭环控制是通过西门子S7 协议读取原水冷系统PLC 中的牵引机牵引速度，由牵引机的平均牵引速度对应生产过程中的档位与流量，使档位作为输入量输入到控制器PLC 中，由PLC 作为控制器控制执行器，即电动控制阀，水流量作为被控量，被电动控制阀控制。 闭环控制系统在程序中增加了一段if 函数作为比较器，比较流量的输出值与期望值并消除偏差，使消除偏差后的流量为输出量。 闭环程序设计思路如图4 所示。

图4 闭环程序设计思路Fig.4 The design idea of closed-loop program

2 一次冷却水控制实验

通过一次冷却水控制实验验证结晶器水流量闭环控制程序的稳定性。 为了生产与实验安全，在程序编程时增加了一段虚拟程序，虚拟程序是指不需要读取原PLC 中的牵引机数据，模拟输入不同范围牵引速度，让程序识别其档位。 同时为了实验方便，不影响实际生产，将实验分为三个阶段:虚拟控制程序下未接入生产流次实验；虚拟控制程序下接入生产流次实验；实际控制程序下接入生产流次实验。 相应的实验阶段状态如表2所示。

表2 实验阶段状态Table 2 The status of different experiments

2.1 现有水冷工艺参数分析

为了确定自动水冷系统控制目标，提取现有一个生产周期水冷工艺参数，分析现有参数的稳定程度，引入离散系数来判断程序控制条件下自动水冷系统所得到的流量波动程度，离散系数Cv计算式为

式中:σ为标准差；μ为平均值。

上位机安装监控软件，将该软件通过以太网与PLC 相连，该软件作为主站，PLC 作为从站。由传感器采集的数据传入到PLC，通过以太网将PLC 中的数据传递到上位机，由上位机监控软件提取的水冷工艺参数，如图5 所示。

图5 原水冷系统参数分析Fig.5 Analysis of the conventional water cooling system parameters

由图5 可知，正常生产时水流量波动在±0.5 L/min范围内。 经计算得到，一次进水流量7 的离散系数为12.57 ×10－3，一次进水流量8 的离散系数为9.64 ×10－3。 结合实际，在现有一冷水手动控制条件下，水流量及稳定性能满足铸坯凝固冷却要求，说明离散系数只要不超过9.64 ×10－3，就可以满足实际的生产要求。

2.2 虚拟控制程序下未接入生产流次实验

在虚拟控制程序下未接入生产流次实验中，即由虚拟程序控制不将结晶器连接到生产管路中，结晶器内无铜液。 由上位机提取闭环程序控制下得到的水流量实验数据，如图6 所示。

图6 虚拟控制程序下未接入生产流次实验数据Fig.6 Experimental data of inlet water flow rate without accessing to production under the virtual control program

由图6 可知，在闭环控制下，流量稳定性更好，可以达到工艺的控制要求。 其中一次进水流量7 最大流量为36.85 L/min，最小流量为36.30 L/min。 一次进水流量8 最大流量为36.87 L/min，最小流量为36.20 L/min。 经计算得到，一次进水流量7 的离散系数为2.42 ×10－3，一次进水流量8 的离散系数为2.57 ×10－3，一次进水流量7 与一次进水流量8 的离散系数均小于原水冷系统的离散系数。

2.3 虚拟控制程序下接入生产流次实验

虚拟控制程序下接入生产流次虚拟实验中，即由虚拟程序控制将结晶器接入生产管路中，但结晶器内无铜液。 由上位机提取闭环控制得到的水流量数据，如图7 所示。

图7 虚拟控制程序下接入生产流次实验数据Fig.7 Experimental data of inlet water flow rate with accessing to production under the virtual control program

由图7 可知，一次进水流量7 最大流量为36.91 L/min，最小流量为36.12 L/min。 一次进水流量8 最大流量为37 L/min，最小流量为36 L/min。 计算出一次进水流量7 的离散系数为3.04 × 10－3，一次进水流量8 的离散系数为2.60 ×10－3，一次进水流量7 与一次进水流量8的离散系数远小于原系统的离散系数。

2.4 实际控制程序下接入生产流次实验

在实际生产中闭环程序控制下得到的水流量数据如图8 所示。

图8 实际控制程序下接入生产流次实验数据Fig.8 Experimental data of inlet water flow rate with accessing to production under the actual control program

由图8 可知，一次进水流量7 最大流量为36.58 L/min，最小流量为36.14 L/min。 一次进水流量8 最大流量为35.78 L/min，最小流量为35.23 L/min。 一次进水流量7 的离散系数为2.54 × 10－3，一次进水流量8 的离散系数为2.68 ×10－3，均远小于原水冷系统的离散系数。在实际生产中控制水流量得到的实验数据虽然受到生产中各种因素的影响，有一定的波动，但完全可以达到实际生产要求的±0.5 L/min 波动范围。

3 结论

本文采用程序设计和物理实验验证的方法对现有铜管坯水平连铸一冷水控制进行分析，得到如下结论。

1)在结晶器一次冷却水路中增加电动控制阀，通过改变电动控制阀开度，消除流量设定值与传感器实际值间的误差，实现铜管坯水平连铸一冷水闭环控制。

2)闭环控制策略下流量控制更加稳定，其流量波动小于工艺要求的±0.5 L/min，最大的离散系数也小于工艺要求。