連鑄二次冷卻基礎自動化模擬系統

馬海峰　張濤

摘 要：通過對連鑄二冷控制一級基礎自動化的分析，確定一級基礎自動化模擬系統需要實現的功能，并以Visual Basic6.0為編程環境，編制了連鑄一級基礎自動化部分模擬系統，通過以太網實現模擬系統與二冷二級控制系統之間的通訊，將連鑄生產過程的模擬數據反饋給二冷二級控制系統，為連鑄二冷二級控制系統的開發調試提供了便利條件。從鋼水的凝固過程為多元系相變出發，建立連鑄板坯凝固傳熱的二冷控制模型，以此求得鑄坯表面的溫度分布，將此溫度分布作為連鑄坯表面溫度反饋。

關鍵詞：連鑄；二次冷卻；一級基礎自動化；模擬系統

中圖分類號：TF777 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0009-02

我國使用的板坯連鑄生產線絕大部分是從國外成套引進的，極少購買價格昂貴的核心程序。一些小型鋼鐵企業只使用一級PID控制實現二冷控制，導致鑄坯質量穩定性較差。而引進板坯連鑄生產線的企業并沒有重視對控制系統的消化吸收，隨著年產量的提高和開發市場需求新鋼種的需要，感到力不從心、困難重重，甚至因系統維護不及時造成控制系統某些模塊不能正常工作，只能靠基礎自動化級進行簡單的PID控制，嚴重影響了鑄坯質量。從生產能力及開發新鋼種，提高企業的競爭能力來講，控制系統的升級改造都迫在眉捷。目前國內對二冷控制的研究主要是對模型的改進、利用智能算法對二冷配水優化或通過調整噴嘴的布局來達到改善鑄坯質量的目的，而對二冷二級控制系統的開發仍未見有關報道。

連鑄二冷控制是一個復雜的控制系統，其開發過程也是繁復的，其調試也是不可或缺的，但是由于生產過程的不可中斷性和經濟效益方面的因素，控制系統開發過程中，不可能在實際生產過程中直接調試，所以，開發一套可以模擬基礎自動化部分模擬系統，是二冷二級控制系統順利開發的有效保證。

1 連鑄一級基礎自動化的功能

連鑄一級基礎自動化接收二級控制系統發送的二冷各段的設定水量或二冷各段水量控制參數，依此調節噴嘴閥門的開度實現水量的控制，并將采集到的二冷各段實際水量、拉坯速度、中包溫度及二冷各段的鑄坯表面溫度反饋到二級控制系統，二級控制系統通過反饋的數據計算出下一時間段內二冷各段的設定水量或二冷各段水量控制參數。因此，一級基礎自動化模擬系統應具有相應的通訊端口，可以實現以上的數據收發，為了模擬實際生產過程，一級基礎自動化模擬系統向二級控制系統反饋的數據應具有一定的波動性，由此，開發環境界面如圖1所示。

2 接口及功能實現

在實際生產過程中，一級基礎自動化部分與二級控制系統之間一般通過工業以太網連接，實現數據的通訊，因此開發環境的通訊端口也選擇以太網作為數據交換的端口，二冷控制系統開發環境采用VisualBasic6.0編制，通過UDP協議（用戶數據報協議）或TCP協議（數據傳輸協議）連接到遠程的機器并進行數據交換。

調試二冷二級控制系統時，首先在開發環境中選擇相應的鋼種和冷卻模式，并填寫鑄坯寬度、厚度、中包溫度以及拉速和拉速的波動方式、范圍，如圖1所示，表示拉速以1 m/min，每隔80 s產生一個±10%范圍內的隨機波動值，作為當前拉速，圖1中當前的拉速為1.04 m/min。二冷各段的實際水量，將按照設定水量在輸入的百分比（圖1中為±10%）范圍內產生的隨機數確定。這些數據將作為反饋數據傳送到二冷二級控制系統。反饋數據中，鑄坯表面溫度，按照以下方式求解。

3 鑄坯表面溫度的求解

鋼的成分除Fe外，還有C、Si、Mn、P、S等其他元素，鋼水的凝固過程為多元系相變，，凝固過程中存在固相區、糊狀區和液相區，板坯凝固傳熱的微分方程為：

將鑄坯沿拉速方向分割成（0～N）個斷面。假定0斷面在結晶器彎月面處。各個斷面都以v=v（t）的拉速沿z軸運動，依次經過結晶器和二冷段各區域，同時新的斷面在結晶器彎月面附近以一定的頻率（與拉速v有關）產生，出二冷區后結束。兩相鄰斷面之間的距離用Δh來表示，通過實際的拉速跟蹤計算各切片單元所在位置，在相鄰的兩個斷面之間的單元內假設溫度T只是空間位置的函數，不隨時間t而變化。首先，在一個單元內對傳熱偏微分方程按各個不同的相區進行空間位置積分，得到的是溫度T關于時間導數的常微分方程組，按追趕法求解此常微分方程組，得到溫度關于時間的導數，由溫度關于時間的導數就可求得鑄坯的表面溫度。

設固相區、糊狀區、液相區的厚度分別為d1、d2、d3，各個相區內的溫度分布是厚度方向函數，其關系如下，以厚度方向為x軸：

4 模型驗證

采用以上鑄坯表面溫度求解方法，以1 500×150Q235B為例計算鑄坯溫度，并與河南某鋼廠控制實際生產的Alpha機在相同參數情況下離線運行的結果進行對比驗證。連鑄機的參數如下：

該鑄機為立彎型板坯連鑄機，平板型結晶器，鑄機基本弧形半徑8 m，矯直方式為連續矯直。

二冷區共分為8個冷卻段，其中第8冷卻段的水量不進行控制，處于常開狀態，其余七段的長度分別為：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段的寬面和窄面冷卻水量、4～7段內外弧冷卻水量按一定的比例分配。2、3段內外弧冷卻水量相同。鋼的物性參數：固態、糊狀、液態的比熱容分別為665.31、700.00、743.50 J/（kg·K），密度為7 200 kg/m3；固態、糊狀、液態的導熱系數分別為31.33、41.27、99.00 W/（m·K）；液相溫度為1 528.5 ℃，固相溫度為1 506.9 ℃，澆注溫度為1 553 ℃。澆注速度1.0 m/min，澆注速度波動不超過正常拉速的20%。

運行結果對比見表1。

5 結 語

①表1中，Alpha機運行在離線狀態下，實際水量無波動，按設定水量取值。

②分析了連鑄二冷控制一級基礎自動化部分的功能，并以VisualBasic6.0為編程語言，編寫了連鑄二冷一級基礎自動化模擬系統，通過工業以太網實現模擬系統與二級控制系統之間進行通訊，將鋼種、冷卻模式、鑄坯寬度、厚度、中包溫度、拉速及表面溫度等信息反饋到二級控制系統。實際使用表明，該系統可以作為二冷二級控制系統開發過程中一級基礎自動化部分的模擬，便于二級控制系統的開發和調試。

③從鋼水的凝固過程為多元系相變出發，建立了連鑄板坯凝固傳熱的二冷傳熱模型，通過這個模型求得連鑄坯表面溫度，以此作為一級基礎自動化部分向二級控制系統的表面溫度反饋。

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