鑄機二冷配水控制模型研究

廣東陽春新鋼鐵責任有限公司設備工程部 劉文勇

鑄機二冷配水控制模型研究

廣東陽春新鋼鐵責任有限公司設備工程部 劉文勇

在煉鋼連鑄工藝中，二冷配水是影響鑄坯質量與產量的關鍵技術之一。單一的控制配水方式及數據模型限制了鑄機的整體提速，局限了新鋼種的開發研究，為滿足快速成產的要求并保證鋼坯高品質的成材率。本文通過對區域配水要求分析并結合現場工藝實際要求，建立了一種新的鑄機二冷配水控制數據模型，實現了連鑄二冷配水單元控制，完善了原有的配水方案。仿真及應用結果表明所建立模型和控制算法的有效性，并在五機五流的高速生產模式進行了驗證，結果滿足其實踐要求。

鑄機；二冷配水；自動調節；數據模型

1 引言

隨著鋼鐵市場競爭力的增加，行業內對過程控制的要求也越來越高。在生產過程的監測和控制過程中，提高冷卻控制是連鑄過程中影響鑄坯質量的關鍵與因素之一。其中，二次冷卻控制又是直接關系著鑄坯的熱裂紋缺陷等性能的核心技術。以某鋼鐵公司五機五流方坯鑄機（150mm×150mm）為例，每流配套自動冷卻噴水閥門四個，共20個自動噴水閥門。該工程項目自2010年竣工投產以來，二冷配水系統暴露出一系列問題，對生產造成了較為嚴重的影響，其現有的單一控制配水方式及數據模型限制了鑄機的整體提速，局限了新鋼種的開發研究。

為了滿足快速的生產節奏，加快對品種鋼的研發并保證鋼坯高品質的成材率，本文對控制數據模型作了進一步的探討研發、建立了一種新的鑄機二冷配水控制數據模型，實現了連鑄二冷配水單元控制，改進完善了原有的配水方案，并進行了現場試驗。

2 模型的建立

2.1 普通鋼種的初次配水模型

鑄機生產過程中，鋼水自中包澆入結晶器，經過攪拌及一次初冷，鋼坯從結晶器中連續拉出時還處在高溫且不穩定狀態，其內部結構還處在固液共存狀態。二冷室包含四個區域，按澆注方向上下左右四個方位全自動噴水，達到快速冷卻的目的。噴水流量跟隨拉速變化而變化，綜合考慮噴水流量計拉速參數對配水的影響，得到初次配水模型如下：

其中，Y為配水量，單位為m3/h，v為拉速，單位m/min，b,c為工藝常數，其數值大小隨工藝要求而定，其水流量與拉速的線性變化如圖1所示。

圖1 拉速與噴水量線性變化曲線

圖2 二冷室的區段劃分

澆注開始時，起步拉速為0，隨著開澆的進行，拉速逐漸變快，理論拉速變化范是(0，5)，噴水量隨著拉速增加，所以水量與拉速成一次線性函數關系。

2.2 區域配水模型

鑄坯從結晶器被拉出二冷室的過程是溫度階梯降低的過程。二冷室分為四個區段，鋼坯一區溫度大于二區，二區溫度大于三區，三區溫度大于四區，在溫度漸降過程中，各區的噴水量也要階躍變小，即一區的噴水量最大，四區的噴水量最小。其工藝區分圖如圖2所示。

其中，w鋼種拉速在3.5m/min左右時，工藝噴水流量需求如表1所示：

表1 335鋼種各區配水量

為實現區域配水實際工藝要求，引入PID自動調節器模型：

其中，誤差信號e(t) = SP(t) – PV(t)，M(t)為PID控制器的輸出值，Kc是控制器的增益（比例系數），Ti和Td分別是積分時間和微分時間，Minitial是M(t)的初始值，實際上是積分的初始值。由于其非線性輸出，在自動調節下得到如圖3所示的波形圖：

圖3 自動調節下輸出曲線

在半自動控制方式下，當設定值確定后，可投入運行。經過上下波動周期多次調節后，設定值與實際值趨于平衡，閥門開度達到穩定，各區域水量達到工藝要求量。

2.3 品種鋼的二冷配水模型

在生產實驗中，一次線性函數關系的初次配水控制模型基本能滿足生產普通鋼材的要求，但對開發及生產品質鋼材有一定的限制性，主要表現為：（1）品種鋼對噴水量與拉速呈二次函數變化需求；（2）不同鋼鐘對水量的要求存在差異；（3）對于五流鑄機，在單獨研究單流單區水量與某一種品質鋼的量化關系時，由于全機采用單一的計算公式而無法實現在線研究功能，不能作差異性在線生產實驗。

在鋼的連鑄過程中，鋼種成分、拉速、過熱度等參數都會對二次冷卻的效果產生一定的影響。所以綜合考慮二冷過程中的鋼種成分、澆注溫度參數對二冷配水的影響，建立了一元二次多維動態二冷配水控制模型。

其中，j為拉速值號；i為鋼種號；t：為閥號1、2、3、4、….20)；Yt表示i鋼種j拉速t號冷卻閥門的噴水量。A、B、C表示不同鋼種的常數，其值由工藝提供，v值理論區間為（0,5）。

2.4 二冷配水模型準確性校驗

圖4為水量特性曲線，其中，不同顏色的變化曲線代表某流某段水量控制趨勢，全鑄機實行多維曲線控制方案。圖5為現場某流一區磨合整定的水量曲線變化模型。在現場工況情況下，在拉速從0-5m/min的變化情況下，水量同步從0-45t/h的曲線趨勢變化。實驗證明一區水量符合這一變化規律，能滿意各種要求。

圖4 多維護動態水量特性曲線

圖5 某流一區水量特性曲線

圖6為一錯誤控制模型。顯示了現場實際配水特性曲線差異性，拉速在0-3.4米區間水量變化時，符合模型特性，但在超過3.4米以后，理論上水量被限制在3.4米水量之上。根據設計，要盡量防止該問題的出現。

圖6 錯誤控制模型

圖7 多維動態配水澆注過程水量趨勢圖

原3號鑄機一區的水量標定最大值只有25t/h，但根據配水模型計算可知：Yt在拉速超3.4米的情況下己大于25t/h。PID自動調控原理是在線檢測值小于設定值時閥門不斷開閥，所以導致閥門全部打開，所以實際水量達到了最大值45t/h，但PLC檢測的最大值只有25t/h，如此種種多為設計原因。

表2 各區配水有效范圍

3 二冷配水應用效果

在鑄機生產過程中，在保證質量的前提下如何提高拉速，一直是冶金工業中的重要目標。本文建立的品種鋼的二冷配水模型，經過現場磨合與試驗，目前在某鋼廠已成功上線應用。圖7為五機五流成功投運的某流四區開澆過程配水變化趨勢圖，圖中顯示了拉速從0提速到3.73米/分鐘的全程四區段配水量化趨勢。該二冷配水模型的投運較好地解決了實際問題，并己推廣到公司各臺鑄機使用。

表3 各閥功能參數整定功能塊

4 結論

通過對鑄機實際生產過程中問題的分析給出了品種鋼的二冷配水問題的描述。對現有的初次配水模型進行了深入的研究與分析，在簡化區域配水模型的基礎上，建立了二冷配水控制模型。通過實驗及現場投運效果，證明了本文的新方案能夠做到配水量的實時動態控制，且具有較高的準確性和穩定性，具有較高的推廣價值。

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Casting machine model of secondary cooling water distribution control practices

Liu Wenyong
（Xing Iron & Steel co.ltd,Yangchun GuanDong 5229600）

Spring new steel casting machine are introduced，secondary cooling water distribution control data model with the technological theory to improve the actual requirements for the site test and practice，gradually improve the water distribution plan，meet the high-speed production of five machine five flow patterns.

Casting machine；Two cold water distribution；Automatic regulation；Data mode

劉文勇（1972—），男，高級工程師，研究方向：計算機工業控制。