連鑄控制系統在穆巴拉克板坯生產線上的應用

米進周，張 非，溫 恒，楊文峰，劉維鴿

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.中國重型機械有限公司，北京 100070)

0 前言

伊朗穆巴拉克板坯連鑄生產線是穆巴拉克鋼鐵公司引進中國重型機械研究院股份公司連鑄技術的一條整體裝機水平較高的一臺兩機兩流(鑄坯最大厚度250 mm，寬度2 000 mm)板坯連鑄生產線，其自動化和工藝控制均達到了一流水平。其中，連鑄過程控制系統是自動控制和工藝控制的重要組成部分。

連鑄過程控制系統是位于L3級(生產制造執行層級)與L1級(基礎自動化層級)之間的層級，對連鑄生產的信息流起到承上啟下的作用。其主要包括連鑄生產物料跟蹤制造命令執行系統、連鑄生產工藝控制數學模型兩個部分[1]。

連鑄生產物料跟蹤與制造命令執行系統一方面對連鑄生產的物料、最終鑄坯和生產過程進行全程跟蹤，收集記錄相關的數據，進行處理和統計后發送給L3級；另一方面，其根據L3級下發的生產計劃與制造標準生成制造命令下發給基礎自動化系統。連鑄生產物料跟蹤與制造命令執行系統的應用實現了連鑄生產過程的數字化、透明化和無紙化，使得煉鋼與軋制工序之間的生產信息流得以貫通,大大提升了連鑄生產的自動化和信息化水平，降低了操作人員的工作量,提高了生產管理的效率。

連鑄生產工藝控制主要是熱工過程和物理化學反映過程[2]，這些過程控制的數學模型主要包括切割優化模型、質量控制模型、動態二次冷卻水模型、動態輕壓下模型。這些工藝控制模型的應用，提高了最終合格鑄坯的收得率，鑄坯的質量也得到了很大的提升，給企業帶來了可觀的經濟效益。

1 連鑄生產物料跟蹤與生產制造命令執行

連鑄生產物料跟蹤與制造命令執行系統主要包括物料跟蹤和生產制造命令執行兩個部分。

1.1 連鑄生產物料跟蹤

連鑄生產物料跟蹤是過程控制系統的基本功能，其物料跟蹤數據也是工藝控制模型的基礎數據來源之一。該系統對各包鋼水從到達連鑄機回轉臺開始跟蹤，直至切割成定尺鑄坯，最后下線或熱送的全過程進行跟蹤。物料跟蹤主要包括爐次跟蹤、鑄流跟蹤、鑄坯跟蹤三個部分[3]。

(1)爐次跟蹤。爐次跟蹤是對鋼包從到達回轉臺直到離開回轉臺的全過程信息的跟蹤和收集。主要內容包括澆次、爐次、包號、鋼種、鋼種化驗成分、鋼包開澆時間、停澆時間、重量、鋼水溫度等。其中，澆次、爐次、包號、鋼種通常取自于L3級下發的生產計劃，當L3級通訊出現故障時，這些參數可以通過人工錄入完成。

當上一包鋼水從中間包完全流入結晶器時，系統自動記錄爐次間接縫信息。收集到的數據同時保存到內存和數據庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成；同時，系統根據下一包開澆時的中包重量和前后爐鋼種成分差規則，自動進行異鋼種連澆的混鋼區域計算。

(2)鑄流跟蹤。鑄流跟蹤收集從鋼水進入中間包開始，經過結晶器、扇形段設備直到板坯切割完成整個生產過程中的信息，鑄流跟蹤系統將鑄流區域劃分為定長的切片，再以切片的形式跟蹤記錄澆鑄過程中各鑄流產生的每個切片的實時數值和平均參數數值，包括澆鑄拉速、澆鑄長度、中間罐鋼水溫度、結晶器振頻、振幅、一冷水量、一冷水壓力、二冷區水量等。

鑄流跟蹤系統自動根據生產切割計劃和爐次接縫信息在扇形段中預生成計劃長度的虛擬鑄坯。當實際切割完成后，系統自動記錄切割的鑄坯實績(包括鑄坯號、爐次、坯序等信息)。收集到的數據同時保存到內存和數據庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成[4]。

(3)鑄坯跟蹤。鑄坯跟蹤區域為從完成切割形成實際鑄坯開始到板坯下線或熱送為止，收集每塊鑄坯經過處理的信息(包括噴號、去毛刺、稱重等)，收集到的數據同時被保存到內存和數據庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成。鑄坯生成后，由人工進行表面質量檢測，將質量結果錄入鑄坯信息中。

1.2 生產制造命令執行

生產制造命令執行系統是過程控制系統接受L3級系統下達的生產計劃和制造標準，生成連鑄生產制造命令，再從冶金數據庫中提取對應的鑄造設定參數下發給基礎自動化系統執行。主要內容包括設定拉速、一次冷卻水設定模式、二次冷卻水設定模式、結晶器振動模式、遠程輥縫設定參數、定尺參數等。

當前鑄坯切割完成后，系統自動從生產計劃中提取下一塊切割定尺參數，下發給切割機控制系統執行。由切割實績產生的鑄坯號經過順序跟蹤后，發送到鑄坯噴號機控制系統完成鑄坯編號的噴印。

2 連鑄工藝控制模型

穆巴拉克板坯連鑄生產線應用的工藝控制模型主要包括切割優化模型、質量控制模型、動態二次冷卻水模型和動態輕壓下模型。

2.1 切割優化模型

切割優化模型是對鑄坯切割長度進行控制與優化，其目的是在完成生產計劃的同時，盡量減少鑄坯損失，提高收得率，以獲取最大的經濟效益[5]。

鑄坯切割優化長度，是在切割計劃中切割定尺長度基礎之上制定的可變切割長度的“最大—最小”值范圍。通過修改相關“鑄坯數量”和“最佳的坯長”來實現新的設定切割長度,并下載到基礎自動化系統。切割長度優化不僅應用了最佳長定尺和短定尺最佳組合計算，而且遵循最佳定尺專家庫規則，使得切割定尺更加符合生產需要和客戶訂制要求[6]。

優化切割長度系統對自中包開始，直到上次切割完成切縫線間的虛擬鑄坯區域進行鑄坯長度優化。按照區段類型進行劃分，主要包括良坯區段優化、異常坯區段優化和人工強制優化三個部分。良坯段優化主要是尾坯優化和多流停澆優化。異常區段優化主要包括異鋼種混合區段優化、廢坯區段優化、降級鋼種區段優化。人工強制區段是當系統沒有自動識別出異常區段時，由人工通過HMI界面強制設定起點和長度以及特殊的鑄坯識別號作為異常識別段。

良坯段優化，根據目標長度、最大—最小范圍長度并結合鋼水多計算、鋼水少計算方法進行，此方法為通用的長度優化方法[7]。

尾坯優化就是單流鋼水停止澆入結晶器時，對尚未切割的所有剩余鑄坯進行切割長度優化計算。

流關閉優化是在多流同時澆鑄的情況下，多流統一考慮整體的切割長度優化。本系統中采用了當某流最后一塊虛擬坯先到達定尺長度并預留了尾坯長度時，先關閉此流。最后一流進行尾坯優化的方法。

良坯區段與異常區段相接時，對良坯區段進行正常優化，如果優化后有剩余，剩余部分則加入異常坯段中。

異常優化方法主要基于生產的工藝要求，一般的原則是使得異常坯上占有的良坯區間最小，并保證良坯的純潔。如果異常區段長度小于長度500 mm，則附著在前一塊良坯的尾部，再下線后切割掉；如果長度在500 mm與4 500 mm之間不能全部附著在前一塊良坯的尾部，則前鑄坯取設備上限長度，剩余的異常部分附于后一塊鑄坯的前部；如果長度大于4 500 mm時，單獨作為一塊異常坯。

2.2 質量控制模型

由于生產過程中出現的質量相關異常事件與可能造成的鑄坯質量問題之間的關系非常復雜，包括鑄鋼宏觀外形變化、微觀組織的變化，涉及到復雜的鑄坯受力力學性能理論、鑄坯動態凝固傳熱理論等專業知識領域，造成了連鑄過程異常事件與可能造成的鑄坯質量缺陷之間的關系經常是非線性的，不能用解析式來準確表達[8,9]。所以在實際應用中，需要選擇簡單實用的方案來實現質量判定功能，再以智能方法(例如自學習)作為補充來逐步完善系統。

本系統的質量控制模型主要是基于專家數據庫。主要功能包括系統變量的建立、事件定義、異常事件觸發、異常處理專家數據庫建立、異常事件關聯、異常處理結果最終判定和鑄坯表面缺陷檢測。

(1)系統變量的定義。系統通過HMI界面，在全局變量數據庫表中添加變量。變量分為手動變量和自動變量。手動變量由操作工在HMI界面進行操作，通過WCF通訊傳送到質量控制模型進行賦值(例如，大包裸露澆注、結晶器液面渣圈等)。自動變量將所有與質量相關的PLC數據自動采集，建立的變量可在定義異常事件時連接到異常事件中。

(2)質量事件定義。如圖1所示，異常事件分為3層結構，異常事件定義層、1級相關項層和2級相關項層。

圖1 異常事件結構

2級相關項為最小的關系表達式，其由變量、操作符、數值三部分組成。其中，變量從定義好的變量表中選擇。操作符包括“>”、“<”、“=”、“>=”、“<=”五種符號。值為數值或者字符串，表達式最終將得到一個比較運算的結果，true為滿足條件，false為不滿足。

1級相關項表達式由多個2級相關表達式通過邏輯運算組成，邏輯運算符包括“與運算”和“或運算”。1級相關項表達式最終將得到一個邏輯運算的結果，true為滿足條件，false為不滿足。

事件定義表包括了事件觸發標志、異常事件前偏移量、異常事件后偏移量、異常事件優先級和異常事件1級相關項字段。事件觸發標志為事件觸發的控制開關，值為0表示事件不觸發，值為1表示事件可以觸發；異常事件前偏移量表示對事件開始之前的鑄坯質量影響范圍(以長度表示)；異常事件后偏移量表示事件結束后對之后的鑄坯質量影響范圍(以長度表示)；事件優先級為事件對質量的影響程度；1級相關項表達式為異常事件觸發的條件，條件滿足時就觸發事件。

(3)異常事件觸發。定義好事件后，在事件觸發標志值為1的前提下，如果事件對應的1級相關表達式中的邏輯運算結果從false變為true時，則觸發事件，同時異常事件前偏移量將事件向前延長前偏移量的長度；當事件對應的1級相關表達式中的邏輯運算結果從true變為false時，則結束事件，異常事件結束的長度也將向后延長一個后偏移量。系統自動將事件的觸發和結束信息寫入數據庫和內存中保存。觸發的事件將以切片的形式根據不同等級用不同顏色在HMI中進行顯示。

(4)異常事件專家數據庫建立。專家數據庫是通過建立完善的、切合實際的生產經驗庫，并利用生產經驗庫的各種規則，實時地監測鑄機狀況，準確地記錄那些不符合規則的參數(即質量事件)，并最終反映到鑄坯上，進而對生產過程進行實時的評估[10]。

系統根據鋼種用途將鋼種分為5個鋼種組，每個異常事件與5個鋼種組組合產生三種處理方式，將所有的事件數據、鋼種組數據以及兩者組合對應的處理方法經驗數據錄入數據庫中，建立了異常事件處理專家數據庫。

三種處理方式包括鋼種降級、是否定尺優化和切后精整處理方法。鋼種降級的內容包括OK—不降級，DEV—降級；定尺優化的內容選項包括YES—優化，NO—不優化；精整處理方式的內容包括OK—按原計劃處理，CSM—機器火焰機清理，TC—橫向切割，DDR—直接送軋機，MSC—手動火焰機清理，SSR—表面反向翻轉。

對于需要降級的鋼種，根據碳當量和降級鋼種成分標準進行組合，形成降級鋼種專家數據庫。

(5)異常事件關聯。異常事件關聯是根據事件發生的開始長度和結束長度將其分別關聯到虛擬區鑄坯的切片上、虛擬區鑄坯上和實際切割鑄坯上，并對事件在鑄坯上進行精確定位。

(6)異常處理結果最終判定。生產過程中，根據當前生產的鋼種和發生的異常事件數據，在異常事件處理專家庫中找出對應的板坯處理結果。當某一鋼種需要降級時，在降級數據庫中按照當前鋼種的化驗成分查找到對應的降級鋼種，系統再將處理結果數據自動保存到相關聯的鑄坯信息中。

(7)鑄坯表面缺陷檢測。當鑄坯生成后，由人工對鑄坯進行表面質量檢測，發現缺陷后，將缺陷信息直接錄入鑄坯信息中，再將鑄坯信息最終發送給L3級。

2.3 動態二冷水模型

連鑄二次冷卻在連鑄生產中占有非常重要的地位，二次冷卻過程很大程度上影響著鑄坯的熱狀態，進而影響鑄坯凝固組織的形成[11]。

系統的動態二冷控制主要包括有效拉速控制和目標鑄坯表面溫度控制兩種方法。

(1)有效拉速控制。在實際連鑄生產中，由于中間包內的鋼水溫度過高或過低、更換中間包等異常情況會引起拉坯速度的提升或降低，系統從一個穩態過渡到另一個穩態的過程中出現了非穩態情況，違反了冶金準則的要求，對鑄坯的質量造成了影響。所以系統根據“傳熱—距離”原理引入有效拉速控制方法解決這一問題。方法是把澆鑄的鑄坯分成若干個小切片后，對每個鑄坯切片在生產過程中所經歷的拉速變化進行歷史追溯，根據切片歷史數據計算出各冷卻區的平均拉速作為有效拉速，以此有效拉度替代實時速度。使二次冷卻水量在拉速突變后，冷卻水量能夠動態的緩慢變化，從而保證了鑄坯的質量[12]。

有效拉速的計算公式為

Vi=[(Pij/Tij) ]/Ni

(1)

式中，Vi為第i冷卻區的有效拉速；Pij為第i冷卻區第j個切片的當前位置；Tij為第i冷卻區第j個切片的經歷的時間；Ni第i冷卻區的切片數目。

計算冷卻水量與有效拉速之間的函數關系的二次方程式為

(2)

式中，Qi為i冷卻區計算水量；Ai、Bi、Ci分別是對應于i冷卻區的二次方程水量系數；K1為過熱度修正系數；K2為二冷進水溫度修正系數；K3為人工干預修正系數。

實踐證明，每個冷卻區的水量按照本冷卻區的有效拉速變化，設定的水量在非穩態過程中平緩過渡。對于低拉速、開始澆注、拉尾坯等特殊工況的水量控制采用特定的工藝水量設定。

(2)鑄坯表面溫度控制。鑄坯表面溫度控制基于鑄坯凝固傳熱計算，其輸入參數包括了鋼種化驗成份、鋼種物性參數、中包過熱度、二冷水溫度、環境溫度、結晶器鋼水液面、實時拉速等動態參數，系統根據鑄坯凝固傳熱數學模型和鑄坯切片跟蹤原理實時的計算出生產過程中各冷卻區的鑄坯實際表面溫度、內部溫度、坯殼厚度等熱力學參數。系統應用預先設定的在線鋼種對應的各冷卻區目標鑄坯表面溫度與鑄坯凝固傳熱數學模型計算出的鑄坯實際表面溫度構成PID閉環水量調節系統，實時調節設定水量，使各冷卻區的鑄坯表面溫度達到與目標表面溫度一致[13]。這種方法相對于有效拉速二冷控制更加準確和精細，更符合鑄坯凝固傳熱規律，可以很好的適應連鑄生產的非穩態工況。

2.4 動態輕壓下模型

中心偏析與疏松是連鑄坯的主要內部缺陷,會引發一系列的鋼材質量問題。通過實施動態輕壓下，使溶質元素在鋼水中合理的分配，使鑄坯更加均勻致密，起到改善中心偏析和減少中心疏松的作用，從而達到改善鑄坯內部質量的目的。

輕壓下實施的位置一般在兩相區，通常以固相率區間來定義壓下區間。系統首先通過溫度場模型計算，獲得板坯的凝固末端兩相區狀態參數，再結合鑄坯的壓下模型，計算得到鑄坯的壓下位置、壓下量和壓下率參數，并轉換到輥縫上，最后傳遞給基礎自動化的遠程輥縫控制系統，實現對鑄坯的動態輕壓下控制。

動態輕壓下系統的參數計算包括溫度場參數計算和動態輕壓下參數計算兩個部分。

(1)溫度場參數計算。系統將扇形段中的虛擬鑄坯劃分為切片進行跟蹤，依據鑄坯凝固傳熱理論，計算扇形段中每個位置切片鑄坯的表面溫度、中心溫度和坯殼厚度，最終計算出鑄坯凝固末端的兩相區內的固相率分布參數。

對于板坯凝固傳熱模型，本系統依據的假設：溫度場模型采用一維差分進行計算；忽略結晶器周期性振動以及彎月面波動的影響；忽略連鑄坯的曲率，認為內外弧傳熱過程完全一致；忽略鑄坯凝固收縮對溫度場的影響；二冷區中采用綜合換熱系數的概念；不考慮對流場和溶質濃度場進行耦合計算[14]。

本項目采用熱焓法得到板坯凝固傳熱方程

(3)

式中，λ為導熱系數；ρ為密度；H為熱焓；T為溫度；x為坐標沿板坯中心指向厚度方向；t為時間。

(2)動態輕壓下參數計算。壓下模型的功能分為壓下參數計算和壓下規則制定兩個部分。合理的輕壓下參數是有效消除鑄坯中心偏析與疏松的前提條件。準確的扇形段動作規則是壓下動作準確實施的保證。

壓下參數計算過程是：首先從數據庫中獲取扇形段設備參數、實時生產數據、鋼種對應的壓下參數等；再由溫度場模型獲取鑄坯凝固末端兩相區內固相率的分布參數；然后根據特定鋼種的凝固末端兩相區的熱力學特點、熱鑄坯的機械力學特性計算得出的壓下區域、壓下總量、壓下率和各扇形段入口和出口的壓下量。一般采用固相率為0.2～0.75作為壓下區間,壓下量在2～6 mm區間[15,16]。

扇形段動作規則主要包括開始澆鑄時的扇形段動作規則，拉尾坯時的扇形段動作規則,穩定拉速時的扇形段動作規則，升高拉速時扇形段的動作規則，降低拉速時扇形段的動作規則和異常情況下的扇形段動作規則。具體體現為實施輕壓下的各扇形段在執行動作時的動作先后順序和壓下量的平緩變化兩個指標。

3 結束語

連鑄過程控制系統在伊朗穆巴拉克板坯連鑄生產線的應用經過長時間的驗證，效果良好。連鑄生產物料跟蹤與制造命令執行系統完成了連鑄生產的過程數據收集和生產制造命令的執行，實現了連鑄生產過程的數字化、透明化和無紙化，使得煉鋼與軋制工序之間的生產信息流得以貫通,大大提升了連鑄生產的自動化和信息化水平。

相對于傳統的連鑄生產控制(例如，水表模式計算二冷水)，連鑄生產工藝控制數學模型的應用，使得鑄坯質量控制更精確，系統更適應連鑄生產的非穩態工況，合格鑄坯的收得率得到了提高，鑄坯的質量得到了較大的提升，給企業帶來了可觀的經濟效益。