寶鋼連鑄二冷輕壓下模型自動控制系統的開發及應用

鄧 龍,郭亮亮,梅 峰

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

連鑄二冷壓下技術的發展有兩個重要的驅動因素,一個是產品高質量要求,一個是生產高效率要求。這兩方面直接影響生產工藝、連鑄設備以及控制策略的變化。比如,為了滿足產品表面質量控制的個性化要求,二冷水在幅切、噴嘴以及工藝配置上都會趨于更加靈活;為了滿足提高連連鑄爐數、提高收得率的高效生產需求,就必須強化異常和非穩態生產處理能力。正是因為這些變化,連鑄二冷和輕壓下模型逐漸從相對穩定的控制模式,向更靈活的柔性控制模式轉變,這對模型系統的精度、可靠性、拓展性等都提出了很高的要求。

寶鋼在連鑄工序積累了豐富的生產經驗、知識以及深刻的模型控制認知[1-4],為了確保2CC技改項目的順利實施,并進一步推動模型的優化和創新,自主開發了新一代二冷輕壓下模型自動控制系統,在線應用取得較好的控制效果。文章從模型原理、自動控制關鍵技術、軟件構架及功能等幾個方面,對二冷輕壓下模型自動控制系統進行了說明。

1 模型原理

二冷水控制是連鑄坯質量控制的重要工藝參數之一,它和連鑄坯裂紋等缺陷的形成有緊密的關系;輕壓下技術是在二冷技術基礎上發展而來,是在鑄坯完全凝固前通過實施適當的壓下量,來改善鑄坯內部的偏析和疏松[4-6]。

二冷水控制原理如圖1所示。

圖1 二冷水控制原理

二冷水控制分為靜態控制和動態控制兩大類。靜態控制是開環控制方式,一般根據實際拉速或模型計算拉速,利用靜態水表直接計算二冷控制區的水量,進行水量設定。動態控制是閉環控制方式,根據反饋對象的不同,有多種不同的動態控制模式,最常見的是鑄坯表面溫度反饋控制;除此之外,基于坯殼厚度反饋控制、基于鑄坯表面溫度下降梯度反饋控制的模式也有相關研究,但是在國內還沒有成熟運用案例。在進行二冷水動態控制時,鑄坯表面溫度、坯殼厚度等在線檢測技術還不成熟,在線檢測值難以直接運用到反饋控制之中去,現在一般都采用鑄坯凝固傳熱模型[2]作為軟測量方法,參與反饋控制。在實際生產時,為了保證控制過程的穩定性和控制精度,也可以將靜態和動態控制結合起來使用。

如圖2所示,輕壓下技術是在鑄坯跟蹤基礎上,計算鑄坯凝固終點,結合工藝給出壓下區間、壓下總量、壓下速率等參考值,實現可壓下扇形段的選擇以及對應的壓下量分配控制。按照控制方式的不同,可分為靜態輕壓下(Static Soft Reduction)和動態輕壓下(Dynamic Soft Reduction)。靜態輕壓下是在澆注前設置好固定的可壓下扇形段以及對應壓下量,并在澆注過程中保持不變,靜態輕壓下對生產穩定性的要求很高、對連澆爐數的限制很大;動態輕壓下是根據鑄坯實際凝固狀態動態調整輕壓下的控制參數,壓下位置是變化的,在動態輕壓下控制方式下,允許工藝參數存在適當波動,允許中間更換中間包、甚至允許異鋼種連續澆鑄,有利于合理安排生產,充分釋放設備產能。輕壓下技術,鑄坯凝固終點的確定非常關鍵,可以通過壓下力、鑄坯低倍偏析實績對模型參數進行修正,以提高模型計算精度。

圖2 輕壓下示意圖

2 自動控制關鍵技術

在鋼鐵生產少人化、集控化、一鍵化等大背景下,現場生產對模型系統全自動化控制要求越來越高,模型控制系統逐漸從附加項變為必選項。要實現模型全自動控制,除了對模型機理及其適用邊界的充分理解外,還要結合現場生產操作以及控制的特點進行應用技術的集成。下面針對連鑄過程對產品拓展及個性化控制、澆注異常,以及全流程自動控制等方面的需求,就二冷輕壓下模型自動控制的幾個關鍵技術進行說明。

2.1 產品層別劃分技術

合理的產品層別劃分應該涵蓋所有產品類別,是連鑄生產控制的基礎。在進行產品層別劃分時,模型控制需要考慮以下幾個方面的使用:產品物性參數、工藝控制參數以及模型調整參數等。產品物性參數包括密度、比熱容、導熱系數、熱焓、固液相線溫度等信息,工藝控制參數包括產品生產時二冷水、輕壓下的制造標準,模型調整參數包括模型運算和控制優化相關參數。

在進行產品層別劃分時,需要兼顧參數維護、控制精度以及控制穩定性的要求,同時還應該具有可擴展性,便于將來可能進行的鋼種擴展。以產品物性參數層別劃分為例,采用JmatPro、DynaPhase等鋼鐵材料計算軟件,計算不同C含量下的鋼坯固相線、液相線溫度分布,如圖3所示。隨著碳含量的增加,鋼坯固相線、液相線溫度呈現單調下降趨勢?？梢奀含量對產品物性參數影響顯著,因此,可以按照C含量對產品物性參數層別進行劃分,然后再根據合金含量進一步細分,形成碳—合金兩個維度的產品物性參數層別劃分方式,這樣既有利于維護,也方便拓展。

圖3 C含量和固液相線溫度的關系

2.2 產品個性化控制技術

二冷輕壓下控制是工藝、裝備、模型緊密融合的綜合性控制技術,產品的個性需求、設備狀態的變化對實際控制效果影響很大。模型系統要保證控制效果、提高適用性,需要開放調節手段,以滿足不同產品的差異化控制需求。

二冷水控制有靜態水表控制、表面溫度控制、坯殼厚度控制、主從控制等多種模式,根據設備實際狀態,允許不同二冷水控制區采用不同的控制策略進行多種策略的組合控制。舉個簡單的例子,根據實際冷卻效果以及設備控制特性,冷卻區的內外弧、中邊部等不同冷卻回路可以采用主從控制方式,足輥區域可以選擇靜態水表控制,而彎曲矯直段則可以采用鑄坯表面溫度控制等。同樣,輕壓下控制也需要根據產品跟蹤計算得到的凝固狀態,進行輕壓下位置、輕壓下量的動態修正,以滿足產品質量控制需求。當然,新的控制策略也需要新的模型技術的支撐,當鑄坯寬度方向噴嘴阻塞或水流密度不一致時,要精確計算鑄坯凝固終點,就需要三維溫度計算模型的支撐。

總之,根據現場生產經驗和實際控制效果,不斷總結、優化最合理的控制參數和控制策略,配置成一個具體的控制方案,由模型系統自動檢索,實現產品個性化的配置控制。

2.3 全流程控制技術

全流程以及非穩態生產處理能力是自動控制的重要組成部分,對于二冷輕壓下控制而言,全流程控制包括了如下兩個方面:①準備、插入、保持、鑄造、引拔等連鑄生產所涵蓋的所有生產模式;②連連鑄、中間包更換、滯坯、漏鋼降速等連鑄特殊場景。

要在保證生產穩定性的前提下實現二冷輕壓下模型全流程自動控制難度很大,可以說,每一個生產模式、每一個特殊場景都是一個具體的模型。要實現模型控制,首先是能夠準確識別生產過程,其次才是差異化控制。通過對生產模式、特殊場景的抽象以及對應控制邏輯的梳理,提供一個開放的框架,實現生產過程和工藝需求、控制參數之間的自由映射,為模型全自動控制打下堅實基礎。圖4為連鑄不同生產場景下進行差異化控制工藝配置的示意圖。

圖4 場景控制配置

3 軟件構架及功能

連鑄工序過程控制主要包括L1和L2系統,過程控制層面的智能化有兩個維度,一種是基于智能算法、專家系統的大數據應用,主要應用于過程決策、分析和診斷;一種是基于數學模型和專家知識的物理過程控制,主要應用于執行機構的實時控制。這兩個維度都有一個趨勢,就是進一步融合L1和L2系統,挖掘L1和L2系統之間的互補性價值作為傳統過程控制系統的有益拓展。新一代的連鑄動態二冷及動態輕壓下模型自動控制系統,要解決二冷輕壓下的全自動控制問題,和L1系統結合更加密切。為了保證控制的實時性及穩定性,二冷輕壓下模型控制系統直接和L1系統進行交互,和現有系統關系如圖5所示。

圖5 二冷輕壓下模型系統和其他系統的交互關系

模型系統采用C/S構架實現。服務端的所有服務采用了基于ICE的封裝,具有跨平臺特性,能夠較方便地實現服務和服務以及服務和應用之間的交互,并實現服務進程的調度和管理。

服務端的所有服務包括:①模型服務,負責鑄坯跟蹤、溫度及凝固計算、動態二冷水設定、動態輕壓下設定、鑄坯裂紋預測等運算模塊,是二冷輕壓下模型系統的核心功能。②靜態水表設計服務,負責實現不同產品不同目標表面溫度下的個性化水表優化設計。③通訊服務,負責模型系統和流儀表、流電氣、平臺公用等PLC之間的數據交互,具體包括讀取L1過程數據以及制造標準信息,寫入模型設定信息以及模型過程信息。④靜態水表維護服務,負責實現L1控制所需靜態水表的維護功能。⑤數據庫服務,負責實現過程數據的數據庫保存。

模型系統客戶端主要畫面如圖6、7所示。

圖6 鑄坯3D溫度跟蹤

圖7 動態輕壓下控制

4 結語

寶鋼股份2CC二冷輕壓下模型自動控制系統,是在寶鋼早期開發的模型系統的基礎上,結合現場豐富的生產知識,自主研發的新一代智能控制系統。該系統更多考慮了工藝優化、產品拓展、全流程控制等方面的需求,采用數字建模,實現控制工藝、控制策略的配置式生產,擴展性強,便于生產控制的持續優化和全自動控制的實現,也為高拉速控制以及產品拓展提供了模型基礎。

該系統現已穩定上線運行,并在2CC成功拓展了中碳鋼、管線鋼等新產品的生產能力,試制產品的鑄坯表面裂紋、中心偏析等質量缺陷均滿足產品質量控制要求,這為連鑄工序產品交叉生產提供了可行方案。