連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)

寶山鋼鐵股份有限公司

一、企業(yè)及項目概況

連鑄生產(chǎn)過程中，隨著鋼包 澆注的進(jìn)行，鋼包內(nèi)部的鋼水液面會逐漸下降，同時會產(chǎn)生流動。在澆注的中后期，鋼水在鋼包內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，在出鋼口上方附近形成漩渦，漂浮在鋼水上面的鋼渣被漩渦的吸附力卷下，混著鋼水經(jīng)長水口流入中間包，形成下渣。過量的鋼渣不僅會降低鋼水的潔凈度，影響鑄坯質(zhì)量，甚至導(dǎo)致拉漏事故；而且會加速中間包耐火材料的腐蝕，縮短其使用壽命，增加中間包渣殼重量，影響連鑄生產(chǎn)的進(jìn)行。

為了減少從鋼包中流出過量鋼渣所產(chǎn)生的不良影響，現(xiàn)有連鑄生產(chǎn)線采用人工或自動下渣檢測手段來判斷鋼渣的出現(xiàn)，當(dāng)檢測到鋼渣超過工藝規(guī)定值時，及時關(guān)閉滑動水口，結(jié)束澆注。這樣雖然防止了鋼渣的流出，保證了鋼水的質(zhì)量，但由于漩渦吸附卷渣的存在，所以在鋼包下渣時，包內(nèi)還留有大量的純凈鋼水。通過長期對連鑄生產(chǎn)線大包終澆后鋼包翻渣量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在鋼包澆注結(jié)束時，150噸的鋼包平均剩余的鑄余渣（鋼水+鋼渣）為4噸以上，其中純凈鋼水2噸以上；300噸的鋼包平均鑄余渣為6噸，其中純凈鋼水3噸以上。這些鋼水一般全當(dāng)鋼渣處理，造成資源的很大浪費。

針對目前連鑄鋼包澆注過程中存在的不足，寶鋼股份研究院智能制造所提出了對連鑄鋼包殘留鋼水實施優(yōu)化控制的思想，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，成功研制出“連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制技術(shù)”。該技術(shù)研究了鋼包澆注末期漩渦吸附卷渣的形成機(jī)理，通過實時檢測和在線辨識澆注過程中包內(nèi)鋼水流場的動態(tài)分布，識別漩渦的形成情況，并通過智能優(yōu)化控制策略進(jìn)行控制，抑制和破壞漩渦的形成，使鋼渣留在包中而使鋼水流出，從而減少殘鋼量，提高鋼水收得率。

二、項目主要實施內(nèi)容

（一）技術(shù)原理

根據(jù)流體力學(xué)原理可知，容器通過小孔向外排流過程中，四周的液體會向小孔方向匯流，隨著液面的降低，當(dāng)容器中液體快流完而液面降到臨界高度時，原本向流出口中心線匯流而出的流體質(zhì)點會疊加切向速度（角速度），使其流動軌跡越來越偏離徑向而逐漸演變成圍繞中心線的旋轉(zhuǎn)流動，從而在流出口上方就會形成漩渦，漩渦的形狀呈倒錐體，具有很強(qiáng)的吸附力。漩渦是普遍存在的一種自然現(xiàn)象，這種由于液體匯流到流出孔中心線而形成的漩渦，也稱為匯流漩渦。

在連鑄鋼包澆注過程中具有同樣的現(xiàn)象，鋼水從鋼包流入中間包的過程中，隨著澆注的進(jìn)行，鋼包內(nèi)部的鋼水液面會逐漸下降，同時會產(chǎn)生流動，在澆注的中后期，鋼水在鋼包內(nèi)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動，在出鋼口上方形成漩渦。鋼水產(chǎn)生漩渦后，由于離心力的作用，使中心渦不斷增大。因鋼渣是由鋼水帶動旋轉(zhuǎn)，鋼渣的粘度大，所以旋轉(zhuǎn)速度比鋼水低很多，產(chǎn)生的離心力就小，會匯聚在漩渦中心附近，在漩渦的吸附作用卷下，混著鋼水經(jīng)長水口流入中間包，形成下渣。由于連鑄鋼包存在漩渦吸附卷渣的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在澆注結(jié)束時鋼包內(nèi)留有大量純凈鋼水。

連鑄鋼包澆注過程中的下渣情況極其復(fù)雜，尤其是鋼包內(nèi)漩渦的形成和流場形態(tài)。在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，該技術(shù)總結(jié)了與包內(nèi)漩渦和流場形態(tài)密切相關(guān)的各種關(guān)鍵因素，利用鋼包內(nèi)漩渦形成機(jī)理，在鋼包澆注全過程中，提取生產(chǎn)過程特征數(shù)據(jù)，通過實時檢測和計算包內(nèi)鋼水流場分布，識別漩渦的形成情況，根據(jù)鋼水和鋼渣不同的形態(tài)，選擇對應(yīng)的優(yōu)化策略加以控制。針對漩渦的形成過程，主要分兩個階段來進(jìn)行控制：

第一個階段是在出鋼口上方剛生成表面凹渦開始到形成貫通漩渦這段時間。該階段采用抑制漩渦形成的控制方法，即延遲貫通漩渦的形成，這樣就延遲了下渣的發(fā)生，減少了鋼包內(nèi)的殘留鋼水。

第二個階段是在貫通漩渦形成之后，即檢測到下渣后。該階段采用破壞漩渦的控制方法，打散或移位已經(jīng)形成的貫通漩渦并減弱漩渦的吸附力，避免卷渣的發(fā)生，使鋼渣留在包中，而使鋼水流出。

通過以上兩個階段的優(yōu)化控制，可以有效減少鋼包澆注結(jié)束后的殘鋼量，實現(xiàn)提高鋼水收得率的目標(biāo)。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

1.鋼包內(nèi)鋼水流場檢測識別技術(shù)

連鑄鋼包澆注過程中，下渣情況與包內(nèi)鋼水的流動形態(tài)和流場分布關(guān)系密切。該技術(shù)能在鋼包澆注末期，對包內(nèi)的鋼水流場分布情況進(jìn)行檢測識別，有效進(jìn)行澆鋼優(yōu)化策略選擇和控制。

2.滑動水口開度在線測量技術(shù)

由于高溫影響，鋼包滑動水口油缸位置傳感器極易損壞，水口開度無法測量。該技術(shù)利用鋼包內(nèi)鋼水重量變化梯度和速率、鋼水靜壓力及鋼水粘度等信息，通過模型實時測量得到滑動水口開度大小，保證了優(yōu)化控制的精度和效果。

3.連鑄鋼包澆注特性識別技術(shù)

針對不同爐次鋼包澆注時的鋼水成分不同、鋼包的腐蝕程度不同、滑動水口機(jī)械特性的差異等多種復(fù)雜因素，識別出當(dāng)前的澆注特性，選擇相應(yīng)的控制方法和策略，從而保證最佳的優(yōu)化控制效果。

4.抑制漩渦卷渣優(yōu)化控制技術(shù)

鋼包澆注末期的下渣主要由于漩渦吸附卷渣引起，該技術(shù)利用包內(nèi)鋼水流場分布情況及漩渦卷渣機(jī)理，通過優(yōu)化控制策略，抑制和破壞漩渦形成，推遲下渣發(fā)生，同時實現(xiàn)在不出渣的情況下使鋼水流出，減少鋼包殘留鋼，提高鋼水收得率。

（三）系統(tǒng)組成

連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套獨立的測量與控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理裝置、中央控制柜、遠(yuǎn)程控制面板、報警指示燈，以及系統(tǒng)控制軟件組成（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

該系統(tǒng)具有的功能和特點：獨立的控制設(shè)備，與原有產(chǎn)線物理電氣隔離，無擾切換，安全穩(wěn)定；智能識別現(xiàn)場工藝狀態(tài)，人工無需干預(yù)，全自動運行，維護(hù)使用方便；多個級別優(yōu)化控制策略，滿足不同鋼種要求；手動/自動功能切換，適應(yīng)現(xiàn)場突發(fā)情況，安全可靠；歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢，重現(xiàn)澆鋼歷史過程；中間包液位精準(zhǔn)控制，利于夾雜物上浮、提升鋼水質(zhì)量；滑動水口動作頻率優(yōu)化，降低故障及損耗；有效減少鋼包內(nèi)殘留鋼水，提高鋼水收得率。

三、實施成效

（一）效益體現(xiàn)

本技術(shù)的使用能有效降低鋼包殘留鋼水，獲得經(jīng)濟(jì)效益。在鋼包澆注結(jié)束后，包中還留有殘留鋼（在工藝上被稱為鑄余渣，由鋼水和渣組成），這些鑄余渣會被倒入渣罐，然后進(jìn)入鋼渣回收流程處理，最后回收渣鋼到轉(zhuǎn)爐冶煉。

該技術(shù)的作用是在保證不下渣的情況下，能使鋼包澆注結(jié)束后，包中的鑄余渣量減少，使得原本要進(jìn)入鋼渣回收流程的一部分鋼水，直接進(jìn)入連鑄機(jī)變成了鑄坯。所以，該技術(shù)創(chuàng)造的價值就是這部分鋼水的價值減去回收的渣鋼的價值。按照普通碳鋼的成本每噸3500元、渣鋼成本每噸1350元計算，多優(yōu)化1噸鋼水的價值是2150元。這其中沒有考慮回收渣鋼時需要的能源消耗以及渣鋼的回收率。

（二)創(chuàng)新點

1.連鑄澆鋼優(yōu)化控制技術(shù)是針對目前連鑄澆鋼過程中的不足而開發(fā)的一項新技術(shù)，可以實現(xiàn)鋼包殘留鋼水的優(yōu)化控制。該技術(shù)屬于首發(fā)技術(shù)，主要創(chuàng)新點如下：

（1）首次提出了鋼包澆注末期抑制卷渣優(yōu)化控制方法并開發(fā)出成套裝備；

（2）無需位置傳感器的鋼包滑動水口開度在線測量技術(shù)；

（3）鋼包內(nèi)鋼水流場形態(tài)檢測識別技術(shù)；

（4）有效減少鋼包內(nèi)殘留鋼水，提高鋼水澆注收得率；

（5）經(jīng)濟(jì)效益顯著，投資回報率高。

2.相關(guān)技術(shù)已成功申請發(fā)明專利8項（國外專利2項）：

（1）201910575881.2 一種提升連鑄鋼包滑動水口使用壽命的方法及裝置；

（2）201910636570.2 一種連鑄中間包渣量的測量方法和裝置；

（3）201910452529.X 一種連鑄鋼包下渣量的測量方法和裝置；

（4）201610942959.6 連鑄鋼包澆注末期抑制卷渣控制方法和裝置；

（5）201410283613.0 連鑄鋼包澆注時鋼水流場分布的測量方法及裝置；

（6）201410155129.X 一種連鑄鋼包滑動水口開度在線測量裝置及其測量方法；

（7）PCT/CN2017/106043 一種連鑄鋼包抑制卷渣的控制方法和裝置（國際專利）；

（8）PCT/CN2012/001660 一種連鑄澆鋼控制方法和裝置（國際專利）。

四、實施經(jīng)驗

連鑄鋼包澆鋼優(yōu)化控制系統(tǒng)是一套獨立的測控系統(tǒng)，與原有連鑄生產(chǎn)工藝流程十分契合，并且在不改變原有連鑄操作流程的情況下，能有效降低鋼包中的殘留鋼，使這部分鋼水直接通過鑄機(jī)澆注成鑄坯，直接提高鋼水收得率，也間接提高了連鑄過程的生產(chǎn)效率和鋼包的使用效率，該技術(shù)的降本效益顯著。我國連鑄坯年產(chǎn)量大、連鑄機(jī)數(shù)量多，該技術(shù)適合目前所有連鑄機(jī)的應(yīng)用，推廣應(yīng)用前景廣闊。按照0.5%的收得率計算，每年可優(yōu)化的鋼水量非常可觀，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。