矩型坯连铸机二冷水控制数学模型的实现

1 概述 目前钢铁生产厂的铸坯生产大多都采用立弯式连铸机，该类型的连铸机从浇注到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却是由结晶器来完成，这个阶段的目的是使钢水冻结成型，然后钢坯进入二冷区，二次冷却水在整个连铸生产阶段是最重要的，它的冷却效果直接影响着钢坯的质量。根据钢坯的规格，对二次冷却水的要求也是不一样的，本文主要介绍大方坯连铸机的二次冷却水模型。 2 二冷水的工艺简介及控制思路 钢水从钢包注入中间罐后，经由水口进入结晶器进而冻结成型，然后在引锭杆的牵引下钢坯进入二冷区。二冷水的控制方式根据现场实际工艺要求（包括钢种、规格、质量等要求），理论上确定沿浇铸方向预测凝固厚度梯度和温度分布变化，与实测表面温度和拉速来控制冷却水的流量和压力。再经过PID调节对钢坯进行不同程度的冷却。 3 二冷水数学模型的控制方式 首先要对矩形坯连铸机的生产工艺特点及设计控制系统的优缺点进行具体的分析，掌握各设备的控制方法和控制参数，然后确定相应的计算方法。 3.1 二冷水控制方法 配水系统分为结晶器冷却水和二次冷却水两大部分，结晶器冷却为全水冷却，分为宽窄两个回路，水量不同；二次冷却水分四段进行配水控制，即足辊段、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段,共分为七个回路。其中足辊段为全水冷，单一回路。其他三段为水汽喷雾冷却，依据内外弧和窄边分为六个回路。结晶器水量为固定参数，不予调节。二冷各段采用水表控制。

各回路二冷水量分配比:

4.2 主要实验 理论上较理想的配水曲线应该是一条二次曲线：Q=aV2 bV c，但实际上计算a、b、c系数是十分困难的，所以一般用折线仿真曲线的方法进行配水控制，即每一段的配水根据拉速的变化计算公式为： Qi=Ai*V Bi V---拉速  M/分； Qi---各段水量   L/分； Ai,Bi----二冷配水参数，随冷却方式和铸坯断面不同而不同。计算所得Qi值作为每段水量的给定 值，然后PLC按照该给定值进行PID控制。

各回路冷却水量算法为： 正常拉速下按比例供水，各回路的水流量与拉速成正比，当拉速小于0.3m/min时，各回路水流量取恒值，即取拉速为0.3m/min时的水流量。公式为： Qi=Ai*V      （V>0.3m/min） Qi=Qi         (V≤0.3m/min) 式中，Qi——各回路水流量，1/min V---拉速 , m/min Ai、Bi——常数 按这个冷却制度进行320*410mm断面热试，存在如下问题： 在拉速低于0.47m/min时，矫直点温度在927℃-964℃之间波动，铸坯表面质量良好，配水制度合理；但拉速高于0.47m/min时，逐渐出现不正常现象，拉速约在0.47-0.6m/min范围时，出现由轻到重的边角发黑现象；当拉速达到0.67m/min，也是本次热试的最高拉速时，铸坯表面出现横裂纹，裂纹在边角界面比较集中，铸坯表面温度低于900℃。我们对这种表面质量问题进行了分析，并对给定配水制度作了评价。这种现象明显表明冷却强度过大，从铸坯质量考虑，二冷区冷却制度应该根据钢种.钢的高温脆性来决定。如4-1图所示：

由上图可以看出，钢脆性曲线可以分为三个区： a)高温区（1300℃以上）在此区内钢的高温塑性和强度明显降低，使钢的脆性增加。 b)中温区（900-1300℃）在此温度区，钢处于奥氏体相区， 的强度较高。 c)低温区（700-900℃）在这个区延展性降低，形成一个脆性区。 每一个钢种都有一条相应的脆性曲线，700-900℃是钢延展性最低的区段，钢坯如果在此区段内矫直，将形成表面横裂纹，因此，在二冷区铸坯表面温度应控制在中温区，在矫直点前应在900℃以上。热试中之所以出现表面裂纹问题，就是因为冷却强度太大，造成在低温区矫直。调节冷却强度的一般思路是减小各段配水系数，我们实验了这种方法，效果并不满意，虽然矫直点温度有所提高，但是，足辊段和二冷一段出口水温升高，冷却水量不够。 4.3 主要技术指标及达到的目的 我们对配水的数学模型进行了分析，认为问题的根源在于理想配水曲线的线性化模型不精确，偏差过大。两种曲线对比如下图2：

从图2中可以看出，给定的配水曲线对理想曲线的抛物线作了二段线性逼近。在低速段（<0.5m/min）时，线性化曲线与理想曲线相关性较好，配水量偏差不大；但当拉速大于0.5m/min时，线性化曲线与理想曲线相差就比较大了，线性曲线高于理想曲线，在理想曲线的极点A偏差达到最大值，当拉速处于B点和A点之间时，偏差随拉速提高逐渐增大，这就是冷却强度在较高拉速时过大的理论根源。我们得出的结论是，二段线性化的配水模型不适合320*410mm断面的冷却要求。 依据以上分析，我们重新设计了配水模型，抛弃原二段线性化模型，采用三段线性化模型。如图3所示：    

如图3所示，在理想配水曲线的极点A处设置一个折点，使二段线性逼近变成三段逼近，新曲线与理想曲线吻合得相当好，减小了Ⅱ段折线的斜率，从而也减小了线性化曲线与理想曲线在Ⅱ段范围内的差值，使实际配水曲线更接近理想曲线。我们根据新的配水模型计算了配水参数，经过实验，新的配水模型较好地解决了铸坯表面质量问题铸坯矫直点温度上升到960-1100℃之间，避开了700-900℃的高温脆性区。 5 结束语 该系统具有很高的控制水平，控制功能丰富、完善，实用性强；自投运以来，运行十分稳定可靠，故障率极低，所有信号处理及联锁控制均在PLC内自动完成，并可通过MMI进行在线监控及历史记录分析，使得电气线路变得十分简捷、可靠，减少了故障处理时间，减少了不安全因素，有效地提高了劳动生产率，改善了工作人员的工作环境，减轻了工作人员的劳动强度，取得了十分显著的经济效益。由于该控制系统取得了极好的经济效益，具有很强的实用性、可移植性，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。 参考文献： 1、 厦门艾伦-布拉德利有限公司 PLC-5 编程软件 软件组态与维护，1993北京 2、 厦门艾伦-布拉德利有限公司 PLC-5 编程软件 指令集，1993北京 作者简介： 1.王博，工程师，现从事冶金自动化控制工作。（271104  山东莱芜钢铁集团有限公司自动化部钢区车间炼钢站 ） 2.弥春霞，工程师，现从事冶金自动化控制工作。（271104  山东莱芜钢铁集团有限公司自动化部钢区车间炼钢站 ）