廣東陽春新鋼鐵責(zé)任有限公司設(shè)備工程部 劉文勇

鑄機(jī)二冷配水控制模型研究

廣東陽春新鋼鐵責(zé)任有限公司設(shè)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(zhì)量與產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。單一的控制配水方式及數(shù)據(jù)模型限制了鑄機(jī)的整體提速，局限了新鋼種的開發(fā)研究，為滿足快速成產(chǎn)的要求并保證鋼坯高品質(zhì)的成材率。本文通過對區(qū)域配水要求分析并結(jié)合現(xiàn)場工藝實(shí)際要求，建立了一種新的鑄機(jī)二冷配水控制數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用結(jié)果表明所建立模型和控制算法的有效性，并在五機(jī)五流的高速生產(chǎn)模式進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果滿足其實(shí)踐要求。

鑄機(jī)；二冷配水；自動調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)模型

1 引言

隨著鋼鐵市場競爭力的增加，行業(yè)內(nèi)對過程控制的要求也越來越高。在生產(chǎn)過程的監(jiān)測和控制過程中，提高冷卻控制是連鑄過程中影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵與因素之一。其中，二次冷卻控制又是直接關(guān)系著鑄坯的熱裂紋缺陷等性能的核心技術(shù)。以某鋼鐵公司五機(jī)五流方坯鑄機(jī)（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(chǎn)以來，二冷配水系統(tǒng)暴露出一系列問題，對生產(chǎn)造成了較為嚴(yán)重的影響，其現(xiàn)有的單一控制配水方式及數(shù)據(jù)模型限制了鑄機(jī)的整體提速，局限了新鋼種的開發(fā)研究。

為了滿足快速的生產(chǎn)節(jié)奏，加快對品種鋼的研發(fā)并保證鋼坯高品質(zhì)的成材率，本文對控制數(shù)據(jù)模型作了進(jìn)一步的探討研發(fā)、建立了一種新的鑄機(jī)二冷配水控制數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了連鑄二冷配水單元控制，改進(jìn)完善了原有的配水方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

2 模型的建立

2.1 普通鋼種的初次配水模型

鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，鋼水自中包澆入結(jié)晶器，經(jīng)過攪拌及一次初冷，鋼坯從結(jié)晶器中連續(xù)拉出時還處在高溫且不穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還處在固液共存狀態(tài)。二冷室包含四個區(qū)域，按澆注方向上下左右四個方位全自動噴水，達(dá)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(shù)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(shù)，其數(shù)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(qū)段劃分

澆注開始時，起步拉速為0，隨著開澆的進(jìn)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(shù)關(guān)系。

2.2 區(qū)域配水模型

鑄坯從結(jié)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(qū)段，鋼坯一區(qū)溫度大于二區(qū)，二區(qū)溫度大于三區(qū)，三區(qū)溫度大于四區(qū)，在溫度漸降過程中，各區(qū)的噴水量也要階躍變小，即一區(qū)的噴水量最大，四區(qū)的噴水量最小。其工藝區(qū)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(qū)配水量

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域配水實(shí)際工藝要求，引入PID自動調(diào)節(jié)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(shù)），Ti和Td分別是積分時間和微分時間，Minitial是M(t)的初始值，實(shí)際上是積分的初始值。由于其非線性輸出，在自動調(diào)節(jié)下得到如圖3所示的波形圖：

圖3 自動調(diào)節(jié)下輸出曲線

在半自動控制方式下，當(dāng)設(shè)定值確定后，可投入運(yùn)行。經(jīng)過上下波動周期多次調(diào)節(jié)后，設(shè)定值與實(shí)際值趨于平衡，閥門開度達(dá)到穩(wěn)定，各區(qū)域水量達(dá)到工藝要求量。

2.3 品種鋼的二冷配水模型

在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中，一次線性函數(shù)關(guān)系的初次配水控制模型基本能滿足生產(chǎn)普通鋼材的要求，但對開發(fā)及生產(chǎn)品質(zhì)鋼材有一定的限制性，主要表現(xiàn)為：（1）品種鋼對噴水量與拉速呈二次函數(shù)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(jī)，在單獨(dú)研究單流單區(qū)水量與某一種品質(zhì)鋼的量化關(guān)系時，由于全機(jī)采用單一的計算公式而無法實(shí)現(xiàn)在線研究功能，不能作差異性在線生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

在鋼的連鑄過程中，鋼種成分、拉速、過熱度等參數(shù)都會對二次冷卻的效果產(chǎn)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(shù)對二冷配水的影響，建立了一元二次多維動態(tài)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(shù)，其值由工藝提供，v值理論區(qū)間為（0,5）。

2.4 二冷配水模型準(zhǔn)確性校驗(yàn)

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(jī)實(shí)行多維曲線控制方案。圖5為現(xiàn)場某流一區(qū)磨合整定的水量曲線變化模型。在現(xiàn)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(shí)驗(yàn)證明一區(qū)水量符合這一變化規(guī)律，能滿意各種要求。

圖4 多維護(hù)動態(tài)水量特性曲線

圖5 某流一區(qū)水量特性曲線

圖6為一錯誤控制模型。顯示了現(xiàn)場實(shí)際配水特性曲線差異性，拉速在0-3.4米區(qū)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(jù)設(shè)計，要盡量防止該問題的出現(xiàn)。

圖6 錯誤控制模型

圖7 多維動態(tài)配水澆注過程水量趨勢圖

原3號鑄機(jī)一區(qū)的水量標(biāo)定最大值只有25t/h，但根據(jù)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(diào)控原理是在線檢測值小于設(shè)定值時閥門不斷開閥，所以導(dǎo)致閥門全部打開，所以實(shí)際水量達(dá)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(shè)計原因。

表2 各區(qū)配水有效范圍

3 二冷配水應(yīng)用效果

在鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，在保證質(zhì)量的前提下如何提高拉速，一直是冶金工業(yè)中的重要目標(biāo)。本文建立的品種鋼的二冷配水模型，經(jīng)過現(xiàn)場磨合與試驗(yàn)，目前在某鋼廠已成功上線應(yīng)用。圖7為五機(jī)五流成功投運(yùn)的某流四區(qū)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(qū)段配水量化趨勢。該二冷配水模型的投運(yùn)較好地解決了實(shí)際問題，并己推廣到公司各臺鑄機(jī)使用。

表3 各閥功能參數(shù)整定功能塊

4 結(jié)論

通過對鑄機(jī)實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)有的初次配水模型進(jìn)行了深入的研究與分析，在簡化區(qū)域配水模型的基礎(chǔ)上，建立了二冷配水控制模型。通過實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場投運(yùn)效果，證明了本文的新方案能夠做到配水量的實(shí)時動態(tài)控制，且具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具有較高的推廣價值。

[1]徐志棟,曹銀平,寶鋼干熄焦節(jié)能與技術(shù)進(jìn)步[J].中國冶金,2003,15(2):30-33.

[2]張立新,康偉,武鋼干熄焦過程控制系統(tǒng)[J].燃料與化工,2004, 35(2):16-17.

[3]賀西娟,干熄焦循環(huán)氣體成分的分析和控制[J].燃料與化工,2003,34(1):6-7.

[4]柳江,鄭步秋,羅毅平.湘鋼板坯鑄機(jī)二冷配水系統(tǒng)自動控制優(yōu)化[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2016,35(3):132-135.

[5]趙磊,何宇明,潘時松,等.目標(biāo)溫度動態(tài)控制二冷配水的研究[J].連鑄,2012(6):8-12.

[6]吳華杰,留津津,王國新,等.方坯連鑄動態(tài)二冷配水系統(tǒng)[J].金屬世界,2010(5):47-50.

[7]周素強(qiáng),成旭東.板坯動態(tài)二冷配水的研究與應(yīng)用[J].連鑄,2013(5): 13-16.

[8]李艷磊,王南,孟彩茹,等.板坯連鑄二冷動態(tài)配水控制研究[J].鑄造技術(shù),2015(1):141-146.

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(jī)工業(yè)控制。