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

連鑄生產(chǎn)物料跟蹤與制造命令執(zhí)行系統(tǒng)一方面對連鑄生產(chǎn)的物料、最終鑄坯和生產(chǎn)過程進行全程跟蹤，收集記錄相關的數(shù)據(jù)，進行處理和統(tǒng)計后發(fā)送給L3級；另一方面，其根據(jù)L3級下發(fā)的生產(chǎn)計劃與制造標準生成制造命令下發(fā)給基礎自動化系統(tǒng)。連鑄生產(chǎn)物料跟蹤與制造命令執(zhí)行系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了連鑄生產(chǎn)過程的數(shù)字化、透明化和無紙化，使得煉鋼與軋制工序之間的生產(chǎn)信息流得以貫通,大大提升了連鑄生產(chǎn)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(chǎn)管理的效率。

連鑄生產(chǎn)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(shù)學模型主要包括切割優(yōu)化模型、質(zhì)量控制模型、動態(tài)二次冷卻水模型、動態(tài)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(zhì)量也得到了很大的提升，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

1 連鑄生產(chǎn)物料跟蹤與生產(chǎn)制造命令執(zhí)行

連鑄生產(chǎn)物料跟蹤與制造命令執(zhí)行系統(tǒng)主要包括物料跟蹤和生產(chǎn)制造命令執(zhí)行兩個部分。

1.1 連鑄生產(chǎn)物料跟蹤

連鑄生產(chǎn)物料跟蹤是過程控制系統(tǒng)的基本功能，其物料跟蹤數(shù)據(jù)也是工藝控制模型的基礎數(shù)據(jù)來源之一。該系統(tǒng)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(nèi)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(fā)的生產(chǎn)計劃，當L3級通訊出現(xiàn)故障時，這些參數(shù)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(tǒng)自動記錄爐次間接縫信息。收集到的數(shù)據(jù)同時保存到內(nèi)存和數(shù)據(jù)庫中，將用于操作員查詢、分析和報表生成；同時，系統(tǒng)根據(jù)下一包開澆時的中包重量和前后爐鋼種成分差規(guī)則，自動進行異鋼種連澆的混鋼區(qū)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(jīng)過結晶器、扇形段設備直到板坯切割完成整個生產(chǎn)過程中的信息，鑄流跟蹤系統(tǒng)將鑄流區(qū)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(chǎn)生的每個切片的實時數(shù)值和平均參數(shù)數(shù)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(qū)水量等。

鑄流跟蹤系統(tǒng)自動根據(jù)生產(chǎn)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(tǒng)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(shù)據(jù)同時保存到內(nèi)存和數(shù)據(jù)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(qū)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(jīng)過處理的信息(包括噴號、去毛刺、稱重等)，收集到的數(shù)據(jù)同時被保存到內(nèi)存和數(shù)據(jù)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(zhì)量檢測，將質(zhì)量結果錄入鑄坯信息中。

1.2 生產(chǎn)制造命令執(zhí)行

生產(chǎn)制造命令執(zhí)行系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)接受L3級系統(tǒng)下達的生產(chǎn)計劃和制造標準，生成連鑄生產(chǎn)制造命令，再從冶金數(shù)據(jù)庫中提取對應的鑄造設定參數(shù)下發(fā)給基礎自動化系統(tǒng)執(zhí)行。主要內(nèi)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(shù)、定尺參數(shù)等。

當前鑄坯切割完成后，系統(tǒng)自動從生產(chǎn)計劃中提取下一塊切割定尺參數(shù)，下發(fā)給切割機控制系統(tǒng)執(zhí)行。由切割實績產(chǎn)生的鑄坯號經(jīng)過順序跟蹤后，發(fā)送到鑄坯噴號機控制系統(tǒng)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(chǎn)線應用的工藝控制模型主要包括切割優(yōu)化模型、質(zhì)量控制模型、動態(tài)二次冷卻水模型和動態(tài)輕壓下模型。

2.1 切割優(yōu)化模型

切割優(yōu)化模型是對鑄坯切割長度進行控制與優(yōu)化，其目的是在完成生產(chǎn)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(jīng)濟效益[5]。

鑄坯切割優(yōu)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(shù)量”和“最佳的坯長”來實現(xiàn)新的設定切割長度,并下載到基礎自動化系統(tǒng)。切割長度優(yōu)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?guī)煲?guī)則，使得切割定尺更加符合生產(chǎn)需要和客戶訂制要求[6]。

優(yōu)化切割長度系統(tǒng)對自中包開始，直到上次切割完成切縫線間的虛擬鑄坯區(qū)域進行鑄坯長度優(yōu)化。按照區(qū)段類型進行劃分，主要包括良坯區(qū)段優(yōu)化、異常坯區(qū)段優(yōu)化和人工強制優(yōu)化三個部分。良坯段優(yōu)化主要是尾坯優(yōu)化和多流停澆優(yōu)化。異常區(qū)段優(yōu)化主要包括異鋼種混合區(qū)段優(yōu)化、廢坯區(qū)段優(yōu)化、降級鋼種區(qū)段優(yōu)化。人工強制區(qū)段是當系統(tǒng)沒有自動識別出異常區(qū)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(yōu)化，根據(jù)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(yōu)化方法[7]。

尾坯優(yōu)化就是單流鋼水停止?jié)踩虢Y晶器時，對尚未切割的所有剩余鑄坯進行切割長度優(yōu)化計算。

流關閉優(yōu)化是在多流同時澆鑄的情況下，多流統(tǒng)一考慮整體的切割長度優(yōu)化。本系統(tǒng)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(yōu)化的方法。

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

異常優(yōu)化方法主要基于生產(chǎn)的工藝要求，一般的原則是使得異常坯上占有的良坯區(qū)間最小，并保證良坯的純潔。如果異常區(qū)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(zhì)量控制模型

由于生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量相關異常事件與可能造成的鑄坯質(zhì)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(tài)凝固傳熱理論等專業(yè)知識領域，造成了連鑄過程異常事件與可能造成的鑄坯質(zhì)量缺陷之間的關系經(jīng)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(xiàn)質(zhì)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(tǒng)。

本系統(tǒng)的質(zhì)量控制模型主要是基于專家數(shù)據(jù)庫。主要功能包括系統(tǒng)變量的建立、事件定義、異常事件觸發(fā)、異常處理專家數(shù)據(jù)庫建立、異常事件關聯(lián)、異常處理結果最終判定和鑄坯表面缺陷檢測。

(1)系統(tǒng)變量的定義。系統(tǒng)通過HMI界面，在全局變量數(shù)據(jù)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(zhì)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(zhì)量相關的PLC數(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)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(shù)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(fā)標志、異常事件前偏移量、異常事件后偏移量、異常事件優(yōu)先級和異常事件1級相關項字段。事件觸發(fā)標志為事件觸發(fā)的控制開關，值為0表示事件不觸發(fā)，值為1表示事件可以觸發(fā)；異常事件前偏移量表示對事件開始之前的鑄坯質(zhì)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(zhì)量影響范圍(以長度表示)；事件優(yōu)先級為事件對質(zhì)量的影響程度；1級相關項表達式為異常事件觸發(fā)的條件，條件滿足時就觸發(fā)事件。

(3)異常事件觸發(fā)。定義好事件后，在事件觸發(fā)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?yōu)閠rue時，則觸發(fā)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?yōu)閒alse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(tǒng)自動將事件的觸發(fā)和結束信息寫入數(shù)據(jù)庫和內(nèi)存中保存。觸發(fā)的事件將以切片的形式根據(jù)不同等級用不同顏色在HMI中進行顯示。

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

系統(tǒng)根據(jù)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(chǎn)生三種處理方式，將所有的事件數(shù)據(jù)、鋼種組數(shù)據(jù)以及兩者組合對應的處理方法經(jīng)驗數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中，建立了異常事件處理專家數(shù)據(jù)庫。

三種處理方式包括鋼種降級、是否定尺優(yōu)化和切后精整處理方法。鋼種降級的內(nèi)容包括OK—不降級，DEV—降級；定尺優(yōu)化的內(nèi)容選項包括YES—優(yōu)化，NO—不優(yōu)化；精整處理方式的內(nèi)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(jù)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(shù)據(jù)庫。

(5)異常事件關聯(lián)。異常事件關聯(lián)是根據(jù)事件發(fā)生的開始長度和結束長度將其分別關聯(lián)到虛擬區(qū)鑄坯的切片上、虛擬區(qū)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(chǎn)過程中，根據(jù)當前生產(chǎn)的鋼種和發(fā)生的異常事件數(shù)據(jù)，在異常事件處理專家?guī)熘姓页鰧陌迮魈幚斫Y果。當某一鋼種需要降級時，在降級數(shù)據(jù)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(tǒng)再將處理結果數(shù)據(jù)自動保存到相關聯(lián)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(zhì)量檢測，發(fā)現(xiàn)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(fā)送給L3級。

2.3 動態(tài)二冷水模型

連鑄二次冷卻在連鑄生產(chǎn)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(tài)，進而影響鑄坯凝固組織的形成[11]。

系統(tǒng)的動態(tài)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(chǎn)中，由于中間包內(nèi)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(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一個穩(wěn)態(tài)的過程中出現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)情況，違反了冶金準則的要求，對鑄坯的質(zhì)量造成了影響。所以系統(tǒng)根據(jù)“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(chǎn)過程中所經(jīng)歷的拉速變化進行歷史追溯，根據(jù)切片歷史數(shù)據(jù)計算出各冷卻區(qū)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(tài)的緩慢變化，從而保證了鑄坯的質(zhì)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(qū)的有效拉速；Pij為第i冷卻區(qū)第j個切片的當前位置；Tij為第i冷卻區(qū)第j個切片的經(jīng)歷的時間；Ni第i冷卻區(qū)的切片數(shù)目。

計算冷卻水量與有效拉速之間的函數(shù)關系的二次方程式為

(2)

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

實踐證明，每個冷卻區(qū)的水量按照本冷卻區(qū)的有效拉速變化，設定的水量在非穩(wěn)態(tài)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?yún)?shù)包括了鋼種化驗成份、鋼種物性參數(shù)、中包過熱度、二冷水溫度、環(huán)境溫度、結晶器鋼水液面、實時拉速等動態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)鑄坯凝固傳熱數(shù)學模型和鑄坯切片跟蹤原理實時的計算出生產(chǎn)過程中各冷卻區(qū)的鑄坯實際表面溫度、內(nèi)部溫度、坯殼厚度等熱力學參數(shù)。系統(tǒng)應用預先設定的在線鋼種對應的各冷卻區(qū)目標鑄坯表面溫度與鑄坯凝固傳熱數(shù)學模型計算出的鑄坯實際表面溫度構成PID閉環(huán)水量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)設定水量，使各冷卻區(qū)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(guī)律，可以很好的適應連鑄生產(chǎn)的非穩(wěn)態(tài)工況。

2.4 動態(tài)輕壓下模型

中心偏析與疏松是連鑄坯的主要內(nèi)部缺陷,會引發(fā)一系列的鋼材質(zhì)量問題。通過實施動態(tài)輕壓下，使溶質(zhì)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(nèi)部質(zhì)量的目的。

輕壓下實施的位置一般在兩相區(qū)，通常以固相率區(qū)間來定義壓下區(qū)間。系統(tǒng)首先通過溫度場模型計算，獲得板坯的凝固末端兩相區(qū)狀態(tài)參數(shù)，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(shù)，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(tǒng)，實現(xiàn)對鑄坯的動態(tài)輕壓下控制。

動態(tài)輕壓下系統(tǒng)的參數(shù)計算包括溫度場參數(shù)計算和動態(tài)輕壓下參數(shù)計算兩個部分。

(1)溫度場參數(shù)計算。系統(tǒng)將扇形段中的虛擬鑄坯劃分為切片進行跟蹤，依據(jù)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(qū)內(nèi)的固相率分布參數(shù)。

對于板坯凝固傳熱模型，本系統(tǒng)依據(jù)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(nèi)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(qū)中采用綜合換熱系數(shù)的概念；不考慮對流場和溶質(zhì)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(shù)；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(tài)輕壓下參數(shù)計算。壓下模型的功能分為壓下參數(shù)計算和壓下規(guī)則制定兩個部分。合理的輕壓下參數(shù)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(guī)則是壓下動作準確實施的保證。

壓下參數(shù)計算過程是：首先從數(shù)據(jù)庫中獲取扇形段設備參數(shù)、實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)、鋼種對應的壓下參數(shù)等；再由溫度場模型獲取鑄坯凝固末端兩相區(qū)內(nèi)固相率的分布參數(shù)；然后根據(jù)特定鋼種的凝固末端兩相區(qū)的熱力學特點、熱鑄坯的機械力學特性計算得出的壓下區(qū)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(qū)間,壓下量在2～6 mm區(qū)間[15,16]。

扇形段動作規(guī)則主要包括開始澆鑄時的扇形段動作規(guī)則，拉尾坯時的扇形段動作規(guī)則,穩(wěn)定拉速時的扇形段動作規(guī)則，升高拉速時扇形段的動作規(guī)則，降低拉速時扇形段的動作規(guī)則和異常情況下的扇形段動作規(guī)則。具體體現(xiàn)為實施輕壓下的各扇形段在執(zhí)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(tǒng)在伊朗穆巴拉克板坯連鑄生產(chǎn)線的應用經(jīng)過長時間的驗證，效果良好。連鑄生產(chǎn)物料跟蹤與制造命令執(zhí)行系統(tǒng)完成了連鑄生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)收集和生產(chǎn)制造命令的執(zhí)行，實現(xiàn)了連鑄生產(chǎn)過程的數(shù)字化、透明化和無紙化，使得煉鋼與軋制工序之間的生產(chǎn)信息流得以貫通,大大提升了連鑄生產(chǎn)的自動化和信息化水平。

相對于傳統(tǒng)的連鑄生產(chǎn)控制(例如，水表模式計算二冷水)，連鑄生產(chǎn)工藝控制數(shù)學模型的應用，使得鑄坯質(zhì)量控制更精確，系統(tǒng)更適應連鑄生產(chǎn)的非穩(wěn)態(tài)工況，合格鑄坯的收得率得到了提高，鑄坯的質(zhì)量得到了較大的提升，給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。