劉海霞

（常州鐵道高等職業(yè)技術學校，江蘇 常州）

1 引言

目前煉鋼廠使用的3#、4#連鑄機為小方坯連鑄機，是三機三流全弧形二點矯直結(jié)構(gòu)。利用該連鑄機，從開始澆注到具體形成需要經(jīng)過兩次冷卻，第一次冷卻需要通過結(jié)晶器來完成，在本階段鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻形成了初步坯殼，在完成第一次冷卻后，坯殼進入到第二次冷卻區(qū)域開始第二次冷卻，而在二次冷卻過程中冷卻水的科學利用對最終鋼坯的高質(zhì)量生產(chǎn)起到關鍵作用。原本的二冷水流量是不可調(diào)節(jié)的，拉速變化也沒有同步實現(xiàn)，隨著品種鋼改造升級后，對生產(chǎn)工藝提出更高要求，特別是各類優(yōu)質(zhì)鋼材的生產(chǎn)過程更需要精細化保障，其中二次冷卻控制至關重要，如若操作不當就會形成各類鑄坯缺陷，例如內(nèi)部及表面裂紋、鑄坯的菱變（脫方）鼓肚等等。原本的二冷水流量固定配水方式無法更好滿足效果，冷卻效果無法實現(xiàn)最大化，對鋼坯質(zhì)量會造成實質(zhì)性影響。因此需要采用二冷水動態(tài)調(diào)節(jié)，最佳的冷卻效果才會得以實現(xiàn)。

2 二冷水的工藝簡介及控制思路

連鑄機在生產(chǎn)過程中，鋼水需要從中間包到結(jié)晶凍結(jié)成型，在引錠桿牽引下，鋼坯進入二冷環(huán)節(jié)，之后到拉矯機，經(jīng)火切機切割后輸出鋼坯。在該工藝品的整個過程中，其需要從1500℃的液態(tài)變成700℃方鋼坯。對于高效連鑄而言，二冷水的配置是否能夠做到最優(yōu)化處理，這對于鋼坯的整個生產(chǎn)起到關鍵性的作用，鑄坯的質(zhì)量優(yōu)劣也是在這個階段來實現(xiàn)的。良好的二冷模式必須具備以下三點性能：一是有助于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量或是表面質(zhì)量的提高；二是能延長二次冷卻設備的使用壽命；三是用水量較少，可以更好滿足生產(chǎn)效率的實際要求。具體生產(chǎn)過程中，二次冷水的控制方式需要充分結(jié)合現(xiàn)場工藝等要求來細化和確定，就理論而言，一般采用沿澆鑄的方向來預測凝固厚度梯度及溫度變化來確定，具體則使用拉速對二次冷卻水流量進行定量控制。具體控制過程如圖1所示：

圖1 控制過程圖

在連鑄機改造完成后，可以實現(xiàn)分三段對二次冷卻水水量進行比例控制，分別為足輥段、Ⅰ段和Ⅱ段。隔段根據(jù)內(nèi)外弧及兩側(cè)邊分別配水，采用水霧冷卻，具體用水量與拉速呈正向動態(tài)關系。每個冷卻段都是通過一個流量計以及一個調(diào)節(jié)閥，在調(diào)節(jié)閥后分管直至分水器，通過分水器再分成內(nèi)外弧以及左右兩側(cè)噴淋管。

3 二冷水控制數(shù)學模型的實現(xiàn)

二冷水動態(tài)模型控制需要在特定的環(huán)境下來進行，其冷卻的水量也會隨著拉速的變化而發(fā)生改變。其還會呈現(xiàn)出最佳的狀態(tài)來分布，這樣就可以對鑄坯表面溫度進行控制，讓鑄坯質(zhì)量變得更好。

3.1 配水模型基本公式

運用拉速相關控制法，又稱比例控制法、比水量法或水表法，屬一級控制。該控制法將拉速作為具體控制參數(shù)，根據(jù)拉速V的增減量來確定冷卻水Qi的總量大小。具體計算公式如下：

式中：Q 為冷卻水量，m3；V 為拉速，m/min；A、B、C為各類系數(shù)，具體由鋼種、鑄坯斷面尺寸等所確定；i為冷卻段序號，i=1、2、3。

3.2 控制原理

一般采用閉環(huán)控制，采用前提為中包鋼水整體溫度相對穩(wěn)定?？刂浦饕凑斩卫渌畢^(qū)域不同段為進行水量變化控制。配水量的確定方法，必須要結(jié)合不同鋼種以及不同鋼種的斷面尺寸鑄坯，在不同拉速下進行模型操作來最終確定。一般情況，按照回歸方式可以清晰得到水量與拉速的關系。如公式（1）。根據(jù)這一關系，系統(tǒng)實現(xiàn)二次冷卻區(qū)各段的鑄坯冷卻最優(yōu)配水量。原理如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)原理圖

4 自動化控制系統(tǒng)組成及功能實現(xiàn)

4.1 二冷水自動控制系統(tǒng)的硬軟件配置

煉鋼廠4#連鑄機自動控制系統(tǒng)硬件為GE公司9030 PLC。軟件使用SIMATIC人機界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro編程軟件。Wincc監(jiān)控界面與PLC之間通過GE OPC Server進行標準化的數(shù)據(jù)交換，PLC站與站之間、PLC站與上位機之間通訊使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)交換。人機終端界面HMI有寫入修改參數(shù)，對于需要的數(shù)據(jù)要讀出來，并且要安裝好報警程序。一旦水量低或者是水溫較大的情況下其就會發(fā)出聲光報警，這樣對于值班人員就可以起到提醒的作用。值班人員一旦發(fā)現(xiàn)這種狀況就可以及時的查看設備并且及時的排除相應的隱患，讓設備的安全周期運行效率得到提高。該鑄機共有三個流，每流有1套反沖洗裝置、1臺快切閥、1只電子壓力表；每段上有1只電子流量計和1臺氣動比例閥。在原有連鑄機的PLC系統(tǒng)擴展機架中加入數(shù)據(jù)采集模塊，并在PLC中對其進行組態(tài)，分配好相應的I/O地址?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)還包含了二冷水系統(tǒng)的水流量以及水壓，要對調(diào)節(jié)閥位進行反饋和控制，對于振動裝置還需要對其頻率進行控制，對于結(jié)晶的水流量和溫度等都需要進行相應的控制工作。為了讓信號干擾問題降到最低的水平，在對流量、壓力、溫度的信號回路中間加裝有無源信號隔離器。

4.2 二冷水水量計算及修正

根據(jù)配水模型基本公式（1），綜合相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取用下列數(shù)據(jù)模型（以足輥為例）：

其中：Q1JS為計算后的配水量（m3/min）；V 為拉速（m/min）。

修正后的流量：Q1XZ=K*K1

其中：Q1JS為修正后的配水量（m3/min）；K為總流量修正系數(shù)；K1為足輥流量修正系數(shù)。

在整個冷卻水配水過程中，每個速度段的配水公式的系數(shù)是不同的，所以流量也不同。在實際應用中，水量的控制采用分段函數(shù)：

二冷水水量修正計算是根據(jù)二冷各段噴嘴設計布置的理論流量分配比例，以實際生產(chǎn)時，拉速為2.0m/min的合理比水量確定出的k、k1、k2、k3調(diào)節(jié)數(shù)值，k初步確定統(tǒng)一為1.00，調(diào)節(jié)范圍1～2；其中低合金鋼足輥k1=1.91，一段k2=1.23，二段k3=0.84，普碳鋼足輥k1=1.67，一段k2=1.08，二段 k3=0.74，調(diào)節(jié)范圍0～3.0。分鋼種在拉速為2.0m/min的理想給水量，調(diào)整時應鄭重，一般不作調(diào)整。如果供水管或噴嘴發(fā)生嚴重堵塞的時候就會讓水量不足，可參照k1、k2、k3值作出調(diào)整。實際生產(chǎn)中k值一般不作調(diào)整，k1、k2、k3調(diào)整操作應精細，以0.05為一個調(diào)整單位進行調(diào)整。

在實際調(diào)試時，要根據(jù)生產(chǎn)的實際要求，考慮到足輥流量在開澆起步階段的重要性，足輥調(diào)節(jié)閥設為全開狀態(tài)。即當拉速大于0.4m/min時，足輥流量為最大值。

水量修正計算程序如圖3所示：

圖3 水量修正計算程序圖

4.3 二次冷水各段水量PID（比例、積分、微分）的閉環(huán)控制

在PLC程序中，通過二次配水的曲線數(shù)學模型PID調(diào)節(jié)方式來控制二次冷水，就能夠?qū)崿F(xiàn)利用監(jiān)控畫面對自動化配水功能進行快速調(diào)整，在WinCC控制畫面針對各段設有自動和手動兩種控制按鈕。自動模式下，鑄流水量設定值SP（計算流量）由PLC通過配水公式及修正后計算給定。需要通過點位器實現(xiàn)拉速的確定，并且通過配水公式來計算出每頓的噴水量SP，SP通過工程量換算成4-20mA的電流信號輸出給執(zhí)行器，執(zhí)行器控制閥門開度，并通過閥門的閥位反饋信號輸入到PID控制程序，與此同時，電磁流量計檢測到的水流量PV（實際流量），與PID過程設置點SP的數(shù)據(jù)比較，輸入到PID程序塊中通過對比工程量和噴水量，計算出偏差，再輸出給執(zhí)行器來控制閥門。根據(jù)工藝要求，設定目標參數(shù)，由PID回路的調(diào)試曲線，不斷調(diào)整Kp（比例系數(shù)）、Kd（積分系數(shù)）、Ki（微分系數(shù)）控制參數(shù)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在設定值的正常波動范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)控制閥門的開度，達到對流量精確控制，實現(xiàn)理論噴水量與實際流量一致。整個配水過程是調(diào)節(jié)閥利用PID控制回路進行閉環(huán)控制。把最終數(shù)據(jù)放到R03050，最后通過模擬量模塊AQ0040輸出給執(zhí)行器。其PID功能塊程序如圖4所示：

圖4 PID功能塊程序圖

充分利用上位機進一步對過程監(jiān)控畫面進行改進?；芈樊嬅嬷?，將PID回路的PV值、SP值、CV值（PID輸出）用棒圖形式、數(shù)字形式進行集中顯示，具體操作員不僅能直接觀測回路調(diào)節(jié)情況，并根據(jù)需求對回路參數(shù)進行精確設定。調(diào)節(jié)畫面中設有手動、自動模式切換按鈕。手動控制中，二次冷水流量由操作人員在WINCC監(jiān)控畫面手動輸入，范圍值為：0-32000（0～100%），而在 PLC 程序中，直接跳過PID的調(diào)節(jié)，對AQ0040進行賦值，從而實現(xiàn)閥門控制，最終使得水量調(diào)節(jié)最大程度接近于理想曲線。WINCC PID監(jiān)控趨勢如圖5所示。

圖5 WINCC PID監(jiān)控趨勢圖

5 改造產(chǎn)生效果

本改造項目的成功實施，不僅可通過HMI進行在線監(jiān)控及操作，且操作靈活方便，讓生產(chǎn)效率得到了更大提升，手動和自動之間可以實現(xiàn)隨時轉(zhuǎn)換，調(diào)水時間可以實現(xiàn)更大的節(jié)約，并連鑄機穩(wěn)定、高效、快速生產(chǎn)起到有力保障。控制系統(tǒng)在改造之后，冷卻問題得到極大改善，各類實際生產(chǎn)中易發(fā)多發(fā)的裂紋、鼓肚現(xiàn)象得到有效緩解，鑄坯脫方、疏松、縮孔等常見缺陷概率也大幅下降。系統(tǒng)的成功改造，無論是在控制系統(tǒng)方面還是在生產(chǎn)工藝方面，都得到實質(zhì)性的飛躍，可以將普通的連鑄機生產(chǎn)優(yōu)鋼的功能實現(xiàn)優(yōu)化，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。