鄧 龍,郭亮亮,梅 峰

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

連鑄二冷壓下技術的發(fā)展有兩個重要的驅(qū)動因素,一個是產(chǎn)品高質(zhì)量要求,一個是生產(chǎn)高效率要求。這兩方面直接影響生產(chǎn)工藝、連鑄設備以及控制策略的變化。比如,為了滿足產(chǎn)品表面質(zhì)量控制的個性化要求,二冷水在幅切、噴嘴以及工藝配置上都會趨于更加靈活;為了滿足提高連連鑄爐數(shù)、提高收得率的高效生產(chǎn)需求,就必須強化異常和非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)處理能力。正是因為這些變化,連鑄二冷和輕壓下模型逐漸從相對穩(wěn)定的控制模式,向更靈活的柔性控制模式轉(zhuǎn)變,這對模型系統(tǒng)的精度、可靠性、拓展性等都提出了很高的要求。

寶鋼在連鑄工序積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗、知識以及深刻的模型控制認知[1-4],為了確保2CC技改項目的順利實施,并進一步推動模型的優(yōu)化和創(chuàng)新,自主開發(fā)了新一代二冷輕壓下模型自動控制系統(tǒng),在線應用取得較好的控制效果。文章從模型原理、自動控制關鍵技術、軟件構架及功能等幾個方面,對二冷輕壓下模型自動控制系統(tǒng)進行了說明。

1 模型原理

二冷水控制是連鑄坯質(zhì)量控制的重要工藝參數(shù)之一,它和連鑄坯裂紋等缺陷的形成有緊密的關系;輕壓下技術是在二冷技術基礎上發(fā)展而來,是在鑄坯完全凝固前通過實施適當?shù)膲合铝?來改善鑄坯內(nèi)部的偏析和疏松[4-6]。

二冷水控制原理如圖1所示。

圖1 二冷水控制原理

二冷水控制分為靜態(tài)控制和動態(tài)控制兩大類。靜態(tài)控制是開環(huán)控制方式,一般根據(jù)實際拉速或模型計算拉速,利用靜態(tài)水表直接計算二冷控制區(qū)的水量,進行水量設定。動態(tài)控制是閉環(huán)控制方式,根據(jù)反饋對象的不同,有多種不同的動態(tài)控制模式,最常見的是鑄坯表面溫度反饋控制;除此之外,基于坯殼厚度反饋控制、基于鑄坯表面溫度下降梯度反饋控制的模式也有相關研究,但是在國內(nèi)還沒有成熟運用案例。在進行二冷水動態(tài)控制時,鑄坯表面溫度、坯殼厚度等在線檢測技術還不成熟,在線檢測值難以直接運用到反饋控制之中去,現(xiàn)在一般都采用鑄坯凝固傳熱模型[2]作為軟測量方法,參與反饋控制。在實際生產(chǎn)時,為了保證控制過程的穩(wěn)定性和控制精度,也可以將靜態(tài)和動態(tài)控制結合起來使用。

如圖2所示,輕壓下技術是在鑄坯跟蹤基礎上,計算鑄坯凝固終點,結合工藝給出壓下區(qū)間、壓下總量、壓下速率等參考值,實現(xiàn)可壓下扇形段的選擇以及對應的壓下量分配控制。按照控制方式的不同,可分為靜態(tài)輕壓下(Static Soft Reduction)和動態(tài)輕壓下(Dynamic Soft Reduction)。靜態(tài)輕壓下是在澆注前設置好固定的可壓下扇形段以及對應壓下量,并在澆注過程中保持不變,靜態(tài)輕壓下對生產(chǎn)穩(wěn)定性的要求很高、對連澆爐數(shù)的限制很大;動態(tài)輕壓下是根據(jù)鑄坯實際凝固狀態(tài)動態(tài)調(diào)整輕壓下的控制參數(shù),壓下位置是變化的,在動態(tài)輕壓下控制方式下,允許工藝參數(shù)存在適當波動,允許中間更換中間包、甚至允許異鋼種連續(xù)澆鑄,有利于合理安排生產(chǎn),充分釋放設備產(chǎn)能。輕壓下技術,鑄坯凝固終點的確定非常關鍵,可以通過壓下力、鑄坯低倍偏析實績對模型參數(shù)進行修正,以提高模型計算精度。

圖2 輕壓下示意圖

2 自動控制關鍵技術

在鋼鐵生產(chǎn)少人化、集控化、一鍵化等大背景下,現(xiàn)場生產(chǎn)對模型系統(tǒng)全自動化控制要求越來越高,模型控制系統(tǒng)逐漸從附加項變?yōu)楸剡x項。要實現(xiàn)模型全自動控制,除了對模型機理及其適用邊界的充分理解外,還要結合現(xiàn)場生產(chǎn)操作以及控制的特點進行應用技術的集成。下面針對連鑄過程對產(chǎn)品拓展及個性化控制、澆注異常,以及全流程自動控制等方面的需求,就二冷輕壓下模型自動控制的幾個關鍵技術進行說明。

2.1 產(chǎn)品層別劃分技術

合理的產(chǎn)品層別劃分應該涵蓋所有產(chǎn)品類別,是連鑄生產(chǎn)控制的基礎。在進行產(chǎn)品層別劃分時,模型控制需要考慮以下幾個方面的使用:產(chǎn)品物性參數(shù)、工藝控制參數(shù)以及模型調(diào)整參數(shù)等。產(chǎn)品物性參數(shù)包括密度、比熱容、導熱系數(shù)、熱焓、固液相線溫度等信息,工藝控制參數(shù)包括產(chǎn)品生產(chǎn)時二冷水、輕壓下的制造標準,模型調(diào)整參數(shù)包括模型運算和控制優(yōu)化相關參數(shù)。

在進行產(chǎn)品層別劃分時,需要兼顧參數(shù)維護、控制精度以及控制穩(wěn)定性的要求,同時還應該具有可擴展性,便于將來可能進行的鋼種擴展。以產(chǎn)品物性參數(shù)層別劃分為例,采用JmatPro、DynaPhase等鋼鐵材料計算軟件,計算不同C含量下的鋼坯固相線、液相線溫度分布,如圖3所示。隨著碳含量的增加,鋼坯固相線、液相線溫度呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢?？梢奀含量對產(chǎn)品物性參數(shù)影響顯著,因此,可以按照C含量對產(chǎn)品物性參數(shù)層別進行劃分,然后再根據(jù)合金含量進一步細分,形成碳—合金兩個維度的產(chǎn)品物性參數(shù)層別劃分方式,這樣既有利于維護,也方便拓展。

圖3 C含量和固液相線溫度的關系

2.2 產(chǎn)品個性化控制技術

二冷輕壓下控制是工藝、裝備、模型緊密融合的綜合性控制技術,產(chǎn)品的個性需求、設備狀態(tài)的變化對實際控制效果影響很大。模型系統(tǒng)要保證控制效果、提高適用性,需要開放調(diào)節(jié)手段,以滿足不同產(chǎn)品的差異化控制需求。

二冷水控制有靜態(tài)水表控制、表面溫度控制、坯殼厚度控制、主從控制等多種模式,根據(jù)設備實際狀態(tài),允許不同二冷水控制區(qū)采用不同的控制策略進行多種策略的組合控制。舉個簡單的例子,根據(jù)實際冷卻效果以及設備控制特性,冷卻區(qū)的內(nèi)外弧、中邊部等不同冷卻回路可以采用主從控制方式,足輥區(qū)域可以選擇靜態(tài)水表控制,而彎曲矯直段則可以采用鑄坯表面溫度控制等。同樣,輕壓下控制也需要根據(jù)產(chǎn)品跟蹤計算得到的凝固狀態(tài),進行輕壓下位置、輕壓下量的動態(tài)修正,以滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制需求。當然,新的控制策略也需要新的模型技術的支撐,當鑄坯寬度方向噴嘴阻塞或水流密度不一致時,要精確計算鑄坯凝固終點,就需要三維溫度計算模型的支撐。

總之,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗和實際控制效果,不斷總結、優(yōu)化最合理的控制參數(shù)和控制策略,配置成一個具體的控制方案,由模型系統(tǒng)自動檢索,實現(xiàn)產(chǎn)品個性化的配置控制。

2.3 全流程控制技術

全流程以及非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)處理能力是自動控制的重要組成部分,對于二冷輕壓下控制而言,全流程控制包括了如下兩個方面:①準備、插入、保持、鑄造、引拔等連鑄生產(chǎn)所涵蓋的所有生產(chǎn)模式;②連連鑄、中間包更換、滯坯、漏鋼降速等連鑄特殊場景。

要在保證生產(chǎn)穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)二冷輕壓下模型全流程自動控制難度很大,可以說,每一個生產(chǎn)模式、每一個特殊場景都是一個具體的模型。要實現(xiàn)模型控制,首先是能夠準確識別生產(chǎn)過程,其次才是差異化控制。通過對生產(chǎn)模式、特殊場景的抽象以及對應控制邏輯的梳理,提供一個開放的框架,實現(xiàn)生產(chǎn)過程和工藝需求、控制參數(shù)之間的自由映射,為模型全自動控制打下堅實基礎。圖4為連鑄不同生產(chǎn)場景下進行差異化控制工藝配置的示意圖。

圖4 場景控制配置

3 軟件構架及功能

連鑄工序過程控制主要包括L1和L2系統(tǒng),過程控制層面的智能化有兩個維度,一種是基于智能算法、專家系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應用,主要應用于過程決策、分析和診斷;一種是基于數(shù)學模型和專家知識的物理過程控制,主要應用于執(zhí)行機構的實時控制。這兩個維度都有一個趨勢,就是進一步融合L1和L2系統(tǒng),挖掘L1和L2系統(tǒng)之間的互補性價值作為傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)的有益拓展。新一代的連鑄動態(tài)二冷及動態(tài)輕壓下模型自動控制系統(tǒng),要解決二冷輕壓下的全自動控制問題,和L1系統(tǒng)結合更加密切。為了保證控制的實時性及穩(wěn)定性,二冷輕壓下模型控制系統(tǒng)直接和L1系統(tǒng)進行交互,和現(xiàn)有系統(tǒng)關系如圖5所示。

圖5 二冷輕壓下模型系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的交互關系

模型系統(tǒng)采用C/S構架實現(xiàn)。服務端的所有服務采用了基于ICE的封裝,具有跨平臺特性,能夠較方便地實現(xiàn)服務和服務以及服務和應用之間的交互,并實現(xiàn)服務進程的調(diào)度和管理。

服務端的所有服務包括:①模型服務,負責鑄坯跟蹤、溫度及凝固計算、動態(tài)二冷水設定、動態(tài)輕壓下設定、鑄坯裂紋預測等運算模塊,是二冷輕壓下模型系統(tǒng)的核心功能。②靜態(tài)水表設計服務,負責實現(xiàn)不同產(chǎn)品不同目標表面溫度下的個性化水表優(yōu)化設計。③通訊服務,負責模型系統(tǒng)和流儀表、流電氣、平臺公用等PLC之間的數(shù)據(jù)交互,具體包括讀取L1過程數(shù)據(jù)以及制造標準信息,寫入模型設定信息以及模型過程信息。④靜態(tài)水表維護服務,負責實現(xiàn)L1控制所需靜態(tài)水表的維護功能。⑤數(shù)據(jù)庫服務,負責實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫保存。

模型系統(tǒng)客戶端主要畫面如圖6、7所示。

圖6 鑄坯3D溫度跟蹤

圖7 動態(tài)輕壓下控制

4 結語

寶鋼股份2CC二冷輕壓下模型自動控制系統(tǒng),是在寶鋼早期開發(fā)的模型系統(tǒng)的基礎上,結合現(xiàn)場豐富的生產(chǎn)知識,自主研發(fā)的新一代智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)更多考慮了工藝優(yōu)化、產(chǎn)品拓展、全流程控制等方面的需求,采用數(shù)字建模,實現(xiàn)控制工藝、控制策略的配置式生產(chǎn),擴展性強,便于生產(chǎn)控制的持續(xù)優(yōu)化和全自動控制的實現(xiàn),也為高拉速控制以及產(chǎn)品拓展提供了模型基礎。

該系統(tǒng)現(xiàn)已穩(wěn)定上線運行,并在2CC成功拓展了中碳鋼、管線鋼等新產(chǎn)品的生產(chǎn)能力,試制產(chǎn)品的鑄坯表面裂紋、中心偏析等質(zhì)量缺陷均滿足產(chǎn)品質(zhì)量控制要求,這為連鑄工序產(chǎn)品交叉生產(chǎn)提供了可行方案。