浅谈连铸控制系统的重要性
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【摘 要】铸坯质量和铸机生产率在很大程度上决定于二次冷却强度、冷却水的分配与控制、冷却方式、二冷区设备的水平。二冷强度的增加可以使得拉速增大，生产率提高；二冷控制直接影响着铸坯的质量，铸坯的内部裂纹、表面裂纹、铸坯鼓肚、铸坯菱变等缺陷均由不合理的二冷造成。由此可见，二冷对于连铸生产具有重大的意义。拉坯速度是连铸生产操作中的重要控制参数。正确控制拉速是保证顺利浇铸、充分发挥连铸机的生产能力、改善铸坯质量的关键因素之一。
【关键词】连铸生产状况；二冷控制；连铸自动化
1.连铸生产状况简介
连铸过程是炼钢车间和高速线材厂之间的处理过程，连铸的物质流向。连铸车间的主要工艺设备包括：盛钢桶及回转台、中间包及其小车、结晶器及其振动和冷却供水设施、二次冷却段、铸坯切割设备、铸坯输送辊道、循环水系统等。其简略的工艺流程为：炼钢车间把1560℃左右的钢水装在盛钢桶内运送到连铸车间，放置到钢包回转台上。盛钢桶回转到中包上方时，打开盛钢桶的滑动水口，钢水注入中间包。中间包钢液达到一定量后打开中间包塞棒，钢水分5流流入结晶器。钢水在结晶器内经一次冷却形成坯壳并在引锭杆的拖动下慢慢拉出结晶器，进入二冷区进行二次冷却，使液芯铸坯逐渐完全凝固。铸坯出二冷段后经过拉矫机矫直，然后经火焰切割成要求的长度，并由输送辊道送至线材厂或外运。
2.二冷控制及拉速调节系统
2.1二冷控制系统
铸坯冷却过程控制系统由一冷控制和二冷控制两部分构成，连铸坯由结晶器“出生”后，即经过一次冷却形成的初生坯壳进入扇形辊道所组成的二冷区，然后进入拉矫机矫直。电炉厂的连铸机根据拉速和铸坯质量的要求，结合铸机冶金长度和二冷水控制的要求，把二冷区段分为3段。根据冷却水在二冷区整个长度上的分配要与铸坯凝固相适应的原则，而且铸坯的坯壳厚度δ是随着时间τ的平方根而增加，即δ=K，其中τ=S/V，式中S为结晶液面到二冷区某一点的长度，v为拉速，从而可得：Q∝，由此可得二冷水。
各段的冷却水量分配为：
Q1、Q2、Q3=：：
Q1、Q、2Q3、分别为第一、二、三段的冷却水量，s1、 s2、s3分别为结晶器液面到第一、二、三段冷却区中心点的长度。二冷控制系统的生产现场级主要有如下控制量：各流各段水流量大小的调节和测量；二冷出口处铸坯的表面温度的测量；拉矫机上用于位移增量的测量；变频器上的速度测量，由变频器直接给出的拉矫机平均速度；中间包钢水温度的测量。二冷基础级的过程控制部分由PLC进行现场数据采集，由工控机进行监控，两者之间通过工业以太网相连；在工控机上，可以根据现场要求显示二冷每段的流量、压力以及二冷出口处的温度，还可设定配水表的系数K1、K2、K3以及温度反馈控制器的KP、KI等。二冷过程控制级主要用来管理生产过程中二冷控制所产生的历史数据库和技术数据库，可方便专业技术人员对生产过程进行离线分析和优化。二冷水控制中水量的大小应该与钢种、断面、钢水温度、拉坯速度等因素有关。对于钢种、断面已知的浇铸过程，二冷控制可以采用二冷水量与拉坯速度成二次关系进行各段水量的设定，此种方法只是根据拉速设定流量而没考虑钢水温度的影响，所以这种方法无法实现准确有效的铸坯表面温度闭环控制，为此，在对二次冷却进行建模研究的基础上给出了一个温度串级控制系统，其中流量控制为副回路，由控制器、电动调节阀等组成，铸坯表面温度为主回路，由铸坯表面温度模型、水流量设定值、钢水温度前馈量等组成。
2.2拉速控制系统
铸坯的拉矫单元有两个功能：一是把引锭杆输送到结晶器；二是保证连续拉矫从冷却室出来的铸坯。拉矫机驱动的两个矫直辊位于两个半径不同的弧线上，从而使得铸坯固-液界面产生的拉伸强度很小从而避免内部裂纹的产生。铸流的拉矫机由变频器控制变速，变频器的控制信号、速度给定信号、速度反馈信号直接连接到各流PLC上。拉矫机速度调节设计有两种方式：二级控制系统设定、手动设定。二级系统根据炼钢厂物流的综合情况设定合适的拉矫速度，但是由于现场条件所限，二级系统经常不能正常运行，因此，速度调节只能是人工调节拉速可否根据过热度自动调节取决于结晶器的液位控制方式。结晶器液位根据设备使用情况采用两种控制方式：速度调节和塞棒液位调节。在中间包钢水流出采用定径水口的情况下，拉矫机的速度是结晶器液位控制系统的调节对象，它是保证结晶器液位稳定的根本因素；在中间包采用塞棒调节的方式下，拉速只是液位调节的一个干扰量，可通过前馈补偿减弱其对液位的影响，在这种情况下，若中间包温度起伏较大，则可自动调整拉速以保证浇铸的正常进行。
3.连铸自动化的发展状况
随着工业自动化技术的发展和连铸工艺的不断提高，连铸的自动化技术得到了迅速的发展，目前已经由局部的继电器逻辑控制和传统的模拟控制仪表发展到大规模的DCS集散控制系统或PLC控制，电气传动则采用交流调速和矢量控制技术，这种基础自动化是用新的控制策略实现高级综合控制的系统，从而为提高系统的控制的品质提供了很大的便利和灵活性。在连铸过程检测和控制自动化中， 可 充 分 利DCS或PLC系统连续PID控制和顺序逻辑控制及可进行较为复杂的运算等特点，实现复杂的方式切换、连锁、自适应、动态补偿等。现在又新增加专家控制系统等新技术，即DICS，使现在连铸过程的控制更加完善。近年来随着网络技术的发展，国外一些先进的连铸生产国更进一步发展了管理级控制系统，统一管理和调度连铸及其相关生产工序，使各工序协调运行，并保存连铸生产的历史数据和提供连铸关键控制环节如中间包和结晶器液位控制、二冷水控制等的动态控制模型。由于连铸生产过程的复杂性，传统PID控制系统不能实现满意的控制效果，因此国内外一些控制专家已经将诸如自适应控制、预测控制、 H控制、模糊专家系统、神经元网络等智能控制方法用到连铸生产的各个控制环节中，并且较好地解决了各环节之间的耦合控制及整个过程的优化和故障诊断与处理等问题。这些检测和控制项目充分利用控制理论、计算机技术、网络技术方面的最新技术和成果，对改善铸坯的质量、提高浇铸速度，指导生产，节能和降低运行费用等方面都具有很重要的意义。 [科]
【参考文献】
[1]巫英伟，卢义，索晓娜，王秋旺.板坯连铸二冷区表面传热系数的预测方法[J].西安交通大学学报，2014（01）.