连铸机自动控制系统设计

刘海霞

（常州铁道高等职业技术学校，江苏 常州）

1 引言

目前炼钢厂使用的3#、4#连铸机为小方坯连铸机，是三机三流全弧形二点矫直结构。利用该连铸机，从开始浇注到具体形成需要经过两次冷却，第一次冷却需要通过结晶器来完成，在本阶段钢水在结晶器内冷却形成了初步坯壳，在完成第一次冷却后，坯壳进入到第二次冷却区域开始第二次冷却，而在二次冷却过程中冷却水的科学利用对最终钢坯的高质量生产起到关键作用。原本的二冷水流量是不可调节的，拉速变化也没有同步实现，随着品种钢改造升级后，对生产工艺提出更高要求，特别是各类优质钢材的生产过程更需要精细化保障，其中二次冷却控制至关重要，如若操作不当就会形成各类铸坯缺陷，例如内部及表面裂纹、铸坯的菱变（脱方）鼓肚等等。原本的二冷水流量固定配水方式无法更好满足效果，冷却效果无法实现最大化，对钢坯质量会造成实质性影响。因此需要采用二冷水动态调节，最佳的冷却效果才会得以实现。

2 二冷水的工艺简介及控制思路

连铸机在生产过程中，钢水需要从中间包到结晶冻结成型，在引锭杆牵引下，钢坯进入二冷环节，之后到拉矫机，经火切机切割后输出钢坯。在该工艺品的整个过程中，其需要从1500℃的液态变成700℃方钢坯。对于高效连铸而言，二冷水的配置是否能够做到最优化处理，这对于钢坯的整个生产起到关键性的作用，铸坯的质量优劣也是在这个阶段来实现的。良好的二冷模式必须具备以下三点性能：一是有助于铸坯内部质量或是表面质量的提高；二是能延长二次冷却设备的使用寿命；三是用水量较少，可以更好满足生产效率的实际要求。具体生产过程中，二次冷水的控制方式需要充分结合现场工艺等要求来细化和确定，就理论而言，一般采用沿浇铸的方向来预测凝固厚度梯度及温度变化来确定，具体则使用拉速对二次冷却水流量进行定量控制。具体控制过程如图1所示：

图1 控制过程图

在连铸机改造完成后，可以实现分三段对二次冷却水水量进行比例控制，分别为足辊段、Ⅰ段和Ⅱ段。隔段根据内外弧及两侧边分别配水，采用水雾冷却，具体用水量与拉速呈正向动态关系。每个冷却段都是通过一个流量计以及一个调节阀，在调节阀后分管直至分水器，通过分水器再分成内外弧以及左右两侧喷淋管。

3 二冷水控制数学模型的实现

二冷水动态模型控制需要在特定的环境下来进行，其冷却的水量也会随着拉速的变化而发生改变。其还会呈现出最佳的状态来分布，这样就可以对铸坯表面温度进行控制，让铸坯质量变得更好。

3.1 配水模型基本公式

运用拉速相关控制法，又称比例控制法、比水量法或水表法，属一级控制。该控制法将拉速作为具体控制参数，根据拉速V的增减量来确定冷却水Qi的总量大小。具体计算公式如下：

式中：Q 为冷却水量，m3；V 为拉速，m/min；A、B、C为各类系数，具体由钢种、铸坯断面尺寸等所确定；i为冷却段序号，i=1、2、3。

3.2 控制原理

一般采用闭环控制，采用前提为中包钢水整体温度相对稳定。控制主要按照二次冷水区域不同段为进行水量变化控制。配水量的确定方法，必须要结合不同钢种以及不同钢种的断面尺寸铸坯，在不同拉速下进行模型操作来最终确定。一般情况，按照回归方式可以清晰得到水量与拉速的关系。如公式（1）。根据这一关系，系统实现二次冷却区各段的铸坯冷却最优配水量。原理如图2所示：

图2 系统原理图

4 自动化控制系统组成及功能实现

4.1 二冷水自动控制系统的硬软件配置

炼钢厂4#连铸机自动控制系统硬件为GE公司9030 PLC。软件使用SIMATIC人机界面WINCC 6.0sp2和GE VersaPro编程软件。Wincc监控界面与PLC之间通过GE OPC Server进行标准化的数据交换，PLC站与站之间、PLC站与上位机之间通讯使用以太网网络来进行数据交换。人机终端界面HMI有写入修改参数，对于需要的数据要读出来，并且要安装好报警程序。一旦水量低或者是水温较大的情况下其就会发出声光报警，这样对于值班人员就可以起到提醒的作用。值班人员一旦发现这种状况就可以及时的查看设备并且及时的排除相应的隐患，让设备的安全周期运行效率得到提高。该铸机共有三个流，每流有1套反冲洗装置、1台快切阀、1只电子压力表；每段上有1只电子流量计和1台气动比例阀。在原有连铸机的PLC系统扩展机架中加入数据采集模块，并在PLC中对其进行组态，分配好相应的I/O地址。现场采集的数据还包含了二冷水系统的水流量以及水压，要对调节阀位进行反馈和控制，对于振动装置还需要对其频率进行控制，对于结晶的水流量和温度等都需要进行相应的控制工作。为了让信号干扰问题降到最低的水平，在对流量、压力、温度的信号回路中间加装有无源信号隔离器。

4.2 二冷水水量计算及修正

根据配水模型基本公式（1），综合相关经验数据，取用下列数据模型（以足辊为例）：

其中：Q1JS为计算后的配水量（m3/min）；V 为拉速（m/min）。

修正后的流量：Q1XZ=K*K1

其中：Q1JS为修正后的配水量（m3/min）；K为总流量修正系数；K1为足辊流量修正系数。

在整个冷却水配水过程中，每个速度段的配水公式的系数是不同的，所以流量也不同。在实际应用中，水量的控制采用分段函数：

二冷水水量修正计算是根据二冷各段喷嘴设计布置的理论流量分配比例，以实际生产时，拉速为2.0m/min的合理比水量确定出的k、k1、k2、k3调节数值，k初步确定统一为1.00，调节范围1～2；其中低合金钢足辊k1=1.91，一段k2=1.23，二段k3=0.84，普碳钢足辊k1=1.67，一段k2=1.08，二段 k3=0.74，调节范围0～3.0。分钢种在拉速为2.0m/min的理想给水量，调整时应郑重，一般不作调整。如果供水管或喷嘴发生严重堵塞的时候就会让水量不足，可参照k1、k2、k3值作出调整。实际生产中k值一般不作调整，k1、k2、k3调整操作应精细，以0.05为一个调整单位进行调整。

在实际调试时，要根据生产的实际要求，考虑到足辊流量在开浇起步阶段的重要性，足辊调节阀设为全开状态。即当拉速大于0.4m/min时，足辊流量为最大值。

水量修正计算程序如图3所示：

图3 水量修正计算程序图

4.3 二次冷水各段水量PID（比例、积分、微分）的闭环控制

在PLC程序中，通过二次配水的曲线数学模型PID调节方式来控制二次冷水，就能够实现利用监控画面对自动化配水功能进行快速调整，在WinCC控制画面针对各段设有自动和手动两种控制按钮。自动模式下，铸流水量设定值SP（计算流量）由PLC通过配水公式及修正后计算给定。需要通过点位器实现拉速的确定，并且通过配水公式来计算出每顿的喷水量SP，SP通过工程量换算成4-20mA的电流信号输出给执行器，执行器控制阀门开度，并通过阀门的阀位反馈信号输入到PID控制程序，与此同时，电磁流量计检测到的水流量PV（实际流量），与PID过程设置点SP的数据比较，输入到PID程序块中通过对比工程量和喷水量，计算出偏差，再输出给执行器来控制阀门。根据工艺要求，设定目标参数，由PID回路的调试曲线，不断调整Kp（比例系数）、Kd（积分系数）、Ki（微分系数）控制参数，使被控参数稳定在设定值的正常波动范围内，从而实现控制阀门的开度，达到对流量精确控制，实现理论喷水量与实际流量一致。整个配水过程是调节阀利用PID控制回路进行闭环控制。把最终数据放到R03050，最后通过模拟量模块AQ0040输出给执行器。其PID功能块程序如图4所示：

图4 PID功能块程序图

充分利用上位机进一步对过程监控画面进行改进。回路画面中，将PID回路的PV值、SP值、CV值（PID输出）用棒图形式、数字形式进行集中显示，具体操作员不仅能直接观测回路调节情况，并根据需求对回路参数进行精确设定。调节画面中设有手动、自动模式切换按钮。手动控制中，二次冷水流量由操作人员在WINCC监控画面手动输入，范围值为：0-32000（0～100%），而在 PLC 程序中，直接跳过PID的调节，对AQ0040进行赋值，从而实现阀门控制，最终使得水量调节最大程度接近于理想曲线。WINCC PID监控趋势如图5所示。

图5 WINCC PID监控趋势图

5 改造产生效果

本改造项目的成功实施，不仅可通过HMI进行在线监控及操作，且操作灵活方便，让生产效率得到了更大提升，手动和自动之间可以实现随时转换，调水时间可以实现更大的节约，并连铸机稳定、高效、快速生产起到有力保障。控制系统在改造之后，冷却问题得到极大改善，各类实际生产中易发多发的裂纹、鼓肚现象得到有效缓解，铸坯脱方、疏松、缩孔等常见缺陷概率也大幅下降。系统的成功改造，无论是在控制系统方面还是在生产工艺方面，都得到实质性的飞跃，可以将普通的连铸机生产优钢的功能实现优化，具有显著的社会经济效益。