二冷水自动控制系统

连铸机二冷水自动控制系统

文均、刘卫标、李会祥、粟小琴

昆钢重装集团维检中心

摘要：炼钢厂3#、4#连铸机二冷水系统的升级改造，通过增加二冷水自动控制功能、采用PID控制调节阀，实现了对水量的精确控制，获得铸坯最佳冷却效果，满足了生产工艺需要，降低了漏钢率，提高了铸坯外形质量。

关键词：二冷水、拉速、配水模型、PID调节

1 引言

炼钢厂3#、4#连铸机建于2003年，机型为三机三流全弧形二点矫直小方坯连铸机。从浇注到成材需要经过两次水冷却，即一次冷却和二次冷却。一次冷却是由结晶器来完成，这个阶段的目的是使钢水在结晶器内冷却形成坯壳，然后钢坯进入二冷区，二次冷却水在整个连铸生产阶段是非常重要的，它的冷却效果直接影响着钢坯的质量。由于原来二冷水流量固定不可调节，没有跟随拉速变化，近年来随着股份公司品种钢的开发，在生产优钢过程中，由于二次冷却控制不当，出现了一些铸坯缺陷：如内部裂纹、铸坯菱变（脱方）、铸坯鼓肚、表面裂纹。原有的二冷水流量固定配水方式已不能满足工艺需要，达不到最佳的冷却效果，严重影响了钢坯的质量。鉴于这一原因，必须采用二冷水动态调节，获得最佳冷却效果。

2 二冷水的工艺简介及控制思路

连铸机在生产过程中，钢水从中间包到结晶器（一冷）冻结成型，在引锭杆的牵引下钢坯进入二冷环节的冷却，然后到拉矫机，经火切机切割后输出钢坯。整个工艺品过程钢水从1500度的液态变成700度方钢坯。对于高效连铸而言，二冷水的配置是否合理，是钢坯生产较为关键的因素，直接关系到铸坯质量的优劣，合理的冷却制度是杜绝铸坯内部裂纹的关键工艺要素。良好的二冷模式应具有以下特点：有助于铸坯内部质量乃至表面质量的提高；能延长二次冷却区设备的使用寿命；用水量少；满足生产效率的要求。二冷水的控制方式根据现场实际工艺要求（包括钢种、规格、质量等要求），理论上确定沿浇铸方向预测凝固厚度梯度和温度分布变化，用拉速来控制冷却水的流量。控制过程如下图：

炼钢厂3#、4#连铸机改造后二次冷却水分三段进行水量的比例配水控制，即足辊段、Ⅰ段、Ⅱ段。三段均为水雾冷却且依据内外弧和两侧边分别配水，水量随拉速的变化是不间断均匀变化的。每一个冷却段使用一个流量计和一个调节阀，在调节阀后分管直至分水器，通过分水器再分成内外弧和左右两侧喷淋管。

3 二冷水控制数学模型的实现

二冷水动态模型控制是指在任一浇注条件下，使冷却水量跟随拉速连续变化，且沿拉速方向按最佳状态分布，以控制铸坯表面温度符合设定的目标温度，从而获得良好的铸坯质量。

3.1 配水模型基本公式

运用拉速相关控制法，也称水表法、比水量法或比例控制法，属于一级控制。即以拉速为控制参数，根据拉速V的大小来决定冷却水量Q i的大小。通常采用以下公式计算冷却水量：

Q i=A i*V2+B i*V+C i (1)

式中：Q——冷却水量，m3；

V——拉速，m/min；

A

、B

、

C——是由钢种和铸坯断面尺寸等各项因素所确定的系数；

i——冷却段序号，i=1、2、3；

3.2 控制原理

在中包钢水温度相对稳定的条件下，采用闭环控制方式。该控制是使二冷区各段水量随拉速的变化而变化。是对不同钢种、不同断面尺寸的铸坯，在不同的拉速下进行模型运算，从而得到不同拉速下二冷区各段的配水量，经回归得到相应的水量与钢坯拉速的关系，如式（1）。该控制系统根据这一关系，实现二冷区各段对铸坯冷却的最佳配水。系统的原理框图如图1所示。

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#连铸机整个生产工艺的自动控制系统的硬件采用GE公司的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，如图2。人机终端界面HMI有写入修改参数，读出需要数据功能，并做有报警程序，当水量低、水温温差大的情况下发出声光报警，提醒当班人员查看设备，了解生产状态，排查隐患，提高设备安全长周期运行率。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。现场采集的数据包括二冷水系统的水流量、水压、调节阀位反馈、振动装置的振动频率与拉矫机拉速反馈，结晶器水流量及温度等。

为了防止信号干扰，在采集流量、压力、温度的信号回路中间加装有无源信号隔离器，如图3。

图

2

图3

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）：

Q1

=1.138*V2+3.491*V-1.321

JS

——计算后的配水量（m3/min)

其中：Q1

JS

V——拉速（m/min）

= K*K1

修正后的流量： Q1

XZ

其中：Q1

——修正后的配水量（m3/min)

JS

K——总流量修正系数

K1——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：

Q1 = 0 (V<0.4 m/min)

(V>1.5 m/min)

Q1 = Q1

XZ

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。如果某一段的供水管或喷嘴发生严重堵塞造成水量的严重不足，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，结合生产要求，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下图5：