高效连铸工艺模型及自动控制系统在京唐公司的应用

　连铸高效技术是洁净钢生产的重要工艺环节。其主要目标是根据不同钢种的特点合理提高拉速、确定典型高拉速并稳定拉速，实现恒拉速;保证铸坯的内部质量和表面质量，促进连铸高效化。连铸生产高效化对过程控制工艺模型及系统提出了更高的要求，应重点开发高效铸机高拉速条件下高温无缺陷坯生产技术，保证热装热送工艺。

　　洁净钢无缺陷生产的特殊要求

　　铸坯跟踪技术：精确的铸坯跟踪技术能够保证每块板坯都有唯一的身份代码，并能实现连铸前道工序的信息查找。铸坯跟踪技术的前提与基础是对到达铸机的炉次进行精确跟踪。炉次跟踪主要通过大包回转台动作及钢包称重等信息，判读出钢包到达、钢包开浇、钢包停浇与钢包离开等状态。铸流跟踪模型采用了编码器正向跟踪与火焰切割机位置反向校验的铸流跟踪算法，实现铸坯跟踪、计划跟踪与设备跟踪，避免浇注长度上的误差积累。优化切割模型针对头坯、尾坯、中间包快换、漏钢报警重接坯、结晶器调宽过程过度坯、炉次成分超标铸坯等，同时考虑温度补偿、取样长度和切割融损长度等因素，优化出适合的切割长度。系统通过铸坯跟踪，自动生成铸坯坯号，控制打号机打号，避免人工输入和干预。

　　结晶器漏钢预报模型：漏钢预报是保证连铸生产高效顺行的主要技术。漏钢预报系统对结晶器设备具有很强的依赖性，有针对性地研究结晶器内热状及测温热电偶布置是十分必要的。

　　使用过程中热电偶存在进水、虚接、断线等问题。热电偶进水后，温度信号表现为以100度为下限保持恒定或波动。此外上排热电偶进水后，测量的温度数据要低于下排的温度数据。热电偶断线后，检测的温度信号时有时无，极不稳定。热电偶虚接时，温度数值在很大范围内波动。开发的模型将这些异常温度特征信号对一次监测信号进行甄别，增加了系统的抗干扰能力。

　　漏钢预报系统分为信号采集处理PLC和预报模型两大部分，系统架构如下图所示。

　　数据采集处理PLC负责收集处理测温热电偶检测的温度、PLC传送的拉速、液面高度及板坯宽度等信息，并上传至漏钢预报及热成像模型。模型采用逻辑判断算法，预报连铸过程是否发生粘结。发生粘结时，漏钢预报及热成像模型将分析结果通过模型PLC发至铸流PLC。漏钢预报及热成像模型具有实时数据存储、漏钢预报分析和结晶器热成像功能。

　　结晶器漏钢预报系统架构

　　动态二冷控制与动态轻压下控制模型：板坯动态二冷配水与动态轻压下技术的核心就是利用动态控制模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，在此基础上依据目标表面温度控制法动态控制二冷区各回路水量，达到优化铸坯凝固过程温度场的目的;同时准确地预测铸坯凝固进程及凝固末端位置，给出合理的压下区间，并依据不同钢种的凝固特性和铸坯规格对铸机辊缝曲线进行合理设定，实现动态轻压下控制。

　　动态热跟踪模型：模型从结晶器钢水弯月面到二冷区终点对铸坯温度进行了全程的计算跟踪。在模型中，铸坯沿运动方向从结晶器弯月面到二冷控制区末段被离散化成许多切片。对于每个切片，通过建立传热微分方程来计算切片沿铸坯运动方向的凝固传热过程。针对二位传热数学模型采用有限差分形式，计算铸坯横断面上的温度分布。与一维模型相比，二维模型充分考虑了铸坯宽度以及沿宽度方向二冷强度变化对铸坯凝固坯壳厚度及终点的影响。由于采用二维传热数学模型，模型计算量较大，为此采用多线程求解方式求解，解决二维传热凝固数学模型计算量大的问题，保证了在线控制模型的精确性和实时性。

　　热跟踪模型计算域与求解算法

　　动态二冷控制模型：动态二冷控制系统采用离线与在线目标表面温度双闭环控制，实现二冷区各区水量的动态控制。控制的前提是基于连铸冶金准则，通过典型钢种的高温热拉伸实验，确定目标表面温度曲线，并存入模型数据库，用于在线控制模型。同时目标表面温度曲线也用于基于单切片的温度场计算及二冷配水优化模型计算。

　　在线控制环是以“坯龄”为控制基础的。“坯龄”即切片从弯月面生成后到当前位置在铸机中经历的时间。在非稳态浇注时，拉速不再直接决定水量，而是通过坯龄反应出切片的冷却趋势与有效拉速，从而计算出考虑热滞后特性的基础水量。控制模型获得基础水量后，将动态热跟踪模型计算获得的表面温度与目标表面温度进行对比，当两者存在偏差时，及时调整该冷却区的冷却强度，使得铸坯表面温度与目标表面温度尽量接近。离线控制环是浇注平稳时铸坯表面沿既定目标表面温度冷却的控制环节。

　　动态轻压下控制模型：动态轻压下控制模型包含轻压下控制参数数据库、辊缝在线计算模块、辊缝设定值修正模块、模型输入模块和模型输出模块等五部分。

　　在实际控制中，在线计算模块实时接收温度场和凝固进程等信息，确定铸坯中心凝固两相区的位置。根据参数数据库配置的压下工艺参数，给出压下起始位置和结束位置。根据压下量与压下率设置规则，将总压下量按一定的规则进行分配，确定各压下扇形段的压下量，并在修正模块中进行优化调整。然后将各压下扇形段的压下量与基础辊缝进行叠加，生成当前时刻的压下辊缝值。

　　连铸坯质量在线判定系统：直装工艺要求铸坯质量满足轧制要求，没有下线进行人工检查的机会。传统冷态铸坯质量检查法已不能满足要求，利用现代数学与人工智能技术建立铸坯质量的在线预报系统是行之有效的方法。根据首钢京唐洁净钢生产工艺要求及高效板坯连铸特点，建立连铸坯质量在线判定系统。

　　过程数据采集进程、异常事件采集进程、主跟踪进程完成对连铸过程中发生的异常事件进行采集。包括异常事件发生位置、对铸坯影响程度、影响范围的判定。并将结果上传到MES系统。MES系统根据表面分级、表检、成分等信息，对板坯进行质量的最终判定，对成分不合的板坯自动冻结，且没有终判结果的板坯不能进入下一道工序。

　　系统应用效果

　　建立了以铸坯质量为核心的连铸工艺模型及控制系统，实现了铸坯质量的在线控制技术与判定技术，为保证高拉速、恒拉速的高效连铸生产奠定基础。连铸工艺模型及控制系统运行稳定可靠，保证了高拉速、恒拉速的连铸生产。产品信息完全，铸坯质量良好。裂纹敏感钢种表面裂纹很少发生。管线钢中心偏析在C类1.0级以下比例达95%。汽车钢表面质量实现了系统自动分级与判定。

　　以首钢京唐公司高效低成本洁净钢制造平台为基础，根据制造平台的基本要求，建立了炼钢区域的关键工艺模型及控制系统，为建立炼钢流程数字化工厂奠定基础。