基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型研究

常運(yùn)合

（南鋼第一煉鋼廠）

摘  要：回溫是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋、皮下裂紋等鑄坯缺陷的主要原因。鑄坯在二冷區(qū)換熱方式的差異性，各區(qū)出口鑄坯表面換熱強(qiáng)度與放熱強(qiáng)度的差異性，連鑄生產(chǎn)工況波動(dòng)是回溫產(chǎn)生的主要影響因素，本文分析了冷卻強(qiáng)度與回溫的關(guān)系，建立了基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型，通過優(yōu)化二冷區(qū)水量，減小二冷區(qū)各區(qū)出口回溫值，減小二冷區(qū)坯殼溫度回升所造成的過大熱應(yīng)力獲得合格質(zhì)量的鑄坯。

關(guān)鍵詞：連鑄, 冷卻強(qiáng)度, 回溫反饋, 動(dòng)態(tài)二冷配水模型

Research of Dynamic Secondary Cooling Control Model Based on Surface Reheating Feedback

CHANG Yun-he

(First steel Making Plant of NISCO)

Abstract: The strand surface reheating during continuous casting is connected with the formation of middle crack 、subsurface crack and other defects of slab. The difference of heat exchange behavior in the secondary cooling zone, the difference between the heat release and heat removal at the export of each secondary cooling zone, and fluctuations of continuous casting conditions are the main factors for the generation of the strand surface reheating. The relationship between cooling intensity and the strand surface reheating is analyzed, and a dynamic secondary cooling control model based on the strand surface reheating feedback is established in this paper. By optimizing the secondary cooling water, reducing strand surface reheating at the export of each secondary cooling zone, and reducing the thermal stress caused by the strand surface reheating, the acceptable quality slab is obtained.

Key Words: continuous casting, cooling intensity, surface reheating feedback, dynamic secondary cooling control model

1引言

連鑄過程二冷控制與鑄坯質(zhì)量密切相關(guān)。澆注時(shí)依據(jù)拉速、鋼種和中包溫度等工藝條件，以及鑄坯溫度場動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)二冷區(qū)各段噴水量，使得鑄坯均勻冷卻是獲得合格質(zhì)量鑄坯的關(guān)鍵，而二冷區(qū)坯殼溫度回升所造成的過大熱應(yīng)力是鑄坯裂紋（尤其是內(nèi)裂紋）等缺陷形成的主要因素[1]。國內(nèi)外目前大都采用基于中包連續(xù)測溫的澆鑄溫度前饋配水策略、基于拉速模型消除熱滯后影響的控制策略和基于目標(biāo)表面溫度法進(jìn)行動(dòng)態(tài)配水控制，本文在分析連鑄表面回溫產(chǎn)生的機(jī)制基礎(chǔ)上，建立了基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型。

2 回溫產(chǎn)生的機(jī)制

2.1與回溫相關(guān)的鑄坯缺陷

不合理的二冷配水會(huì)使鑄坯表面溫度波動(dòng)太大，出現(xiàn)溫度回升過快過大等現(xiàn)象，這些都容易導(dǎo)致鑄坯內(nèi)裂紋的產(chǎn)生，與鑄坯表面溫度回升相關(guān)的鑄坯缺陷如下所述。1）中間裂紋，在鑄坯外側(cè)和中心之間的中間某一位置(如鑄坯厚度1/4處)，垂直于鑄坯寬面，產(chǎn)生的主要原因是鑄坯通過二冷區(qū)時(shí)冷卻不均勻，溫度回升大而產(chǎn)生熱應(yīng)力造成的，回溫是產(chǎn)生中間裂紋的驅(qū)動(dòng)力。2）皮下裂紋，位于離鑄坯表面3~10mm范圍內(nèi)，產(chǎn)生的原因是二次冷卻不均勻，通過二冷區(qū)的鑄坯表面溫度呈周期性變化，鑄坯溫降速度和回溫回升速度過快，鑄坯發(fā)生多次回溫過程，造成坯殼多次變形而形成的。3）中心裂紋，由于鑄坯通過二冷區(qū)時(shí)冷卻不均勻，溫度回升過大而產(chǎn)生熱應(yīng)力造成的，特別是凝固結(jié)束時(shí)，由于凝固潛熱全部釋放完畢，中心溫度相對周圍的溫度下降較快，此時(shí)鑄坯中心產(chǎn)生拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生中心裂紋。

2.2回溫產(chǎn)生的原因

由于二冷區(qū)鑄坯冷卻方式的差異性產(chǎn)生回溫。不同的換熱方式，如圖1所示，其冷卻強(qiáng)度也各異，導(dǎo)致鑄坯的表面溫度周期性上升和下降。該機(jī)制下的坯殼回溫很難避免，但是由于其坯殼上升和下降均在較短的時(shí)間和區(qū)域內(nèi)完成，一般很少考慮由于換熱方式差異性導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。

由于二冷區(qū)各區(qū)出口外界換熱強(qiáng)度與鑄坯放熱強(qiáng)度的差異性而產(chǎn)生回溫[2]。在連鑄冷卻過程中，理論上，如果鑄坯鑄坯釋放的熱量正好通過冷卻被帶走，鑄坯離開結(jié)晶器后表面溫度就不會(huì)回升。但是由于熱交換過程被人為離散為幾個(gè)不同的冷卻階段（冷卻回路），并且每個(gè)冷卻回路各個(gè)位置具有同一水流密度和換熱強(qiáng)度，這就勢必導(dǎo)致在同一個(gè)回路上，前面部分的冷卻水換熱強(qiáng)度小于鑄坯放熱強(qiáng)度，導(dǎo)致表面溫度升高；后面部分的冷卻水換熱強(qiáng)度大于鑄坯放熱強(qiáng)度，導(dǎo)致表面溫度下降，如圖2所示。

由于連鑄生產(chǎn)工況波動(dòng)產(chǎn)生回溫。在非穩(wěn)定生產(chǎn)情況下控制鑄坯冷卻時(shí)，因?yàn)槔�速和中包溫度波�?dòng)導(dǎo)致水量變化，如圖3所示，從而使鑄坯冷卻不均勻，鑄坯表面溫度產(chǎn)生波動(dòng)。

3冷卻強(qiáng)度與回溫的關(guān)系

鑄機(jī)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)考慮二冷長度設(shè)計(jì)的合理性，在相同的拉速和冷卻強(qiáng)度下，冷卻回路的長度對鑄坯的表面回溫有決定性的影響[5]，冷卻回路長度增大，坯殼表面溫升和溫降均增大。這是由于噴水冷卻段長度越長，換熱強(qiáng)度與放熱強(qiáng)度的差值越大，在該冷卻回路上的表面溫度波動(dòng)越大，鑄坯的表面回溫趨勢越明顯。二冷區(qū)換熱中，噴水冷卻是主要的，亦是可控的。二冷回路水量設(shè)定值的不合理是造成鑄坯冷卻不均的直接原因。優(yōu)化不合理的二冷制度是保證鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量的重要手段。本文主要通過優(yōu)化二冷制度來實(shí)現(xiàn)冷卻強(qiáng)度對鑄坯表面回溫的控制。

如圖4所示，當(dāng)鑄機(jī)二冷區(qū)長度確定后，在鑄坯釋放熱量一定情況下，隨著冷卻二區(qū)水量的增加，冷卻一區(qū)的出口鑄坯表面回溫逐漸減小，但是冷卻二區(qū)的出口鑄坯表面回溫逐漸增加；隨著冷卻二區(qū)冷卻強(qiáng)度的減小，冷卻二區(qū)的出口鑄坯表面回溫逐漸減小，但是冷卻一區(qū)的出口鑄坯表面回溫逐漸增加。在這個(gè)變化過程中，總有一個(gè)平衡點(diǎn)，使得冷卻一區(qū)和二區(qū)出口鑄坯的回溫控制在合理的范圍內(nèi)。

4基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型

4.1 鑄坯凝固動(dòng)態(tài)熱跟蹤模型

鑄坯溫度場動(dòng)態(tài)熱跟蹤模型采用“坯齡模型”來實(shí)現(xiàn)對鑄坯從結(jié)晶器鋼水彎月面到模型控制區(qū)終點(diǎn)進(jìn)行全程的溫度場實(shí)時(shí)跟蹤，如圖5 所示，模型將鑄坯從結(jié)晶器彎月面到控制區(qū)末端劃分為若干個(gè)切片，切片厚度為100mm，每個(gè)切片都是獨(dú)立的信息單元，這些信息包括切片的“壽命”、中心溫度、表面溫度、位置等等。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于拉速、中包鋼水過熱度、各冷卻區(qū)的水量等因素在實(shí)時(shí)變化，切片在不同時(shí)刻就具有不同的信息。通過動(dòng)態(tài)跟蹤每個(gè)切片在不同時(shí)刻下的“壽命”、位置等信息，確定出每個(gè)切片在不同時(shí)刻下的凝固傳熱微分方程邊界條件，對每個(gè)切片的凝固傳熱微分方程進(jìn)行周期性的求解，就可以動(dòng)態(tài)的描述出每個(gè)切片在不同時(shí)刻、不同位置下的溫度場。由于每個(gè)切片溫度場的變化都可代表該切片所處位置上鑄坯溫度場的變化，因而將所有切片串起來，就可以動(dòng)態(tài)地描述出整個(gè)鑄流的溫度場分布，從而得到各區(qū)出口的回溫值。

4.2基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型

基于中包連續(xù)測溫的澆鑄溫度前饋配水策略的目的是消除澆注溫度變化所引起的鑄坯溫度場變化[3]。由于鑄坯傳熱具有滯后性，采用有效拉速策略可以使水量變化滯后于拉速變化，避免因?yàn)槔�速波�?dòng)導(dǎo)致水量劇烈變化，減小鑄坯冷卻不均勻性，可以有效控制由于非穩(wěn)態(tài)澆注工況下產(chǎn)生的回溫程度。

采用目標(biāo)表面溫度控制策略對二冷水量進(jìn)行優(yōu)化，在各冷卻段出口達(dá)到一個(gè)目標(biāo)溫度，使鑄坯表面溫度避開澆鑄鋼種的脆性區(qū)。如果出結(jié)晶器后鑄坯表面溫度回升超過100℃/m，內(nèi)裂發(fā)生。根據(jù)這一限制，并根據(jù)該區(qū)域內(nèi)鑄坯表面溫度的上升與二冷區(qū)長度應(yīng)為直線關(guān)系，計(jì)算該區(qū)域二冷區(qū)各段末端鑄坯表面溫度的公式確定如下[4]：

式中，Tm為結(jié)晶器出口處鑄坯表面溫度；S為二冷區(qū)的長度，共n段(i=1，2，3…)，各段末端距結(jié)晶器出口處的距離為Si，二冷區(qū)最高溫度點(diǎn)距結(jié)晶器出口處的距離為Sn。

影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量和凝固組織的因素是鑄坯凝固過程中的坯殼回溫程度，因此動(dòng)態(tài)二冷配水策略需要考慮鑄坯在各冷卻段的回溫歷程。由圖3可知，某一冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻強(qiáng)度影響該區(qū)的進(jìn)口和出口回溫，因此我們以一個(gè)冷卻區(qū)的進(jìn)出口回溫值來調(diào)節(jié)該區(qū)的水量，建立基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型，如圖6所示，彌補(bǔ)當(dāng)前目標(biāo)表面溫度控制法中缺乏對當(dāng)?shù)乩鋮s區(qū)冷卻歷程的控制。

式中△Qk為各回路為縮小與目標(biāo)回溫偏差的修正水量，一般不超過Qk的10%。K為采樣序號；△Tk，△Tk-1為第k和k-1次采樣回溫偏差；Kp，Ki，Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。比例項(xiàng)即時(shí)對偏差產(chǎn)生控制作用，用以減小偏差；積分項(xiàng)用以消除靜差，提高系統(tǒng)的無誤差度；而微分項(xiàng)根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

動(dòng)態(tài)二冷控制模型應(yīng)采用“多模型控制”的先進(jìn)控制策略來實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)條件下的水量優(yōu)化�；�于中包連續(xù)測溫的澆鑄溫度前饋配水策略、基于拉速模型消除熱滯后影響的控制策略、基于目標(biāo)表面溫度的數(shù)據(jù)庫水表控制策略以及基于表面回溫反饋的控制策略進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化控制二冷水量等�；�于中包連續(xù)測溫前饋配水和基于拉速模型的控制策略可以在非穩(wěn)態(tài)澆注工況下，根據(jù)實(shí)際工況狀態(tài)進(jìn)行水量實(shí)時(shí)優(yōu)化；基于目標(biāo)表面溫度的數(shù)據(jù)庫水表控制策略可以保證鑄坯表面溫度避開澆鑄鋼種脆性區(qū)，一定程度上可以控制鑄坯表面溫度的回升和下降；基于表面回溫反饋的控制策略可以保證鑄坯表面回溫控制在各區(qū)出口鑄坯表面回溫小于目標(biāo)回溫值，滿足鑄坯表面溫度的合理分布，從而消除連鑄過程中因較大熱應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致的鑄坯質(zhì)量缺陷，基于表面回溫反饋的控制策略優(yōu)化配水條件前后鑄坯凝固溫度場對比如圖7所示。

5結(jié)論

本文在分析連鑄表面回溫產(chǎn)生的機(jī)制基礎(chǔ)上，建立了基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型。

1）回溫產(chǎn)生的原因主要包括，鑄坯在二冷區(qū)換熱方式的差異性；各區(qū)出口鑄坯表面換熱強(qiáng)度與放熱強(qiáng)度的差異性；連鑄生產(chǎn)工況波動(dòng)。

2）當(dāng)鑄機(jī)二冷區(qū)長度確定后，二冷區(qū)某區(qū)的進(jìn)出口回溫受該區(qū)水量影響，該區(qū)水量增加，進(jìn)口回溫減小，出口回溫增加，該區(qū)水量減小，進(jìn)口回溫增加，出口回溫減小。

3）在分析冷卻強(qiáng)度與回溫的關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了基于回溫反饋的連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水模型，以回溫差值△Ti為輸入，對二冷水量進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

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