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二冷动态配水在莱钢板坯连铸中的应用 宁伟1 卢波1 谢兴军1 阎炳正1 刘伟涛2 白居冰2 钱亮2 莱钢银山型钢炼钢厂，莱芜，271104；2.中冶连铸北京冶金技术研究院，北京，100081） 摘要：莱钢银山型钢原2#连铸机采用参数法进行二冷自动配水，在热换中包和水口等操作中，由于拉速变化，水量波动较大，容易造成设备故障和铸坯质量问题。经过对原有铸机进行改造，采用二冷动态配水，解决了在非稳定生产情况下存在的问题，铸坯质量得到了较大提高。本文介绍所采用的动态配水模型。 关键词：板坯连铸机，二冷动态配水 前言 莱钢型钢2#老连铸机是2004年7月投产的常规板坯连铸机，铸坯的二次冷却采用参数控制。参数控制的思路是根据浇铸钢种的特性，找出要使铸坯（若干控制点）表面温度符合目标温度时各冷却段水量的控制参数A、B、C，建立符合 二次方程式的水量控制模型。这里A、B、C是储存于智能仪表（PLC）的参数，V是拉坯速度，Q是各回路冷却水量[1]。在实际应用中，如果拉坯变化不大，这种控制方式可以将铸坯温度控制在目标温度附近，能够保证铸坯内部质量。但这种控制为静态控制，只能适用于拉速相对稳定的情况。在热换中包和水口等过程中，拉速从正常值降到零或低拉速，各个冷却区的水量会同时减小。但是，此时铸坯表面温度还较高，在内部钢水静压力的作用下，铸坯会产生鼓肚变形，导致铸坯内部产生裂纹和偏析；鼓肚变形还会增加拉坯阻力，造成设备故障。为了解决减速过程中的问题，莱钢技术人员在生产实践中摸索出一套工艺参数，采用人工控制，在热换中包过程中逐步降低拉速，逐步降低各个冷却区的水量。这种控制方式人为因素较多，不能很好地控制生产，不能有效地保证铸坯质量。经过两年的生产实践，发现该连铸机不能满足产量和质量的要求，为了提高产量和铸坯质量，2007年10月，对老铸机进行了改造，采用了新的二冷动态配水技术。 目前，在国外先进的连铸机上，已经采用了“坯龄模型”和表面目标温度控制等方法[2]。这些方法考虑到连铸过程中铸坯传热凝固的特点，按照铸坯冷却规律调节各个冷却区的水量，避免了参数控制法同时增加或减小各区水量的缺点，能够在非稳定生产情况下控制铸坯的冷却。借鉴前人的经验，作者开发了二冷动态配水软件，其中有两种控制方式，一种是考虑到铸坯冷却历程的坯龄模型，即用有效拉速代替当前实际拉速的配水模型，其优点是考虑了铸坯传热的滞后现象，可以避免因为拉速波动导致的水量剧烈变化，减小铸坯冷却不均匀性。另一种是在坯龄模型基础上，考虑到不同钢种的冶金特点，根据连铸过程中拉速、中包温度、结晶器冷却水量和进出水温差以及二冷水量等工艺数据，进行铸坯温度场实时计算，再根据计算出的铸坯表面温度与目标温度的差值进行二冷水量优化，进一步消除铸坯冷却的不均匀性。本文介绍这两种控制方法及其在莱钢的应用。 有效拉速控制方法 连铸过程是一个钢水连续充填、连续凝固的过程，如图1所示。 图1 连铸示意图 钢水在结晶器中冷却形成足够厚度的坯壳，在二冷区对铸坯表面施加喷水或气雾冷却，使铸坯继续凝固。从传热的角度来分析，可以把铸坯的传热和凝固过程分为三个环节：首先，在液固界面（或两相区中）由于液固相变放出凝固潜热；其次，这些热量经过已经凝固的坯壳传导到铸坯表面；最后，经过表面换热被冷却水带走，或辐射到周围环境中。在上述三个环节中，经过坯壳的传导是限制环节，而坯壳的增长与凝固时间的平方根成正比。二冷配水应该符合上述传热规律，即二冷水量应该根据坯壳的凝固时间或“坯龄”来决定。在恒定拉速的生产过程中，铸坯所经历的冷却时间仅仅是拉速的函数；因此，二冷水量可以表达为拉速的函数，这也是二冷参数控制法的理论基础。借鉴上述思想，在拉速变化的连铸过程，各个冷却区的水量由有效拉速来确定，有效拉速根据铸坯的“坯龄”计算得出。定义有效拉速如下： 上式中， 是平均速度； 是铸机瞬时拉速； 称之为有效速度，取平均速度与瞬时速度的加权平均， 是权重系数。 的取值符合以下原则：考虑到铸坯传热的滞后现象，在足辊区，坯壳较薄， 取较大的常数（例如0.8）[2]；而在铸机的末端，坯壳较厚甚至已经完全凝固， 取较小的常数（例如0.2）。平均速度由坯块距弯月面的距离和坯龄计算得出，坯龄由铸坯热跟踪模型确定。 铸坯热跟踪模型：如图2所示，把整个铸坯沿着拉坯方向分割成足够小的切片(比如20mm)，称之为坯块，这些坯块组成一个队列，用这个队列的移动来模拟铸坯的运动。 图2 坯龄模型示意图 用C++语言来描述坯块，将与坯块相关的数据封装在一个类中，其中定义了坯块的诞生时间、距弯月面的距离、温度场和坯壳厚度等数据。将连铸过程分为三个阶段，第一个阶段是刚开始浇铸的起始阶段，铸坯从结晶器中不断被拉出，但坯头还没有到达切割位置。第二个阶段是稳定拉坯阶