连铸机二次冷却水的比水量控制

连铸机二次冷却水的比水量控制2008-05-2421:03冷继元（马鞍山钢铁设计研究院，马鞍山243005）摘要为克服现行连铸二冷水控制模型的缺陷，提出了新的比水量自动配水控制模型，计算机根据生产情况的变化，自动选定配水模型以控制水表，该模型还考虑了各段喷嘴的有效性。关键词连铸二冷水比水量控制模型在开发太钢MII型连铸过程中，分析所采用的各种控制模型，都存在许多不足之处。在分析了线形公式模型和配水表模型缺陷后，提出了新颖的比水量控制自动配水模型。在这种模型的编制中考虑了喷嘴特性和管路特性，按浇钢量和给定比水量控制二冷水量；计算机可以在给定条件下，自选选定配水模式和自动生成控制水表；当生产中拉速发生变化时，可按浇钢量变化、喷嘴雾化特性，计算机自行调节各段水量，从而保证了比水量和稳定和铸坯质量的均一性。1方坯连铸二次冷却控制现状最初的模型是建立水量q与拉速Vc的一次简单函数关系，即：q=K×Vc系数K是一个同浇铸断面和比水量有关的函数。总水量确定后，经验确定各冷却段的水量分配比例，各段互不影响，在系统调节上各单元往往单独设定。采用这种模式时，公式建立比较方便，但由于各段比例是固定不变的，在拉速变化较大时，靠近拉矫机的区间，比例往往较低。当拉速减小时，实际的喷水量过，喷嘴严重雾化不良，甚至形成涓涓细流和水滴，引起局部过冷黑印，有时导致局部表面裂纹。加上其它原因，这种模型在生产中正常使用的不多，而改为在智能仪表上手动调整。为加强使用的适用性，一些连铸机将配水模型改为表格形式，拉速与水量关系的表格存储于计算机中。这种表格的特点是建立各段喷水量与拉速的关系。在编制水表时，可以将热力学边界条件的变化考虑在内，可考虑比水量与拉速的关系，编制难度比较大。在现场使用中，一旦要调整水表，往往是按经验进行简单计算分配，仍然是各冷却段水量互不关联，往往某一冷却段的关闭或投入，对总比水量影响很大。2开发的二冷模型的目标及特点按目前二冷传热和凝固计算的现状，完全建立理论计算模型尚存在较大的困难，而且一旦模型建立，因生产条件的变化，调整也很困难。如果加入各种调整系数，最终又将转换成复杂的经验模型。为此，开发新型连铸二冷模型的目标为：以给定比水量为基本参数；为简化模型，以浇钢量作为基准进行调节；确定基本参数后，系统可自动生成实用控制水表；充分考虑喷嘴的雾化特性，充分利用系统的管路特性，保证喷嘴在雾化良好的区域工作；调用、调整方便；根据比水量确定总喷水量，按预先设定的各段喷水比例，自动确定各喷淋段喷淋水量。采用CRT画面显示设定参数和生产实际参数，使用软件按钮对系统参数进行调整。3方坯连铸二冷水量的浇钢量───比水量控制比水量，即连铸单位重量的钢所喷淋的二冷水量，单位为升水/公斤钢（L/kg），因此二冷水总量直接与比水量和浇钢量相关。3.1浇钢量不同断面的连铸坯,只要以相同的浇钢量操作,理论上有相近的喷水量,只是考虑比表面的不同作适当的调整。中间罐水口确定后，浇钢量的大小基本上就控制在一定范围内，因此按浇钢量确定比水量，使用上更方便。仅根据断面大小，在小范围内对比水量进行修正，即可满足使用要求。3.2比水量确定在生产中，根据钢种特性确定比水量，对常规低碳钢常采用强冷却，增大冷却凝固系数，缩短凝固时间，因此在同样的冶金长度下，可提高拉速，也就提高了连铸机生产率。强冷却的比水量为1.0～1.2L/kg钢。如果钢的裂纹敏感性增大，对连铸坯的质量要求较高，往往采用中等到强度的冷却。如中碳钢、部分合金结构钢等，其水量为0.7～1.0L/kg钢。如果钢的裂纹敏感性很强，如Cr系不锈钢等，则要用弱冷却。有时为抑制柱状晶生长，增大截面上等轴晶面积比亦要降低冷却强度。采用弱冷却，比水量小于0.7L/kg钢时，铸坯的表面温度较高，结晶结构上柱状晶被抑制，等轴晶面积比相对提高。因此对不同钢种比水量是不同的，特别是合金钢厂，由于钢种多，比水量变化相当大，从0.4～0.6L/kg变化到1.5～2.0L/kg。如按过去的配水方法，按浇铸特性，把钢种分成数类，每类一种配水方案，就要编制数个系列的配水表。每次根据钢种调用和调整，人为输入调整系数，调整后重新核算比水量，工作烦杂，使用不便。本试验提出以比水量作依据，编制基本水表。只要根据钢种输入选定比水量，即可自动生成实用配水表格。比水量确定时，要考虑断面的影响。断面大，比表面小，比水量相对要大一些。拉速对比水量亦有影响，拉速高时铸坯通过喷嘴的时间短，对一单元铸坯在某一位置来说，相对铸坯的凝固层薄，表面散热量大，因此喷水量就应适当加大。所以拉速高相对比水量大。可以根据凝固理论计算和按实际经验建立拉速—比水量的函数关系。原则上拉速提高比水量也相应增大，但不是比例函数关系。3.3冷却分段喷水比例的确定在一般情况下，每一单元面积的铸坯，随拉坯的进程，喷淋强度逐渐减弱。在结构因素确定后，供水分成数个回路进行控制。在决定各段喷水比例时，不但要根据喷嘴布置的数量，还要考虑喷淋段的长度，即要计算喷淋强度。在喷淋强度小时，增加喷淋强度带走的热量多；继续增加时，带走的热量就逐渐减少，水的利用效率降低；喷淋强度在一定值上会达到饱和的状态，此时铸坯表面热流受铸坯内部热阻的限制，不能继续增大；此外铸坯表面蒸汽膜的热阻已成为不可忽视的因素，继续增加喷淋强度不但效果不大，而且过大的喷淋强度还可能导致铸坯表面出现“黑印”。当后面喷水减小或不喷水时，铸坯表面又转变成红色，此时表面温度回升100～200℃。会在相变区温度上下波动，易引起表面裂纹，特别是结晶器出口段，过去一些连铸机在低拉速下操作时，采用的喷水比例较大。高效连铸机拉速提高后，总水量增大了，仍用过去的比例，这一段的喷淋强度就会过大，水冷却的有效利用率降低（即排水温度降低和蒸发量减少），还造成铸坯表面的温度较低，在通过二冷I段时，喷淋强度仍然较大，使二冷I段出现“黑印”，这一点在配水设计时要特别注意。在各冷却段，要根据喷嘴特性，按各段具体情况设置最大喷淋水量和最小喷淋水量。设置最大喷淋量是防止该喷淋段水量过大，引起铸坯过冷和合理使用冷却水；设置最小喷淋量避免喷嘴在雾化不良的工况下工作，当发生小于最小喷淋量时，系统应自行关闭该供水段。为保证总比水量不变，系统自动将该段减小的水量分配到其它各段中去。当计算发现超过最大喷水量时，系统亦可将多余的水量分配到其它各段或自动打开后面未投入工作的喷淋冷却段。在整个过程中，始终维持总比水量不变。3.4喷淋强度比水量和喷淋水总流量反映了单位重量铸坯在单位时间的冷却关系，但没有反映铸坯的比表面上喷淋量的特性，因此有必要引入“喷淋强度”的概念。喷淋强度即单位面积铸坯在单位时间中的喷水量，它能在一定程度上反映出铸坯冷却的热力学特性。各段的喷淋强度R×Vc×A×B×γ×ηnΡn=———————————(l/m2·min)2(A+B)×ιn式中R——比水量/L·kg-1;Vc——拉速/m·min-1;γ——钢的比重，7800/kg·m-3；ηn————计算喷淋段的配水比/%；A、B——方坯边长/m;ιn—————计算喷淋段的长度/m。当ηn=1，ιn=L（铸机喷淋总长度）时，计算结果为铸机平均喷淋强度。计算各段的喷淋强度，从而验算各段的配水比例，使各段的配水比例更为合理。3.5喷嘴选择及管路设计选择喷嘴型号时要注意流量调节范围适当，避免在过低压力下工作。压力过低喷嘴的雾化效果变坏，喷水滴径变大，甚至成细流流出，造成铸坯冷却严重不均匀，影响铸坯质量。为减少管路压力损失，使阀后的压力尽量接近喷嘴前的压力，减少控制误差，管路的流速应比常规管路流速降低30%～50%。由于调节阀的特性和制造质量原因，大多数阀在关闭状态下有泄漏，造成喷嘴滴水，调节阀回路应考虑增加自动截止阀。当喷水量变化很大时，例如1台铸机生产普通钢及合金钢，生产普钢时采用较高拉速，以提高生产率、降低成本，生产合金钢时采用低拉速，以确保质量，浇钢量波动大，因此喷嘴喷水量变化亦很大。如果此时喷嘴的喷水量范围已不能满足要求，可以选用两种型号的喷嘴，按不同的情况，更换喷嘴或调换喷淋管架。4二冷水自动控制设计按浇钢量和比水量编制基本水表，在水表中按铸机平均喷淋强度和铸机分段情况确定各段喷水比例，并验算各段喷淋强度，原则上铸机从上到下喷淋强度是递减的。要按冶金生产要求和喷嘴管路特性，设置各段的最小喷水量和结晶器出口段的最大喷水量，以保证铸坯凝固质量的要求和喷嘴在良好状态下工作。根据生产条件和给定的拉速、比水量，系统将按控制模型自动生成该生产条件下的控制参数，即实用控制水量。当生产条件发生改变，拉速有较大的变化，如由于生产配合改变拉速、水口失控时拉速超出控制范围、连浇换罐时采用低拉速工作、在起步时采用较低拉速等情况，系统可按拉速变化情况，根据比水量恒定的原则，自动调整各段的喷水量，根据各段最大、最小喷淋水量自动投入或切断相应的供水回路。此时将在CRT画面显示设定参数和实时参数。二冷水量控制的主要参数，如比水量、各段配水比例，可在工作站的键盘上进行修改，可用CRT画面上的软件按钮在生产过程中进行微调，如比水量增加、减少；增加或减少某一段的配水比例，即调整该段的水量。此时总水量不变，其他各段水量相应按比例适当调整。连铸机二次冷却的比水量控制方法已用于太钢合金钢方坯连铸机，使用效果令人满意，基本达到原设定的目标，调用调整方便，实现了闭环控制。由于编程简化，目前已推广应用于南昌钢厂合金钢铸机。