连铸非稳态浇注的控制与优化

连铸非稳态浇注的控制与优化杨治争1，2王延锋2饶江平2孙云虎2杨东明2成军2彭著刚1（1武钢研究院，湖北武汉430080；2武钢炼钢总厂四分厂，湖北武汉430083）摘要：介绍了武钢炼钢总厂四分厂连铸非稳态浇注过程中大包开浇、中间包开浇、结晶器液位控制及浸入式水口快换和大包下渣检测等方面的设备特点和控制方法，实践证明，通过设备升级、提高控制精度、开发新技术等措施，可把非稳态浇注对生产稳定性和连铸坯质量等的不良影响控制到最低限度。关键词：非稳态；自动开浇；过程控制；铸坯质量ControllingandOptimizingofUnstableCastinginContinuousCastingProcessYANGZhi-zheng1,2,WANGYan-feng2,RAOJiang-ping2,SUNYun-hu2,YANGDongming2,CHENGJun2PENGZhugang1(1R&DWISCO,HubeiWuhan430080；24thsub-factoryofgeneralsteelmakingfactoryofWISCO,HubeiWuhan430083)Abstract:Featuresandcontrollingmethodsoftheequipmentsinprocessesofunstablecontinuouscastingofthe4thsub-factoryofgeneralsteelmakingfactoryofWISCOwereintroduced,includingladlefree-opening,tundishauto-casting,liquidlevelcontrollingandsubmergednozzle’squickreplacingofmould,slagdetectionofladleandsoon.Measuresincludingupdatingfacilities,improvingaccurateofcontrollingsystem,developingnewtechnologywereprovedtobeeffectiveinpractice,theycanminimizethebadeffectoftheunsteadystatetotheproducingstabilityandslabquality.Keywords:unsteadystate;auto-casting;processcontrolling;slabquality1前言连铸非稳态浇注一般指中间包开浇、快换浸入式水口、换钢包前后、浇注结束等钢水液面波动较大、拉速变化频繁的浇注状态。非稳态浇注时钢液的保护浇注状态、中间包钢液流场及覆盖剂性质和作用、结晶器流场及液面波动都受到较大影响，进而造成钢水二次氧化加剧、结晶器卷渣发生率提高，最终影响到连铸生产的顺行和连铸坯的质量。非稳态浇注是连铸过程中不可避免的现象，国内外冶金工作者在此方面提出过不少针对性的控制措施[1~4，总结起来如下：1）提高钢包自开率，减少或避免烧氧浇钢；2）保持中间包流场稳定，避免中包钢液面波动过大；3）优化结晶器流场，控制结晶器液面波动等。但是纵观已有的资料，基本是在连铸的单个或几个环节上有针对性的研究，受设备、工艺及操作水平等的限制，从连铸全系统综合控制和优化非稳态浇注，提高连铸稳定性和铸坯质量的研究十分少见。武钢炼钢总厂四分厂（下称四分厂）是武钢适应形势发展而新建立的具有世界先进水平的现代化钢厂，其连铸车间现有2台双流板坯连铸机，铸坯规格从210×800mm到250×1600mm，产品涵盖超低碳深冲钢、低碳钢、包晶钢、硅钢和中高碳钢等系列品种，基本定位以高端、高附加值的硅钢和家电面板和汽车面板等产品为主，因此对铸坯质量有很高要求。目前该厂装备有国际一流的直弧形连铸机及控制设备、钢包下渣检测系统、中间包自动开浇控制系统以及自主研发的浸入式水口一键自动快换系统，具备非稳态浇注过程系统控制的硬件条件、控制优势和工艺操作基础。基于以上条件，开展了非稳态浇注过程的全面控制与优化。2钢包非稳态浇注的控制2.1提高钢包自动开浇率的实践钢包开浇属于非稳态浇注，其控制水平直接影响到达中间包的钢水质量。在钢包自动开浇的情况下，滑板打开后，钢水可以在保护管的保护下经长水口流入中间包，避免与空气接触造成二次氧化。影响自动开浇的因素很多[5]，简单列举如下：1）操作条件如钢种、出钢温度、精炼方式、传搁时间等；2）钢包结构、耐材质量及烘烤程度、座砖材质及结构等；3）操作水平如长水口的安装、引流砂的投放位置及投放量等；4）引流砂的矿物组成、粒度、形状等相关物理性质和投放方式等。在当前炉机节奏匹配，各钢种过程控制标准化的条件下，引流砂的质量和投放方式成为主要影响因素。在自动开浇失败的情况下，采用烧氧出钢，将导致相当多的钢水敞开浇注，直接造成钢水的二次氧化，影响铸坯的质量和改判率，同时影响连铸过程的稳定性。引流砂的基本要求是：1）烧结层厚度适中；2）抗钢水渗透性好；3）流动性好。从实用性及材质稳定性和自开成功率等方面考虑，四分厂一直选用铬质复合矿物的作为引流砂，并通过不断提高其稳定性、调整投放方式，形成比较稳定的操作标准，现有的引流砂成分及性能指标如表1.表1四分厂引流砂典型成分及性能指标项目数值成分/%耐火度℃粒度mmCr2O3MgOFe2O3Al2O3SiO2CH2O标准≥30≤18≥10≤10≤35≤1.0≤0.5≥17000.15~1.0≥85%实际35.815.511.58.5525.5≤1.00.45≥17000.5~1.0采用现有的复合引流砂后，钢包自动开浇率从之前的96%左右提高到现在的平均98.6%的稳定水平，使此环节的钢水质量得到了有效保障。2.2钢包自动下渣检测系统的应用钢包浇注末期，随着其钢液位接近零位，钢渣将随钢液流入中间包，氧化性的钢渣将直接造成钢水的二次污染、侵蚀中间包内衬、造成浸入式水口堵塞。因此，必须限制钢包向中间包下渣，采用下渣自动检测系统是控制此非稳态过程的有效方法。目前四分厂应用的是国产第三代VSD2000振动式大包下渣自动检测系统，该系统的工作原理是基于矢量化信息处理方法，有效获取振动特征参数，并通过分析处理，排出干扰信号的影响。该系统由系统控制柜（MCU）、前端控制单元（FCU）、中间包液面自动控制单元（ACMU）、传感器及前级调理放大模块、下渣报警喇叭、下渣报警等和按钮控制盒等组成。振动信号通过安装在操作杆中部的传感器经前级调理放大模块连入系统控制柜的电器控制单元，并经处理后输出至工控机进行运算分析；系统检测出的下渣信号由系统控制柜输出至前端控制单元，再控制报警喇叭及报警灯工作，或直接发出指令，关闭大包水口。该系统的优点包括：对连铸操作无任何影响、安装调试方便、传感器使用周期长、综合成本低。该系统的关键在于建立结构振动与钢水流动状态间的对应关系，因此，由于不同钢包结构和工艺等特征的不同，实际应用中，需要一个调试和匹配的过程。目前，该系统在四分厂的应用情况如图1所示。图1近一年内钢包下渣自动检测准确率图（上曲线为包括多次报警末次准确的数据，下曲线为一次准确的数据）可以看出，系统投入应用近一年来的检测准确率有了稳步提高，但是未达到总体自动检测准确率90%的目标。当前影响自动检测准确率的因素包括：对设备的熟悉程度、中间包液位自动控制水平、检测分析程序的适用性以及系统自动启动率等。据此，下一步要开展的优化工作包括：1）继续加强操作标准化工作，减少人为因素的干扰。2）加强对中包称重系统的校验和修正，减少称重误差带来的影响。3）优化中间包液位控制系统，提高液位控制的精确度。4）优化检测分析程序，提高检测设备完好率和系统自动启动比率，总体上提高准确率。通过继续调整优化与实践，在使钢包自动下渣检测综合准确率达到90%以上的基础上，可以有效控制该非稳态过程对浇注稳定性的影响，减少尾坯切除量和中包余量，降低工序消耗。3中间包自动开浇技术集成及应用中间包开浇过程是一个典型的非稳态过程，包括钢包开浇后钢水注入中间包、中间包钢水自动浇注进结晶器及钢水在结晶器中到达设定的液面高度时，铸机自动起步、升速,直至设定的目标拉速和目标结晶器液位两个过程[6,7]。开浇过程由人工和自动两种控制方式。连铸中间包自动开浇是由PLC自动控制塞棒的开闭度和拉矫机的拉速实现全自动浇钢。自动开浇的核心是根据钢种、断面控制好起步时间、起步拉速，保证结晶器钢水液面稳定，形成均匀的坯壳。应用自动开浇技术可以防止人工操作不当造成开浇漏钢，提高开浇成功率，控制非稳态条件下的结晶器液位波动和流场紊乱引起的卷渣现象。同时在保证钢水连续填充的条件下，避免或减少铸坯的重接痕等缺陷。四分厂连铸车间现有的两台板坯连铸机装备了塞棒控流系统、拉矫机自动启动系统、结晶器液位控制系统等多环节联动系统，具备精确控制、模拟人工开浇过程的功能。如图2、3所示。图2自动开浇塞棒位置、结晶器液位及拉速变化示意图图3塞棒系统控制结晶器液位原理图根据中间包的结构特点，结合铸机自动开浇试验初期遇到的结晶器上沿挂钢、检测偏差和系统非正常报警等一些问题，采取了以下针对性的措施：1）强化中间包耐材质量及维护操作的管理，提高设备自身可靠性和稳定性。2）中包开浇钢液容量要达到30吨以上，保持其开浇过程中的液位稳定性。3）优化自动开浇工艺，减少结晶器接缝挂钢现象。4）加强结晶器液位检测电磁传感器的热态校正与管理，解决检测液位值与实际值的偏差问题。5）提高系统的识别能力，排除非关键因素对自动开浇的影响，减少人工干预，提高自动开浇成功率。经过不断的试验、调整和再实践，实现了开浇过程的综合自动控制，自动开浇率稳定提高、开浇液位波动处于较为理想的水平，如图4、5所示。图4四分厂自动开浇率分月统计图图5自动开浇系统示意图（纵坐标从左至右依次为拉速、塞棒位置和结晶器液位）可以看出，现有的自动开浇率稳定在98.5%以上、开浇液位波动稳定在士5mm以内，为连铸生产的顺行和铸坯质量的稳定提供了可靠保障。4浸入式水口一键自动快换的应用结晶器浸入式水口的人工更换过程，一般将造成结晶器液位的大幅变动及结晶器流场的急剧变化，进而带来的是保护渣渣层结构被破坏，稳定浇注时的热交换平衡被打破，因此，此过程在所有的连铸车间都属于漏钢事故高发、铸坯质量严重受损的非稳态过程。在无法避免水口更换之非稳态带来的影响的情况下，需要通过合理而平稳的联动操作来实现对此过程中液位的控制。目前，人工快速水口更换技术和装备均已经十分成熟，但是仅依靠人工操作来实现快换过程的平稳过渡是不可能的，四分厂技术人员和装备部门基于结晶器液位自动控制系统和手动水口快换技术的结合，通过在该系统控制软件中添加模块，自主集成了水口一键自动快换系统。在不增加成本的基础上，实现了快换过程中液位按设定曲线平稳的上升和恢复，如图6所示。图6不同浸入式水口快换方式对比示意图（纵坐标从左至右依次为拉速、塞棒位置和结晶器液位，上部为手动快换）由图6以看出，水口快换过程由纯手动控制时，液面出现多次大幅度波动的情况，铸坯表面卷渣的几率将大幅上升。而应用水口一键自动快换系统时，塞棒位置的调整更为均为平稳，持续性好且耗时较短，钢液面下跌后按设定曲线缓慢、平稳上升，此过程一般伴有渣条的自然倒伏和渣层结构的平稳转换，卷渣及粘连漏钢的风险降到了最低，而拉速调整过程也在自动控制下更趋合理。由以上几条可以得出结论，在一键自动快换的条件下，此非稳态过程控制总体平稳，且过程时间有所缩短，由此对浇铸过程及铸坯质量的不良影响降至最低限度，衔接坯的切除量也相应减少。5非稳态浇注的控制与优化效果经过近两年的研究与实践，非稳态浇注过程控制取得了良好效果。一是非计划中断次数明显下降，且未出现一次漏钢事故，如图7所示。图7非计划中断次数分月统计图两年中单月非计划中断次数从最高9次下降至优化后2次以内的水平，过程控制更加稳定有效，带动了全厂相关工序的协调稳定运行。二是连铸工序的钢铁料损耗（包括切除的头尾坯、衔接坯以及中包余