连铸机_连铸机方面

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连铸过程自动化技术综述

发布时间： 2010-10-08

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郭戈1，王伟2，柴天佑3

(1甘肃工业大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050；2夫连理工大学；3东北大学)

[摘要]对国际国内的现有连铸过程自动化技术进行了全面的论述．主要分析和对比了最新的连铸过程自动化系统和相关的先进技术，指出r国内现有连铸过程存在的主要技术难题和需要开发的一些新技术．并就提高连铸坯质量的技术策略进行了探讨，最后指出我国开发优质纯净钢连铸技术的必要性。[关键词]连铸；自动化系统；控制策略 [中图分类号]TF777：TP29 [文献标识码]A [文章编号]l000-7059(2002)02-00l-05

On automation technologies in continuous casting proce

GUO GE, WANG WEI, CHAI TIAN-YOU

Abstract: Latest automation systems of continuous casting proce both at home and abroad are described.Current continuous casting automation systems and related technologies needed in continuous casting procees are compared in detail.The unsolved problems and new technologies needed in continuous casting proce are also listed.Moreover, the approaches are suggested for improving slab quality.And in the end, the authors point out the neceity of developing technologies for high quality pure steel production in China.Key words: continuous cating;automationsystems;control strategy

1O 引言

连续铸造是将液体金属经过一组特殊的冷却和支撑装置连续地浇铸成一定断面形状的铸坯的过程。与传统的模铸相比，连铸不但简化了生产工艺流程，提高了生产率和产品质量，而且金属收得率较高，能耗和生产成本也大大低于模铸。连铸机按照机型分为立式、立弯式、垂直多点弯曲式、弧型以及水平型等，其中弧型连铸机占60％以上：按照铸坯形状又可分为板坯连铸机、大方坯连铸机、，j、方坯连铸机和圆坯连铸机等，其中小方坯连铸机约占50％左右[1-2]。随着计算机技术和自动化技术的迅速发展和在连铸生产中的广泛应用，以及诸如铸坯轻压下技术、电磁搅拌技术等连铸技术的不断涌现，连铸开始向近终型连铸、多炉连浇、热送、热轧以及炼钢连铸-连轧短流程联合生产的方向发展。但是，连铸过程中也存在许多难题，这是由连铸过程本身的复杂性决定的。其复杂性主要体现在以下几个方面[3-7]：

(1)存在着可测或不可测的扰动和未建模动态问题；(2)具有时变性和非线性特性；

(3)过程本身和执行机构常有较大的滞后；

(4)用于过程测量的传感器也常常受到高频测量噪声的影响；(5)连铸过程各环节之间相互耦合；

(6)连铸与炼钢和连轧之间需要协调控制和调度。由于上述复杂性，目前对于连铸过程建模和控制方面的研究成果虽然较多，但还不能很好地应用到实际生产之中，而常用的PID控制方法也不能实现令人满意的控制。因此，国内外一些控制学者和专家正在探讨将自适应控制、预测控制、H。控制、模糊专家系统和神经元网络等智能控制方法用于连铸生产过程各环节控制的可能性，旨在很好地解决各环节间的耦合控制及整个过程的优化和故障诊断等问题[8-11]。同时，在连铸计划的编制、最优浇次的分配以及炼钢连铸-连轧一体化生产的管理和调度策略等方面进行了许多富有成效的研究工作。由于连铸在钢铁工业生产中有着十分重要的作用，因此连铸过程控制已成为目前国内外自动控制领域的研究热点之一。本文主要论述国内外连铸过程自动化技术的研究现状，指出其中存在的问题及其发展方向。

l 连铸技术的研究现状

近10余年来，连铸技术取得了显著的进步，其中包括中间包钢水加热技术、结晶器钢水流控制技术、铸坯轻压下技术和高温铸坯制造技术等。连铸过程中钢水温度对铸坯质量很重要，为了将钢水温度降低幅度控制在较小的范围之内，有必要对中间包实行加热。中间包加热有感应加热和等离子加热两种方式[12]。新日铁公司的八幡厂和室兰厂采用感应加热方式，名古屋厂和我国的抚钢等厂家则采用等离子加热方式。中间包加热技术可以大幅度减少由于非正常浇注时的温度变化所造成的浸入式水口堵塞和铸坯质量降低等不利影响。

最先发展起来的结晶器内钢水流控制技术是钢水电磁搅拌技术

[13]，它使得铸坯表层下的夹杂物和气泡明显减少，初期铸坯凝固壳厚度均匀，铸坯表层的偏析也减少，从而使纵裂等铸坯裂纹大大减少。甚至原来无法采用连铸的一些半镇静钢也可以采用连铸了。但是，当进行高速浇铸时，单位时间内流入结晶器的钢水量很大，即使稍微出现紊流都会导致生成的铸坯凝固壳不稳定，而且夹杂物难于上浮，容易使保护渣卷入钢水。为了确保高速浇铸时的铸坯质量和操作稳定，人们就采用静止磁场、局部磁场等措施对由浸入式水口流人结晶器的钢水流进行控制，使结晶器内的钢水流动始终处在最佳状态。

为了克服铸坯中心偏析和缩孔等缺陷，铸坯轻压下技术从80年代就开始用于连铸之中

。在此之前，无论方坯连铸还是板坯连铸中都一直采用低温浇铸和电磁搅拌技术，虽然对于改善宏观偏析起到了很好的作用，但无法改善半宏观偏析和微孔隙。在采用铸坯轻压下技术后，通过抑制凝固收缩引起的钢水流动，基本补偿或抵消了铸坯凝固收缩量，从而改善了板坯半宏观偏析、微孔率甚至微观偏析，与板坯相比，方坯的最终未凝固区变小。这种技术已在新日铁公司的八幡广、室兰厂和君津厂得到实际应用。

随着连铸技术的不断进步，热连轧HCR．热送直接轧制HDR以及连铸直接热轧CC—HDR等短流程生产已经具备了基本的技术基础

[15]，并已逐渐成为钢铁工业中的一个主要生产流程。这种技术不但简化了工艺，缩短了生产周期，而且由

于不经过加热炉，所以减少了鳞落量，提高了金属收得率。近来，有些钢厂为了进一步节能和提高金属收得率，正在推行小方坯连铸的捧、线材铸态化生产，即省略开坯轧制。这一技术1991年在新日

铁公司室兰厂的连铸机上开始投入实际应用，一些质量指标基本达到了要求。目前，许多先进工业国家的连铸比已经达到80％以上，少数国家已实现了全连铸。

近年来，国内外加强了重要参量的检测技术研究，整个控制系统中普遍采用DCS和PLC，电气传动控制则采用交流调速和矢量控制技术，并采用多级自动化系统实现连铸生产自动化，出现了代表世界上自动化技术最高水平的一些连铸机 自动化系统[16]。新日铁公司君津4号双流板坯连铸机通过二级计算机系统自动控制结晶器冷却水量和结晶器振动参数，配备了一些必要的控制仪表和检测元件，如钢包钢水流量控制仪表、结晶器保护渣喂送仪表、结晶器液位涡流传感器和热电偶等。连铸机的中心控制室与切割控制窜互相结合，由遥控割炬完成铸坯切割，通过电视监视器进行生产监督。在保证最佳收得率的情况下，由过程计算机给出最佳切割长度，在线切除坯头并用遥控车运走，定尺铸坯则在计算机控制系统控制下由出坯辊道运走。采用该系统后，连铸车间的工作人员数量大大减少。

另外，许多厂家采用更为先进的一级自动化系统。如德国东方钢铁公司的连铸机采用一个典型的三级自动化控制和信息处理系统，其中第1级和第2级分别由Jeument—Schneidwer可编程控制器和西门子Teleperm—MMSR基础自动化系统构成。第3级为一个单独的计算机系统。还有l台故障诊断计算机与所有生产设备相连，负责连铸生产过程的故障诊断。该控制系统主要包括生产计划编制、转炉炼钢控制、板坯连铸控制、大方坯连铸控制、铸坯清理控制等。此外还有一个用于离线分析和软件开发的备用控制系统，采用放射性液位仪完成结晶器液位的检测和控制。另外，美国国钢公司2号连铸机控制系统也采用了三级计算机控制系统。其中第1级为PLC构成的集散控制系统；第2级为VAX-11／785型数字计算机构成的设备监控系统，它对第1级控制系统进行信息跟踪、存储和为其提供给定值，并同第3级交换信息；第3级为一个负责炼钢和连铸生产调度的计算机系统。该系统可以根据质量控制系统提供的数据做出关于质量状况、生产数据、收得率等的详细报表，并为操作员提供操作指导。在优化生产工艺方面．该控制系统能够在线计算转炉区的装料和合金添加料以及连铸区的最优拉速和最优冷却水量，并可显示各设备的运行状况。此外，中间包配备有称重仪表，结晶器配有一台数控坐标位置测量仪和放射性液位仪，它们分别用于控制中间包重量、校准结晶器位置和控制结晶器液位，并用一台微机来收集自动开浇所需的有关数据。实践证明，采用这种自动开浇技术，即使在浇铸小方坯时也能保证良好的浇铸效果。另外，美国国钢公司大湖分公司新建的2号一机双流连铸机的二级自动化系统还可以完成：拉速优化计算；根据第3级自动化系统提供的订货信息计算最佳切割长度；为一级系统提供水雾冷却参数和切割长度设定值；显示和记录与结晶器液位、拉坯速度以及铸坯温度等相关的操作条件。还有一些连铸车间采用了能够对工艺流程进行优化的控制系统。如德国阿尔贝德·萨尔公司伏克林根厂的四台连铸机采用相同的分级控制系统，实现生产记录、过程控制、物料跟踪等功能，控制从转炉装料到铸坯切割的整个生产过程中的各项工序。

最近，国外有些厂家的连铸机已经采用了四级自动化系统。美国内陆钢公司2号和3号连铸机都配备了四级自动化信息系统。其中第1级为显示控制系统，由DCS、PLC和CRT组成；第2级由过程计算机和CRT组成，用于设备监控；第3级为用于侨调和监视连铸车间各生产设备操作的计算机系统；第4级为中心数据处理计算机系统，用来管理和调度连铸及其相关工序，使各工序协调生产．并保存连铸车间的历史数据。该厂的二次冷却控制系统采用动态冷却控制模型进行控制．铸坯引锭杆上安装有辊缝检测装置和用于辊缝监视的脉冲发生器，以便校准夹辊辊缝和进行夹辊维修。连铸过程中存在的技术问题

虽然有关连铸过程建模与控制的研究近年来取得了可喜的进步，但是其理论研究和实际应用水平仍然不能满足对连铸生产自动化程度和产品质量越来越高的要求，尤其在国内还有许多技术问题急待解决。

(1)大包到中间包以及中间包到结晶器的夹渣物检测至今仍然没有一种很好的办法滓混入钢液，从而使得铸坯出现夹渣，严重影响了产品质量，造成很大的经济损失。

(2)中间包钢水连续测温一直采用热电偶，而且只能是断续测量。每个热电偶寿命少则数小时，多则十几小时，光是热电偶一项每年就得消耗大笔资金。如果能研究一种温度传感器很好地解决中间包钢水连续测温问题[22]

[17-21]，致使渣，其意义将是很大的。

[23](3)中间包钢水液位检测与控制技术控制方法效果不太理想。

直接关系到结晶器液位控制的效果，国内目前还仍然采用传统的PI(D)控制，由于其中的液压执行机构具有非线性特性以及水口堵塞和磨损等缘故，使得现有(4)现有的结晶器钢水液位检测与控制技术仍然不完善程，在这种控制下结晶器液面波动幅

度很大。另外，小方坯连铸机结晶器钢水液位是通过调整拉坯速度实现的，而拉速的改变又影响到一次和二次冷却水量的控制。所以，在解决结晶器液位控制的同时，如果能将冷却控制问题也综合起来，实现结晶器液位、一次及二次冷却水量的综合控制，将是很有意义的。

(5)二次冷却控制是目前研究较少的一个重要问题，国内许多厂家仍然采用传统的手工调节或仪表调节，而没有以有效的铸坯表面温度闭环控制为基础的冷却水量控制方法水动态控制方法，虽然因为采用温度计

算值而避免了铸坯表面温度测量误差的影响，但铸坯温度计算值与实际值之间毕竟有很大差异。可见先进控制方法在二冷水系统的应用研究还很不深人，还没有采用参数辨识的方法建立系统模型或用自适应控制、神经元网络和遗传算法等智

能方法进行二次冷却系统的建模与控制的研究。

(6)连铸保护渣的自动喂送和控制，以及自动开浇尤其是板坯连铸机的自动开浇控制问题至今没有很好地解决，大大影响了铸坯质量和连铸过程的自动化水平。

(7)连铸过程各环节的监测及综合优化控制问题还没有得到研究人员的重视，使得各控制回路的控制性能与整个系统的性能无法同时达到最优。

(8)炼钢-连铸-连轧短流程生产工艺作为钢铁工业的发展方向，对于其一体化协调控制、调度和管理的研究才刚刚开始，应当加大研究的力度。

(9)连铸过程中诸如漏钢预报等故障诊断和设备维护技术急待改进，否则将无法满足连铸过程越来越高的生产要求和质量要求。

(10)为了炼钢操作标准化，生产出纯净钢，迫切需要快速、连续、可靠测定夹杂物总量和特性的测定技术。目前，已有在线检测定氢、定铝、定钙和定氮探头。在线检测夹杂物技术也已开发成功，但达到实用化尚有一段距离。因此，炼钢工作者目前还主要依靠离线间接测定夹杂物的方法。

(11)目前国际上没有统一的钢纯净度标准

[24-26]，无法很好地克服拉速和测量误差等引起的有色噪声扰动，使得系统鲁棒性较差。尤其像薄板坯连铸等对结晶器钢水液位要求很严格的过

。目前常用的所谓冷却

。尽管总氧量是评价钢质量的重要指标，但并非全部内容，因为允许的总氧量取决于工艺条件、取样位置，特别是取决于预定的产品用途及客户验收标准，所以用总氧量评价钢的质量只在钢相对纯净的条件下才有意义。为了确定冶炼工艺条件对去除夹杂物的影响，有必要建立一种在工艺操作过程中某一特定点评价钢水纯净度的方法。

(12)连铸坯热送热装是炼钢与轧钢的衔接点，是炼钢、轧钢节能的重要措旋，还有更深层次的优化炼钢、轧钢生产结构的重要意义。目前连铸坯热送热装技术仍存在着大量技术问题，如连铸坯能有效地进行热送热装必须以无缺陷坯为基础，它对连铸生产工艺与设备的优化提出了更高要求，尤其

是不同钢种连铸无缺陷坯生产的难度增大，这就要求我们加大连铸工艺软件与先进设备的开发力度。因热送热装工艺改变了连铸坯由热到冷，再由冷到热的加工生产流程，给钢材组织结构、加工性能等质量控制带来了不少新问题，这些都需研究开发。

(13)为了更有效地将超细小夹杂物减少到更低水平和发展高效连铸，除现有的夹杂物去除方法(如中间包吹氩气泡法、有色冶金去气法，即通过高速旋转吹氩气和中间包电磁搅拌脱去氧气的方法)之外，还需要开发更先进、更成熟的技术。

(14)连铸中间包不仅是稳压、分配钢水和保证钢水连续浇铸的缓冲容器，而且还是防止钢渣进入结晶器、去除钢液中非金属夹杂物、均匀钢水温度等保证铸坯质量的关键设备。连铸中间包内的控流元件(挡渣墙和挡渣堰等)的设置参数对中间包内非金属夹杂物的上浮及均匀钢水温度起着至关重要的作用。对于多流连铸中间包来说，各流出口温度及所含夹杂物的大小和数量会有很大的差异，从而给铸坯质量控制带来很大的困难。因此，寻找合理的中间包控流元件的设置参数，对多流连铸中间包来说具有特别重要的意义。

(15)提高钢渣和其它固体废料的利用率，也是连铸生产对环境更加友好的关键环节之一。我国大多数企业钢渣没有得到有效利用，随着原料的涨价和对环保要求的提高，钢渣有效利用显得越来越重要，所以有必要开发钢渣综合利用技术。提高连铸坯质量的技术措施

连铸坯质量主要表现为铸坯的纯净度、铸坯表面质量和铸坯内部质量。其中连铸坯的纯净度主要受钢水纯净度和连铸机机型及操作工艺参数的影响。为了获得纯净度高的连铸坯，目前可采用的技术措施包括：防止钢包渣进人中间包(采用大包下渣自动检测技术)；采用优质引流砂(自开率要大于98％)；采用长水口和浸入式水口保护浇铸；防止吸入空气；防止中间包覆盖剂和耐火材料污染钢水；采用带垂直段的弧形连铸机，降低拉速以利夹杂物上浮；采用合适水口结构，防止结晶器内钢水卷渣等。

连铸的表面缺陷主要为纵裂纹、横裂纹、角横裂等。为了获得表面无缺陷连铸坯，目前可采用合适的连铸保护渣，合适的连铸拉速，合适的水口结构，合适的结晶器振动参数，合适的一次冷却和二次冷却制度等。连铸坯的内部缺陷主要为内裂、中心偏析和中心疏松。为了防止连铸坯产生内部缺陷，目前可采用合适的钢水过热度，合适的连铸拉速，合适的二次冷却技术；采用轻压下技术，连续弯曲和连续矫直技术等；严格控制板坯连铸机的开口度，准确对弧。结束语

就目前国内外的现状而言，连铸过程的研究集中在实现优质高效薄板连铸的结晶器液位控连铸过程自动化技术综述制、铸坯二次冷却配水控制、漏钢预报、自动开浇控制以及夹渣检测与去除策略等方面。随着汽车业、造船业等的发展，我国对优质纯净钢特别是轿车用超深冲板的需求量越来越大，迫切要求尽快

发展优质纯净钢高效连铸技术。但是优质纯净钢薄板坯连铸过程中还有一些关键技术难题尚未解决，这使我国生产的钢材质量和品位明显偏低，在优质纯净钢生产方面更是困难重重。为此，开发具有我国自主知识产权的优质纯净钢高效连铸技术是十分重要和紧迫的。

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