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抚钢合金钢方坯连铸机二次冷却控制

摘 要

介绍抚钢合金钢方坯连铸机二次冷却控制系统的潜孔钻组成和各部分的功能，说明二冷水流量设定、拉坯速度前馈控制以及温度反馈控制，重点分析了铸坯成长模型和铸坯表面温度滤波等关键技术。

关键词 连铸机二次冷却铸坯成长模型

抚钢连铸分厂的弧形连铸机为1机4流，用于浇铸合金钢方坯(最大断面320mm×280mm)，由意大利DANIELI公司设计。东北大学自动化研究中心与抚钢连铸分厂电气工电压力锅程师对控制系统进行了消化吸收，参加了安装调试。二次冷却是连铸过程的一个重要环节，本文将对其控制原理和关键技术进行介绍。

1 系统组成

二次冷却系统由生产现场、过程控制和优化设定3级组成，如图1所示。4流都有独立的完全相同的二次冷却控制系统，下面只介绍其中1流系统。

1.1生产现场级

连铸坯由结晶器“出生”后，要经过半径为12m，长16.4m的扇形辊道，再进入拉矫机进行矫直。二冷水的喷嘴就安装在扇形辊道的四周，分成3个段，每段的长度和喷嘴数量见表1。

系统的控制量是二冷水的流量，执行机构是气动薄膜阀，每段1个。系统的反馈量有4种，一是二冷水流量，用于二冷水的流量控制回路，每段1个流量计；二是铸坯表面温度，由安装在二冷室出口处的辐射测温计测量；三是铸坯的位移增量，由拉矫机上的码盘测量；四是拉坯速度，由变频器输出一个模拟量提供。

1.2过程控制级

过程控制级采用西门子的可编程序控制器SU，完成二次冷却的所有实时控制功能，采用西门子的R125型PC机进行监控，二者经SINECH1进行通信。

在过程监控PC机上，人机界面用组态软件FIX32开发。与二次冷却有关的功能有：显示二冷水每段的实际流量、压力以及连铸坯在二冷室出口处的表面温度等，还可以设定铸坯出口温度，二冷水流量设定模型的3个参数(K1、K2、K3)，温度反馈控制器的比例增益KP和积分增益KI，另外还能进行喷水测试。

1.3优化设定级

R125型PC机除了连在SINEC-H1上外，还可以和过程控制PC机直接进行通信。软件用PASCAL语言开发，用来管理生产过程的历史数据库和技术数据库，包括和修改各种设定值，用曲线的方式对当前和历史的过程数据进行显示，以方便专业技术人员对生产过程进行离线分析和优化。

2 控制原理

二次冷却的被控对象可以看成奇石是3输入单输出的温度系统。3个输入分别是3段二冷水的流量，一个输出是铸坯在二冷室出口处的表面温度。二次冷却的控制目标实质是整个铸坯的温度场，由于无法直接测量，只能在铸坯出二冷室时测量它的表面温度，所以在设计控制器时就把控制目标由温度场转化为表面温度了。二冷水的3个流量控制回7、传动路(图1只画了其中的一个)采用常规的PI控制器，故不再多说。

2.1流量设定与前馈控制

拉坯速度是设定二冷水流量的重要依据之一，在影响铸坯温度的干扰中，拉坯速度也是最主要的。拉坯速度和二冷水流量间的具体关系可以用二次多项式来表示：

FF=K3＋K2.S＋K1.S2 (1)

如图1所示，式中FF是流量设定值；K1、K2、K3是多项式的3个系数，根据铸坯的钢种和规格来确定；S是平均拉坯速度，计算方法将在下文给出。式(1)起两个作用，一是设定每段二冷水的基本流量，二是当拉坯速度发生变虽然2016年内化时能对所设定的流量进行前馈修正。

2.2温度反馈控制

二冷系统的温度反馈控制回路采用常规PI控制器：

如图1所示，式中FB是对流量的反馈修正值，KP、KI分别是比例和积分控制增益，Tset是铸坯在二冷室出口温度的实验仪器设定值，Tf是经经过量年的发展过滤波的铸坯表面温度的测量值。反馈控制对流量的修正是受限的，修正后的总流量不得低于前馈流量的30％，这主要是从安全角度考虑的。另外，如果Tf低于800℃，为防止积分控制器饱和，要停止积分。如果Tset低于800℃，积分也将停止，但比例控制仍然起作用。

本系统的拉坯速度一般为1.3m/min，所以传输滞后相当大，3个控制量同时输出，控制效果的反馈不是同时的。这种大滞后的特点决定了控制周期不能太短，也不能追求太快的响应，否则会导致系统不稳定。

3 关键技术

获得(1)式中平均速度S和(3)式中铸坯温度Tf是本系统的两项关键技术，主要介绍如下。

3.1铸坯成长模型

(1)式S是两个速度的加权平均：

S=(1－k).V＋k.这款针对医疗包装利用的全新规格Tyvek 材料v (4)

如图1所示，式中k是系数，决定两种速度所占的权重；v是铸坯的瞬时拉速，来自变频器的模拟量输出；V是平均速度，来自铸坯成长模型。

铸坯“成长”是对连铸坯一次冷却和二次冷却工艺的一种拟人化的说法。对于连铸坯上任何一横截片，它在结晶器内的一次冷却过程称为“孕育”，在孕育过程中形成坯壳；从结晶器“出生

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