連鑄非穩(wěn)態(tài)澆注的控制與優(yōu)化

1、連鑄非穩(wěn)態(tài)澆注的控制與優(yōu)化楊治爭 1，2 王延鋒 2 饒江平 2 孫云虎 2 楊東明 2 成 軍 2 彭著剛 1（1 武鋼研究院，湖北 武漢 430080； 2 武鋼煉鋼總廠四分廠， 湖北 武漢 430083） 摘 要： 介紹了武鋼煉鋼總廠四分廠連鑄非穩(wěn)態(tài)澆注過程中大包開澆、中間包開澆、結(jié)晶器液位控制及浸 入式水口快換和大包下渣檢測等方面的設(shè)備特點(diǎn)和控制方法，實(shí)踐證明，通過設(shè)備升級、提高控制精度、 開發(fā)新技術(shù)等措施，可把非穩(wěn)態(tài)澆注對生產(chǎn)穩(wěn)定性和連鑄坯質(zhì)量等的不良影響控制到最低限度。 關(guān)鍵詞：非穩(wěn)態(tài)；自動開澆；過程控制；鑄坯質(zhì)量Controlling and Optimizing of Unst

2、able Casting in Continuous Casting Process1,2 2 2 2 2 2 1YANG Zhi-zheng1,2,WANG Yan-feng2, RAO Jiang-ping2,SUN Yun-h2u,YANG Dongming2,CHENG Jun2PENG Zhugan1g （1 R&D WISCO, Hubei Wuhan 430080 ； 2 4th sub-factory of general steelmaking factory of WISCO, Hubei Wuhan 430083）Abstract: Features and co

3、ntrolling methods of the equipments in processes of unstable continuous casting of the4th sub-factory of general steelmaking factory of WISCO were introduced, including ladle free-opening, tundish auto-casting, liquid level controlling and submerged nozzle s q'uick replacing of mould, slag detec

4、tion of ladle and so on. Measures including updating facilities , improving accurate of controlling system, developing new technology were proved to be effective in practice, they can minimize the bad effect of the unsteady state to the producing stability and slab quality.Key words: unsteady state;

5、 auto-casting; process controlling; slab quality1 前言連鑄非穩(wěn)態(tài)澆注一般指中間包開澆、 快換浸入式水口、 換鋼包前后、 澆注結(jié) 束等鋼水液面波動較大、 拉速變化頻繁的澆注狀態(tài)。 非穩(wěn)態(tài)澆注時鋼液的保護(hù)澆 注狀態(tài)、中間包鋼液流場及覆蓋劑性質(zhì)和作用、 結(jié)晶器流場及液面波動都受到較 大影響，進(jìn)而造成鋼水二次氧化加劇、 結(jié)晶器卷渣發(fā)生率提高， 最終影響到連鑄 生產(chǎn)的順行和連鑄坯的質(zhì)量。非穩(wěn)態(tài)澆注是連鑄過程中不可避免的現(xiàn)象， 國內(nèi)外冶金工作者在此方面提出 過不少針對性的控制措施 14，總結(jié)起來如下： 1）提高鋼包自開率，減少或避免 燒氧澆鋼； 2）保持中

6、間包流場穩(wěn)定，避免中包鋼液面波動過大； 3）優(yōu)化結(jié)晶器 流場，控制結(jié)晶器液面波動等。 但是縱觀已有的資料， 基本是在連鑄的單個或幾 個環(huán)節(jié)上有針對性的研究， 受設(shè)備、 工藝及操作水平等的限制， 從連鑄全系統(tǒng)綜 合控制和優(yōu)化非穩(wěn)態(tài)澆注，提高連鑄穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量的研究十分少見。武鋼煉鋼總廠四分廠 （下稱四分廠） 是武鋼適應(yīng)形勢發(fā)展而新建立的具有世 界先進(jìn)水平的現(xiàn)代化鋼廠，其連鑄車間現(xiàn)有 2 臺雙流板坯連鑄機(jī)，鑄坯規(guī)格從 210X 800mm到250X 1600mm產(chǎn)品涵蓋超低碳深沖鋼、低碳鋼、包晶鋼、硅鋼和 中高碳鋼等系列品種，基本定位以高端、高附加值的硅鋼和家電面板和汽車面板 等產(chǎn)品為主，因此對

7、鑄坯質(zhì)量有很高要求。目前該廠裝備有國際一流的直弧形連 鑄機(jī)及控制設(shè)備、鋼包下渣檢測系統(tǒng)、中間包自動開澆控制系統(tǒng)以及自主研發(fā)的 浸入式水口一鍵自動快換系統(tǒng)，具備非穩(wěn)態(tài)澆注過程系統(tǒng)控制的硬件條件、 控制 優(yōu)勢和工藝操作基礎(chǔ)。基于以上條件，開展了非穩(wěn)態(tài)澆注過程的全面控制與優(yōu)化。2鋼包非穩(wěn)態(tài)澆注的控制2.1提高鋼包自動開澆率的實(shí)踐鋼包開澆屬于非穩(wěn)態(tài)澆注，其控制水平直接影響到達(dá)中間包的鋼水質(zhì)量。 在 鋼包自動開澆的情況下，滑板打開后，鋼水可以在保護(hù)管的保護(hù)下經(jīng)長水口流入 中間包，避免與空氣接觸造成二次氧化。影響自動開澆的因素很多 ，簡單列舉如下：1）操作條件如鋼種、出鋼溫 度、精煉方式、傳擱時間等；2）

8、鋼包結(jié)構(gòu)、耐材質(zhì)量及烘烤程度、座磚材質(zhì)及 結(jié)構(gòu)等；3）操作水平如長水口的安裝、引流砂的投放位置及投放量等；4）引流砂的礦物組成、粒度、形狀等相關(guān)物理性質(zhì)和投放方式等。在當(dāng)前爐機(jī)節(jié)奏匹配， 各鋼種過程控制標(biāo)準(zhǔn)化的條件下，引流砂的質(zhì)量和投放方式成為主要影響因素。 在自動開澆失敗的情況下，采用燒氧出鋼，將導(dǎo)致相當(dāng)多的鋼水敞開澆注，直接 造成鋼水的二次氧化，影響鑄坯的質(zhì)量和改判率，同時影響連鑄過程的穩(wěn)定性。引流砂的基本要求是：1）燒結(jié)層厚度適中；2）抗鋼水滲透性好；3）流動 性好。從實(shí)用性及材質(zhì)穩(wěn)定性和自開成功率等方面考慮， 四分廠一直選用鉻質(zhì)復(fù) 合礦物的作為引流砂，并通過不斷提高其穩(wěn)定性、調(diào)整投放方

9、式，形成比較穩(wěn)定 的操作標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的引流砂成分及性能指標(biāo)如表 1.表1四分廠引流砂典型成分及性能指標(biāo)項目數(shù)值成分/%耐火度C粒度mmCr2QMgOFezQAl 203Si02CH20標(biāo)準(zhǔn)> 30w 18> 10w 10w 35w 1.0w 0.5> 17000.151.0> 85%實(shí)際35.815.511.58.5525.5w 1.00.45> 17000.5 1.0采用現(xiàn)有的復(fù)合引流砂后，鋼包自動開澆率從之前的96%左右提高到現(xiàn)在的平均98.6%的穩(wěn)定水平，使此環(huán)節(jié)的鋼水質(zhì)量得到了有效保障。2.2鋼包自動下渣檢測系統(tǒng)的應(yīng)用鋼包澆注末期，隨著其鋼液位接近零位，鋼渣

10、將隨鋼液流入中間包，氧化性 的鋼渣將直接造成鋼水的二次污染、侵蝕中間包內(nèi)襯、造成浸入式水口堵塞。 因此，必須限制鋼包向中間包下渣，采用下渣自動檢測系統(tǒng)是控制此非穩(wěn)態(tài)過程 的有效方法。目前四分廠應(yīng)用的是國產(chǎn)第三代 VSD200C振動式大包下渣自動檢測系統(tǒng)，該 系統(tǒng)的工作原理是基于矢量化信息處理方法， 有效獲取振動特征參數(shù)，并通過分 析處理，排出干擾信號的影響。該系統(tǒng)由系統(tǒng)控制柜（ MCU ）、前端控制單元（FCU）、中間包液面自動控制單元（ACMU ）、傳感器及前級調(diào)理放大模塊、 下渣報警喇叭、下渣報警等和按鈕控制盒等組成。振動信號通過安裝在操作桿中 部的傳感器經(jīng)前級調(diào)理放大模塊連入系統(tǒng)控制柜的

11、電器控制單元，并經(jīng)處理后輸出至工控機(jī)進(jìn)行運(yùn)算分析；系統(tǒng)檢測出的下渣信號由系統(tǒng)控制柜輸出至前端控制 單元，再控制報警喇叭及報警燈工作，或直接發(fā)出指令，關(guān)閉大包水口。該系統(tǒng) 的優(yōu)點(diǎn)包括：對連鑄操作無任何影響、安裝調(diào)試方便、傳感器使用周期長、綜合 成本低。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于建立結(jié)構(gòu)振動與鋼水流動狀態(tài)間的對應(yīng)關(guān)系，因此，由于不同鋼包結(jié)構(gòu)和工藝等特征的不同，實(shí)際應(yīng)用中，需要一個調(diào)試和匹配的過程。 目前，該系統(tǒng)在四分廠的應(yīng)用情況如圖 1所示。暮菩主B迢定4爲(wèi)H圖1近一年內(nèi)鋼包下渣自動檢測準(zhǔn)確率圖（上曲線為包括多次報警末次準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，下曲線為一次準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)）可以看出，系統(tǒng)投入應(yīng)用近一年來的檢測準(zhǔn)確率有了穩(wěn)步提

12、高， 但是未達(dá)到 總體自動檢測準(zhǔn)確率 90%的目標(biāo)。當(dāng)前影響自動檢測準(zhǔn)確率的因素包括：對設(shè)備 的熟悉程度、 中間包液位自動控制水平、 檢測分析程序的適用性以及系統(tǒng)自動啟 動率等。據(jù)此，下一步要開展的優(yōu)化工作包括：1）繼續(xù)加強(qiáng)操作標(biāo)準(zhǔn)化工作，減少人為因素的干擾。2）加強(qiáng)對中包稱重系統(tǒng)的校驗和修正，減少稱重誤差帶來的影響。3）優(yōu)化中間包液位控制系統(tǒng)，提高液位控制的精確度。4）優(yōu)化檢測分析程序，提高檢測設(shè)備完好率和系統(tǒng)自動啟動比率，總體上 提高準(zhǔn)確率。通過繼續(xù)調(diào)整優(yōu)化與實(shí)踐， 在使鋼包自動下渣檢測綜合準(zhǔn)確率達(dá)到 90%以上 的基礎(chǔ)上， 可以有效控制該非穩(wěn)態(tài)過程對澆注穩(wěn)定性的影響， 減少尾坯切除量和

13、中包余量，降低工序消耗。3 中間包自動開澆技術(shù)集成及應(yīng)用 中間包開澆過程是一個典型的非穩(wěn)態(tài)過程，包括鋼包開澆后鋼水注入中間 包、中間包鋼水自動澆注進(jìn)結(jié)晶器及鋼水在結(jié)晶器中到達(dá)設(shè)定的液面高度時， 鑄 機(jī)自動起步、升速 , 直至設(shè)定的目標(biāo)拉速和目標(biāo)結(jié)晶器液位兩個過程 6,7 。開澆 過程由人工和自動兩種控制方式。連鑄中間包自動開澆是由 PLC 自動控制塞棒的開閉度和拉矯機(jī)的拉速實(shí)現(xiàn) 全自動澆鋼。自動開澆的核心是根據(jù)鋼種、斷面控制好起步時間、起步拉速，保 證結(jié)晶器鋼水液面穩(wěn)定， 形成均勻的坯殼。 應(yīng)用自動開澆技術(shù)可以防止人工操作 不當(dāng)造成開澆漏鋼， 提高開澆成功率， 控制非穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)晶器液位波動

14、和流 場紊亂引起的卷渣現(xiàn)象。 同時在保證鋼水連續(xù)填充的條件下， 避免或減少鑄坯的 重接痕等缺陷。四分廠連鑄車間現(xiàn)有的兩臺板坯連鑄機(jī)裝備了塞棒控流系統(tǒng)、 拉矯機(jī)自動啟 動系統(tǒng)、 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)等多環(huán)節(jié)聯(lián)動系統(tǒng)， 具備精確控制、 模擬人工開澆 過程的功能。如圖 2、3 所示。寒榛位董絡(luò)晶器戒住液位調(diào)節(jié) 終止點(diǎn)瞳住調(diào)節(jié)拉坯速度目標(biāo)速度臺常目標(biāo)時間圖2自動開澆塞棒位置、結(jié)晶器液位及拉速變化示意圖調(diào)節(jié)器常數(shù)談設(shè)定液位高度液位濾波被面PID塞棒PID驅(qū)動器電機(jī)藍(lán)檢翼圖3塞棒系統(tǒng)控制結(jié)晶器液位原理圖根據(jù)中間包的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合鑄機(jī)自動開澆試驗初期遇到的結(jié)晶器上沿掛鋼、檢測偏差和系統(tǒng)非正常報警等一些問題，采

15、取了以下針對性的措施：1）強(qiáng)化中間包耐材質(zhì)量及維護(hù)操作的管理， 提高設(shè)備自身可靠性和穩(wěn)定性。2）中包開澆鋼液容量要達(dá)到30噸以上，保持其開澆過程中的液位穩(wěn)定性。3）優(yōu)化自動開澆工藝，減少結(jié)晶器接縫掛鋼現(xiàn)象。4）加強(qiáng)結(jié)晶器液位檢測電磁傳感器的熱態(tài)校正與管理，解決檢測液位值與 實(shí)際值的偏差問題。5）提高系統(tǒng)的識別能力，排除非關(guān)鍵因素對自動開澆的影響，減少人工干 預(yù)，提高自動開澆成功率。經(jīng)過不斷的試驗、調(diào)整和再實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了開澆過程的綜合自動控制，自動開 澆率穩(wěn)定提高、開澆液位波動處于較為理想的水平，如圖4、5所示。圖4四分廠自動開澆率分月統(tǒng)計圖圖5自動開澆系統(tǒng)示意圖（縱坐標(biāo)從左至右依次為拉速、塞棒位

16、置和結(jié)晶器液位）可以看出，現(xiàn)有的自動開澆率穩(wěn)定在98.5%以上、開澆液位波動穩(wěn)定在士 5mm 以內(nèi)，為連鑄生產(chǎn)的順行和鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定提供了可靠保障。4浸入式水口一鍵自動快換的應(yīng)用結(jié)晶器浸入式水口的人工更換過程，一般將造成結(jié)晶器液位的大幅變動及結(jié) 晶器流場的急劇變化，進(jìn)而帶來的是保護(hù)渣渣層結(jié)構(gòu)被破壞， 穩(wěn)定澆注時的熱交換平衡被打破，因此，此過程在所有的連鑄車間都屬于漏鋼事故高發(fā)、鑄坯質(zhì)量嚴(yán)重受損的非穩(wěn)態(tài)過程。在無法避免水口更換之非穩(wěn)態(tài)帶來的影響的情況下， 需要通過合理而平穩(wěn)的 聯(lián)動操作來實(shí)現(xiàn)對此過程中液位的控制。 目前，人工快速水口更換技術(shù)和裝備均 已經(jīng)十分成熟，但是僅依靠人工操作來實(shí)現(xiàn)快換過程

17、的平穩(wěn)過渡是不可能的，四分廠技術(shù)人員和裝備部門基于結(jié)晶器液位自動控制系統(tǒng)和手動水口快換技術(shù)的 結(jié)合，通過在該系統(tǒng)控制軟件中添加模塊，自主集成了水口一鍵自動快換系統(tǒng)。 在不增加成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了快換過程中液位按設(shè)定曲線平穩(wěn)的上升和恢復(fù)， 如圖6所示。圖6不同浸入式水口快換方式對比示意圖（縱坐標(biāo)從左至右依次為拉速、塞棒位置和結(jié)晶器液位，上部為手動快換）由圖6以看出，水口快換過程由純手動控制時，液面出現(xiàn)多次大幅度波動的 情況，鑄坯表面卷渣的幾率將大幅上升。 而應(yīng)用水口一鍵自動快換系統(tǒng)時， 塞棒 位置的調(diào)整更為均為平穩(wěn)，持續(xù)性好且耗時較短，鋼液面下跌后按設(shè)定曲線緩慢、 平穩(wěn)上升，此過程一般伴有渣條的

18、自然倒伏和渣層結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，卷渣及粘連漏鋼的風(fēng)險降到了最低，而拉速調(diào)整過程也在自動控制下更趨合理。由以上幾條 可以得出結(jié)論，在一鍵自動快換的條件下，此非穩(wěn)態(tài)過程控制總體平穩(wěn)，且過程 時間有所縮短，由此對澆鑄過程及鑄坯質(zhì)量的不良影響降至最低限度，銜接坯的切除量也相應(yīng)減少。5非穩(wěn)態(tài)澆注的控制與優(yōu)化效果經(jīng)過近兩年的研究與實(shí)踐，非穩(wěn)態(tài)澆注過程控制取得了良好效果。一是非計劃中斷次數(shù)明顯下降，且未出現(xiàn)一次漏鋼事故，如圖7所示。圖7非計劃中斷次數(shù)分月統(tǒng)計圖8-兩年中單月非計劃中斷次數(shù)從最高 9次下降至優(yōu)化后2次以內(nèi)的水平，過程 控制更加穩(wěn)定有效，帶動了全廠相關(guān)工序的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行。二是連鑄工序的鋼鐵料損耗（包括切除的頭尾坯、銜接坯以及中包余量等）穩(wěn)定下降，如圖8所示。2 4-iQ.62.B.421 九 O &© ffr-母回田 r$Is9田 »V«S4 0OO.4121O圖8連鑄工序分月鋼鐵料損耗率圖目前，四分廠連鑄工序的鋼鐵料月均損耗量控制在2000噸左右，損耗率控制在0.7%以內(nèi)的較低水平，有效地提高了鑄坯收得率。此外，隨著非穩(wěn)態(tài)控制水平的逐步提高，連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定性得到了保證，產(chǎn)量隨之穩(wěn)步提高，月均產(chǎn)量兩年內(nèi)提高了 15%上，質(zhì)量效益均有明顯增長。1）非穩(wěn)態(tài)