连铸二冷工艺设计及过程控制.ppt

连铸二冷工艺设计与过程控制 Name：张家泉：张家泉 教授教授 Mobile：：13911171237 E-Mail：：jqzhang@2024/8/18 Page No. 2提纲提纲/Contents 连铸二冷综述连铸二冷综述1 坯壳表面回温发生机制及影响因素坯壳表面回温发生机制及影响因素2 连铸二冷工艺设计（长度设计、设备选型）连铸二冷工艺设计（长度设计、设备选型）3 连铸二冷自动化控制系统连铸二冷自动化控制系统5 动态二冷控制模型应用实例动态二冷控制模型应用实例6 连铸二冷过程控制（参数优化、控制模型）连铸二冷过程控制（参数优化、控制模型）4University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 3连铸二冷区作用连铸二冷区作用对带液芯的铸坯进行强制、均匀冷却，使得铸坯继续凝固连连铸铸二二冷冷区区University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 4连铸二冷区要求连铸二冷区要求 总体结构和支撑导向机构刚性好、强度大；总体结构和支撑导向机构刚性好、强度大； 辊列布置合理，防止铸坯产生较大的鼓肚变形；辊列布置合理，防止铸坯产生较大的鼓肚变形； 对弧简便准确，易于安装、检修和事故处理对弧简便准确，易于安装、检修和事故处理，等。

等 冷却机构和设备冷却机构和设备 冷却工艺冷却工艺u 冷却工艺设计冷却工艺设计u 冷却制度制定冷却制度制定 支撑机构支撑机构冷却控制冷却控制University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 5与二冷相关质量缺陷与二冷相关质量缺陷形状缺陷形状缺陷表面缺陷表面缺陷内部缺陷内部缺陷内裂纹（中间裂纹、中心裂纹）内裂纹（中间裂纹、中心裂纹）中心疏松、中心偏析中心疏松、中心偏析表面矫直横裂纹表面矫直横裂纹划痕划痕鼓肚、脱方鼓肚、脱方椭圆变形椭圆变形University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 6连铸二冷控制难点连铸二冷控制难点连铸连铸控制难点控制难点自身自身自身自身复复复复杂杂性性性性§ 时变性特性时变性特性§ 非线性特性非线性特性§ 不可预测的扰动不可预测的扰动§ 过程本身的滞后性过程本身的滞后性§ 环节间相互耦合环节间相互耦合设备设备因素因素因素因素§ 执行机构的滞后性执行机构的滞后性§ 检测技术的局限性检测技术的局限性§ 设备运行的稳定性设备运行的稳定性 其他其他其他其他§ 人工操作的局限性人工操作的局限性§ 控制系统的稳定性控制系统的稳定性 工工工工艺艺因素因素因素因素§ 钢种凝固特性钢种凝固特性§ 铸机设计的合理性铸机设计的合理性§ 参数制定的合理性参数制定的合理性§ 控制模型的准确性控制模型的准确性University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 7连铸二冷控制方法连铸二冷控制方法过程参数优化过程参数优化控制系统自动化控制系统自动化源头控制过程控制质量质量控制策略控制策略生产阶段生产阶段设计阶段设计阶段二冷区长度设计合理性二冷区长度设计合理性二冷工艺合理制定二冷工艺合理制定相关设备合理选型相关设备合理选型University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 8连铸二冷控制方法连铸二冷控制方法二冷二冷二冷二冷控制方法控制方法控制方法控制方法实际拉速控制实际拉速控制实际拉速控制实际拉速控制（静态控制）（静态控制）（静态控制）（静态控制）热历程控制热历程控制热历程控制热历程控制（动态控制）（动态控制）（动态控制）（动态控制）•产品大纲产品大纲•拉坯速度拉坯速度•中包温度中包温度•产品大纲产品大纲•拉坯速度拉坯速度•中包温度中包温度•实际水量实际水量•参数数据库（物性参数、目标值等）参数数据库（物性参数、目标值等）比例配水控制法比例配水控制法比例配水控制法比例配水控制法参数配水控制法参数配水控制法参数配水控制法参数配水控制法实测表面温度反馈控制实测表面温度反馈控制实测表面温度反馈控制实测表面温度反馈控制时间停留法时间停留法时间停留法时间停留法热模型法热模型法热模型法热模型法University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 9连铸二冷研究方法连铸二冷研究方法University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 10连铸二冷研究现状连铸二冷研究现状70%10%5%60%25%工艺参数优化工艺参数优化铸机基础设计铸机基础设计控制系统智能化控制系统智能化设备布置合理化设备布置合理化University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 11坯壳表面回温发生机制坯壳表面回温发生机制机制一机制一冷却方式的差异性冷却方式的差异性冷却方式的差异性冷却方式的差异性• •￿￿￿￿同一冷却段同一冷却段铸铸坯表面温度坯表面温度间间断性回温断性回温University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 12坯壳表面回温发生机制坯壳表面回温发生机制机制二机制二• 铸坯放坯放热强度与外界度与外界换热强度的差异性；度的差异性；• 不同冷却段不同冷却段铸坯表面温度坯表面温度间断性回温；断性回温；•￿ ￿拉坯速度、二冷区拉坯速度、二冷区长度度对表面回温程度有着重要的影响。

表面回温程度有着重要的影响University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 13拉坯速度对坯壳表面回温的影响拉坯速度对坯壳表面回温的影响l目标表面温度控制下，二冷区内坯壳表面回温程度较小；目标表面温度控制下，二冷区内坯壳表面回温程度较小；空冷区，坯壳回温明显空冷区，坯壳回温明显l二冷区总长度既要满足低拉速下的生产，也要满足高拉二冷区总长度既要满足低拉速下的生产，也要满足高拉速下的生产要求速下的生产要求拉坯速度拉坯速度University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 14冷却水量对坯壳表面回温的影响冷却水量对坯壳表面回温的影响l冷却水量增大，坯壳表面回温降低，温降增大；但总冷却水量增大，坯壳表面回温降低，温降增大；但总存在一个区间使得表面温升和温降处在合理范围内。

存在一个区间使得表面温升和温降处在合理范围内l可通过优化冷却水量的方式来实现对铸坯表面回温的可通过优化冷却水量的方式来实现对铸坯表面回温的控制；控制；冷却水量冷却水量University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 15冷却回路长度对坯壳表面回温的影响冷却回路长度对坯壳表面回温的影响l冷却回路长度对坯壳回温和温降有着重要的影响，冷却冷却回路长度对坯壳回温和温降有着重要的影响，冷却回路长度增大，坯壳表面温升和温降均增大回路长度增大，坯壳表面温升和温降均增大l铸机设计之初，考虑二冷长度设计的合理性铸机设计之初，考虑二冷长度设计的合理性冷却长度冷却长度University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 16连铸二冷控制示意图连铸二冷控制示意图铸机最基本的系统结构设计的铸机最基本的系统结构设计的合理性是保证铸机良好可控性合理性是保证铸机良好可控性和控制效果的前提！和控制效果的前提！University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 17连铸二冷区长度设计依据连铸二冷区长度设计依据—二冷总长度二冷总长度长度过长长度过长• 设备成本增加设备成本增加• 二冷散热量大二冷散热量大• 进入空冷区时铸坯表面温进入空冷区时铸坯表面温度相对较低度相对较低长度过短长度过短•设备成本缩减设备成本缩减•二冷散热量过小二冷散热量过小•空冷区铸坯表面回温趋增大空冷区铸坯表面回温趋增大•铸机生产率降低铸机生产率降低•铸坯内部凝固组织难于控制铸坯内部凝固组织难于控制v 二冷区总长度二冷区总长度: :决定着铸坯在二冷区的散热量，其长短直接影决定着铸坯在二冷区的散热量，其长短直接影响到铸坯凝固进程和铸机生产率。

响到铸坯凝固进程和铸机生产率限制性环节：限制性环节： 二冷出口，铸坯液相穴和铸坯放热热流与辐射换热热流的平衡！二冷出口，铸坯液相穴和铸坯放热热流与辐射换热热流的平衡！主要影响因素：主要影响因素： 铸坯断面尺寸、浇注钢种、拉坯速度和冷却强度等！铸坯断面尺寸、浇注钢种、拉坯速度和冷却强度等！University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 18连铸二冷区长度设计依据连铸二冷区长度设计依据—二冷分段个数二冷分段个数2. 设计参考设计参考 • 方圆坯铸机：方圆坯铸机：4~6个为宜个为宜• 板坯铸机：板坯铸机： 8~11个为宜个为宜1.影响因素影响因素 •设备成本、设备安装与布置、控制精度设备成本、设备安装与布置、控制精度•铸坯表面回温和表面温降程度铸坯表面回温和表面温降程度二冷分段个数：二冷分段个数：v 决定着铸坯表面温升和温降次数；决定着铸坯表面温升和温降次数；v 影响着各冷却段长度的分配。

影响着各冷却段长度的分配University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 19连铸二冷区长度设计依据连铸二冷区长度设计依据—二冷各段长度二冷各段长度二冷各段长度：二冷各段长度：v 决定着铸坯表面温升和温降程度；决定着铸坯表面温升和温降程度；v 影响着二冷水量的分配影响着二冷水量的分配2. 设计参考设计参考 • 采用采用“短短—长长”的方式的方式• 考虑辊列布置及喷嘴布置要求考虑辊列布置及喷嘴布置要求• 考虑一冷区至二冷区过渡区需要考虑一冷区至二冷区过渡区需要1.影响因素影响因素•铸坯热量释放规律铸坯热量释放规律•铸坯放热与喷水换热的差异性铸坯放热与喷水换热的差异性University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 20连铸二冷相关设备选型连铸二冷相关设备选型执行机构良好运作是保证冷执行机构良好运作是保证冷却效果的关键！二冷相关设却效果的关键！二冷相关设备合理选型是保证二冷水量备合理选型是保证二冷水量调节稳定性和二冷换热效果调节稳定性和二冷换热效果的前提！的前提！University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 21连铸二冷相关设备选型连铸二冷相关设备选型—喷嘴选型喷嘴选型保证二冷换热效果保证二冷换热效果v 冷态性能测试：冷态性能测试： 流量特性、水流密度分布、流量特性、水流密度分布、冲击压力和喷射角等。

冲击压力和喷射角等v 热态性能测试：热态性能测试： 不同水流量下换热系数；不同水流量下换热系数；铸坯表面温度和水流密度对铸坯表面温度和水流密度对换热系数的影响换热系数的影响University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 22连铸二冷相关设备选型连铸二冷相关设备选型—流量调节阀选型流量调节阀选型保证二冷水量调节稳定性保证二冷水量调节稳定性v 可调比宽：可调比宽： 满足多种浇注钢种和断面尺寸、多种冷却曲线及不同生产工况的需要满足多种浇注钢种和断面尺寸、多种冷却曲线及不同生产工况的需要v 水量调节稳定：水量调节稳定： 保证流量调节阀开口度维持在保证流量调节阀开口度维持在5%-95%5%-95%的范围内防止控制回路水量的震荡的范围内防止控制回路水量的震荡University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 23连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化合理的二冷工艺是以高连铸质合理的二冷工艺是以高连铸质量和产量的重要前提！量和产量的重要前提！University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 24连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化• ••水表数据库水表数据库水表数据库水表数据库水表数据库水表数据库• •• 二冷总水量二冷总水量二冷总水量二冷总水量二冷总水量二冷总水量• •• 水量分配系数水量分配系数水量分配系数水量分配系数水量分配系数水量分配系数• ••内外弧水量分配内外弧水量分配内外弧水量分配内外弧水量分配内外弧水量分配内外弧水量分配• ••宽窄面水量分配宽窄面水量分配宽窄面水量分配宽窄面水量分配宽窄面水量分配宽窄面水量分配• ••最小水量最小水量最小水量最小水量最小水量最小水量• ••开浇水量开浇水量开浇水量开浇水量开浇水量开浇水量• ••出尾坯水量等出尾坯水量等出尾坯水量等出尾坯水量等出尾坯水量等出尾坯水量等• • 物性参数物性参数物性参数物性参数物性参数物性参数• •• 高温脆性曲线高温脆性曲线高温脆性曲线高温脆性曲线高温脆性曲线高温脆性曲线产品大纲产品大纲产品大纲产品大纲钢种特性钢种特性钢种特性钢种特性冶金准则冶金准则冶金准则冶金准则目标温度曲线目标温度曲线目标温度曲线目标温度曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线• •• 矫直温度限制矫直温度限制矫直温度限制矫直温度限制矫直温度限制矫直温度限制• •• 坯壳表面回温限制坯壳表面回温限制坯壳表面回温限制坯壳表面回温限制坯壳表面回温限制坯壳表面回温限制• •• 坯壳表面温降速率限制坯壳表面温降速率限制坯壳表面温降速率限制坯壳表面温降速率限制坯壳表面温降速率限制坯壳表面温降速率限制 • •• 结晶器出口坯壳厚度限制结晶器出口坯壳厚度限制结晶器出口坯壳厚度限制结晶器出口坯壳厚度限制结晶器出口坯壳厚度限制结晶器出口坯壳厚度限制• •• 二冷终点表面温度控制二冷终点表面温度控制二冷终点表面温度控制二冷终点表面温度控制二冷终点表面温度控制二冷终点表面温度控制• •• 表面温升控制表面温升控制表面温升控制表面温升控制表面温升控制表面温升控制• •• 表面温降控制表面温降控制表面温降控制表面温降控制表面温降控制表面温降控制••• 断面尺寸断面尺寸断面尺寸断面尺寸断面尺寸断面尺寸••• 钢种分类钢种分类钢种分类钢种分类钢种分类钢种分类v 二冷区换热中，喷水冷却是主要的，亦是可控的。

二冷区换热中，喷水冷却是主要的，亦是可控的v 二冷回路水量设定值的不合理是造成铸坯冷却不均的直接原因二冷回路水量设定值的不合理是造成铸坯冷却不均的直接原因v 优化不合理的二冷制度是保证铸坯质量和产量的重要手段优化不合理的二冷制度是保证铸坯质量和产量的重要手段University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 25连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化—离线仿真系统离线仿真系统5动态控制系统开发4相关设备选型3二冷制度制定与优化2铸机基础设计1工艺参数影响凝固过程数值仿真系统v 数值仿真是高技术产业不可或缺的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重数值仿真是高技术产业不可或缺的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段v 对于高度非线性的连铸生产，连铸过程数值仿真已成为辅助设备设计和生产对于高度非线性的连铸生产，连铸过程数值仿真已成为辅助设备设计和生产工艺制定的重要组成部分。

工艺制定的重要组成部分University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 26连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化—离线仿真系统离线仿真系统大型商业通用软件大型商业通用软件大型商业通用软件大型商业通用软件自编软件自编软件自编软件自编软件离线离线离线离线仿真系统仿真系统仿真系统仿真系统工具软件工具软件工具软件工具软件数学方法数学方法数学方法数学方法•ABAQUS，，MSC.MARC，，ANSYS等等 •模型丰富、功能强大、建模简便、对象广泛模型丰富、功能强大、建模简便、对象广泛•计算模式固化，特定问题适应性弱计算模式固化，特定问题适应性弱•VC++, VB, Delphi, FORTRAN等等•特定问题针对性强，分析问题简便，灵活性高特定问题针对性强，分析问题简便，灵活性高•建模和编程过程比较繁杂建模和编程过程比较繁杂有限元法（有限元法（有限元法（有限元法（FEMFEM））））有限差分法（有限差分法（有限差分法（有限差分法（FDMFDM））））•适应性强，不受物体形状限制适应性强，不受物体形状限制•计算速度相对较慢计算速度相对较慢•一般被商业通用软件采用一般被商业通用软件采用•概念直观，表达简单，计算速度快，发展较成熟概念直观，表达简单，计算速度快，发展较成熟•研究对象结构对称性及规则性要求高研究对象结构对称性及规则性要求高•一般被自编软件所采用一般被自编软件所采用University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 27连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化—离线仿真系统离线仿真系统•凝固传热微分方程凝固传热微分方程•初始条件初始条件•边界条件边界条件•差分格式选取差分格式选取•数学模型离散化数学模型离散化•编程语言选取编程语言选取•调用数据库调用数据库•界面输入参数界面输入参数•计算结果后处理计算结果后处理•计算结果保存计算结果保存数学模型数学模型离散化离散化程序编制程序编制 连铸凝固数值仿真系统开发University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 28离线仿真系统离线仿真系统—数学模型和离散化数学模型和离散化板板板板板板坯坯坯坯坯坯方方方方方方坯坯坯坯坯坯圆圆圆圆圆圆坯坯坯坯坯坯University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 29离线仿真系统离线仿真系统—物性参数选取物性参数选取 钢物性参数数据库液相线液相线固相线固相线密度密度凝固潜热凝固潜热比热容比热容传热系数传热系数介质参数介质参数University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 30离线仿真系统离线仿真系统—钢高温热特性钢高温热特性v 制定连铸冷却与轻压下制度以及分析制定连铸冷却与轻压下制度以及分析相关裂纹缺陷的依据；建立凝固热相关裂纹缺陷的依据；建立凝固热- -力学模力学模型的重要基础。

型的重要基础 v Gleeble1500D试验机：断面收缩率、试验机：断面收缩率、抗拉强度、屈服强度等抗拉强度、屈服强度等v NETZSCH DIL 402C热膨胀分析仪：热膨胀分析仪：（瞬时）（瞬时）热膨胀系数、热膨胀率等热膨胀系数、热膨胀率等University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 31离线仿真系统离线仿真系统—结构设计结构设计University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 32离线仿真系统离线仿真系统—程序开发程序开发University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 33体育离线仿真系统离线仿真系统—界面设计界面设计University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 34离线仿真系统应用离线仿真系统应用—热行为影响分析热行为影响分析拉坯速度拉坯速度冷却强度冷却强度钢水水过热度度表表观自然自然热收收缩University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 35连铸二冷制度连铸二冷制度—水表数据库水表数据库水表数据库水表数据库应用仿真系统计算并建立各工况下的二冷水表数据库！应用仿真系统计算并建立各工况下的二冷水表数据库！拉速拉速m/minSec1L/minSec2 L/minSec3 L/minSec4 L/minSec5 L/minTotal L/minWRL/kg0.10OOOOOOO0.20OOOOOOO0.30OOOOOOO0.40OOOOOOO0.50OOOOOOO0.60OOOOOOOT_Aim, ℃℃OOOOOOOUniversity of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 36连铸二冷制度连铸二冷制度—最小水量最小水量缓和冷却缓和冷却缓和冷却缓和冷却冲洗积渣冲洗积渣冲洗积渣冲洗积渣冷却夹持辊冷却夹持辊冷却夹持辊冷却夹持辊喷嘴低压流量喷嘴低压流量喷嘴低压流量喷嘴低压流量铸坯热量释放规律铸坯热量释放规律铸坯热量释放规律铸坯热量释放规律其他冷却段其他冷却段其他冷却段其他冷却段足足足足辊辊区区区区逐渐降低逐渐降低逐渐降低逐渐降低喷嘴最小流量喷嘴最小流量喷嘴最小流量喷嘴最小流量二冷区二冷区二冷区二冷区M-SM-S过渡区过渡区过渡区过渡区------------------------保证喷嘴冷却效果和生产安全，对实际生产设定最小保护水量！保证喷嘴冷却效果和生产安全，对实际生产设定最小保护水量！University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 37连铸二冷制度连铸二冷制度—比水量比水量v 比水量：比水量：连铸二冷区单位时间内消耗的总水量与单位连铸二冷区单位时间内消耗的总水量与单位时间内通过二冷区铸坯质量的比值；时间内通过二冷区铸坯质量的比值；v 一般用来衡量二冷喷水强度或者二冷冷却强度；一般用来衡量二冷喷水强度或者二冷冷却强度；v 二冷各冷却回路最小水量的限制，在衡量连铸的冷却二冷各冷却回路最小水量的限制，在衡量连铸的冷却强度时，不能单纯用比水量作为指标。

强度时，不能单纯用比水量作为指标University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 38连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化—水量优化水量优化离线优化离线优化 水量优化水量优化以实际生产过程数据为依据，应以实际生产过程数据为依据，应用校验后的连铸凝固传热数值仿用校验后的连铸凝固传热数值仿真软件对铸坯凝固过程进行模拟真软件对铸坯凝固过程进行模拟回放，分析铸坯凝固过程中的温回放，分析铸坯凝固过程中的温度场、坯壳回温、坯壳温降以及度场、坯壳回温、坯壳温降以及矫直点温度等重要参数，然后对矫直点温度等重要参数，然后对不合理的冷却制度进行优化，主不合理的冷却制度进行优化，主要优化的是不合理的水量分配要优化的是不合理的水量分配 优化优化 通过研发并应用动态二冷配通过研发并应用动态二冷配水控制系统，根据实时水控制系统，根据实时的生产条件和生产状态，按的生产条件和生产状态，按照浇注钢种的质量控制要求，照浇注钢种的质量控制要求，对二冷制度进行实时优化。

对二冷制度进行实时优化 v 更好地满足非稳态浇注工况；更好地满足非稳态浇注工况；v 弥补当前目标表面温度控制法中缺乏对当地冷却区冷却历程的控制弥补当前目标表面温度控制法中缺乏对当地冷却区冷却历程的控制University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 39连铸二冷制度制定与优化连铸二冷制度制定与优化—水量优化水量优化优化配水条件前后铸坯凝固温度场及凝固进程对比优化配水条件前后铸坯凝固温度场及凝固进程对比University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 40动态二冷控制模型动态二冷控制模型连铸工况的动态非稳定性连铸工况的动态非稳定性• 生产调度、操作规范性、检测手段不稳定性以及设备故障等偶然性环节；生产调度、操作规范性、检测手段不稳定性以及设备故障等偶然性环节；• 开浇、中包快换以及出尾坯等环节。

开浇、中包快换以及出尾坯等环节传统二冷控制方法（水量与拉速的函数关系控制）的控制效果传统二冷控制方法（水量与拉速的函数关系控制）的控制效果受到限制受到限制动态二冷控制模型动态二冷控制模型• 集计算机、自动控制和自动检测于一体的连铸新技术；集计算机、自动控制和自动检测于一体的连铸新技术；• 数学模型实现铸坯温度场实时热跟踪；根据实际工况状态进行水量实时优化；保证各数学模型实现铸坯温度场实时热跟踪；根据实际工况状态进行水量实时优化；保证各段水量分配及时满足铸坯表面温度的合理分布，从而消除连铸过程中因较大热应力应变导段水量分配及时满足铸坯表面温度的合理分布，从而消除连铸过程中因较大热应力应变导致的铸坯质量缺陷；致的铸坯质量缺陷；• 主要优势：针对钢种凝固特性精细控制，满足复杂非线性、时变性的连铸现场；主要优势：针对钢种凝固特性精细控制，满足复杂非线性、时变性的连铸现场；• 目前得到冶金工业者的终点关注和推广，其工业应用的冶金效果也得到企业的肯定目前得到冶金工业者的终点关注和推广，其工业应用的冶金效果也得到企业的肯定University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 41动态二冷控制模型动态二冷控制模型—主要目的主要目的v实际拉坯速度波动性 1、拉速波动幅度与波动率 2、断面对拉速波动率的影响v表面温度与凝固终点双目标控制 1、表面温度的合理控制 2、凝固终点的准确跟踪v操作熟练程度差异性拉速波动率University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 42动态二冷控制模型动态二冷控制模型—模型要求模型要求充分考虑凝固特性、工艺工况的影响联锁保护、故障诊断处理、应急切换并行运算、先进控制策略准确性、稳定性、数据诊断与处理自定义接口、浇注过程回放 界面友好、视图直观、信息清晰多流控制、多断面控制、混断面控制科学性科学性安全性安全性先进性先进性鲁棒性鲁棒性可操作性可操作性直观性直观性多任务性多任务性University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 43动态二冷控制模型动态二冷控制模型—模型设计模型设计数值仿真系统数值仿真系统数值仿真系统数值仿真系统动态二冷模型动态二冷模型动态二冷模型动态二冷模型铸机生产线铸机生产线铸机生产线铸机生产线University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 44动态二冷控制模型动态二冷控制模型—基本架构基本架构v 控制模型主要由自动化、数据库、监控界面和核心计算四部分模块控制模型主要由自动化、数据库、监控界面和核心计算四部分模块组成。

组成v 数据库是控制模型的基础；计算模块是整个控制模型的核心；自动数据库是控制模型的基础；计算模块是整个控制模型的核心；自动化是控制模型的纽带；监控界面是控制模型的窗口化是控制模型的纽带；监控界面是控制模型的窗口University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 45动态二冷控制模型动态二冷控制模型—动态热跟踪动态热跟踪University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 46动态二冷控制模型动态二冷控制模型—坯龄模型坯龄模型v控制模型采用控制模型采用“坯龄模型坯龄模型”来来实现对铸坯从结晶器钢水弯月实现对铸坯从结晶器钢水弯月面到模型控制区终点进行全程面到模型控制区终点进行全程的温度场实时跟踪。

的温度场实时跟踪v将铸坯从结晶器弯月面到模型将铸坯从结晶器弯月面到模型控制区末端等分为若干个切片，控制区末端等分为若干个切片，每个切片都是独立的信息单元，每个切片都是独立的信息单元，这些信息包括切片的这些信息包括切片的“寿命寿命”、、位置、中包温度、温度场以及位置、中包温度、温度场以及凝固进程等凝固进程等 v通过动态跟踪每个切片在不同通过动态跟踪每个切片在不同时刻下的时刻下的“寿命寿命”、位置等信、位置等信息，确定出每个切片在不同时息，确定出每个切片在不同时刻下的凝固传热微分方程边界刻下的凝固传热微分方程边界条件，对每个切片的凝固传热条件，对每个切片的凝固传热微分方程进行周期性求解，就微分方程进行周期性求解，就可以动态的描述出每个切片在可以动态的描述出每个切片在不同时刻、不同位置下的温度不同时刻、不同位置下的温度场University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 47动态二冷控制模型动态二冷控制模型—优化配水优化配水University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 48动态二冷控制模型动态二冷控制模型—表面温度反馈控制表面温度反馈控制v 设定的表面温度与计算的表面温度的相对误差。

用来校正和优化各设定的表面温度与计算的表面温度的相对误差用来校正和优化各冷却回路水量冷却回路水量v 计算的温度与实际测量温度之间的相对误差用来判断当前的铸机计算的温度与实际测量温度之间的相对误差用来判断当前的铸机设备状态，特别是可以反映喷嘴状态及雾化效果设备状态，特别是可以反映喷嘴状态及雾化效果University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 49动态二冷控制模型动态二冷控制模型—多模型控制策略多模型控制策略v 控制模型采用控制模型采用“多模型控制多模型控制”的先进控制策略来实现不同生产条件下的水的先进控制策略来实现不同生产条件下的水量优化v 基于中包连续测温的浇铸温度前馈配水策略、基于拉速模型消除热滞后影基于中包连续测温的浇铸温度前馈配水策略、基于拉速模型消除热滞后影响的控制策略、基于目标表面温度的数据库水表控制策略以及基于表面温度历响的控制策略、基于目标表面温度的数据库水表控制策略以及基于表面温度历程（坯壳温升温降）的控制策略等。

程（坯壳温升温降）的控制策略等University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 50动态二冷控制模型动态二冷控制模型—模型其他特点模型其他特点v联锁保护措施：应对人为失误（破坏）和不可预知因素（L2控制计算机死机或关闭）等意外事件，保证生产的顺行v数据诊断与处理：防止仪表或者网络通信不正常和设备本身工作不正常等造成的虚假数据对模型准确性的影响 v采用“数、表、线、形” 相结合的形式直观反映连铸过程中工艺参数和铸坯纵切面上的温度和凝固坯壳厚度分布v对生产中的过程数据进行全程记录，方便工艺人员对铸坯质量状况及影响因素作离线分析v提供控制模型的数据库管理工具等辅助管理工具，提供用户自由制定工艺接口，支持用户增加新钢种和修订相应的二冷工艺等 v采用计算机操作系统多任务技术，用一台计算机同时实现多流、多断面以及混断面浇注的二冷动态控制University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 51动态二冷控制模型动态二冷控制模型—界面设计界面设计University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 52动态二冷控制模型动态二冷控制模型—辅助软件设计辅助软件设计University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 53连铸二冷自动化控制系统连铸二冷自动化控制系统v 基础自动化级（基础自动化级（L1级）与过程控制优化级（级）与过程控制优化级（L2级）联合控制的策略。

级）联合控制的策略v L1级为基础级自动化控制系统是整个控制系统的基础和核心，担级为基础级自动化控制系统是整个控制系统的基础和核心，担负整个铸机生产线的过程控制和监视；负整个铸机生产线的过程控制和监视；v L2级为过程优化级控制系统主要负责控制和协调生产设备能力，级为过程优化级控制系统主要负责控制和协调生产设备能力，实现对生产的直接控制，针对生产指标，通过数据模型优化生产过程控实现对生产的直接控制，针对生产指标，通过数据模型优化生产过程控制参数University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 54连铸二冷自动化控制系统连铸二冷自动化控制系统—通讯方式通讯方式L1和和L2间数据交互采用间数据交互采用OPC通讯模式通讯模式v 组态软件通讯（组态软件通讯（WinCC、、Intouch、、IFix等）（控制系统稳定性受组态软件稳定等）（控制系统稳定性受组态软件稳定性限制）性限制）v PLC通讯（通讯（Siemens 、、Schneider 、、ABB等等）（控制系统稳定性高；需要完善的）（控制系统稳定性高；需要完善的联锁保护！）联锁保护！）University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 55连铸二冷自动化控制系统连铸二冷自动化控制系统—系统配置系统配置 OPC通讯接口自主设计通讯接口自主设计控制系统控制系统要求要求系统配置系统配置配置一台或两台普通工控机配置一台或两台普通工控机铸机新建、改造、升级方便铸机新建、改造、升级方便系统配置要求低系统配置要求低实现与各种组态软件通讯实现与各种组态软件通讯实现与各类实现与各类PLCPLC通讯通讯驾驭各类铸机设备（包含国外引进铸机）驾驭各类铸机设备（包含国外引进铸机） University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 56动态二冷控制模型现场应用动态二冷控制模型现场应用包钢大方坯动态二冷与动态轻压下控制系统（包钢大方坯动态二冷与动态轻压下控制系统（2006年年11月）月）莱钢合金钢方圆坯动态二冷与动态轻压下控制系统（莱钢合金钢方圆坯动态二冷与动态轻压下控制系统（2008年年6月）月）营口中试基地大圆坯动态二冷控制系统（营口中试基地大圆坯动态二冷控制系统（2008年年12月）月）莱钢特钢大方坯动态二冷配水控制系统（莱钢特钢大方坯动态二冷配水控制系统（2009年年6月）月）莱钢特钢大方坯质量跟踪与预报系统（莱钢特钢大方坯质量跟踪与预报系统（2009年年6月）月）莱钢特钢方圆坯动态二冷配水与轻压下控制系统（莱钢特钢方圆坯动态二冷配水与轻压下控制系统（2011年年11月）月）唐山天柱大方坯唐山天柱大方坯动态二冷配水控制系统动态二冷配水控制系统（（2012年年4月）月）江苏重工板坯动态二冷与动态轻压下控制系统（项目进行中）江苏重工板坯动态二冷与动态轻压下控制系统（项目进行中）University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 57莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机2008年年6月月15日一次热试成功日一次热试成功（断面（断面180mm × 220mm，钢种，钢种45#,拉速拉速1.3～～1.5m/min ））University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 58莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机圆坯第一次热试圆坯第一次热试University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 59莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机方坯混断面浇注方坯混断面浇注University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 60莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机二级控制系统现场应用二级控制系统现场应用University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 61莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机二级控制系统应用二级控制系统应用——公共区截图公共区截图University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 62莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机二级控制系统应用二级控制系统应用——某流监控界面截图某流监控界面截图University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 63莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机二级控制系统应用二级控制系统应用——某流配水总图截图某流配水总图截图University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 64莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机二级控制系统应用二级控制系统应用——某流辊缝总图截图某流辊缝总图截图University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 65莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机热酸低倍坯样热酸低倍坯样University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 66莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机莱钢合金钢六机六流方圆坯连铸机v控制模型自热试始全程参与控制。

控制模型自热试始全程参与控制v自热试始跟踪了一千多炉合金钢（主要钢种自热试始跟踪了一千多炉合金钢（主要钢种45#45#、、45B45B、、S45CS45C、、40Cr40Cr以及以及20CrMnTiH20CrMnTiH）的铸坯质量及轧材质量状况，）的铸坯质量及轧材质量状况，其中包含断面其中包含断面180180××220220、断面、断面 260260××300300以及两者混断面以及两者混断面浇注的情况浇注的情况. .v根据大量的酸浸坯样可以看出，铸坯表面及内部质量良好，根据大量的酸浸坯样可以看出，铸坯表面及内部质量良好，无表面裂纹、中间裂纹及中心裂纹等缺陷，铸坯内部致密无表面裂纹、中间裂纹及中心裂纹等缺陷，铸坯内部致密度较好，轧材经顶锻检验也全部合格度较好，轧材经顶锻检验也全部合格v截至目前，据用户反馈的信息，生产的铸坯中，基本无表截至目前，据用户反馈的信息，生产的铸坯中，基本无表面裂纹、中间裂纹及中心裂纹等缺陷的出现面裂纹、中间裂纹及中心裂纹等缺陷的出现University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 67营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机铸机基本参数铸机基本参数项目项目技术参数技术参数连铸机机型连铸机机型全弧形全弧形台数台数××流数流数1 1××4 4连铸机半径连铸机半径14 m14 m断面尺寸断面尺寸方坯：方坯：400mm 400mm ×× 500mm 500mm圆坯：圆坯：Φ600mmΦ600mm、、Φ500mmΦ500mm、、Φ450mmΦ450mm、、Φ400mmΦ400mm、、Φ350mmΦ350mm矫直方式矫直方式连续矫直连续矫直定尺长度定尺长度4 4～～10m10m铸机长度铸机长度38.8m38.8m拉速范围拉速范围送引锭：送引锭：4.0 m/min4.0 m/min拉坯：拉坯：0.10.1～～1.0 m/min1.0 m/minUniversity of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 68营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机2008.12一次热试成功（断面Φ500mm，钢种45#,拉速0.15～0.35m/min）University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 69营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机二级控制系统应用二级控制系统应用University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 70营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机动态二冷配水控制系统截图动态二冷配水控制系统截图——公共区公共区University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 71营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机动态二冷配水控制系统截图动态二冷配水控制系统截图——某流铸机总图某流铸机总图University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 72营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机动态二冷配水控制系统截图动态二冷配水控制系统截图——某流监控画面某流监控画面University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 73营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机动态二冷配水控制系统截图动态二冷配水控制系统截图——某流质量预报监控某流质量预报监控University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 74营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机质量跟踪与判定历史数据档案文件质量跟踪与判定历史数据档案文件University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 75营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机热酸低倍样热酸低倍样钢种钢种45#，断面：直径，断面：直径500mm，拉速，拉速:0.38~0.44m/minUniversity of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 76营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机营口中试基地四机四流大断面圆方坯连铸机v控制系统自第三次热试始参与全程控制。

控制系统自第三次热试始参与全程控制v自热试始，统计断面直径自热试始，统计断面直径500mm500mm、断面直径、断面直径400mm400mm生产的全部铸坯质量生产的全部铸坯质量v根据酸浸低倍坯样可以看出，铸坯内部质量良好，根据酸浸低倍坯样可以看出，铸坯内部质量良好，无中间裂纹及中心裂纹等缺陷，铸坯内部致密度无中间裂纹及中心裂纹等缺陷，铸坯内部致密度较好，中心疏松区大部分均为较好，中心疏松区大部分均为0.5~1.00.5~1.0级级University of Science & Technology Beijing 2024/8/18 Page No. 77结束语结束语v科学的动态二冷控制模型在控制热应力应变对铸坯质量的影响上贡献科学的动态二冷控制模型在控制热应力应变对铸坯质量的影响上贡献显著，动态轻压下能够减轻铸坯中心疏松、中心偏析等内部缺陷，质显著，动态轻压下能够减轻铸坯中心疏松、中心偏析等内部缺陷，质量跟踪与判定能够矫正工艺参数确保尽可能的铸坯符合热装和直量跟踪与判定能够矫正工艺参数确保尽可能的铸坯符合热装和直接轧制的要求，并及时迅速地判断铸坯是否适合热装和直接轧制。

接轧制的要求，并及时迅速地判断铸坯是否适合热装和直接轧制v设备装备是控制系统的执行机构研究也应该注重设备装备设计的优设备装备是控制系统的执行机构研究也应该注重设备装备设计的优化，提高设备的智能化程度，减少人工参与环节，使得人为误差转化化，提高设备的智能化程度，减少人工参与环节，使得人为误差转化为控制系统误差为控制系统误差v设备设计之初应综合考虑机械应力应变对铸坯质量的影响另外，应设备设计之初应综合考虑机械应力应变对铸坯质量的影响另外，应该提高和规范管理理念，加强设备维护，形成一套科学的质量管理和该提高和规范管理理念，加强设备维护，形成一套科学的质量管理和保障体系保障体系v铸机改造升级或者新建铸机，一定要从工艺、设备和控制模型上综合铸机改造升级或者新建铸机，一定要从工艺、设备和控制模型上综合着手，熟悉各个环节或因素对质量的影响另，要根据生产能力、设着手，熟悉各个环节或因素对质量的影响另，要根据生产能力、设备水平、管理水平、产品特点及对铸坯质量的要求等级等来决策新项备水平、管理水平、产品特点及对铸坯质量的要求等级等来决策新项目和新技术的投入目和新技术的投入University of Science & Technology Beijing University of Science & Technology Beijing。