摘要：以南钢第二炼钢厂小方坯连铸机浇铸过渡坯为研究对象，建立数学模型并结合连铸二级铸坯跟踪模型，精确控制过渡坯长度，降低废品率，提高钢水收得率，实现降本增效。
关键词：连铸 混钢模型 过渡坯
引言
南钢二炼钢有两台七机七流小方坯，一台是利旧的原老炼钢的三号连铸机，目前主要生产普碳钢，一台新建的连铸机目前主要生产品种钢。有时钢水终点成分出格，为了连续浇铸，只得上铸机连浇，为了保证产品质量，需要切除钢坯180吨左右，还有一些异钢种连浇的情况，为了保证产品质量，经常会进行铸坯降级或报废处理，为了提高合格品数量，实现降本增效我们决定在两台连铸机上设计混钢浇铸模型。
1、设计思路
1.1连铸混钢区数学模型
中包混钢计算以中包流场理论为基础，描述了不同炉次的钢水在中包的混合过程。为了提高在线计算效率，混钢区数学模型对连铸的混钢过程进行简化，确立如下假设条件：（1）进入中包的钢水为湍流流动；（2）中间包钢水为均相介质；（3）中间包钢液面无波动；（4）忽略钢水进入铸坯后，在铸坯液芯区的混钢过程。
南钢小方坯连铸机为7机7流的小方坯连铸机，因此将中间包按照设计划分中间包结构划分为7单元，每个单元的钢水流动示意图，如图1所示。
图1第i个单元的质量平衡图
图1中是中间包某个单元体积的钢水流动示意图，Vi表示某个单元的体积，Qi,in表示大包钢水流入该单元的钢水(m3)，Qi,out表示某个单元流入结晶器的钢水(m3)，Qi,l表示相邻左单元流入的钢水(m3)，Qi,r表示相邻单元右单元流入的钢水(m3)。对图1的单元建立质量平衡方程，忽略钢水的密度变化，因此质量平衡方程形式为：
(1)
上式中，dVt：表示某个单元中的体积变化；
qin：表示流入单元的流速；
qout：表示流出单元的流速；
ql：表示左单元流入的流速；
qr：表示右单元流入的流速；
对于位于中间包两侧的单元，边界条件为：最左侧单元q0=0，最右侧单元q6=0；
对（1）式进行空间离散化：
(2)
上式中，ΔVi,t表示t时刻的第i个单元的钢水体积变化；
ΔQini,t表示t时刻大包流入的第i个单元钢水体积；
ΔQouti,t表示t时刻第i个单元流入结晶器的钢水体积；
ΔQli,t表示t时刻第i个单元左侧流入的钢水体积；
ΔQli,t表示t时刻第i个单元右侧侧流入的钢水体积；
(3)
建立某个t时刻单元i的第1炉的体积分数为ki,t，那么某个时刻t下，第i个单元第1炉的总体积为：
将（3）式带入（2）式，对时间进行离散，得到（4）式
(4)
其中ki,t，ki-1,t，ki+1,t是未知量，是我们需要得到的比例。ΔQli,t和ΔQri,t通过中包液面假设和最左侧和最右侧的边界条件得到，公式（7）-公式（10）；ΔQini,t通过大包重量变化和中包结构特点得到；公式（5），ΔQouti,t通过铸流的拉速和断面计算得到，公式（6）。
（5）
其中：Ci表示大包钢水在每流的分配比例，满足
。
ΔQi,t小时表示大包总的重量变化。
(6)
其中：h表示结晶器的厚，w表示结晶器的宽度，v表示拉速
将（5）-（10）代入（4）式中，建立的i=0,1，…，6的方程组，对方程组采用隐式迭代求解，最终得到每个单元体积第1炉的体积分数ki。计算结果如图2所示.
1.2实验方案
为了验证和标定1.1中的混钢数学模型，对铸坯进行取样分析，通过分析铸坯的化学元素成分含量，对模型进行标定和验证。1.1中的Ci表示大包钢水在每流的分配比例，反映了中包的结构特点，影响大包钢水的分配比例，需要通过实验进行验证标定。
1 混浇开始
取成份相差较大的两炉钢水进行连浇，连浇过程中记录大包水口打开时刻，铸机每流的浇铸长度；
2 混浇结束
混钢计算结束后，记录混钢计算时刻和铸机每流的浇铸长度，以及浇注长度区间；
1.3 铸坯取样
中间包为对称结构，因此，取第1流和第4流的混浇验证区间的铸坯角部区域，混浇验证区间的铸坯为水口打开和混浇计算结束之间的铸坯，如图3所示。
1.4 计算结果验证和对比
取样铸坯浇铸长度下的混钢模型计算结果，通过炉次化学成份比较，计算该浇铸长度下的化学成份，并与实验取样铸坯角部的化学成份进行比较，校对大包钢水分配系数Ci。校核完的模型即可对铸坯的化学成份进行预测，判定出合理的混钢区间。
2.系统设计
混钢模型实时从连铸公用PLC中读取过程数据，并从二级跟踪模型中获取铸坯状态数据，连续浇铸时，质量判定模型将钢包开浇信号发送给混钢模型，混钢模型从公用PLC读取中间包钢水重量信息，从铸流PLC读取各流拉速和坯长信息并计算从钢包流入中间包的钢水速度和从中间包流入结晶器的钢水速度及钢水的各化学成分的含量。
混钢模型为操作站模型元素曲线画面提供过程数据，同时也为质量判定提供混钢开始和结束之间铸坯化学成分信息。
图2混钢计算结果
图3 铸坯取样示意图
3.软件设计
3.1 程序设计工具
系统采用微软WPF用户界面框架+后台三层架构进行开发。WPF是微软.net框架中的重要组成部分。三层架构在软件设计中，是最常见的一种结构。从下至上分别为：数据访问层、业务逻辑层、表示层。
数据访问层：数据访问层主要实现对数据库中数据的读取保存操作。
业务逻辑层：主要处理系统需求中的业务逻辑，编写软件主要功能实现，采集数据接收处理。
表示层：主要功能是显示数据和接受WPF界面的数据，实现界面与后台交互。
三层架构主要对数据的传输，处理与存储提供便利条件。应用程序各部分之间职责清晰划分，降低系统的层级依赖，利于各层逻辑复用，提高开发效率，降低运维风险。达到高内聚低耦合的目的。
3.2程序设计接口
连铸混钢模型通过KEPServerEx软件读取连铸PLC数据，同时将混钢的计算结果发送给质量判定模型，接口方式实现无缝集成、信息互联互通、资源共享，且提供开放、透明的接口，实现各系统之间信息的传送和流转。
4、结论
混钢模型对异钢种成分和混钢程度进行模拟计算和输出，显示钢水成分的变化趋势，不光适用于异钢种连浇，对成分差异大的同钢种浇铸也有指导意义，同时提供连浇时当前炉次钢包开浇时的最佳中间包重量，确保浇铸过程中混钢时间最短，混钢坯长最短，对钢包开浇操作具有指导意义，同时根据混钢模型的输出结果对质量判定和优化切割有一定的指导意义，降低了废品率，提高了钢水收得率，实现降本增效。
参考文献
[1] 孙丹,钱宏志,李彦斌. 板坯连铸机中间包钢水混合过程成份计算[J].《冶金自动化》2011(S2).p547-550.
论文作者:袁亚兰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：钢水论文; 单元论文; 模型论文; 体积论文; 大包论文; 数据论文; 时刻论文; 《基层建设》2019年第26期论文;