关键词：冷却速度；连铸；二冷配水；控制优化
连铸工艺是炼钢的主要工艺之一,其中二次冷却工艺又是连铸工艺的核心工艺。研究表明,连铸二次冷却配水不当,不仅会导致铸坯产生质量缺陷,还会影响连铸机的产量。
一、连铸二冷冶金准则
在浇钢过程中铸坯质量主要受坯壳凝固传热的影响。为了得到合格的铸坯质量，除了要保证设备应经常处于良好的工作状态以及合格的钢水外，还应确保铸坯在冷却、凝固过程中满足如下冶金准则：
1、对铸坯表面温度回升的限制。铸坯表面温度回升会导致在铸坯凝固前沿产生热应力，当温度回升超过一定限度时，热应力会在铸坯凝固前沿区域沿柱状晶生长方向从里向外沿晶粒边界撕开凝固前沿，导致铸坯产生内部裂纹。经验表明如果铸坯表面温度回升大于100℃,铸坯容易产生内部裂纹。
2、对铸坯鼓肚的限制。铸坯鼓肚会使坯壳产生机械应力，导致铸坯多种缺陷的发生。带液芯的铸坯表面高于某一温度时，由于坯壳很薄，在钢水静压力的作用下，使铸坯在二个支撑辊之间产生向外弯曲，产生鼓肚。经验表明铸坯表面温度大于1100℃时，铸坯产生鼓肚的可能性增加。
3、对液相穴长度的限制。单点矫直的连铸机，如果液相穴长度超过矫直点，可能会产生矫直裂纹。
4、对出结晶器坯壳厚度的限制。铸坯在出结晶器后应有足够的坯壳厚度，以防止拉漏事故的产生。小方坯的坯壳厚度一般应在10-12毫米之间。
5、对矫直点处铸坯表面温度的限制。铸坯表面温度低于某一点，会产生二次脆化，导致在矫直时铸坯表面产生矫直裂纹。经验表明铸坯的矫直温度应大于900℃。
6、对铸坯表面冷却速度的限制。铸坯表面的快速冷却，也会使铸坯表面产生热应力，导致铸坯表面裂纹程度加重或在铸坯表面产生新的裂纹。经验表明铸坯的冷却速度应低于100℃/米。
二、基于冷却速度偏差补偿的多模型理论的连铸二冷动态控制模型
1、二冷控制模型的建立。当浇铸温度冷却速度不均，铸坯表面温度也会随之出现较大波动，会造成铸坯质量不好。为了解决冷却速度不均造成的生产不稳定问题，基于控制模型和冷却速度的有效控制思想对冶金连铸二冷配水过程进行优化，确保稳定生产下的铸坯质量，保证了生产工艺参数不断改变的不稳定生产的进行。在实际生产中，每一个合格钢种成分的工艺控制要求是在某一个特定范围，铸坯表面冷却速度也会在一定的工艺控制范围内发生波动。因而优化的冶金连铸二冷配水控制模型，不仅分析实时变化的液相线温度，同时也考虑了冷却速度的不均变化特征。
2、连铸凝固传热数学模型的建立。对控制模型各参数进行求解是依据连铸凝固传热数学模型，在对连铸坯凝固传热方程进行塑造和求解的前提条件是：1）不考虑拉坯方向的传热；2）凝固坯壳的大部分传热以导热为主，将铸坯的液相中的对流传热看作是导热来处理；3）钢水的热物性参数如比热容、密度等，只受温度、碳含量的干扰；4）二冷区各冷却段中冷却均匀。
3、多模型控制结构与算法。通过多个子模型将总体被控制冶金连铸二冷配水，冷却速度不均变化控制参数的动态特性覆盖，分别对与每个冶金连铸二冷配水冷却速度模型对应的控制参数进行控制器的规划。基于各子模型输出误差以及当前实际冶金连铸二冷配水误差的性能指标，分析各子模型与被控冶金连铸二冷配水过程的匹配度，将最为匹配的子模型对应控制参数的控制器应用于系统。依据冷却速度不均变换控制参数的多模型自适应控制包括以下内容：
1）基于被控冶金连铸二冷配水过程冷却速度不均变化模型的控制参数塑造多个模型，构成多模型集合，用式描述。式中，Ω用于描述以模型Mi为元素的模型集，该模型集可看作是一个广义的模型集，Mi用于描述系统模型，也可用于描述误差或不同局部区域的操作工序。
2）按照模型集合Ω中的不同模型塑造多个控制器，形成控制集合，如式所示。其中，C表示基于Ω设计的控制器集，Ui表示基于Mi设计的控制器。
3）设置变换规范，获取能够描述当前被控冶金连铸二冷配水过程的最佳模型，将基于最佳模型设计的控制器变换成当前控制器：Usys=f(U1,U2,⋯,Un,θ)。其中，f表示非线性函数，θ是一个参数向量。不同的多模型自适应控制会有不同的变换函数，因此函数f可表示为不同的形式。依据变换的多模型控制中，为了控制能够高效的变换到和冶金连铸二冷配水过程最为匹配的模型所对应的控制器，避免因为冷却速度不均变化产生的波动问题，应选择准确的变换性能指标。Ji(t)=α·e2i(t)+β∫0Te-λ(1-T)e2i(T)dT i=1,2,⋯,n。式中，Ji(t)表示第i个子模型的性能指标ei(t)=yi(t)-y(t)，表示第i个子模型和冶金连铸二冷配水过程的误差，α≥0,β>0,λ>0；α与β分别描述当前瞬态误差以及记忆长度内误差的权重，倾向于性能指标的实时以及长期匹配长度。λ表示遗忘因子，可确保指标存储能力以及Ji(t)的收敛性。该性能指标通过误差的当前以及历史信息对模型进行评价及实际冶金连铸二冷配水过程的匹配程度，选择正确的参数以达到预期的变换效果。
三、实验分析
为了验证本文方法的有效性，需要进行相应的实验分析。实验测量连铸板坯表面温度采用Raytek Marathon系列双红色红外高温测温仪，不同控制模型的计算温度应和实测温度调控在20℃以内。图1描述了本文控制方法和传统控制方法对于Q235钢连铸二冷配水控制的效率，由图1可得，本文控制方法具有较高的控制效率，可确保钢材质量的稳定性。另外，采用本文方法对水量分配进行控制优化的仿真，由仿真结果可知，按照水流密度进行统计，本文方法优化后的配水逐段减少，分配也更加合理，降低了铸坯内裂纹的发生率，达到了优化铸坯冷却过程以及提高产品质量的要求。本文方法优化后的水量与优化前相比降低了2%，达到了水量节能的目的，说明本文方法是加强铸机控制水平以及提高铸坯质量的基础及手段。
图1 两种控制方法的效率对比
四、结语
钢铁工业归类于流程制造业，连铸工序为钢铁生产过程中关键的一道工序，同铸坯质量具有较高的关联性。二次冷却控制在连铸工序中起到关键作用，有效控制二次冷却能够提高连铸机的生产效率。因此，寻求合理的方法优化二次冷却制度和二冷配水模型，使铸坯在凝固过程中均匀冷却以及有效控制，成为相关学者分析的重要课题。
参考文献：
[1]张振山.方坯连铸机二次冷却控制[J].冶金工业自动化，2015.
[2]赵景环.连铸温度场数值模拟及冷却水优化[J].钢铁研究学报，2016.
[3]郑忠.连铸坯凝固传热过程的数学模型分析[J].重庆大学学报:自然科学版，2016.
论文作者:李登霞
论文发表刊物:《科技新时代》2018年4期
论文发表时间:2018/7/2
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