CN102189237B - 连铸坯动态轻压下系统集成技术 - Google Patents

Abstract

一种连铸坯动态轻压下系统集成技术，属于冶金技术领域，包括动态轻压下与动态二冷配水软件模型、电气自动化控制、液压及机械设备等，对于减少或消除铸坯中心疏松与偏析等内部缺陷、提高产品质量效果明显。动态轻压下与动态二冷配水二级控制模型能够适应不同工况实时准确地对铸坯温度场进行热跟踪、计算轻压下范围与压下量分布、动态设定辊缝值与二冷水量；一级自动化系统完成现场数据采集、过程回路控制、电气设备顺序控制、设备运转操作监视及报警等；液压系统用比例阀负责拉矫机的抬起和下降，根据位移传感器检测并反馈油缸的行程进行压下量控制；拉矫机采用牌坊式机架，配有驱动辊、从动辊与液压升降装置，实现了辊缝远程控制，控制精度达0.1mm。

Description

连铸坯动态轻压下系统集成技术

一、技术领域：

属于冶金技术领域，涉及连铸坯动态轻压下系统集成技术。

二、背景技术：

轻压下技术始于上世纪70年代末、80年代初。为了研究板坯的中心偏析和避免使用电磁搅拌所带来的中心白亮带问题，新日铁公司曾尝试在凝固末端的扇形段人为加大辊缝收缩量，这就是所谓的板坯静态轻压下。静态轻压下必须与拉速很好配合才能具有比较稳定的工艺效果，应用过程中有很大的局限性，但它为凝固过程通过辊缝控制来改善铸坯内部质量提供了发展思路。

1997年，奥钢联(VAI)率先开发了常规板坯远程动态收缩辊缝控制技术，也即动态轻压下技术，首次用于芬兰RAUTARUUKKI钢厂6号板坯铸机的改造，取得了较好的使用效果。VAI利用其研制的

扇形段液压辊缝控制技术，可实现铸流辊缝的远程调节。通过在板坯铸机弧形段、矫直段乃至水平段采用

扇形段，并配以动态热跟踪模型(

)准确跟踪铸坯的热状态和凝固进程，再利用所开发的

模型，实现对铸坯凝固终点的实时轻压下。由于

扇形段为长程布置，实际生产中即使板坯凝固终点可能因工艺而发生变动，也总能依据模型在其当时的实际凝固终点合适位置实施轻压下，从而实现比较稳定地控制中心疏松和减轻中心偏析的目的。

1998年，德国MDH公司为Dillinger钢厂设计的400mm厚板铸机投产，其中使用了四个远程液压辊缝可调扇形段，并具有动态轻压下功能。该动态轻压下厚板铸机在生产高牌号抗硫化氢开裂管线钢方面所获得的高质量受到世界关注。其后，板坯动态轻压下技术逐渐受到关注和重视，如SMS Demag注册的专利技术

扇形段和SGC等技术均可以用于板坯连的动态轻压下。

目前看来，连铸坯动态轻压下技术已逐渐获得工业性应用的肯定。大方坯动态轻压下铸机在我国攀钢重轨钢的生产中得到比较成功的应用，中国发明专利(申请号200710048924.9)公开了该动态轻压下工艺的特征，即连铸拉速0.60-0.80m/min，钢液过热度15-40℃，连铸比水量0.25-0.30L/min，铸坯表面温度900-1020℃，轻压下区域铸坯凝固率fs＝30-100％，总压下量1.6-7.0mm。

应用实践表明，连铸动态轻压下工艺不仅可以提升铸坯的内部质量，因其快速辊缝调节能力，也能显著地提高铸机的生产效率和设备利用率。

对于板坯和方坯，产生中心偏析和疏松有不同的原因。如果在凝固末端施加均匀外力，形成一定的压下量，消除密闭区域或鼓肚，让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在其原来的位置，而不流到最后凝固的中心部位，就可以大大减轻甚至消除中心偏析和疏松。

连铸凝固末端轻压下对铸坯组织结构可以产生如下的影响：1、使上部钢液能补充到下部钢液因收缩而产生的缩孔和气体溢出产生的气孔中。减轻中心偏析，使夹杂物均匀分布。2、可以起平衡坯壳受到的上述力的作用，从而减轻铸坯产生内裂和表面裂纹的趋势。3、会产生大的变形量，使坯壳产生回复结晶，使铸坯晶粒细化；4、使轧制出的成品材其综合机械性能有所提高。

轻压下技术是钢铁工业连铸生产的一项关键技术，是提高产品质量和开发高附加值产品的重要手段。动态轻压下技术用于碳含量高的重轨钢大方坯连铸生产，具有可以大大减轻甚至消除中心偏析和疏松的特点。

三、发明内容：

本发明的目的是为了更好地实施连铸坯动态轻压下工艺技术，以满足高速重载铁路运输对钢轨的技术要求，有效降低铸坯的中心偏析，改善铸坯中心疏松及缩孔等缺陷。所述的连铸动态轻压下技术是在连铸凝固末端过程中对铸坯实施冷却和轻微压下的耦合控制以提升铸坯内质的新技术，从而也被称为新一代连铸技术，其关键工艺参数包括轻压下的总压下量、压下位置(区域)以及指定区域的压下率和压下速率等，这些参数对轻压下的效果有重要影响，因而确定这些参数是应用轻压下技术的基础。

所述的压下位置是轻压下技术的重要参数之一，其应考虑凝固坯壳内钢水的凝固状态和流动补缩能力。因此轻压下位置和范围必须处于铸坯凝固终点的两相区内才能获得改善铸坯中心致密度和均质性的效果，进一步明确合理的轻压下固相率范围是确定轻压下位置的关键所在。研究证明，在0.55～0.75的区域进行轻压下能取得很好的效果。一般把轻压下区长度设为4～6m。

所述的总压下量是指轻压下工艺中辊缝收缩总量。总压下量的大小必须综合满足三方面的要求：(1)减少中心偏析和中心疏松；(2)避免铸坯产生内裂；(3)轻压下产生的作用力不能影响铸机扇形段机架结构和夹辊的稳定性和寿命。当前板坯和方坯轻压下使用的总压下量一般为4-14mm。

所述的压下率的定义是浇注方向单位长度的压下量。在对铸坯进行轻压下时，产生裂纹的主要原因是由于固-液界面处存在一个温度脆化区，固-液界面处糊状区晶体的强度和塑性非常小。当压下率过大时，铸坯受到挤压而变形，变形量超过临界值时，铸坯就在固-液界面产生裂纹。通过测定，凝固坯壳内部产生裂纹的临界应变值为0.2％～0.4％。

所述的压下速率是指单位时间的压下量。首先，最大压下速率是钢种本身所要求的，最大压下速率与钢坯所能承受的最大形变速率有关，最大压下速率引起的形变不能超过钢坯的某一临界值，否则会产生裂纹；其次与冷却条件、断面及铸机设备本身条件有关。在实际的轻压下过程中，铸坯的变形是非连续的，所述的压下速率的控制只能通过对总压下量的分解来实现，即在每对夹辊上均采用一个不会导致铸坯裂纹的压下量，铸坯经多对夹辊分步压下之后，总的压下量就可以达到应用要求。

本发明除了对连铸机采取常规的全封闭浇铸、扇形段密排辊、电磁搅拌、二冷气雾冷却等技术外，特别研究开发了所述的连铸坯凝固末端动态轻压下系统集成技术，该系统集成技术包括电气自动化控制系统、液压系统、机械设备系统、动态轻压下软件模型等。本发明的技术方案如下：

1、电气自动化控制系统：

主要包括大包回转台、中间罐车行走、横向移钢机等所配的Master Driver VC变频器、选配通讯卡，以某种通讯的方式与PLC联接，变频器以无速度传感器的控制模式工作。

连铸机每流的结晶器振动台、拉矫机和辊道的传动系统用变频器、PLC通讯卡与PLC通讯，切割小车用变频器、选配通讯卡与PLC联接。

所述的连铸机自动化控制系统的基础级由14台PLC、4台上位机组成，其中PLCO-PLC6为公共区。主控制室设四台计算机，其中两台为一级自动化控制系统，一台为二级自动化控制系统，其任务主要是为基础自动化控制系统提供优化配水和动态轻压下控制；另外一台为三级自动化系统，主要控制工厂的生产计划。

所述的公共区PLC由四个网络组成，控制的设备主要有：大包回转台、中间罐车、液压站、横移机、铸坯分离器、推钢机。

连铸系统共有六流，每流的PLC网络结构均相同，其控制的设备主要有：结晶器振动台、拉矫机、引锭杆存放装置、辊道和二冷水。其中，结晶器振动台、拉矫机和辊道主要由变频器控制。

火焰切割机每流一套，主要对铸坯进行定长切割，每流的PLC网络结构均相同，其控制的设备主要有：机器小车、切割枪、加热氧和煤气。

所述的自动化控制系统的人机接口界面特点：上位机系统总体上反映整个连铸系统的运行过程，通过上位机，操作人员可以清楚地了解整个连铸系统的运行情况，并且可以在界面上进行操作，如启停设备，设定、显示相关参数，记录连铸系统一些重要参数的趋势等。所述的上位机系统分为公共区、铸流区、液压系统、运行准备、报警系统和系统总体参数。

通过所述的上位机系统可以对铸机主要设备进行操作控制：其中对大包回转台和中包车，可以选择“手动”或“自动”档，根据实际需要的行进速度和方向，再选择具体档位。对拉矫机，可以设定五大工作方式：即手动、送引锭准备、送引锭、浇铸准备、浇铸。每一种工作方式都有其必备的条件，当条件满足时，才允许操作。

通过所述的上位机系统还可以对二冷自动配水进行操作控制：手动时，切断阀可单独操作，也可在现场通过操作箱操作。正常生产时，调节阀均选择“自动”模式，在“浇铸状态”下，调节阀将根据当时设定的流量动作，所有切断阀打开后，调节阀根据水量变化自动调节，保持设定流量。“浇铸结束状态”下，根据高速计数判断，当钢坯尾部离开拉矫机后，调节阀自动关闭，或者“浇铸状态”消失，调节阀也自动关闭。

正常生产时若不选择“优化”，则为基础级计算模式，每段设定的水流量是根据实际拉速和比水量的变化实时运算得出，运算公式如下：

某流总供水量：Q＝AN×BN×V_c×ρ×δ×60÷1000m³/h(t/h)

式中：Q——某流总供水量，t/h；δ——比水量，l/kg，根据钢种选择；V_c——拉速，m/min；AN，BN——铸坯断面尺寸，m；ρ——铸坯密度，kg/m³，ρ＝7600kg/m³。

表1不同钢种所需比水量，L/kg(LWater/kgSteel

当计算所得该流水量小于该流最小水量时按最小水量控制。

该流各冷却回路水量：Q(1～9)＝k(1～9)×Q

式中：Q(1～9)——1～9回路水量，t/h；k(1～9)——1～9回路水量分配比例值，％；Q——某流总供水量，t/h。

根据生产实际需要，PLC及上位机水量运算单位均使用m³/h。

二级优化配水：二级配水必须是在“自动”的情况下才能使用，当“自动”按钮显示绿色的时候，点击绿色按钮右边的优化复选框，此时二级发送来的优化数据下装给PLC，PLC按照优化的水量送给PID控制器设定处，此时一级自动化系统按照拉速和比水量调节的模式失效，当二级自动化系统失效的时候，系统自动跳转到基础级计算自动模式。

2、液压系统：

所述的拉矫机除了装送引锭杆、拉坯并对铸坯进行带液芯矫直外，主要作用是对所述的轻压下技术的使用。连铸机每流设有五个拉矫机机架，每个机架都设有液压装置。每个机架的油缸上装有位移传感器，用来反馈油缸上升和下降的行程。所述的拉矫机液压系统由三个换向阀、一个比例阀、三个减压阀组成。所述的减压阀调定好的压力通过换向阀到达油缸上腔，所述的换向阀负责转换压力，而比例阀负责换向使油缸产生上升和下降的动作。

换向阀用来实现不同条件下的压力转换，其中两个普通的二位四通换向阀做为不同状况下的压力控制机构，通过压力的转换实现拉矫机的各种状态。所述的比例阀的主要作用是实现轻压下，通过电压和电流的变化来控制比例阀的开口度，进而控制通过比例阀的油流量，以达到控制拉矫机升降的速度。由比例阀和位移传感器控制油缸行程，可以精确控制铸坯的压下量。所述的减压阀为定压减压阀，是通过手动调节来确定阀后的压力，各个定压减压阀分别控制冷压压力、热坯压力和轻压下压力。冷压压力的作用是防止引锭杆下滑；热坯压力是生产时热坯子上的压力，适当的热坯压力既可保证热坯不产生变形和内部裂纹，又可保证热坯子不产生下滑。当系统压力调定后，不会随着其他条件的变化而改变。定压减压阀操作简单，故障率极低，对连续生产有很多好处。

3、机械设备系统：

所述的大方坯铸机是具有高拉速、高生产率及生产高质量铸坯的全弧形连续矫直6机6流高效连铸机，主要在线附属设备包括钢包回转台、中包车、振动台、水冷区域、拉矫机、切割机、辊道、横移机、冷床等。

扇形段、二冷区位于振动台与拉矫机之间，对铸坯起支撑、导向、冷却的作用。

每流有5台拉矫机，在凝固末端采用轻压下技术和连续矫直技术，以提高铸坯质量。

4、动态二冷配水与动态轻压下控制系统及软件模型：

大方坯铸机动态二冷配水和动态轻压下技术是一项集液压、计算机、自动控制与自动检测于一体的连铸新技术，其核心就是利用动态控制模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，利用目标表面温度法对二冷区水量进行动态设定，以优化铸坯凝固过程的温度场，同时准确地预测铸坯凝固末端位置，根据铸坯中心固相率分布确定出合理的动态轻压下区间并结合不同钢种的凝固特性和铸坯规格，对各拉矫机的辊缝进行合理的动态设定，从而实现动态轻压下控制。控制系统为两级控制，结构简图如图1所示。L1级为基础自动化控制级，它直接参与生产过程的检测和控制，完成设备的顺序控制和连续控制，实现动态二冷配水和动态轻压下控制，现场的配水和轻压下的执行机构和传感器的信号被采集到相关的I/O站，通过开放的PROFIBUS-DP网送至PLC控制系统。L2级为过程优化控制级，动态控制模型安装在二级服务器上，通过控制模型对二冷区水量和压下辊辊缝进行动态优化控制，通过OPC协议与L1级实时地交互拉速、钢水过热度、二冷水量、压下辊辊缝值等过程控制数据，对二冷区水量和压下辊辊缝进行动态设定。

动态二冷配水—动态轻压下控制模型采用面向对象的程序设计语言编制而成，窗口式设计，用户界面友好。其控制模型主要由动态热跟踪模型、动态配水模型、动态轻压下模型、工艺参数数据库和OPC通讯模块等五部分组成，如图6所示。

动态热跟踪模型是整个控制模型的基础，接受生产过程数据并计算出动态配水和动态轻压下所需的铸坯温度场热信息。动态配水模型和动态轻压下模型是控制模型的核心，利用铸坯温度场热信息并根据不同钢种的生产工艺合理优化二冷区水量和辊缝值。控制模型通过OPC通讯模块与一级基础自动化控制系统进行数据交互。

为了对铸坯从结晶器钢水弯月面到模型控制区终点进行全程的温度场实时跟踪，模型将铸坯沿拉坯方向被等分离散化成若干个切片，每个切片都是一个独立的信息单元，这些信息包括切片的“寿命”、中心温度、表面温度、位置等。动态跟踪所有切片的温度场，就可以实时描述出整个铸流的温度场。

对于每个切片，以铸坯宽度方向为x轴，厚度方向为y轴，铸坯运动方向为z轴，建立切片坐标系。考虑到铸坯几何与冷却条件的对称性，取1/2厚度断面为研究对象。对于每个切片忽略沿拉坯方向上的传热，在限定的条件下，就可得到该切片的凝固传热微分方程如下：

$\mathrm{\ρC}\frac{\∂T(x,y,t)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(K\frac{\∂T(x,y,t)}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(K\frac{\∂T(x,y,t)}{\∂y}\right)---\left(1\right)$

式中，K为导热系数，W/(m·K)；C为热容，J/(kg·℃)；T为温度，℃；ρ为密度，kg/m³；t为时间，s。

方程的初始条件为：t＝0时，结晶器中钢水温度等于浇注温度，即：

T(x，y，0)＝T_C    (2)

方程的边界条件为：

1)铸坯中心。铸坯的传热是关于中心轴对称的，其中心对称轴的传热边界可视为绝热边界，即：

$K\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=D_{1/2},t\≥0}=0;K\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{y=D_{2/2},t\≥0}=0---\left(3\right)$

式中，D1、D2为铸坯边长，m。

2)铸坯表面：

$-K\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0,t\≥0}=q_s;-K\frac{\∂T}{\∂y}{|}_{y=0,t\≥0}=q_s---\left(4\right)$

式中，qs为表面热流，其表达式为：

结晶器： $q_s=A-B\sqrt{t}---\left(5\right)$

二冷区：q_s＝h(T_b-T_W)(6)

空冷区：q_s＝εσ[(T_b+273)⁴-(T₀+273)⁴](7)

式中，A、B为实验常数；T_b为铸坯表面温度，℃；T_W为冷却水温度，℃；T₀为环境温度，℃；ε为铸坯表面黑度；σ为玻耳兹曼常数，W/(m²·K4)；h为铸坯与冷却水之间传热系数，W/(m2·℃)。

式(1)和初始条件式(2)、边界条件式(3)～(7)就构成了切片的非稳态凝固传热的数学模型，模型采用有限差分法进行求解。

在实际生产过程中，由于实际拉速、中包钢水过热度、各冷却区的实际水量等因素的变化，切片在不同时刻就具有不同的信息。通过动态跟踪每个切片在不同时刻下的“寿命”、位置等信息，确定出每个切片在不同时刻下的凝固传热微分方程的边界条件，对每个切片的凝固传热微分方程进行周期性的求解，就可以动态地描述出每个切片在不同时刻、不同位置下的温度场。将所有切片串起来，就可以动态地描述出整个铸流的温度场分布。

在铸坯温度场动态热跟踪模型实时地提供铸坯温度场信息的基础上，动态二冷配水控制模型能够根据实际浇注条件，依据目标表面温度控制原理动态地设定各二冷区水量，对铸坯表面温度进行在线控制，实现对铸坯温度场的优化。

所述的动态二冷配水控制模型包括动态二冷配水参数数据库模块、动态二冷配水在线计算模块、水量设定值修正模块、模型数据输入模块和模型数据输出模块等五个模块。参数数据库模块负责为在线计算模块提供二冷区初始水量、最大/小水量、各钢种目标控制温度等动态配水工艺参数。在线计算模块是控制模型的核心，它实时地接收温度场动态热跟踪模型提供的切片信息，计算各冷却区铸坯的平均拉速并结合参数数据库确定出各区的初始水量，再根据初始水量计算铸坯的实时温度场并与目标控制温度比对后对其进行调整，最终确定出符合控制精度的各二冷区的设定水量。水量设定值修正模块依据铸机在不同浇铸状态下的最大/小水量修正后经模型数据输入模块和模型数据输出模块下发给一级控制系统。

所述的动态轻压下控制模型由动态轻压下参数数据库、动态轻压下辊缝在线计算模块组成。动态轻压下参数数据库主要为辊缝在线计算模块提供不同钢种的总压下量、压下区间、压下速率、自然收缩辊缝值等工艺参数。在线计算模块实时地接收温度场动态热跟踪模型提供的铸坯凝固温度场信息，确定铸坯凝固两相区位置，结合参数数据库提供的各钢种的压下区间计算压下位置，确定出压下起始辊和压下结束辊的位置，然后将总压下量在参与轻压下的各辊内进行合理分配，给出各棍的初始压下量。初始压下量由压下量修正模块依据压下速率等进行前后优化调整，然后结合自然收缩辊缝值最终完成对各辊的辊缝值设定并下发给一级控制系统。

研究连铸坯凝固进程、确定铸坯液相穴凝固末端位置的试验方法有刺穿坯壳法、同位素法等。实际生产中常采用射钉法来检测凝固坯壳厚度。通过结合局部精确测量凝固坯壳厚度的射钉法，可以测定不同钢种、不同拉速下的大方坯凝固坯壳厚度。利用该数据对相关配水数学模型进行合理的修正，使该配水数学模型对连铸铸坯的凝固行为能准确的模拟，进而为轻压下工艺的实施提供精确的凝固信息。

为保证铸坯质量和产量，二次冷却制度的确定应当使铸坯获得合理的温度分布。因此目标温度的制定应当遵循以下连铸冶金准则：1)最大液芯长度准则。2)表面温度最大冷却速率和回热速率准则。3)矫直点最小(或最大)表面温度准则。

钢中某一元素的偏析指数(简称CSI)以式(1)的形式定义：

$\mathrm{CSI}=\frac{C_i}{\stackrel{\‾}{C_i}}---\left(1\right)$

式中：CSI--特定元素的偏析比，当CSI＞I代表正偏析，CSI值越大代表化学成份偏析越严重；当CSI＜1则代表负偏析，CSI值越小代表化学成份偏析越严重；CSI＝1时说明没有偏析，是比较理想的；

C_i--特定元素的当地含量，％；

C_i--特定元素在截面上的平均含量， $\stackrel{\‾}{C_i}=\left(\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{im}}\right)/n,$ n为取样点个数；

i--代表C、Si、Mn、P、S五种元素。

通过在铸坯的纵断面上钻取钢屑样，用化学检测法检测出纵剖样品的C含量，绘制出沿拉坯方向上的中心C偏析分布图，如图8、9、10所示，从图看出，未采用动态轻压下的铸坯的中心C偏析指数波动较大(0.93～1.14)，C偏析较严重，而采用轻压下后的铸坯的C成分的最大值变小，波动范围变窄(0.92～1.08)，C偏析明显减轻。

采用动态二冷配水和动态轻压下工艺后，断面看不到明显的疏松，钢轨的晶粒更加细小，基本消除了原先集中于轨腰的中心偏析，轻压下连铸坯经轧钢工序轧成重轨，经力学性能测试表明，采用轻压下工艺生产的重轨力学性能优异，强韧性好，达到了时速300km高速轨的技术要求。

四、附图说明：

图1为自动化系统网络结构图；

图2为公共区PLC 0网络结构图

图3为铸流PLC网络结构图；

图4为总体系统结构示意图；

图5为动态二冷配水-动态轻压下控制系统结构简图；

图6为动态二冷配水-动态轻压下控制模型示意图

图7为拉矫机液压原理图；图中1-油缸、2-位移传感器、3-压力传感器、4-比例阀、5-换向阀、6-换向阀、7-比例阀、8、9、10-减压阀、PQ-轻压下压力、PD-冷压压力、PH-热坯压力、T-回油。

图8为铸坯宽度方向的C偏析指数对比图；

图9为铸坯厚度方向的C偏析指数对比图；

图10为铸坯纵剖面的C偏析指数对比图；

五、具体实施方式：

结合实施例加以详细说明。

为了保证高速铁路的运行安全，满足高速重载铁路运输对钢轨的技术要求，解决大方坯中心偏析与中心疏松等缺陷，包钢于2006年底投产了6机6流具有动态轻压下功能的新一代大方坯铸机。为了实现上述要求，除了对连铸机采用常规的全封闭浇注、扇形段密排辊、电磁搅拌、二冷气雾冷却等技术手段，还采用连铸坯凝固末端轻压下新技术，进而研究开发了连铸坯动态轻压下系统集成技术，涉及设备电气自动化、液压、机械、动态轻压下软件模型等领域。

1、电气自动化控制系统：

主要包括大包回转台、中间罐车行走、横向移钢机等所配的Master Driver VC变频器与选配通讯卡，以ProfiBUS-DP通讯的方式与S7-400PLC联接，变频器以无速度传感器的控制模式工作。

每流的结晶器振动台、拉矫机和1-4组辊道的传动系统选用Master Driver VC闭环矢量型变频器，并配有用于光电码盘信号输入的接口卡，选配SIMATIC S7-400PLC通讯卡与PLC联系。另外，切割小车返回采用MMC 440型变频器、选配通讯卡，以ProfiBUS-DP通讯的方式与S7-400PLC联接。

连铸机自动化系统基础级由14台PLC、4台上位机组成，其中PLC 0-PLC 6为公共区，与六个流的PLC均为S7-400型CPU；切割机的PLC为S7-300型。每流的S7-400PLC及其切割机的S7-300PLC之间用SIEMENS公司的OSM光纤以太网工业交换机进行连接，整个自动化系统网络结构如图1所示。

主控制室设四台计算机，其中两台为一级的自动化控制系统，其软件主要为西门子公司的WinCC6.0SP3Windows contral central和SQL server 2000SP3A；另外一台为二级自动化系统，其主要任务是为基础自动化系统提供优化配水和轻压下控制；剩余一台为三级自动化系统，主要控制工厂的生产计划。PLC室是基础自动化系统的核心，所有的PLC及控制切割机的变频器集中在此。

公共区PLC控制的设备主要有：大包回转台、中间罐车、液压站、横移机、铸坯分离器、推钢机，由四个PROFIBUS-DP网络组成，网络结构如图2所示。从CPU的DP口接出的是变频器网络，由IM-467接出的是远程I/O网络。网络结构如图2所示。

连铸系统有六流，每流的PLC网络结构均相同，其控制的设备主要有：结晶器振动台、拉矫机、引锭杆存放装置、1-4组辊道和二冷水。其中，结晶器振动台、拉矫机和1-4组辊道主要由变频器控制，其网络结构如图3所示。

火焰切割机每流一套，主要控制铸坯的定长切割，每套的PLC网络结构均相同，其控制的设备主要有：机器小车、切割枪、加热氧和煤气。

连铸机基础自动化控制系统的人机接口HMI界面-WINCC：上位机系统总体上反映整个连铸系统的运行过程，通过上位机，操作人员可以清楚地了解整个连铸系统的运行情况，并且可以在界面上进行操作，启停设备、设定、显示相关参数、记录连铸系统一些重要参数的趋势。

上位机系统总体可以分为公共区、铸流区、液压系统、运行准备、报警系统和系统总体参数，网络结构如图4所示。

通过上位机系统对铸机主要设备进行操作控制，具体形式为：

对大包回转台：可以选择“手动”或“自动”档，根据实际需要的速度和方向，再选择具体档位。当选择开关打到“手动”，再选择“左快”、“左慢”、“右快”、“右慢”，大包台即以相应方向和速度旋转，打到中间位置时，即停止。运行条件：1#和2#包臂必须在上位！当选择开关打到“自动”，再按下“自动旋转”按钮，大包回转台即自动旋转180度。这里有两个先决条件：a、必须有一个钢包臂在浇注位置；b、钢包臂必须在上位。当需要紧急旋转时，钢包臂位于浇注位置，按下“紧急启动”按钮，大包台不须任何条件就可以旋转180度到受包位。

对中包车：可以选择“手动”或“自动”档，根据实际需要的行进速度和方向，再选择具体档位。把选择开关打到“手动”档，选择“快进”或“慢进”，中包车以快速或慢速向浇注位置方向前进，到位停止。选择“快退”或“慢退”，中包车便以快速或慢速向存放位置方向前进；快速行走时如果遇到减速限位，中包车将自动减为低速行走，到停止限位后自动停止。当选择开关打到“自动”档，按下“行走到浇注位”，中包车就向浇注位置自动行走，到位自动减速或停止。按下“行走到烘烤位”按钮，中包车就向烘烤位置自动行走，到位自动减速或停止。当中间包处于浇注状态下而出现紧急情况时，拍下“事故启停”按钮后，中包车便无条件行走到事故位。

对拉矫机：可以设定五大工作方式，即手动、送引锭准备、送引锭、浇铸准备、浇铸。每一种工作方式都有其必备的条件，当条件满足时，才允许操作。当画面中的“条件”框上黄灯闪烁，表示条件不满足。具体条件是否满足可通过点击画面中的“送引锭条件”和“浇铸条件”按钮获得。特别指出，除了手动方式外，五大工作方式必须按顺序操作，具体操作程序及设备动作情况如下：从“手动”方式转为“浇铸准备方式”，如果“条件”框闪烁，点击画面下方的“送引锭条件”按钮，观察条件满足情况，并对相应设备进行调整，直到“条件”框常亮。选择“送引锭”方式，“状态”框亮，表示方式切换成功。此时机架在上升位、拉矫辊都在抬起位。按“送引锭开始”按钮，引锭杆架自动放下，限位动作后，1～3组辊道同时反向启动，送引锭开始。当到达拉矫辊下，辊道自动停止，3～5#拉矫辊冷压压下。引锭杆及拉矫机10秒后同时启动，编码器开始计数，引锭头分别到达1、2拉矫机时，拉矫辊将分别冷压压下，至结晶器下口1000mm处均自动停止。当按下“送引锭结束”按钮后，才允许画面转为“浇铸准备”，选择完毕后，如果“条件”框闪烁，点击画面下方“浇铸条件”按钮，当所设条件满足，转为“浇铸”方式，按“拉矫机启动”，则结晶器振动台先启动，30秒后拉矫机启动；引锭杆自动跟随拉矫机启动，退引锭和开浇同时开始。当到达脱锭位，将引锭杆和红坯分开，在此之前拉矫辊转换红坯压下，由编码器计数，引锭杆到达拉矫机的位置，来转为红坯压力，最后引锭杆离开拉矫机，自动完成脱锭过程。脱锭后，引锭杆自动收回并到达存放位，同时挡板升起，拉矫机自动停止后，引锭杆机架自动抬起，10秒后挡板下降。

通过上位机系统对二冷自动配水进行操作控制，具体形式为：

手动时，切断阀可在上位机单独操作，也可在现场操作箱操作，当“二冷水阀打开”时，9段二冷水切断阀及该流压缩空气切断阀同时打开；操作“二冷水阀关闭”按钮，10个切断阀同时关闭。若有关闭信号输出，9个冷却水切断阀全部关闭到位，则“二冷水阀关闭”指示灯常亮，否则闪烁；若无关闭信号输出，9个冷却水切断阀全部打开，则“二冷水阀打开”指示灯常亮，否则闪烁。正常生产时，转为“浇铸状态”，所有选择“自动”的调节阀将根据当时设定的流量动作，在正常情况下，由于此时切断阀并未打开，所以，全部调节阀因反馈流量为0而逐渐开到最大，直到在“浇铸状态”下，启动拉矫机，所有切断阀在同时打开后，调节阀会根据水量变化而自动调节，并保持设定流量。“浇铸结束状态”下，根据高速计数数据判断，认为钢尾出了拉矫机，这才自动关闭9个水调节阀，延时10s后，再自动关闭10个切断阀；或者当“浇铸状态”显示消失，调节阀也会自动关闭。当由“准备送引锭状态”转为“送引锭状态”后，为防止人为将切断阀打开，在“送引锭状态”下，操作“送引锭开始”按钮，10个切断阀全部关闭。

正常生产时调节阀均选择“自动”模式，两种自动方式，设定水量来源不同。若不选择“优化”，则为基础级计算模式，每段设定水流量是根据实际拉速和比水量实时运算得出。

当计算所得该流水量小于该流最小水量时按最小水量控制。

根据生产实际需要，PLC及上位机水量运算单位均使用m³/h。

表21～9回路水量分配系数

二级配水必须是在“自动”的情况下才能使用，当“自动”按钮显示绿色的时候，点击绿色按钮右边的优化复选框，此时二级发送来的优化数据下装给PLC，PLC按照优化的水量送给PID控制器设定处，同时一级自动化按照拉速和比水量调节的模式失效，当二级自动化系统失效的时候(通讯中断10s，报通讯故障＝1)，系统自动跳转到基础级计算自动模式。

2、动态二冷配水与动态轻压下控制系统的特点：

大方坯铸机动态二冷配水和动态轻压下技术是一项集液压、计算机、自动控制与自动检测于一体的连铸新技术，其核心就是利用动态控制模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，利用目标表面温度法对二冷区水量进行动态设定，同时根据铸坯中心固相率分布确定出合理的动态轻压下区间并结合不同钢种的凝固特性动态设定辊缝值。大方坯连铸机的动态二冷配水-动态轻压下控制系统结构简图如图5所示。

大方坯铸机动态二冷配水-动态轻压下控制系统为两级控制系统。L1级为基础自动化控制级，选用七台SIEMENS公司的S7-400系列PLC实现动态二冷配水和动态轻压下控制，并配备了三台DELL公司产PC作为HMI服务器和客户端，它直接参与生产过程的检测和控制，完成设备的顺序控制和连续控制，HMI采用SIMATICWincc6.0作为组态监控软件，通过工业以太网与PLC通讯。现场的配水和轻压下的执行机构和传感器的信号被采集到相关的I/O站，通过开放的PROFIBUS-DP网送至PLC控制系统。L2级为过程优化控制级，配备了一台HP ProLiant DL560Xeon3.2双CPU服务器，动态控制模型安装在二级服务器上，通过OPC协议与L1级实时地交互拉速、钢水过热度、二冷水量、压下辊辊缝值等过程控制数据，对二冷区水量和压下辊辊缝进行动态设定。

通过二级控制模型对二冷区水量和压下辊辊缝进行动态优化控制。

大方坯铸机动态二冷配水-动态轻压下控制模型采用面向对象的程序设计语言(VC++6.0)编制而成，窗口式设计，用户界面友好。

3、液压系统：

拉矫机的作用是装送引锭杆、拉坯并对铸坯进行带液芯矫直，在凝固末端采用轻压下技术，以提高铸坯质量。每流设有五个机架，每个机架都设有液压装置，每个油缸上还装有位移传感器，用来反馈油缸上升和下降的行程。

拉矫机液压原理如图7所示。液压系统由三个换向阀组成，用来实现不同条件下的压力转换。其中两个普通的二位四通换向阀5和换向阀6做为不同状况下的压力控制机构。通过其转换实现拉矫机的各种状态。一个比例阀4负责拉矫机的抬起和下降。在大方坯铸机上，拉矫机使用比例阀4的主要作用是用来实现轻压下。这是一种比较先进的控制理念，由比例阀4控制油缸1行程，加上油缸1顶部的位移传感器2，在使用轻压下时可以精确控制铸坯的压下量。比例阀4通过电压和电流的变化来控制阀的开口度，进而控制通过阀的油流量，以达到控制拉矫机升降的速度。在压下过程中，速度平稳，不会有速度过快时产生的震动。而位移传感器2又可以通过放大板的反馈来控制油缸1的行程。而且通过程序中模型的计算，根据铸坯的品种、拉速、过热度等不同条件，对铸坯实施不同的压下量，以达到更好的压下效果。

三个减压阀8、9、10通过手动调节确定阀后压力，每个减压阀控制一种压力，分别为冷压压力PD、热坯压力PH、轻压下压力PQ。为防止引锭杆下滑，调整后的冷压压力范围在12-13MPa，其主要用于拉矫机的抬起和压下，压力油作用在油缸1上腔，通过缸杆、传动辊把压力作用在引锭杆上，冷压越大，作用在引锭杆上的力也越大。足够大的压力可以确保拉矫机在送引锭和拉引锭时不会产生下滑现象。减压阀8、9、10调定好的压力通过换向阀6和4到达油缸1上腔，换向阀4和6负责转换压力，而比例阀7负责换向使油缸1产生上升和下降的动作。

热坯压力PH根据生产需要确定在4-5MPa，是生产时热坯子上的压力。适当的热坯压力既可以保证热坯不产生变形和内部裂纹，又可以保证热坯子不产生下滑。热坯压力PH是通过另外一个换向阀5转换，并通过比例阀7换向作用到油缸1上腔。热坯压力PH只在生产时使用，压力值通过减压阀8手动调节完成。

由于大方坯铸机担负的主要任务是重轨的生产，拉矫机液压系统对重轨内部质量的改善能起到很重要的作用。为了便于系统控制，确定使用定压减压阀，其优点是：当系统压力调定后，不会随着其他条件的改变而变化，而是随铸坯外部条件的变化进行人为调整，操作简单。在使用轻压下时换向阀5和换向阀6失电，换向阀4处于中位关闭状态，各减压阀8、9、10调定好的轻压下压力经过两个换向阀5和6到达比例阀7，再经过比例阀7换向到达油缸1上腔。到达油缸1上腔的压力可以通过阀台出口即油缸1上腔的压力检测设备-压力传感器3反映出来。轻压下压力可以根据所需的压下量进行调整以适应不同的压下条件。

在使用轻压下的生产过程中，比例阀7和油缸1顶部的位移传感器2发挥着重要作用。当程序计算出来每架拉矫机是否压下及压下量是多少，比例阀7就会根据指令动作，比例阀7的油流量由电气系统控制，以确定油缸1的动作速度。而油缸1的行程则由位移传感器2通过反馈来控制，根据每架拉矫机是否压下及压下量的多少而自动完成。不仅动作可靠而且有很高的精度，通过多次实验，比例阀7和位移传感器2相互结合可以很好的完成轻压下的生产任务，取得了很好的效果。

由于新铸机只有一个断面，用定压减压阀调定好的压力基本上不会改变，而且使用定压减压阀操作简单，故障率极低，从连续生产的角度来说比旧连铸机有很多好处。

4、机械设备系统：

大方坯铸机是一台具有高拉速、高生产率及生产高质量铸坯的全弧形连续矫直6机6流高效连铸机。铸坯断面为280×380mm，铸机弧形半径12米，流间距1.65米，结晶器长850mm，电磁搅拌参数：580A/1.8Hz，设计拉速0.5～0.70m/min，铸机设备总重3696吨。主要在线设备包括钢包回转台、中包车、振动台、水冷区域、拉矫机、切割机、辊道、横移机、冷床等。

每流有5台拉矫机，采用连续矫直技术。拉矫机采用钳式机架，每个机架配有一个驱动辊、一个从动辊、一个液压升降装置，由交流电机传动，全数字矢量/力矩型交流变频装置供电，并装有编码器用于速度反馈、引锭杆和铸坯跟踪、定尺切割等。驱动辊由液压缸带动可以沿滑道上下升降。

设计中采用了大包回转台、钢水测温系统、铸坯表面测温系统、钢包、中间包连续测重装置、结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌装置、高频率小振幅振动装置、二冷水汽雾冷却自动控制系统、便于整体吊装检修的高效二冷1段、2段密排辊、连续矫直技术、在二冷凝固末端对铸坯进行轻压下等先进、可靠、适用、经济的新技术，

其扇形段、二冷区的设备布置特点如下：

扇形段、二冷区位于振动台与拉矫机之间，对铸坯起支撑、导向、冷却的作用。共设有3个扇形段、5个气雾冷却区。扇形I段有14对上下辊、10对侧面辊。足辊段安装在扇形I段上，有2对上下辊和2对侧面辊。扇形II段有16对上下辊、3对侧面辊。扇形III段有1个顶辊、4个底辊。

整个二冷区共设有5个区：I区针对足辊段进行冷却；II区针对扇形I段上部进行冷却；III区针对扇形I段下部进行冷却；IV区针对扇形II段上部进行冷却；V区针对扇形II段下部进行冷却；扇形III段没有冷却。

表3铸机喷嘴选型

大方坯铸机的喷淋模式采用二冷水汽雾冷却自动控制，随拉速自动调节水量。这样可以保证铸坯温度在进入拉矫机之前保持基本稳定，也保证了液芯长度和位置的基本稳定。

本发明为了解决大方坯连铸机中心偏析与中心疏松等缺陷，除了对连铸机采取常规的全封闭浇铸、扇形段密排辊、电磁搅拌、二冷气雾冷却等技术外，还采用连铸坯凝固末端轻压下新技术，该系统集成技术已被证明能够有效降低铸坯的中心偏析与中心疏松等缺陷。

表4连铸机拉速

连铸机结晶器为管式弧形结晶器，长度为850mm，实际工作高度约750mm。二次冷却区共有32对支撑辊，总长度约9m，分别在足辊区、扇形一段II、III区、扇形二段IV、V区9回路，其中除足辊区回路为水雾冷却外，其它回路均为气雾冷却。5台拉矫机分别位于弯月面下16.492m、17.873m、19.536m、21.236m、22.937m处。其中机架为牌坊式，辊长和辊径分别为400和500mm，开口度为200～450mm之间，压下采用液压缸，电机功率15KW，可提供的拉坯力、矫直力和最大压下力分别为12t、55t、70t。开发基于静态二冷水表的二冷动态配水模型，该模型可在常规拉速范围内(0.6～0.70m/min)实现铸坯表面温度的波动小于±30℃，连铸机从设计配置上采用5架拉矫机进行轻压下，预留第6架，单个机架最大压下量≤2.0～2.5mm，压下区间为6.45m。

5、动态二冷配水与动态轻压下控制模型：

大方坯动态二冷配水与动态轻压下技术的核心就是利用动态控制模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，在此基础上，依据目标表面温度控制法，动态控制二冷区水量，以优化铸坯凝固过程的温度场，同时准确地预测铸坯凝固末端位置，确定出合理的动态轻压下区间，并依据不同钢种的凝固特性和铸坯规格，对各拉矫机的辊缝进行合理设定，从而实现动态轻压下控制，大方坯动态二冷配水与动态轻压下控制模型主要由动态热跟踪模型、动态配水模型、动态轻压下模型、工艺参数数据库和OPC通讯模块等五部分组成。模型自动采纳每炉钢水成分、过热度、拉速、结晶器水量、结晶器进出水温差及二冷水状况的基础上，准确计算出凝固终端(冶金长度)、压下区间、位置、决定参与压下的辊数及每辊的压下量的分配等；整个轻压下过程体现一个动态化的过程；其影响因素最重要的是拉速；当拉速小于0.5m/min时，不实施轻压下；动态热跟踪模型是整个控制模型的基础，接受生产过程数据并计算出动态配水和动态轻压下所需的铸坯温度场热信息，动态配水模型和动态轻压下模型是控制模型的核心，利用铸坯温度场热信息并根据不同钢种的生产工艺合理优化二冷区水量和辊缝值。控制模型通过OPC通讯模块与一级基础自动化控制系统进行数据交互。

为了对铸坯从结晶器钢水弯月面到模型控制区终点进行全程的温度场实时跟踪，模型将铸坯沿拉坯方向离散化成许多切片，动态跟踪所有切片的温度场，就可以实时描述出整个铸流的温度场。

将铸坯从结晶器弯月面到模型控制区末端被等分为若干个切片，每个切片都是一个独立的信息单元，这些信息包括切片的“寿命”、中心温度、表面温度、位置等。

对于每个切片，以铸坯宽度方向为x轴，厚度方向为y轴，铸坯运动方向为z轴，建立切片坐标系。考虑到铸坯几何与冷却条件的对称性，取1/2厚度断面为研究对象。对于每个切片忽略沿拉坯方向上的传热，在限定的条件下，就可得到该切片的凝固传热微分方程。

在实际生产过程中，由于实际拉速、中包钢水过热度、各冷却区的实际水量等因素的随机变化，因而切片在不同时刻就具有不同的信息。通过动态跟踪每个切片在不同时刻下的“寿命”、位置等信息，确定出每个切片在不同时刻下的凝固传热微分方程的边界条件，对每个切片的凝固传热微分方程进行周期性的求解，就可以动态地描述出每个切片在不同时刻、不同位置下的温度场。由于每个切片温度场的变化都可代表该切片所处位置上铸坯温度场的变化，若将所有切片串起来，就可以动态的描述出整个铸流的温度场分布。

在铸坯温度场动态热跟踪模型实时地提供铸坯温度场信息的基础上，动态二冷配水控制模型能够根据实际浇注条件，依据目标表面温度控制原理动态地设定各二冷区水量，对铸坯表面温度进行在线控制，实现对铸坯温度场的优化。

动态二冷配水控制模型包括动态二冷配水参数数据库模块、动态二冷配水在线计算模块、水量设定值修正模块、模型数据输入模块和模型数据输出模块等五个模块。

参数数据库模块负责为在线计算模块提供二冷区初始水量、最大/小水量、各钢种目标控制温度等动态配水工艺参数。在线计算模块是控制模型的核心，它实时地接收温度场动态热跟踪模型提供的切片信息(“寿命”、中心温度、表面温度、位置等)，计算各冷却区铸坯的平均拉速并结合参数数据库确定出各区的初始水量，计算模块根据初始水量计算铸坯的实时温度场并与目标控制温度比对并进行调整，最终确定出符合控制精度的各二冷区的设定水量。水量设定值修正模块依据铸机在不同浇铸状态下的最大/小水量修正后下发给一级控制系统。

动态轻压下控制模型由动态轻压下参数数据库、动态轻压下辊缝在线计算组成。连铸动态轻压下过程控制的关键技术是压力的控制，连铸机是通过位移传感器的变化来控制液压缸的行程来实现压下量的调节，控制精确度为0.01mm，具体见表5所示。

表5大方坯连铸机动态轻压下数据记录表

说明：1、1#拉矫机参与轻压下，不做测量辊用，一般1#～5#参与动态轻压下(第6架预留)；2、单机架压下量：0.5～2.0mm，压力范围：10～15Mpa。

动态轻压下参数数据库主要为辊缝在线计算模块提供不同钢种的总压下量、压下区间、压下速率、自然收缩辊缝值等工艺参数。在线计算模块实时地接收温度场动态热跟踪模型提供的铸坯凝固温度场信息，确定铸坯凝固两相区位置，结合参数数据库提供的各钢种的压下区间计算压下位置、确定出压下起始辊和压下结束辊，然后将总压下量在参与轻压下的各辊内进行合理分配，给出各棍的初始压下量。初始压下量由压下量修正模块依据压下速率等进行前后优化调整，然后结合自然收缩辊缝值最终完成对各辊的辊缝值设定并下发给一级控制系统。

表6连铸机没有轻压下的热坯压力

本表说明：连铸机辊缝的设定值不是反映辊缝的实际值；而是位移传感器的变化值。

连铸机热坯压力为5.4MPa；冷坯压力：12MPa(送引锭压力)，动态轻压下平均压力：12～14MPa。

为了了解连铸坯凝固进程，确定铸坯液相穴凝固末端位置，我们采用射钉法来检测凝固坯壳厚度。

试验方法：确定射钉位置→安装射钉枪→记录实验时工况条件→计算击发时间，击发射钉枪射钉→切取含钉试样→加工试样→酸洗→测量凝固壳厚度。

首先根据离线的大方坯二冷优化配水系统BloomCooling1.0预测铸坯的凝固进程，根据凝固进程和铸机特点确定射钉位置，分别在铸机的矫直点处(距结晶器弯月面15.9米)、第二架拉矫机与第三架拉矫机之间(距结晶器弯月面18.8米)、第五架拉矫机前(距结晶器弯月面22.2米)三个位置以射钉实验对模型热跟踪结果进行校验。

表7轻压下机架距结晶器弯月面的距离

射钉实验的铸坯冷却后，采用火焰切割方式，垂直铸坯方向切取射钉部位铸坯样。切割大小视情况而定，但必须保证火焰切割产生的热量不能影响到带钉部位。

切割下的铸坯样，必须做好标记：炉、流号、射钉位置、内外弧等信息。

待切割下的铸坯样冷却后，沿射钉方向，用牛头刨床以小进刀量进行刨削，直到显露出带硫化铁示踪剂的钢钉。当接近钢钉时要减小刨床进刀量，随时观察钢钉显露情况。

经刨床刨削后，再用磨床磨削，达到的表面粗糙度以不影响低倍观察为宜。然后，用打号机在铸坯表面角部打上明显的炉号和射钉位置编号。

通过对数据分析处理，可以看出模型动态热跟踪结果与射钉实验数据基本吻合，其最大偏差约为5.47mm，相对误差小于4％，达到了工艺要求的精度。该系统可以较好的实时跟踪连铸温度场凝固进程，计算出实际的凝固终点位置，为动态二冷与动态轻压下工艺提供可靠稳定的信息保证。

为保证铸坯质量和产量，二次冷却制度的确定应当使铸坯获得合理的温度分布。因此目标温度的制定应当遵循以下连铸冶金准则：

1)最大液芯长度准则。从铸坯质量的要求和动态轻压下安全因素考虑，应限制铸坯液芯长度。重轨钢系列一般要求铸坯在出最后一架拉矫机前完全凝固，以适应动态轻压下的要求；当需要增加铸机产量提高拉速而采用液芯矫直时，液芯长度也必须小于铸机切割点长度。

2)表面温度最大冷却速率和回热速率准则。表面回热在凝固前沿产生拉应力，从而产生内裂纹，表面快速冷却在铸坯表面产生拉应力，从而产生表面裂纹和扩展

一区时表面温度过大的回升和大幅度下降，一般要求沿铸坯长度方向冷却速率≤200℃/m，温度回升速率≤100℃/m。

3)矫直点最小(或最大)表面温度准则。为避免产生横裂纹，矫直时铸坯表面温度应避开钢种脆性温度区，二冷弱冷时高于脆性温度，强冷时低于脆性温度，从而保证铸坯在钢的延性较高的温度区内矫直，满足动态轻压下的要求，入拉矫机前温度控制在950～1050℃之间。

以高碳钢生产为例，在大方坯铸机的第1、2、3流采用动态配水及轻压下技术，其它对比流用比水量法(0.25l/kg)无轻压下，根据现场实际条件，现场用RAYNGER3i手持式红外测温仪对铸机第1～3流的二冷二段末端、进拉矫机前点的铸坯表面温度进行了测试，测温仪的精度0.5％，结果如下：

在拉速0.70m、中包温度1487℃浇注条件下，对每个点测试10组数据，然后对数据进行统计处理，得到铸坯表面实测温度为T2＝1045℃，Tj＝1050℃，模型计算温度为t2＝1048℃，tj＝1053℃，最大误差为1.5％(工艺要求误差为10％)。上述检测结果表明：采用动态配水达到了温度控制要求。同时铸坯热酸结果也显示：采用二冷动态配水及动态轻压下技术后，铸坯的内部质量明显提高，中心缩孔明显减少。

为了验证大方坯连铸机动态轻压下控制系统的冶金效果，制定合理的轻压下工艺制度，北京科技大学与包钢炼钢厂重点针对重轨钢U71Mn、U75V等代表性钢种在新连铸机上进行了动态轻压下冶金效果热负荷试验，对压下坯样和对比样做硫印、热酸低倍、偏析等对比分析，并进行轨梁轧制探伤跟踪。

①针对重轨钢U71Mn试验连续浇注3炉钢；②在铸机第一流上进行动态二冷配水与动态轻压下二级模型控制，总压下量4.5mm，压下区间0.4＜fsc＜0.9，其余五流采用常规控制。③六个流全部采用电磁搅拌工艺，搅拌频率f＝1.7Hz，电流I＝550～600A。④六个流在试验过程中保持相同拉速、过热度等浇注条件，对每炉钢分别在第一流取压下坯样，其它流取对比样。⑤对压下坯样和对比样做硫印、热酸低倍、偏析等对比，并进行轨梁轧制探伤跟踪、轨样热酸低倍、偏析和力学性能分析。

从低倍对比照片看出，应用动态二冷与动态轻压下控制模型后，铸坯中心疏松减轻，等轴晶率增加，即使由于过热度变化拉速有较大波动(拉速从0.65m/min提高到了0.80m/min)的情况下，控制模型对铸坯内质的改善效果依然明显。综合统计试验中所有对比样的低倍评级，可以看出，采用控制模型后，90％铸坯中心疏松小于1.5级，基本消除了2.0级疏松。

对于所取钢样中的钢屑样来分析其C、Si、Mn、P、S等化学成份，然后求偏析比来表征化学成份均匀的程度。

纵剖断面的偏析结果及分析：

C偏析指数分布：在铸坯的纵断面上钻取钢屑样，用化学检测法检测出的纵剖样品C含量，绘制出了沿拉坯方向上的中心C偏析分布图，图7、8、9是进行重轨钢U71Mn试验时对同一炉钢在第1流和第4流所取的两块对比样的纵剖C偏析分布图，其中第1流采用动态轻压下，压下总量为4.5mm，第4流无轻压下。

从上图可以看出，未采用动态轻压下的铸坯的中心C偏析指数波动较大(0.93～1.14)，C偏析较严重，而采用轻压下后的铸坯的C成分的最大值变小，波动范围变窄(0.92～1.08)，C偏析明显减轻。

应用动态轻压下技术后，铸坯中心疏松减轻，致密度增加，消除了较严重的2.0级疏松，同时1.5级疏松比例也由60％降至18％，1.0级疏松比例则由12％增至56％，0.5级疏松比例则由14％增至25％。

对比试验结束后，将实施动态轻压下的铸坯单独掉队进行轧制，并进行轨梁探伤跟踪，结果显示，在所有实施动态轻压下的铸坯中，只有一支铸坯的后半段出现了探伤不合格的情况，取样检验结果表明是由于夹杂引起轨腰探伤不合格，与同炉的未实施动态轻压下的铸坯轧制跟踪结果对比，轨带伤率明显降低。对采用动态配水和动态轻压下工艺的轨分别取样，做了热酸低倍、偏析和力学性能分析。

试验结果表明，采用动态二冷配水与动态轻压下工艺后：

①铸坯中心疏松明显减轻，，等轴晶率增加，消除了2.0级疏松；

②连铸坯横断面上C成份分布更加均匀；沿铸坯纵向的C成份分布的最大值变小，中心C偏析指数波动范围明显变窄；基本消除了铸坯的V型偏析缺陷；

③轨样断面看不到明显的疏松，钢轨的晶粒更加细小，基本消除了原先集中于轨腰的中心偏析；

④采用动态二冷配水与动态轻压下工艺生产的重轨力学性能优异，强韧性好，达到了时速300km高速轨的技术要求。

Claims (9)

1.一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，包括动态轻压下与动态二冷配水软件模型、电气自动化控制系统、液压及机械设备，其特征在于所述的动态轻压下与动态二冷配水软件模型主要由动态热跟踪模型、动态二冷配水模型、动态轻压下模型、工艺参数数据库与OPC通讯模块五部分组成；利用动态热跟踪模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，动态二冷配水模型利用目标表面温度法对二冷区水量进行动态设定，确保在常规拉速范围内铸坯表面温度的波动≯±30℃，同时动态轻压下模型根据铸坯中心固相率分布确定出合理的轻压下区间并结合不同钢种的凝固特性动态设定辊缝值；所述的电气自动化控制系统主要由PLC和上位机组成，上位机系统总体上反映整个连铸系统的运行过程，为二级自控，主要完成现场数据采集、过程回路控制、电气设备顺序控制、设备运转操作监视及报警功能；所述的液压及机械设备系统主要由油缸、换向阀、比例阀、减压阀、位移传感器、拉矫机、编码器构成，用换向阀来实现不同条件下的压力转换，用比例阀负责拉矫机的抬起和下降，用定压减压阀确定各种压力，根据压下量对压力调整以适应不同的压下条件；由位移传感器通过反馈来控制油缸的行程；所述的拉矫机采用牌坊式机架，配有驱动辊、从动辊、液压升降装置，由交流电机传动，由交流变频装置供电，驱动辊由液压缸带动沿液压升降装置的滑道上下升降；所述的编码器用于速度反馈、引锭杆和铸坯跟踪、定尺切割。

2.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于大包回转台、中间罐车行走、横向移钢机所配的变频器、选配通讯卡，以一种通讯方式与PLC联接，变频器以无速度传感器的控制模式工作；连铸机结晶器振动台、拉矫机和辊道的传动系统用变频器、PLC通讯卡与PLC通讯，切割小车用变频器、选配通讯卡与PLC联接。

3.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于自控系统的基础级由14台PLC、4台上位机组成，其中PLC0-PLC6为公共区，主控制室设五台计算机，其中两台为一级自动化控制系统，两台为二级自动化控制系统，主要为基础自动化系统提供优化配水和轻压下控制；另外一台为三级自动化控制系统，主要控制工厂的生产计划，通过上位机系统能够对铸机主要设备和二冷自动配水进行操作控制。

4.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于根据铸坯的品种、拉速、过热度的不同，确定不同的压下量，用液压系统的三个换向阀来实现不同条件下的压力转换，通过压力转换实现拉矫机的各种状态；用比例阀实现轻压下，在轻压下过程中，比例阀根据指令动作，负责换向使油缸产生上升和下降的动作，其油流量由电气系统控制，通过电压和电流的变化来控制阀的开口度，进而控制通过阀的油流量，达到控制油缸行程，实现控制拉矫机升降速度的目的，与油缸顶部的位移传感器共同作用，在轻压下时能够精确控制铸坯的压下量；液压系统的三个减压阀分别控制冷压压力、热坯压力和轻压下压力，通过手动调节来确定；冷压压力通过缸杆、传动辊作用在引锭杆上，足够大的压力能够确保拉矫机在送引锭和拉引锭时不会产生下滑现象；热坯压力通过其中一个换向阀转换，并通过比例阀换向作用到油缸上腔，适当的热坯压力既能够保证热坯不产生变形和内部裂纹，又能够保证热坯子不产生下滑；轻压下压力通过换向阀到达油缸上腔，通过减压阀进行调整以适应不同的压下条件。

5.根据权利要求1或4所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于减压阀为定压减压阀，当压力调定后，不会随其他条件的变化而改变。

6.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于机械设备系统采用了结晶器液面自动控制、结晶器电磁搅拌装置、高频率小振幅振动装置、二冷水汽雾冷却自动控制系统、便于整体吊装检修的高效二冷密排辊、连续矫直技术及在二冷凝固末端对铸坯进行轻压下的先进装置和技术，扇形段、二冷区位于振动台与拉矫机之间，对铸坯起支撑、导向、冷却的作用，喷淋模式采用二冷水汽雾冷却自动控制，随拉速自动调节水量，保证铸坯温度在进入拉矫机之前保持稳定，也保证了液芯长度和位置的基本稳定；每流有5台拉矫机，交流变频装置为全数字矢量/力矩型。

7.根据权利要求1或6所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于动态轻压下与动态二冷配水控制模型集液压、计算机、自动控制与自动检测于一体，采用面向对象的程序设计语言VC++6.0编制而成，窗口式设计；控制系统为两级，L1级为基础自动化控制级，它直接参与生产过程的检测和控制，完成设备的顺序控制和连续控制，实现动态二冷配水和动态轻压下控制，现场的配水和轻压下的执行机构和传感器的信号被采集到相关的I/O站，通过开放的PROFIBUS-DP网送至PLC控制系统；L2级为过程优化控制级，配备了一台双CPU服务器，动态控制模型安装在二级服务器上，通过控制模型对二冷区水量和压下辊辊缝进行动态设定和优化控制，通过OPC协议与L1级实时地交互拉速、钢水过热度、二冷水量、压下辊辊缝值的过程控制数据，利用动态控制模型对铸坯温度场进行实时热跟踪，以优化铸坯凝固过程的温度场，同时准确地预测铸坯凝固末端位置，从而实现动态轻压下控制。

8.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于动态热跟踪模型是整个控制模型的基础，接受生产过程数据并计算出动态配水和动态轻压下所需的铸坯温度场热信息；动态配水模型和动态轻压下模型是控制模型的核心，利用铸坯温度场热信息并根据不同钢种的生产工艺合理优化二冷区水量和辊缝值；控制模型通过OPC通讯模块与一级基础自动化控制系统进行数据交互。

9.根据权利要求1所述的一种连铸坯动态轻压下系统集成装置，其特征在于大方坯连铸机每流有5个轻压下机架，轻压下功能能够在6.445m的总长度范围内进行，实现了辊缝远程控制，控制精度能够达到0.1mm；连铸机在二冷动态配水的基础上实现轻压下，包括的钢种有U71Mn、U75V、82B高碳钢系列及45号中碳钢系列，实施压下位置为铸坯中心固项率fsc＝0.4～0.9的区域，最大压下总量≤7mm，单机架最大压下量≤2.0mm，压下率1.0～1.5mm/m，重轨生产中在拉速0.7m/min时，平均压下量在4.5～5.5mm，满足了生产工艺的要求。

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