连铸

立项背景：

连续铸钢对钢厂结构影响最大，连铸是钢厂炼钢生产主要方式。连铸已成为现代化钢铁企业炼钢生产的主要方式。目前连续铸钢技术已为全世界各产钢国普遍采用，不少发达国家连续铸钢的比例已达90％以上，不少炼钢厂已实现全连铸。实现全连铸钢厂，使钢铁企业结构发生了重大变化。由于连铸取代了模铸和初轧工序，替代了开坯工序，使联合企业的钢材产品向专业化方向发展；钢铁厂的车间布置、合理规模，甚至仓库设置、资金周转等，也随之发生了巨大变化。对钢厂结构而言，连续铸钢的影响非常之大。

在发展连续铸钢过程中，不断提高连铸坯的质量是一个重要课题。我国在发展连铸过程中，也对铸坯质量进行了大量的研究工作，全面提升连铸生产率和铸坯质量。

近年来，我国连铸工艺技术水平取得很大的进步，很多炼钢厂的连铸生产都积累了丰富的生产经验。科研单位和院校也不断有新的研究成果。在金融风暴对钢铁企业造成很大影响的形势下，炼钢-连铸企业更要以降低成本、提高质量、搞活品种、适应市场为宗旨。另外，连铸企业对工艺技术水平的提高和对技术改造将会有更高的要求。

连铸工艺是否合理最终体现在连铸质量和经济效益上。

连铸坯基本质量要求是铸坯的洁净度，铸坯的表面和内部质量（致密程度和偏析程度）。

主要内容为：1、连铸新工艺技术的发展和应用；2、提高钢水洁净度的关键技术和实践经验；3、连铸生产高效化及相关技术；4、拓宽连铸品种生产优质连铸坯的经验；5、新型连铸机设计特点、装备水平及生产经验；6、铸坯缺陷控制的有关措施及自动化检测技术；7、炼钢-连铸的节能环保技术及发展；8、有关保护材料和高温材料技术；9、生产过程管理及成本控制。

铸坯质量的提高主要依赖于连铸装备和工艺的优化，就我国目前现有装备而言，提高特殊钢铸坯质量的主要措施是采取低过热度浇铸与电磁搅拌相结合的办法来扩大等轴晶区，减轻偏析和疏松的集中度。同时根据不同钢种的特点选择合适的保护渣、结晶器设计与冷却、二冷和拉坯制度，以防止裂纹等缺陷的产生。

为进一步提高铸坯质量，近年出现了一些新的技术：1)浇铸过程液面自动控制；2)结晶器和凝固末段电磁搅拌工艺优化；3)大方坯轻压下技术；4)利用外场或形核剂细化铸态组织技术；5)复式结晶器控制凝固组织技术；6)结晶器钢液流动控制技术等

用计算机控制算法优化工业过程需要实时的过程参数。一个工艺过程被优化的程度取决于工艺过程信息的数量和质量，所以开发高级传感器可以改善工艺过程的控制水平。

钢铁冶炼过程中最重要的参数就是金属熔体的化学组成。钢水接触大气会使其中的氧、氮、氢等元素含量升高；有时某些元素与耐火材料或大气等作用会降低其在钢中的含量，这些都将影响钢的质量。

近年来，随着炼钢、连铸生产工艺技术的不断发展，以及企业内部管理的不断提高，炼钢、连铸称重系统的作用越来越重要了。

传感器漂移是由于浇铸时，辐射温度较高，传感器受热引起，引起故障。

渣检测的重要性，在钢水连铸生产过程中，浮于钢水上部的钢渣，在浇铸后期逐渐流入中间包，影响钢才品质，甚至使钢水连铸无法进行，为了改善钢材品质，提高钢铁企业的经济效益，目前国内外研制了多种下渣检测方法：如红外线检测技术、电磁感应检测法、超声波检测法等。其中电磁检测方法已在国内外的一些大型冶金企业投入运行，并取得了显著的

经济效益，但是连铸过程的特殊性和恶劣的浇铸环境，使得这些检测系统在安装、用和维护过程中成本都较高，且寿命较短。

针对以上问题，本院提出了一种基于振动检测的下渣检测方法，通过VQ技术进行钢水状态识别，实现对连铸下渣的准确检测。

连铸铸坯的质量手多方面因素的影响，其中主要是连铸工艺的优劣、钢水的纯净度、以及连铸设备的好坏，比如温度控制精度等。拟定科学的工艺方案，以期最大限度地消除各种铸坯缺陷，同时节约能源，提高生产效率。

评价连铸坯质量是从以下几方面：连铸坯的纯净度、表面质量、内部质量、外观性质。

为进一步提高铸坯质量，近年出现了一些新的技术：1)浇铸过程液面自动控制；2)结晶器和凝固末段电磁搅拌工艺优化；3)大方坯轻压下技术；4)利用外场或形核剂细化铸态组织技术；5)复式结晶器控制凝固组织技术；6)结晶器钢液流动控制技术等。

针对当前钢水连铸下渣检测系统（SWCC-SDS）成本高、难于安装等问题，提出了一种基于矢量量化技术的钢水下渣检测方法。对钢水连铸下渣过程进行了研究，我院根据连铸过程中钢水、钢渣产生的振动差异，确定了把振动信号作为主要检测信号的实施方案，利用振动传感器，搭建了远离钢水的控制系统，解决了钢渣检测的传感器易耗问题。通过技术对经过预处理的实时信号进行特征提取、码本训练，来判断钢水状态，实现连铸下渣的自动控制。

连铸过程十分复杂，导致铸坯的各种缺陷往往是关联和矛盾的，

连铸结晶器的夹紧力大小直接关系到钢坯质量和结晶器的使用寿命。随着拉速的提高，在线自动调宽结晶器的推广应用，结晶器夹紧力的测量和控制得到更进一步的重视。

结晶器的传统加紧技术是由四根拉杆螺栓和碟形弹簧来实现的。夹紧力大小通过测量碟形弹簧的形变来确定，变形则通过直尺和卡尺来测量，既不太准确，也不太方便。这在铸坯宽度不变或不需要在线调宽的结晶器上，传统方法相当有效，但是在需要在线调宽时，传统方法就显得难以适应了。

在连铸生产工艺过程中，结晶器钢水液位自动控制能减少和避免漏钢、溢钢，对于提高铸坯质量和稳定生产过程都起着重要作用。而结晶器液位的精确性检测是实现液位自动控制的关键。

尽管国外在高温测温方面实力雄厚的一些专门公司(如美国Wall公司)所生产的传感器及测温仪测量精确、性能稳定、可靠性高，但仍属于温度单点测量仪器，目前尚无能在复杂现场条件下长期运行、在线实时检测铸坯表面温度场分布的常规产品。

连铸结晶器的软夹紧技术对连铸产品的质量和生产率有直接影响。用高温荷重传感器直接测量夹紧力，用电液技术控制夹紧力，比传统方法效果好。

趋势：

随着连铸技术的发展，连铸比的提高，高生产率和高质量铸坯已成为当今板坯连铸技术追求的目标。

冶金自动化技术在工业自动化技术的推动和冶金行业技术需求的双重机制拉动下，将呈现三大趋势。

一过程控制系统

冶金流程在线连续检测和监控系统。采用新型传感器技术、光机电一体化技术、软测量技术、数据融合和数据处理技术、冶金环境下可靠性技术，以关键工艺参数闭环控制、物流跟踪、能源平衡控制、环境排放实时控制和产品质量全面过程控制为目标，实现冶金流程在线检测和监控系统，包括铁水、钢水、熔渣成分和温度的检测和预报，钢水纯净度检测和预报，钢坯和钢材的温度、尺寸、组织、缺陷等参数检测和判断，全线废气和烟尘的监测等。

冶金过程关键变量的高性能闭环控制。基于机理模型、统计分析、预测控制、专家系统、模糊逻辑、神经元网络、支撑矢量机（SVM）等技术，以过程稳定、提高技术经济指标为目标，在上述关键工艺参数在线连续检测基础上，建立综合模型，采用自适应智能控制机制，实现冶金过程关键变量的高性能闭环控制，包括高炉顺行闭环专家系统、钢水成分和温度闭环控制、铸坯和钢材尺寸及组织性能闭环控制等。

二产管理控制系统

冶金流程的全息集成。实现铁-钢-轧横向数据集成和相互传递，实现管理-计划-生产-控制纵向信息集成，同时，整合生产实时数据和关系数据库为数据仓库，采用数据挖掘技术，提供生产管理控制的决策支持。

计算机全流程模拟，实现以科学为基础的设计和制造。采用计算机仿真技术、多媒体技术和计算力学技术，基于各种冶金模型，进行流程离线仿真和在线集成模拟，从而实现生产组织优化、生产流程优化、新生产流程设计和新产品开发。

提升钢铁生产制造智能。在生产组织管理方面，基于事例推理、专家知识的生产计划与运筹学中网络规则技术，提供快速调整作业计划的手段和能力，以提高生产组织的柔性和敏捷化程度；根据各工序参数，自动计算各工序的生产顺序计划及各工序的生产时间和等待时间，实现计划的全线跟踪和控制，并能根据现场要求和专家知识，进行灵活的调整；异常情况下的重组调度技术以及在多种工艺路线情况下，人机协同动态生产调度。在质量管理方面，基于数据挖掘、统计计算与神经网络分析技术，对产品的质量进行预报、跟踪和分析；根据生产过程数据和实际数据，判定在生产中发生的品质异常。在设备管理方面，采用生产设备的故障诊断与预报技术，建立设备故障、寿命预报模型，实现预测维护。在成本控制方面，采用数据挖掘与预报技术，建立动态成本模型预测生产成本；利用动态跟踪控制技术，优化原材料的配比、能源介质的供应、产线定修制度、生产的调度管理，动态核算成本，以降低生产成本。

三企业信息化系统

企业信息集成到行业信息集成。信息化的目的之一是实现信息共享，在有效竞争前提下趋利避害，在企业信息系统的编码体系标准化、企业异构数据/信息集成基础上，进一步实现协作制造企业信息集成，全行业信息网络建设及宏观调控信息系统，直至全球行业信息网络建设及宏观调控信息系统。

可行性方案：

武钢连铸生产线上安装有电液控制的连铸结晶器软夹紧力测量控制装置。该装置是调宽PLC系统的关键设备，主要由测力传感器、液压机构和电子线路三部分组成。其系统组成框图如图所示。

测力传感器是结晶器软夹紧测量控制中的关键元件，安装在内弧面一侧的水箱外壳中，上部两个，下部两个。结晶器内钢水温度高达1500多度，结晶器外部温度也有100多度，还有蒸汽、粉尘、氧化皮，工矿十分恶劣，对传感器的防护要求相当苛刻。与一般钢包秤用得高温称重传感器不同，此处的测力传感器在整个连铸过程中长时间受力，对传感器的稳定性要求很高。

该传感器的安装也有其特点。为了尽可能减小周围的恶劣环境对传感器的影响，该传感器的压头做成端盖形状。端盖实际上由三部分组成：端盖的外圈跟普通端盖一样，端盖中心部位是压头，压头四周通过橡胶与端盖外圈连成一个整体。压头的一个平面与传感器球面接触，另一个平面与软夹紧装置头部接触。这种端盖式的压头对传感器起到了某种隔离保护作用。

结晶器液位控制要求实时性高，响应速度快，控制液面稳定，并能适应各种工况变化，否则会大大影响生活费用和产品质量，导致铸坯表面质量，皮下冶金组织，浇铸可靠性和合理程度。

我们拟开发的这套液位控制系统所采用的控制软件结构是以PID算法为依据，结合设定值，同时还采用模糊控制，用PID调节器实现滞后-超前校正，既可提高液位控制稳定程度及快速性，又可保证稳态精度。PID调节器是在正常工作状态下实现调节控制的，一旦发生异常情况，如更换浮子、去除水口堵塞物等，拉速变化，结晶器尺寸变化等，用常规的PID调节控制就不能满足实时控制要求，为此采用模糊控制，SERT模糊控制是把人的控制策略采用计算机的算法语言描述出来，实现部分时变处理及控制的自适应，自调整，从而实现某一过程（如拉速变化）的确定和控制输出，这样就满足了系统的控制要求，对于异常情况的控制可在更短的时间进入稳定的调节状态。

我们拟开发的连铸机结晶器振动系统，根据液压系统原理对故障现象进行逻辑分析，利用排除法查找故障，找出发生故障的部位。整机均由PLC系统进行控制，由计算机实现远程操作控制，自动化程度高。

连铸机结晶器振动液压控制系统，采用液伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。该系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压流量输出，以获得很高的控制精度和很快的响应速度、位置控制，其液压执行机构的运动能够高精度地跟踪随机的控制信号的变化。是机械、液压、电气一体化的电液服阀、伺服放大器、传感器系统。

连铸铸坯表面温度在线实时测量系统。该系统应用红外测量技术，以风帘方式消除红外传感器到铸坯之间辐射通道的烟雾、水汽影响，采用人工智能算法剔除铸坯表面氧化皮对测量结果的干扰，实现了连铸铸坯表面温度场多点测量，在线实时显示温度场的瞬态分布和随时间演化过程。

我院开发的最终目标是既要提高钢液清洁度，又要改善板坯表面的清洁性，故考虑了在凝固界面直接捕捉钢液中非金属夹杂物的措施；并且，不是利用原来稳定的水口排出钢流，而是考虑用控制系统来控制结晶器内的钢液流动。至于铸坯表面纵裂，也是初期凝壳厚度不均造成坯壳变形、凝固延迟的缘故。因此，日本新日铁经过长期反复的研发，用结晶器内的电磁搅拌装置（In-Mold Electro-Magnetic Stirrer简称M-EMS）控制钢液流动，大幅度提高了板坯表面质量及合格率；均匀了铸坯初期凝壳厚度，减少了因纵裂而引发的拉漏（跑火）事故，稳定了连铸操作。现在，新日铁的板坯铸机几乎全都采用了这类M-EMS。

液位控制系统：采用涡流传感器对结晶器内钢水液面进行检测。检测信号通过放大处

理器处理后，将实际液位值输送到PLC，实际液位值与设定液位值的差值控制系统送给液面控制系统，通过智能模糊+变结构PID运算后，控制系统将调节量功率放大后直接传递到数字电动缸，通过电动缸控制塞棒，精密控制中间包塞棒开度，控制钢水液面，实现结晶器液位控制。系统全部采用数字系统，使得控制环节变的更可靠，稳定。