结晶器专家系统在凌钢连铸提高拉速生产中的作用

结晶器专家系统在凌钢连铸高拉速生产中的作用 蔡 娥1，李志2，周葆辉2，闫清军2，杨福钧2, （1.中冶连铸北京冶金技术研究院，北京 100028； 2.凌源钢铁股份有限公司，辽宁省凌源市 122500） 摘 要：高拉速导致纵裂容易发生，粘结漏钢倾向加重。凌源钢厂预测到此问题发生，并为此在新双流上线时安装了中冶连铸结晶器专家系统。实际运行表明，结晶器专家在高拉速工艺中运行效果良好，既能有效防止粘结漏钢事故发生，还能帮助观测结晶器工艺参数的异常状况，优化保护渣以及其他连铸操作方案，减少了纵裂和粘结发生率。 关键词：结晶器专家系统 粘结漏钢 纵裂 Performance of KnowZmold System in Increase Casting Speed Project on LingYuan steel Plant Cai E1  Li Zhi2  Yan Qingjun2  Zhou Baohui 2 Yang Fujun2 （1.R&D Department of CCTEC , Beijing  100028； 2.Steel Plant of LingYuan  122500 ） ABSTRACT：High casting speed would cause longitudinal crack and stick breakout. Therefore, Steel Plant of LingYuan adopt the Know-Z-Mold system offered by cctec. The system express excellent performance in plant, It can reduce the stick breakout incident, help the worker know the exceptionally of the mold, so induce the casting parameters to be optimized, avoid the casting proceed being interrupted.        KEY WORD：mold expert, stick breakout, longitudinal crack 序言 铸机高拉速是高效钢厂追逐的目标，而高拉速往往伴随着许多问题，需要连铸工艺人员攻克。高拉速情况下，钢流通过浸入式水口进入结晶器的流速增大，流股返回引起液面波动，使保护渣卷入铸坯，降低铸坯洁净度，更严重的问题是，保护渣流入坯壳与结晶器间隙的入口受到严重干扰，易出现保护渣的不均匀流入；对于正弦振动，随拉速升高结晶器振动频率增加，负滑脱量及正滑脱时间减少，保护渣最大可能消耗量减少，不利于铸坯的润滑，坯壳受到的摩擦阻力增大，坯壳有被拉裂的危险，在靠近弯月面处坯壳薄弱部位粘结性拉漏倾向加重；高拉速下结晶器内钢液搅拌强度增大，弯月面和结晶器上部区域热流密度升高，传热不均匀性增强，导致中碳钢产生严重的铸坯表面纵裂纹； 为了保证高速连铸生产的安全稳定性和铸坯质量，由中冶连铸设计并供货的凌钢5#双流板坯连铸机，投产时就配备了结晶器专家系统、动态二冷配水、中间包连续测温、结晶器液面自动控制等先进技术组成的系统。 在高拉速连铸过程中，结晶器专家系统除了进行漏钢预报，减少粘结漏钢外，对于优化连铸工艺，减少由于高拉速带来的质量问题特别是纵裂问题也有积极的作用。 结晶器专家系统提供的信息能有效反应结晶器状况，通过对这些信息进行分析的结果，能指导操作工艺及使用材料改进。通过分析热电偶温度变化进行，统计粘结漏钢报警与过热度，钢种，拉速及保护渣参数的对应关系可以推出结晶器的最佳工艺状态，得出最佳的工艺参数配置。同时，由于有漏钢预报系统的保障，可以比较大胆地试验新工艺，试验保护渣，不用担心粘结漏钢事故真正发生。 1凌钢5#双流铸机状况 凌钢5#双流铸机状况主要铸机参数见表1。 该设备在2008年12月试运行，在铸机热试正常后不久，准备提高产量，提高拉速，结晶器专家系统的粘结漏钢报警增加，同时，连铸坯开始出现纵裂缺陷。 表1主要铸机参数 铸坯厚度 160mm 铸坯宽度 500~750mm 结晶器长度 1000mm 定尺长度 4.0～8.9m 产品大纲 Q235、Q215、Q195、 65Mn、 195LD　等 冶炼周期 35min 机型 直弧型，连续弯曲连续矫直 最大拉速 2.2m/min 流数 2机2流 拉速范围 1.0~2.0m/min 铸机能力 年产合格铸坯120万吨     2中冶连铸的结晶器专家系统 2.1系统主要功能及特点 结晶器专家系统除能进行漏钢预报外，还能检测热电偶温度，显示结晶器铜板温度云图（如图1），显示平均热流，热趋势。系统致力于帮助客户直观的了解结晶器，预先判断事故，预测铸坯缺陷，衡量现有连铸工艺的合理性[1]。 热电偶采用3行6列分布。模型采用模式识别算法。该方法自适应能力强，抗干扰能力强，不需要大量的训练样本。模型考虑了粘钢发生时热电偶温度在时间、空间上的传递，对热偶温度分布进行分析和模式识别，通过对模式识别结果进行特征值分析，产生粘钢报警。模型支持算法参数自适应，自适应后的算法参数可以涵盖铜板厚度变化，保护渣类型变化以及浇注钢种变化导致的系统参数调整。 系统准确率高，粘结漏钢准确率为96.5%。响应时间快，至少能提前10s给出报警信息。 图1热状态界面 3结晶器专家系统提供的信息分析及对应工艺优化 3.1保护渣的改进 图2 钢种与粘结漏钢报警次数的关系 如果简单从钢种特性来分析，高碳钢由于在结晶器里坯壳收缩小，是比较容易发生粘结漏钢的钢种，而中碳钢由于收缩，是比较不容易粘结漏钢的钢种。但是实际不太一样，从43组粘结漏钢报警时的钢种统计数据来看（图2），Q235钢种报警占总报警的60%，是比较容易出现粘结漏钢的，这是为了解决纵裂而调整保护渣导致的现象。在提高拉速的过程中，纵裂发生率增加，现场主要以调整保护渣碱度来控制传热来避免纵裂的发生。在增加碱度的过程中，传热得到控制，铸坯纵裂也得到缓解，但是碱度增加过大，恶化了结晶器润滑，造成粘结漏钢危险增加，严重时一个浇次正确报警7到8次（观测到粘结痕的报警才认作正确报警）。虽然有漏钢预报系统保障，但是频繁地降拉速严重影响了工艺的顺行。 纵裂和粘结漏钢是一对矛盾体，因为在结晶器中传热和润滑是一对矛盾体。保护渣的调整必须综合考虑纵裂和粘结，在其中寻找最佳平衡点，最终得到一个保护渣的改进方案（见表2），改进后的保护渣碱度提高到1.25，融化温度增加到1095℃，粘度增加到0.118 Pa.s。 另外，重庆大学提出的高碱度高玻璃态保护渣的思路，即是基于此类问题得出，是一种值得尝试的方案[2]。 表2 保护渣改进前后参数 指标 名称 碱度 熔速 粘度 （Pa.s,1300℃） 熔融点 （℃） 原渣 1.19 34 0.097 1078 改进后 1.25 30 0.118 1095           3.2拉速控制的优化 图3 拉速与粘结漏钢报警次数的关系 由图3可知，随着拉速的增加， 粘结漏钢报警次数增加。拉速髙时，在一定的过热度水平下，结晶器钢水凝固推迟，坯壳减薄且坯壳表面平均温度升高，容易发生粘结，增大了粘结漏钢的风险。在图中，拉速大于1.4m/min后报警增多，拉速为0.4-0.6m/min的时候，报警数也比较多，这是因为这个范围多是更换浸入式水口，由于拉速变化快，结晶器温度场，流场均不稳定，是浇铸的非稳定状态，容易发生粘结漏钢。 应尽量保证浇铸的稳定，避免拉速的波动，一次拉速变化不宜超过0.1m/min，尤其注意换水口前后拉速的变化，避免拉速波动过大降低了粘结报警的发生。 3.3过热度的控制 图4 过热度与粘结漏钢报警次数的关系 控制过热度是控制纵裂和粘结漏钢的一个有效方式，钢水过热度髙，大于20度时，钢水过热，钢水与结晶器壁的冷却水之间的温度差增加，钢水凝固推迟、坯壳厚度减薄且坯壳平均温度升高，粘结漏钢报警增加，过热度过小，小于10度时，会影响浇铸的顺行，结冷钢，造成粘结漏钢报警增加。 要尽量保证合理的过热度，提高操作水平，减少出钢温度的波动，由图4可知，浇铸过热度在10-20度时，粘结漏钢报警数减小，工艺比较稳定。 3.4铜板工作条件的改进 图5 拉速与热电偶温度的关系 图6 过热度与热电偶温度的关系 由漏钢时热电偶温度与拉速的关系图图5可知，随着拉速的增加，热电偶温度显著增加，表示铜板温度增加，铜板长时间在高温条件下工作，再加上由于中包温度波动造成反复承受高温－低温交替作用，铜板受到很大的热应力，导致热疲劳裂纹产生。由图5图6可以看出，拉速对于热电偶的影响最大，即拉速对传热的影响最大，实际分析发现，过热度和钢种对铜板温度的影响有限。 为了增加铜板过钢量，缓解过渡受热情况，需要增大冷却水量，但这与解决纵裂需要的结晶器缓冷成为了一对矛盾体，实际操作中需要综合两种条件考虑冷却水量，结晶器宽面水量为100m3/h，窄面水量为20 m3/h。其他的措施是保证过热度稳定且不能过高，减少铜板遭受反复冷热交替作用的机会。控制钢水液位在供应商要求的80-100mm范围内，以避免由于液位过高造成实际弯月面提高，而错过了设计的最佳冷却范围。同时，铜板长时间工作产生疲劳裂纹后，需要及时下线修复，避免裂纹扩展，加大损失。 3.5连铸操作的规范 由图7可知，粘结漏钢在宽面的发生率大于窄面，这是因为宽面铜板面积大。收缩更容易不均一，从而导致宽面坯壳不均匀，导致粘结漏钢容易发生。要保证结晶器液面平稳，规范加保护渣操作，做到“勤加少加”，保证宽面传热尽量均匀。同时要尽量保证水口对中，提高水口寿命，保证结晶器流场均匀。 由图8可知，报警一般发生在第一行，第二行热电偶区域。无论是液位波动的原因，或者是卷渣的原因，再或者是因为碳聚集造成坯壳凝固温度低的原因，粘结肇点发生均始于弯月面，然后随着铸坯不断向下移动而不断扩展，因此在结晶器上部就能足以判断粘结漏钢的发生，现在存在的多排的热电偶布置是基于显示结晶器温度云图的需要，但是由于热电偶的增加，要造成设备成本以及维护成本的增加。 图7 四块铜板报警数统计 图8 结晶器高度方向上报警数统计 3.6优化后效果 通过分析结晶器专家系统提供的有效信息，我们改进了保护渣，优化了拉速控制模式，加强钢水过热度控制以及改进了铜板工作条件，规范了连铸工艺操作并加强管理，铸坯纵裂发生率从开始的80%下降到2%以下，同时，粘结漏钢预报数目减少了50%，有效保证连铸工艺顺行，铸坯质量提高。