SSAB Mobile连铸坯浇铸过热控制

在浇铸过程中中间包的钢水温度是一个关键参数，必须进行控制以保证生产优质的钢坯。钢包中的钢水必须有足够的过热，以使中间包成功地进行浇铸。然而，过热不能太高，太高会增加漏钢或内部缺陷的风险。

然而，控制中间包温度保持在目标范围内不是件容易的事。SSAB Mobile有一个过热控制模型，这种模型根据分析计算，给出直接去连铸机的钢包温度建议。为了使模型适应当前的炼钢和连铸工艺提高过热控制，对原始模型进行升级，把钢包耐火材料布置的影响、钢包的服务周期、中间包流态和温度变化等因素考虑进去。钢水在真空罐脱气装置（VTD）内处理过程中，过热模型可扩大至包括钢水处理的温度控制和监测。原始模型的修改和VTD温度跟踪工具的开发是本文的主题。

1.过热控制

SSAB Mobile是一个现代化的炼钢厂，用回收的废钢炼钢。该工厂的生产装备包括：电弧炉（EAF）熔化、钢包冶炼炉(LMF)精炼、VTD和单流板坯连铸机。为了扩大生产能力保证优质产品，精确控制过热是最重要的。

过热控制策略--依据SSAB Mobile目前的炼钢和连铸工艺，开发了一种过热控制策略，含有两个模块LMF和VTD。LMF模块给出钢包温度（也称钢包出口温度）的建议，适用于连铸前要求VTD处理的钢水和不需要处理的钢水。如果钢水连铸前不需要真空脱气，LMF温度预测时要考虑钢包在保持和浇铸过程中的温度损失、钢水在中间包内混合时的温度变化、钢液相、过热目标等因素的影响。如果钢水要求真空脱气处理，LMF钢包温度需要考虑脱气时的温度损失率和花费的时间。

由于VTD不具有加热能力，必须精确控制钢包钢水温度，避免真空处理结束时出现冷炉或过热炉。冷炉需要去LMF和VTD再处理，过热炉要求额外的等待时间，以达到浇铸温度。在这两种情况下，连铸机的生产能力都会受到很大影响。在现有的模型里构建基于统计方法的函数，以保证钢水真空处理时精确决定LMF钢水温度。另外，开发VTD温度跟踪模块，来预测真空处理过程中的温度变化。当中断真空处理时，特别是脱气过程中很难测量钢水温度时，这个模块对指导操作员非常有用。

LMF模块--中间包内钢水温度的精确预测取决于许多因素，如钢包耐火材料的热条件、钢包浇铸前的等待时间、浇铸过程中钢包和中间包的温度损失率、中间包内的钢水混合和温度分布、钢水液相温度、目标过热、浇铸速度、浇铸宽度和其它参数。对特殊钢种的LMF温度预测需要中间包的过热知识。在目前的研究中，都是对原始模型进行升级以适应SSAB Mobile现有的炼钢和连铸工艺。引入了几个新的特点，已经通过工厂试验得到证实。

钢包热态--钢包中钢水温度损失率是决定模型计算的关键因素。钢包热态通常取决于钢包的预热、服务周期、耐火材料的布置、寿命等。Mobile工厂通过调试VTD，已经更新了钢包耐火材料的布置，防止钢包壳温度过高。在钢包壳和安全层之间增加了一个隔热层，可以降低钢包的温度损失率。钢包耐火材料服务周期的次数增加，由于耐火材料的磨损，钢包的耐热性就会降低。所以，模型对温度损失率的计算考虑了钢包周期次数的影响。

中间包温度混合--在换包过程中中间包内的剩余钢水和新来钢水的混合而引起的温度降，可以通过材料和热平衡分析进行估算，其关键取决于连铸机当前炉次结束时中间包的温度。   

为了表征中间包的混合阶段以及选择温度输入的合适时间，进行CFD模拟。由于中间包的浇铸参数、板坯宽度和流量控制装置不一样，所以每一个中间包都是不一样的。为了更好地理解中间包内流体流动模式和温度分布，进行了与流体动力学和热交换有关的CFD模拟。带流量控制装置的中间包配置被构建在CFD模型中，包括“缓冲垫”箱、挡墙、挡坝和塞棒。常用参数和边界条件如表1所示。

表1  CFD模拟所用的参数和边界条件

为了模拟在换包过程中中间包内的钢水混合，中间包初始钢水温度设定为1532℃，以保持低温，从注流保护套管来的钢水温度设定为1570℃，热损0.4℃/分，表示在浇铸过程中钢包中的钢水温度降低。由于自由液面模拟的复杂性，在当前的模拟中不包括中间包液位变化。在换包开始时，钢包中的热钢水在倾倒区与中间包中的剩余钢水进行混合，然后混合钢水向前流动，加热中间包的其余区域。随着时间的变化，中间包中的钢水温度趋于稳定，最后在浇铸结束时，由于钢包中的钢水变冷加上中间包耐材和表面的温度损失，钢水温度开始下降。

另外，在模拟时跟踪中间包不同位置的温度变化，包括“缓冲垫”箱内的位置、靠近塞棒和中间包出口的位置。在钢包打开后，中间包不同位置的温度和整体温度随浇铸时间的变化而变化，中间包整体温度达到最大值需要15分钟，然后中间包温度趋于稳定，一段时间后开始逐渐下降，下降的速率是由钢包和中间包的温度损失综合决定的。和混合阶段相比，稳定阶段的变化幅度相对较小。所以，最好是从稳定阶段获取数据来预测每一炉临近浇铸结束时的中间包钢水温度。CFD模拟的另一种思路是中间包内没有短路流，这对于温度均匀和非金属夹渣的去除都是有利的。除了CFD模拟外，也用被称作“Accumetrix”的温度连续测量装置进行实际的温度测量，以调查中间包的温度变化。

用于VTD的LMF出口温度——为了给出VTD脱气的钢包温度建议，应该考虑到真空脱气罐的温度损失，因为VTD没有加热能力。LMF钢包温度不能太高也不能太低。运用统计方法来找到VTD处理中合适的温度降。VTD工艺分为几个阶段：保持、真空处理、合金或后处理。每个阶段都要进行温度测量，获得每个阶段的温度损失率。这样，通过计算不同阶段的处理时间就可以估算VTD的温度降。VTD温度降的另一个重要因素是钢包服务时间，尤其是连续进行脱气处理的钢包。在钢包耐材中储存大量的热，会造成真空脱气后这些钢包中的钢水温度会比一般的钢包高5-10℃。通过跟踪钢包的服务条件和时间，构筑模型时要把这种情况的几个系数考虑进去。

模块离线测试--LMF模块要进行离线测试和精调。模块能够提供一个合理的钢包温度建议，以保证过热在中间包的目标过热范围之内。

VTD模块--如上所述，VTD模块的基本功能是在线跟踪VTD的钢水温度变化。热损失和氩搅拌速率的分析表明，热损失随着氩搅拌速率上升到一定程度而增加，而且真空条件对温度损失率有巨大的影响。

钢水温度损失率由于氩气流速和真空条件而随时间的变化发生变化，为了做出精确的预测，计算每5秒更新一次。在VTD处理过程中，合金添加的激冷效应文献数据也纳入模型中。预测时涉及的另一个系数是模型完成前进行的精调。使用这一工具，VTD操作员可以跟踪温度，为了实现过热控制，可以做出终止真空处理的判断。除了在线温度跟踪外，模型还可以用作离线故障检测，可以快速识别并纠正问题。

2.在线执行和结果

模型执行--模型的执行跨越LMF，VTD和连铸机。每个阶段，数据可以自动检索并输入模型中。模型完全不用手动操作，避免潜在的过失。所有有关的工艺数据，温度测量和模型预测均储存在数据库内，便于故障检测和将来的开发。

模型结果--从2012年7月SSAB Mobile就已经执行了完整的过热控制系统。模型执行后，熔炼车间过热符合指数大大提高，平均符合率超过90%，和过热不符合有关的操作问题大大减少。VTD的测量温度与模型预测温度相比，两者吻合性较好。在SSAB Mobile，使用这一模型，可以延长脱气炉次浇铸的连浇炉数，目前浇铸连浇炉数已经远超过5炉。

3.结论

在SSAB Mobile工厂，开发并实行了综合过热模型，用于钢包精炼、脱气和连铸过程中的温度控制和预测。模型由三个模块组成，给出直接去连铸机的钢水温度建议的模块、给出去连铸前脱气处理的钢水温度建议的模块和VTD处理过程中预测温度变化时对温度跟踪的模块。模型的应用已经使得生产率和平均连浇炉数的提高，而且，模型的应用使连铸机过热符合性增加，降低了由于过热过低或过高而导致浇铸速度变化的频率。