全自動(dòng)澆鋼技術(shù)在萊鋼800mm大圓坯連鑄機(jī)中的研究與應(yīng)用

【摘要】介紹了全自動(dòng)澆鋼技術(shù)在大圓坯連鑄機(jī)中的應(yīng)用，指出了這一技術(shù)替代了操作人員完成澆鑄工作，提高了作業(yè)率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用，該系統(tǒng)模仿人工開(kāi)澆的過(guò)程，將整個(gè)澆鑄過(guò)程分為起步、啟動(dòng)及正常澆鑄三個(gè)階段，將中間包液位控制、結(jié)晶器液位檢測(cè)、中間包塞棒控制、大包滑動(dòng)水口系統(tǒng)全面聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制，從而將結(jié)晶器液面穩(wěn)定在10mm誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)澆鑄。

1.前言

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

連連續(xù)鑄鋼法是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型鑄鋼技術(shù)，70年代以來(lái)得到迅速發(fā)展，并被世界各主要產(chǎn)鋼國(guó)家廣泛使用。1970年世界鋼鐵工業(yè)連鑄比僅為6.2%，1975年上升到13.2%，1979年又增至24.1%，1980年達(dá)到30%左右。在開(kāi)始的冶煉過(guò)程中，由于控制系統(tǒng)比較落后，生產(chǎn)節(jié)奏比較緩慢，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量也非常差，但隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，目前的控制水平也越來(lái)越高，現(xiàn)在一級(jí)系統(tǒng)、二級(jí)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，人們也正在逐步向三級(jí)、四級(jí)方向發(fā)展，這也體現(xiàn)了人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求、對(duì)市場(chǎng)的依賴也越來(lái)越高。

1.2 研究方法

本項(xiàng)目控制技術(shù)涉及PLC控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、過(guò)程控制技術(shù)、監(jiān)控、在線儀表控制等，我們還在控制系統(tǒng)中采用了雙閉環(huán)PID控制技術(shù)等先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)。

1.3 預(yù)期結(jié)果

特新區(qū)800mm大圓坯連鑄機(jī)全自動(dòng)拉鋼控制系統(tǒng)，將用新工藝、新技術(shù)、新方法開(kāi)展創(chuàng)新工作，使企業(yè)的設(shè)計(jì)自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、設(shè)備智能化的水平有很大提高。在知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排、提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益等方面均能取得可喜的效果。

2.研發(fā)思路及技術(shù)方案制定

2.1 生產(chǎn)線主要概況

特新區(qū)大圓坯連鑄機(jī)為五機(jī)五流結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備包括升降式大包回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降式中間包車、結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)、拉矯機(jī)、電磁攪拌系統(tǒng)及輥道、火切系統(tǒng)組成。

其生產(chǎn)工藝流程為：將裝有鋼水的鋼包運(yùn)至大包回轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使大包旋轉(zhuǎn)到澆鑄位置后，通過(guò)滑動(dòng)水口的作用，在大包長(zhǎng)水口的引導(dǎo)下將鋼水注入中間包，中間包再由浸入式水口將鋼水分配到各個(gè)結(jié)晶器中去。結(jié)晶器作為連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一，在振動(dòng)臺(tái)的作用下使鑄坯與結(jié)晶器脫離，并在冷卻水的作用下使鋼水迅速冷卻成形并迅速凝固結(jié)晶，通過(guò)拉矯機(jī)的拉力，使得鑄坯沿著支撐輥出結(jié)晶器進(jìn)入冷卻室，在冷卻室進(jìn)一步噴淋冷卻，進(jìn)入拉矯機(jī)，經(jīng)過(guò)脫引錠、定長(zhǎng)切割形成鑄坯，送至冷床或者進(jìn)入軋機(jī)軋制成才。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 建立了完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

為保證整個(gè)工程的通訊質(zhì)量，在該項(xiàng)目中，采用了網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)及環(huán)網(wǎng)技術(shù)，并對(duì)距離較遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)采取了光纖通訊方式，具體如下：

①對(duì)于Profibus—DP和以太網(wǎng)通訊，所有超過(guò)50米的網(wǎng)絡(luò)均采用了光纖通訊方式，保證了通訊的質(zhì)量，杜絕了信號(hào)干擾的發(fā)生。

②以太網(wǎng)絡(luò)采用了以太環(huán)網(wǎng)通訊方式，即使中間發(fā)生斷路，也不影響整個(gè)系統(tǒng)的通訊。

③傳動(dòng)系統(tǒng)的通訊采用了分組設(shè)計(jì)的方式，即同一組設(shè)備掛靠在不同的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上，即使一條網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷路也不會(huì)影響到正常的生產(chǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.2 建立了完善的故障診斷系統(tǒng)

連鑄機(jī)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障而且處理不及時(shí)，會(huì)造成停澆等重大事故，帶來(lái)巨大損失，同時(shí)，如果對(duì)一些安全條件得不到確認(rèn)，還可能造成人身的傷害。為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，開(kāi)發(fā)了故障診斷系統(tǒng)，并在HMI上進(jìn)行故障報(bào)警。

故障診斷系統(tǒng)包括啟動(dòng)條件判斷畫面、報(bào)警記錄畫面等，在故障診斷畫面中，設(shè)備的所有啟動(dòng)條件都在HMI上進(jìn)行了列舉，當(dāng)滿足啟動(dòng)條件時(shí)，HMI上的啟動(dòng)條件顯示綠色的“√”，反之，當(dāng)不具備啟動(dòng)條件時(shí)，顯示紅色的“X”，方便操作人員和維護(hù)人員迅速查找故障點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備因某一條件而停止運(yùn)行時(shí)，信號(hào)點(diǎn)會(huì)顯示為黃色，直到操作人員將其復(fù)位后，方可進(jìn)行操作，否則會(huì)一直保持不滿足運(yùn)行條件狀態(tài)。

2.2.3 拉速自動(dòng)調(diào)節(jié)控制

正確控制拉速是確保順利澆鑄、充分發(fā)揮連鑄機(jī)生產(chǎn)能力、改善鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。拉速的提高受鋼水凝固速度的限制，特別是結(jié)晶器一次冷卻的限制，若拉速太快，會(huì)使晶器出口坯殼太薄，容易產(chǎn)生拉漏事故，拉坯速度受澆鑄的鋼種、鑄坯的斷面、中間包液面高度、鋼液溫度等影響。

2.2.3.1 開(kāi)澆時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)拉速

在連鑄系統(tǒng)異地升級(jí)改造前，開(kāi)澆的速度調(diào)節(jié)為全手動(dòng)模式，澆鋼工靠觀察結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的變化根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)速，這種方式不利于操作的標(biāo)準(zhǔn)化，也不利于鋼坯質(zhì)量的穩(wěn)定。

起步拉速階段：該階段包括啟動(dòng)階段及啟動(dòng)完成保持階段。開(kāi)澆后，大包開(kāi)始向中間包內(nèi)注入鋼水，當(dāng)中間包內(nèi)鋼水達(dá)到設(shè)定重量時(shí)，中間包開(kāi)澆，待結(jié)晶器內(nèi)液位到達(dá)一定高度后，啟動(dòng)拉矯機(jī)，進(jìn)入起步階段，起步拉速數(shù)值為0.05m/min，當(dāng)達(dá)到起步拉速后，以0.05m/min的拉速保持1分鐘，起步階段完成。

啟動(dòng)拉速階段：在第一階段（起步拉速階段）完成后，開(kāi)始加速增大拉速，拉速達(dá)到啟動(dòng)拉速的數(shù)值后，以啟動(dòng)拉速的速度保持一段時(shí)間，啟動(dòng)拉速階段完成。其中啟動(dòng)拉速的速度值、加速度及保持時(shí)間通過(guò)HMI設(shè)定，或者二級(jí)系統(tǒng)根據(jù)鋼種和澆鑄段面計(jì)算獲得，啟動(dòng)完成后，逐漸轉(zhuǎn)入正常澆鑄。

2.2.3.2 正常澆鑄時(shí)的拉速控制

在滿足連鑄機(jī)順利生產(chǎn)和保證不漏鋼的要求下，鑄坯凝固液長(zhǎng)度L小于鑄機(jī)的冶金長(zhǎng)度，出結(jié)晶器時(shí)的坯殼厚度大于安全厚度。并且在煉鋼——連鑄生產(chǎn)周期匹配時(shí)，根據(jù)中包連續(xù)測(cè)溫波動(dòng)值可以對(duì)拉速適當(dāng)優(yōu)化，進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)生產(chǎn)要求，連鑄盡量保持拉速穩(wěn)定，不應(yīng)作頻繁變動(dòng)，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝，綜合考慮每個(gè)澆次的溫降情況等調(diào)節(jié)，根據(jù)建立的模型，最終確定的自動(dòng)調(diào)節(jié)拉速方案為：

V=v0-f（△t）

式中，f（△t）是與過(guò)熱度相關(guān)的拉速調(diào)整函數(shù)；v0是過(guò)熱度25℃時(shí)的基準(zhǔn)拉速；△t是過(guò)熱度。

2.3 工藝及技術(shù)參數(shù)

詳細(xì)分析了目前系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)及要求，針對(duì)這些問(wèn)題制定了縝密的控制方案。

2.3.1 中間包液位自動(dòng)控制

中間包液位檢測(cè)采用稱重測(cè)量法，稱重傳感器將稱重信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)送入PLC，PLC根據(jù)中間包內(nèi)鋼水重量與設(shè)定重量進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，利用PID控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)滑動(dòng)水口的開(kāi)度，使中間包內(nèi)鋼水穩(wěn)定在穩(wěn)定值。

2.3.2 結(jié)晶器液面自動(dòng)控制

結(jié)晶器液面自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)澆控制不可缺少的環(huán)節(jié)，結(jié)晶器液面控制的好壞關(guān)系著能否獲得質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)連鑄坯，同時(shí)也能夠提高開(kāi)澆成功率，增加連鑄比，為多爐連澆提供條件。

當(dāng)鋼液進(jìn)入中間包并達(dá)到預(yù)先的設(shè)定值以后，塞棒打開(kāi)，進(jìn)行澆鑄，在每步驟的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的塞棒快速達(dá)到指定位置。當(dāng)液位到達(dá)連鑄機(jī)開(kāi)澆需要的液位時(shí)，開(kāi)始澆鑄。

3.結(jié)論

針對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中存在的工藝參數(shù)復(fù)雜、設(shè)備多、信息量大等綜合復(fù)雜性，該項(xiàng)目集成了多套系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)、通訊、控制，提出了利用雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)等控制技術(shù)。通過(guò)對(duì)結(jié)晶器液位的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器液位變化很小，完全滿足技術(shù)要求。

同時(shí)因?yàn)樵O(shè)計(jì)理念的先進(jìn)性，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的一些設(shè)備故障可以在生產(chǎn)過(guò)程中有效解決，豐富了HMI監(jiān)控系統(tǒng)，增加了故障判斷系統(tǒng)，一些故障可以直接從HMI上獲取，大大節(jié)省了故障處理的時(shí)間，提高了工作效率。