結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制在板坯連鑄的應(yīng)用分析

周林

摘要：結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制是板坯連鑄工藝運(yùn)行中的關(guān)鍵模塊，對(duì)板坯連鑄工藝運(yùn)行安全性、生產(chǎn)效率及質(zhì)量具有直接的影響?；诖?，文章以板坯連鑄中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制的原理為入手點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹了板坯連鑄中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制的應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)組成，并對(duì)板坯連鑄中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶器;鋼水;液位自動(dòng)控制;板坯連鑄

前言：板坯連鑄中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，可以保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位始終恒定，或按照一定規(guī)則均勻變化?，F(xiàn)階段通過(guò)控制塞棒升降高度調(diào)節(jié)流入板坯連鑄中結(jié)晶器鋼水流量的流量型液位自動(dòng)控制法應(yīng)用較為普遍，且已經(jīng)形成了較為成熟的理論體系。基于此，對(duì)流量型結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制法在板坯連鑄中的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

一、結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制在板坯連鑄的應(yīng)用原理

在板坯連鑄工藝運(yùn)行過(guò)程中，中間包內(nèi)部鋼水注入結(jié)晶器為澆鑄起始點(diǎn)，在進(jìn)入澆鑄環(huán)節(jié)后，結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位會(huì)隨著澆鑄速度的變化而變化。然而，板坯連鑄工藝要求結(jié)晶器內(nèi)鋼水始終保持液位的平衡穩(wěn)定。這種情況下，利用調(diào)節(jié)塞棒的方式調(diào)節(jié)浸入式水口的有效面積，可以在鋼水達(dá)到一定液位時(shí)啟動(dòng)板坯連鑄機(jī)器，根據(jù)結(jié)晶器液位設(shè)定值，進(jìn)行鋼水液位的自動(dòng)控制[1]。而在板坯連鑄機(jī)器停止運(yùn)行時(shí)，可以停止液位調(diào)節(jié)。特殊情況下，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)塞棒，實(shí)現(xiàn)板坯連鑄工藝的緊急制動(dòng)。

二、結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制在板坯連鑄的應(yīng)用

1、技術(shù)指標(biāo)及過(guò)程

板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制指標(biāo)主要包括液位控制范圍（距離結(jié)晶器上口80mm～160mm）、動(dòng)態(tài)液位控制精度（±10.0mm）及其他生產(chǎn)工藝要求的指標(biāo)。同時(shí)要求板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)澆、電動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)上下限液位報(bào)警及危急時(shí)刻應(yīng)急自動(dòng)處理。

板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括交流無(wú)刷永磁伺服控制系統(tǒng)、中間包塞棒開(kāi)啟機(jī)構(gòu)、單回路控制器、PLC、結(jié)晶器鋼水液位測(cè)量?jī)x及記錄儀等。其中中間包塞棒開(kāi)啟機(jī)構(gòu)主要用于進(jìn)行中間包流入結(jié)晶器鋼水流量的調(diào)節(jié)。即通過(guò)塞棒的上升、下降，對(duì)浸入式水口有效面積進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，由此達(dá)到調(diào)節(jié)流量的作用。在結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，塞棒系統(tǒng)主要以電氣（交流無(wú)刷永磁伺服控制系統(tǒng)）為驅(qū)動(dòng)源，變頻器為開(kāi)關(guān)速度主要調(diào)節(jié)裝置，電動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以控制塞棒的上升、下降動(dòng)作;單回路控制器主要是作為操作人員、工程師站點(diǎn)，執(zhí)行畫(huà)面監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)修改等任務(wù)，并對(duì)結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、維護(hù)[2]。單回路控制器主要配置IPC-660系列工控機(jī)及中文版Windows7專(zhuān)業(yè)版操作軟件、STEP10開(kāi)發(fā)軟件，配合監(jiān)控軟件WINCC，進(jìn)行過(guò)程組態(tài)、畫(huà)面開(kāi)發(fā)、程序編輯;PLC主要配置了SIEMENS的SIMATIC系列可編程控制器及CPU315-2DP，其中一DP口與單回路控制器相連，另一端與工業(yè)以太網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)中包鋼水溫度、鑄機(jī)拉速、設(shè)定液位、結(jié)晶器鋼水液位等數(shù)據(jù)交換;結(jié)晶器鋼水液位測(cè)量?jī)x及記錄儀主要采用Cs137放射源檢測(cè)法，包括接收器、放射源、分析儀表幾個(gè)部分，放射源、接收器分別位于結(jié)晶器兩側(cè)。放射源所發(fā)出的射線可以穿過(guò)結(jié)晶器銅壁、鋼水，被接收器接收。接收器可以根據(jù)射線強(qiáng)度，進(jìn)行鋼水液位計(jì)算。一般鋼水液位與穿越結(jié)晶器射線量成反比。

2、控制方案設(shè)計(jì)

板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、電動(dòng)控制幾種模式，每一種模式控制方案均不同。以電動(dòng)（或手動(dòng)）開(kāi)始澆鑄且結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位維持恒定后切換至自動(dòng)控制為例，操作者將切換開(kāi)關(guān)切換至自動(dòng)控制過(guò)程中，需要通過(guò)過(guò)程計(jì)算機(jī)，進(jìn)行鋼水液位值設(shè)置（一般經(jīng)PLC輸出至單回路控制器作為設(shè)定值）。此時(shí)，單回路控制器采樣“LADAR”板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位測(cè)量?jī)x及記錄儀所獲得的實(shí)際液位信號(hào)、輸出信號(hào)可分別作為反饋值、串級(jí)設(shè)定值。同時(shí)由光電編碼器輸出高頻率脈沖信號(hào)，經(jīng)PLC內(nèi)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為低頻率脈沖信號(hào)（代表中間包塞棒位置或流入結(jié)晶器內(nèi)鋼水量）、交流伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào)、反轉(zhuǎn)信號(hào)，被單回路控制器接收并進(jìn)行串級(jí)PI運(yùn)算[3]。運(yùn)算結(jié)果獲得后輸出給交流無(wú)刷永磁伺服控制系統(tǒng)，經(jīng)控制交流伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)速度、反轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行中間包塞棒的上升、下降控制，保證板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位恒定，且與過(guò)程計(jì)算機(jī)上設(shè)定液位值相同，

如在2018年09月15日澆鑄時(shí)，結(jié)晶器尺寸為75.0mm*550.0mm，保護(hù)渣為灰色S4LA，鋼種為A3，過(guò)程計(jì)算機(jī)設(shè)定液位值及記錄儀記錄速度分別為58mm（結(jié)晶器上口為零點(diǎn)）、每分鐘25mm，測(cè)量?jī)x設(shè)定響應(yīng)時(shí)間及鎖定時(shí)間、允許公差量程分別為150.0ms、1.5s、12.0mm、580mm。擬決定全部應(yīng)用電動(dòng)、手動(dòng)、自動(dòng)三種操作方式，從16點(diǎn)56分05秒開(kāi)始利用電動(dòng)起澆模式，2分50秒后拉速、液位恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，切換至自動(dòng)控制，澆鑄9分鐘后，由于大包澆鑄完畢且中間包鋼水液位逐步下降，切換至手動(dòng)控制并持續(xù)4分05秒后停止?jié)茶T。

3、控制方案實(shí)現(xiàn)及效果

在板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為了更好的減小結(jié)晶器鋼水液位干擾，可以采用串級(jí)PID控制的模式，串級(jí)PID控制包括主回路、副回路兩個(gè)回路，分別對(duì)應(yīng)主控制器、副控制器。相關(guān)人員可以主回路PID控制作為結(jié)晶器鋼水液面調(diào)節(jié)主要用手段，以結(jié)晶器鋼水液位目標(biāo)值、濾波后結(jié)晶器鋼水液位值分別作為PID調(diào)節(jié)設(shè)定值、PID調(diào)節(jié)反饋值。主要程序?yàn)椋篖 #PID_SP //PID 設(shè)定值、反饋值誤差計(jì)算;L #ST_PID _COEFF.KI //KI*R比例輸出、積分輸出;L #PID_PV //PID反饋值/前一周期反饋值;T #ST_D_OUT//微分輸出。

在板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)之后，將其投入某特種鋼鐵冶煉廠1#連鑄機(jī)中應(yīng)用。運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器中鑄造鋼坯加渣、包渣現(xiàn)象發(fā)生概率明顯減少，特種鋼鐵鑄造鋼坯質(zhì)量、鋼水收得率得到了有效提升。同時(shí)板坯連續(xù)鑄造工藝實(shí)施階段結(jié)晶器遺漏事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有效下降，保證了板坯連續(xù)鑄造工藝實(shí)施安全性。而板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)特有的自動(dòng)化管控模式及可視化操作界面，也可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器鋼水液位的數(shù)字化、遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，有效的減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作壓力[4]。

總結(jié)：

綜上所述，板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制系統(tǒng)利用了電動(dòng)缸交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置、串級(jí)PID控制方法，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送聯(lián)鎖控制信號(hào)，最大限度降低硬件連接量，故障點(diǎn)較少，且成本較低，可以保障板坯連鑄工藝中結(jié)晶器鋼水液位的穩(wěn)定，為板坯連鑄工藝實(shí)施提供強(qiáng)有力的保障。因此，相關(guān)人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)流量型鋼水液位自動(dòng)控制優(yōu)勢(shì)，陸續(xù)將流量型鋼水液位自動(dòng)控制技術(shù)推廣到其他設(shè)備中，切實(shí)提升板坯連鑄工藝運(yùn)行效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝基表， 王詩(shī)， 楊國(guó)明，等. 薄板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制原理與應(yīng)用[J]. 河北冶金， 2018，000（8）：25-30.

[2] 張開(kāi)天， 劉建華， 崔衡，等. 浸入式水口對(duì)結(jié)晶器鋼水流動(dòng)與液面波動(dòng)的影響[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 040（006）：697-702.

[3] 付鶴鳴， 鄭世辰. 運(yùn)用大數(shù)據(jù)及設(shè)備剖析提高結(jié)晶器鋼水液位檢測(cè)系統(tǒng)的控制精度[J]. 河北冶金， 2018， 000（011）：64-68.

[4] 高勇， 諶智勇， 孟保倉(cāng)，等. 包鋼大方坯連鑄結(jié)晶器液位穩(wěn)定性控制研究[J]. 包鋼科技， 2019， 045（003）：19-21.