宮江容 韓麗敏 宋新虎

（1：北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司 北京100043；2：北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心 北京100043）

1 前言

現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)，為了有效地防止鋼水二次氧化，鋼液從鋼包→中間包→結(jié)晶器基本都采用全部保護(hù)澆注。鋼包長(zhǎng)水口操作、中間包水口操控、中間包覆蓋劑添加及測(cè)溫取樣等操作均由工人現(xiàn)場(chǎng)完成，工作環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)，而且人工操作存在一定差異性，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)的穩(wěn)定性。過(guò)去受限于冶金行業(yè)高溫、高粉塵、高污染的工況，冶金機(jī)器人發(fā)展緩慢，近年來(lái)技術(shù)不斷革新，已經(jīng)有所突破，機(jī)器人開(kāi)始出現(xiàn)在煉鋼廠的各種場(chǎng)合［1－3］。2013年機(jī)器人澆鑄首次在韓國(guó)現(xiàn)代鋼鐵的板坯連鑄機(jī)上投入使用，至今已有20余臺(tái)成功應(yīng)用案例，板坯連鑄機(jī)機(jī)器人澆鑄技術(shù)日趨成熟，但在國(guó)內(nèi)還處于起步階段。2019年首鋼遷鋼決定與維蘇威（維蘇威高級(jí)陶瓷有限公司）合作，首先在二煉鋼廠3＃板坯連鑄機(jī)上實(shí)施澆鑄無(wú)人化改造，進(jìn)而全面推廣，在連鑄生產(chǎn)技術(shù)水平、質(zhì)量、品種和能力等方面在搶占先機(jī)，全面發(fā)揮數(shù)字化轉(zhuǎn)型示范引領(lǐng)作用。

2 3＃板坯連鑄機(jī)現(xiàn)狀

遷鋼煉鋼作業(yè)部二煉鋼廠現(xiàn)有3＃、4＃兩臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)，投產(chǎn)于2009年，引進(jìn)的奧鋼聯(lián)技術(shù)，其中3＃連鑄機(jī)設(shè)計(jì)年產(chǎn)能180萬(wàn)噸。改造前澆注操作包括鋼包澆注、中間包澆注、主控室操作三部分，其中鋼包澆注、中間包澆注均由人工現(xiàn)場(chǎng)控制操作，每班需要4名操作工人來(lái)完成。澆注區(qū)域的主要參數(shù)如下：

鑄機(jī)流數(shù)：2；

流間距：6500mm；

澆注斷面：230mm×（750～1600）mm；

鋼包水口機(jī)構(gòu)：LV12T5；

下渣檢測(cè)：電磁線圈式；

鋼包長(zhǎng)水口更換及夾持：長(zhǎng)水口機(jī)械手，雙中間包車上各一個(gè)，一用一備；

長(zhǎng)水口機(jī)械手形式：4軸運(yùn)動(dòng)功能，升降為液壓缸驅(qū)動(dòng)，其他人力驅(qū)動(dòng)；

中間包水口機(jī)構(gòu)：SEM 2085；

中間包水口更換及夾持：人工裝入／移出水口，水口機(jī)構(gòu)實(shí)施更換并夾持；

鋼包轉(zhuǎn)臺(tái)：蝶式，升降行程800mm；

中間包車：半門式，升降行程600mm；

澆注方式：全保護(hù)澆注，鋼包下水口＋鋼包長(zhǎng)水口＋浸入式中間包水口，中間包帶蓋澆注；

上引錠桿方式：上裝式，引錠桿車喂入。

3 改造內(nèi)容

維蘇威的連鑄技術(shù)RCT（robotic casting technology）包括鋼包澆注RCT-LP（Robotic Casting Technology for Ladle Platform）和中間包澆注RCTCF（Robotic Casting Technology for Casting Floor）兩部分［4］。通過(guò)使用與機(jī)器人相匹配的水口機(jī)構(gòu)及耐材，利用4個(gè)德國(guó)KUKA公司的鑄造機(jī)器人完成所有澆注操作。操作人員通過(guò)HMI（Human Machine Interface）啟動(dòng)功能后，機(jī)器人在自動(dòng)定位和識(shí)別系統(tǒng)及視覺(jué)系統(tǒng)的輔助下按照設(shè)定的程序完成預(yù)先定義的功能和動(dòng)作［5］。機(jī)器人性能參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 RCT技術(shù)機(jī)器人參數(shù)表

為了應(yīng)對(duì)澆鑄環(huán)境（如飛濺的鋼水，熱輻射和灰塵等），機(jī)器人通體包裹特殊的鋁防護(hù)服。

3.1 RCT-LP技術(shù)應(yīng)用

3.1.1 新型LTC系列鋼包水口機(jī)構(gòu)

LTC系列水口機(jī)構(gòu)是與RCT-LP技術(shù)相匹配的鋼包水口機(jī)構(gòu)，和以往傳統(tǒng)的鋼包水口機(jī)構(gòu)，如LV12T5相比，除了帶有鋼包下水口外，機(jī)構(gòu)還帶有一個(gè)整體式長(zhǎng)水口。如圖3所示，傳統(tǒng)的鋼包水口機(jī)構(gòu)只需要一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)活動(dòng)耐材板即可，而LTC系列水口機(jī)構(gòu)需要有兩個(gè)液壓缸?？鞊Q液壓缸驅(qū)動(dòng)鋼包下水口和整體式長(zhǎng)水口切換，控流液壓缸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)耐材板調(diào)整水口開(kāi)度及快速切斷。正常澆鑄時(shí)使用整體式長(zhǎng)水口，鋼包下水口用于非正常開(kāi)澆時(shí)燒氧引流或機(jī)器人故障時(shí)與普通長(zhǎng)水口配合澆鑄。LTC系列水口機(jī)構(gòu)最大優(yōu)勢(shì)在于機(jī)構(gòu)本身能更換、夾持鋼包長(zhǎng)水口，機(jī)器人只需將整體式長(zhǎng)水口裝入LTC和從LTC上取走，并不需要長(zhǎng)期占用一個(gè)機(jī)器人，也杜絕了因長(zhǎng)水口機(jī)械手夾持長(zhǎng)水口時(shí)與鋼包隨動(dòng)性不好導(dǎo)致的漏鋼現(xiàn)象。

與LV12T5相比，LTC系列鋼包水口機(jī)構(gòu)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

圖1 鋼包水口機(jī)構(gòu)LV12T5與LTC23比較

（1）板式滑動(dòng)連接，通過(guò)惰性氣體保護(hù)，改善鋼包和中包間的密封（減少空氣和氮?dú)獾奈耄?，更好地保護(hù)鋼水的質(zhì)量；

（2）整體長(zhǎng)水口的夾緊裝置保證了安全可靠地浸入式開(kāi)澆，鋼包和中間包之間沒(méi)有剛性的連接，確保在緊急情況下回轉(zhuǎn)臺(tái)自由轉(zhuǎn)出；

（3）雙水口安裝，在不自開(kāi)的情況下無(wú)需取下鋼包長(zhǎng)水口，可以快速切換為鋼包下水口進(jìn)行燒氧操作，縮短不自開(kāi)時(shí)敞開(kāi)澆鑄的時(shí)間；

（4）可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水口的機(jī)器人快換；

此次改造，將采用LTC23鋼包水口機(jī)構(gòu)。新機(jī)構(gòu)的安裝基準(zhǔn)板與LV12T5機(jī)構(gòu)相同，直接更換即可。但LTC23整體外形偏大，液壓缸行程也大，會(huì)與鋼包底部的筋板干涉，需要修改鋼包。

3.1.2 RCT-LP設(shè)備布置及操作功能

在RCT-LP技術(shù)中，一臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)在鋼包操作平臺(tái)上需要配備2個(gè)機(jī)器人，使用專用工具與其附屬設(shè)施配合，可以完成鋼包長(zhǎng)水口裝／卸、添加中間包覆蓋劑、中間包鋼液測(cè)溫／取樣、定氧、定氫、鋼液取樣、鋼包水口燒氧引流及長(zhǎng)水口吹掃等工藝操作。

圖2為3＃連鑄機(jī)的RCT-LP設(shè)備布置圖，KR480機(jī)器人負(fù)責(zé)鋼包長(zhǎng)水口裝卸及5流側(cè)中間包覆蓋劑的添加；KR270機(jī)器人負(fù)責(zé)測(cè)溫／取樣、定氧、定氫、鋼液取樣、水口燒氧及6流側(cè)中間包覆蓋劑的添加；鋼包長(zhǎng)水口的氧氣吹掃由兩個(gè)機(jī)器人合作完成。各種典型工藝操作路徑及操作周期詳見(jiàn)表2。

表2 RCT-LP機(jī)器人典型操作及操作周期

圖2 RCT-LP設(shè)備布置圖

鋼包平臺(tái)澆鑄位的兩側(cè)布置有電氣室及鋼包操作室，機(jī)器人控制柜及I／O柜放置在電氣室內(nèi)，機(jī)器人操控在鋼包操作室內(nèi)。RCT-LP技術(shù)的機(jī)器人PLC需要與連鑄PLC就鋼包、中間包相關(guān)的信息進(jìn)行通訊，并連鎖控制。在事故緊急情況下，在鋼包及中間包離開(kāi)澆鑄位置的同時(shí)，連鑄機(jī)PLC也會(huì)給機(jī)器人PLC發(fā)出“緊急信號(hào)”，機(jī)器人立刻回到其原始位置。

RCT-LP技術(shù)與傳統(tǒng)人工操作相比，具有下列有點(diǎn)：

（1）安全性提高：操作人員不需要再靠近液態(tài)鋼水；LTC夾持長(zhǎng)水口澆鑄，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在緊急狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)出不會(huì)損壞鄰近設(shè)備。

（2）效率的提升：開(kāi)澆程序快速、標(biāo)準(zhǔn)化，開(kāi)澆時(shí)可快速添加覆蓋劑；長(zhǎng)水口安裝操作（安裝，取下，吹掃和檢查）也是快速、安全和標(biāo)準(zhǔn)化的。

（3）一致性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高：可以更好實(shí)現(xiàn)連鑄操作的一致性和準(zhǔn)確性；測(cè)溫取樣位置的確定性和重復(fù)性；通過(guò)自動(dòng)記錄澆鑄工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性。

3.2 RCT-CF技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 新型中間包水口機(jī)構(gòu)SEM（Shroud Exchange Mechanism）3085

遷鋼3＃連鑄機(jī)中包現(xiàn)配套SEM2085中間包水口機(jī)構(gòu)，MTSP（浸入式水口）快換的過(guò)程中需旋轉(zhuǎn)液壓缸，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快換水口。因此需更換為維蘇威最新一代具備安裝整體水口功能的SEM3085，以配套實(shí)施機(jī)器人澆鑄。如圖3所示，兩者明顯的區(qū)別在于快換液壓缸安裝位置不同，SEM3085的液壓缸中心錯(cuò)開(kāi)了水口機(jī)構(gòu)中心，更換MTSP時(shí)無(wú)需拆裝或旋轉(zhuǎn)液壓缸，具備了機(jī)器人快換水口的條件。結(jié)晶器的正上方?jīng)]有了液壓缸，更便于觀察結(jié)晶器液面。

圖3 SEM2085與SEM3085比較

與SEM2085相比，SEM3085機(jī)構(gòu)還對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及耐材進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）優(yōu)化MTSP接觸壓力分布，改善密封效果；改進(jìn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部密封氬氣連接方式，減少空氣吸入。

（2）MTSP上板面延長(zhǎng)出盲板區(qū)域，在水口快換時(shí)也可關(guān)閉鋼流，避免快換水口的過(guò)程中出現(xiàn)的惡性漏鋼事故，安全性增強(qiáng)，并省去了單獨(dú)的盲板。

（3）堅(jiān)固的設(shè)計(jì)適合于長(zhǎng)澆次。

（4）改進(jìn)了耐材的安裝，方便MTSP快速準(zhǔn)確的定位；快換時(shí)兩個(gè)MTSP之間無(wú)縫對(duì)接，避免快換過(guò)程中夾鋼或劃傷板面。

澆鑄結(jié)晶器寬度大于900mm斷面，SEM 3085執(zhí)行水口快換時(shí)，不需提升中間包，也不需停止?jié)茶T。

SEM 3085與SEM2085的安裝底板不能互換，因此需要更換現(xiàn)有中間包底部安裝板。液壓缸改為有快換和關(guān)閉鋼流雙行程控制，其控制閥臺(tái)也需要更換。

3.2.2 RCT-CF設(shè)備布置及操作功能

在RCT-CF技術(shù)中，一臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)在澆鑄平臺(tái)配備2個(gè)機(jī)器人及相應(yīng)的附屬設(shè)施，每流一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)第七軸上的6軸機(jī)器人及其附屬設(shè)施，如圖4所示。旋轉(zhuǎn)第7軸可以幫助機(jī)器人到達(dá)澆鑄平臺(tái)和結(jié)晶器上方的執(zhí)行區(qū)域并完成所有必要的操作。在上引錠桿期間，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)回待機(jī)位，保證引錠桿車逆著澆鑄方向運(yùn)行到結(jié)晶器附近。澆鑄開(kāi)始后，機(jī)器人可以?shī)A持MTSP在水口存放架、水口烘烤裝置、SEM3085及廢棄水口收集箱之間運(yùn)動(dòng)，完成MTSP預(yù)熱及更換操作，機(jī)器人的典型操作及操作時(shí)間見(jiàn)表3。

圖4 單流RCT-CF布置圖

表3 RCT-CF機(jī)器人典型操作及操作時(shí)間

機(jī)器人控制柜及I／O柜放置在鋼包操作平臺(tái)上電氣室內(nèi)，機(jī)器人操控在鋼包操作室內(nèi)，澆鑄平臺(tái)也設(shè)有HMI。RCT-CF技術(shù)的機(jī)器人PLC也需要與連鑄PLC就鋼包、中間包相關(guān)的信息進(jìn)行通訊，并連鎖控制。在事故緊急情況下，連鑄機(jī)PLC也會(huì)給機(jī)器人PLC發(fā)出“緊急信號(hào)”，機(jī)器人立刻回到其原始位置。

RCT-CF技術(shù)的應(yīng)用，明顯優(yōu)勢(shì)在于：

（1）安全性提高：操作人員不必靠近液態(tài)鋼水，也不會(huì)暴露在高溫的水口前人工操作沉重的水口。

（2）效率的提升：水口快換過(guò)程更快，結(jié)晶器液位波動(dòng)小，且兩流可同時(shí)進(jìn)行水口快換；

（3）一致性、標(biāo)準(zhǔn)化程度提高：標(biāo)準(zhǔn)化操作保證水口導(dǎo)入和移出結(jié)晶器準(zhǔn)確，無(wú)飛濺，無(wú)撞擊；保證水口烘烤的穩(wěn)定性；通過(guò)自動(dòng)記錄澆鑄工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性。

3.3 RCT技術(shù)相關(guān)設(shè)施改造

基于上述維蘇威RCT技術(shù)要求，3＃連鑄機(jī)需要實(shí)施改造的內(nèi)容如下：

（1）更換鋼包水口機(jī)構(gòu)LV12T5為L(zhǎng)TC23，相應(yīng)維修間修改；

（2）鋼包轉(zhuǎn)臺(tái)增加液壓、氬氣、風(fēng)冷介質(zhì)管路，旋轉(zhuǎn)接頭通路增加；

（3）根據(jù)LTC23安裝拆卸需要及機(jī)器人運(yùn)行軌跡要求修改鋼包底部筋板及支撐圈；

（4）鋼包操作平臺(tái)改造，增加RCT-LP機(jī)器人及附屬設(shè)施基礎(chǔ)；

（5）中間包蓋改造，根據(jù)機(jī)器人動(dòng)作軌跡增加覆蓋劑添加孔，并增加包蓋相對(duì)中間包的定位機(jī)構(gòu)；

（6）中間包車的停車控制改造，保證精度±50mm；

（7）更換中間包水口機(jī)構(gòu)SEM2085為SEM3085，相應(yīng)維修間修改。

（8）中間包車改造，車上介質(zhì)管路及控制閥箱移位、替換；

（9）鋼包操作平臺(tái)改造，增加RCT-LP機(jī)器人及附屬設(shè)施基礎(chǔ)；

（10）增加RCT所需各種介質(zhì)管路。

4 注意事項(xiàng)

4.1 生產(chǎn)銜接

遷鋼二煉鋼廠有3＃、4＃二臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)，先期實(shí)施無(wú)人化澆鑄的只是3＃鑄機(jī)。而且全部的鋼包及中間包滑動(dòng)水口更換不可能同時(shí)完成，為了保證不影響生產(chǎn)，必須注意鋼包及中間包水口機(jī)構(gòu)改造過(guò)程中新舊設(shè)備銜接：

（1）LTC23的鋼包下水口與現(xiàn)有的鋼包下水口相同，4＃機(jī)生產(chǎn)及3＃機(jī)在改造過(guò)渡期都可利用既有鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手夾持長(zhǎng)水口進(jìn)行正常澆鑄，這樣有利于利用生產(chǎn)間隙對(duì)鋼包進(jìn)行分批改造。即便在RCT實(shí)施后，當(dāng)機(jī)器人故障時(shí)，利用既有的長(zhǎng)水口機(jī)械手也能維持生產(chǎn)。

（2）改造期間需保留既有的手動(dòng)水口快換操作和其他的手動(dòng)操作作為備用，以確保在熱試期間能在手動(dòng)操作與自動(dòng)操作之間平穩(wěn)過(guò)渡。

（3）在3＃機(jī)改造的同時(shí)，也應(yīng)對(duì)4＃機(jī)所屬的鋼包轉(zhuǎn)臺(tái)、中間包車等與新的水口機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，保證4＃機(jī)能正常生產(chǎn)。

（4）在LTC23和SEM3085投入使用前，必須先完成相關(guān)的維修區(qū)改造。

4.2 鋼包操作平臺(tái)改造

鋼包操作平臺(tái)功能發(fā)生變化，做為RCT-LP機(jī)器人的安裝基礎(chǔ)平臺(tái)，改造時(shí)需注意如下問(wèn)題：

（1）平臺(tái)載荷增加，設(shè)備基礎(chǔ)對(duì)變形要求嚴(yán)格，其中機(jī)器人基礎(chǔ)處撓變量要求小于±5mm，因此必須加固；

（2）為滿足機(jī)器人操作要求，鋼包操作平臺(tái)加寬時(shí)，靠近中間包側(cè)必須保證平臺(tái)底部與中間包車的間隙，不影響中間包車走行；遠(yuǎn)離中間包側(cè)需考慮扇形段的檢修吊裝（配有扇形段更換專用機(jī)械手的除外），加寬部分應(yīng)為可拆卸活平臺(tái)；

（3）鋼包操作平臺(tái)加固后，平臺(tái)底部應(yīng)不影響引錠桿車的出入，并能保證中間包澆鑄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。

5 結(jié)論

隨著信息化與工業(yè)化不斷融合，通過(guò)數(shù)據(jù)的采集分析可使機(jī)器人與連鑄工藝有機(jī)的結(jié)合到一起。通過(guò)機(jī)器人替代“人”進(jìn)行鋼包澆鑄、中間包澆鑄，必將大大提高3＃板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，降低生產(chǎn)成本，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。