米進(jìn)周，王旭英，史 偉，高 琦，鐘立雯

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)作為國家的支柱性產(chǎn)業(yè)，根據(jù)國務(wù)院2015年5月發(fā)布并即將實(shí)施的《中國制造2025》，以及工信部2016年11月發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃(2016～2020年)》意味著工信部將大力推進(jìn)鋼鐵行業(yè)的自動(dòng)化和智能化[1-2]。連鑄生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展是冶煉高質(zhì)量鋼鐵的重要環(huán)節(jié)，而結(jié)晶器自動(dòng)開澆正是連鑄生產(chǎn)提高自動(dòng)化水平、提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器后，為了避免出現(xiàn)溢鋼現(xiàn)象，鋼水液面需始終低于結(jié)晶器口約70～100 mm。在鋼水澆鑄過程中，若鋼水液面產(chǎn)生較大波動(dòng)，則極有可能將渣子卷入，在鑄坯表面形成夾渣，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。若將鋼水液面波動(dòng)控制在±3 mm以內(nèi)，可以有效清除表面夾渣[3]。相對(duì)于人工開澆，自動(dòng)開澆控制技術(shù)可以很好的提高鑄機(jī)開澆成功率，縮短開澆過程的時(shí)間[4]。

中國重型機(jī)械研究院股份公司(中國重型院)自主研發(fā)的我國首個(gè)高精度結(jié)晶器液面控制技術(shù)先后成功應(yīng)用于湖南華菱漣源鋼鐵有限公司(華菱漣鋼)210轉(zhuǎn)爐廠1#連鑄機(jī)和廣西盛隆冶金有限公司的2#、3#板坯連鑄機(jī)。實(shí)現(xiàn)了鑄機(jī)結(jié)晶器開澆全自動(dòng)化、減少了漏鋼事故的發(fā)生，促進(jìn)了潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)[5]，對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)高品質(zhì)、無缺陷鑄坯起到關(guān)鍵作用，為實(shí)現(xiàn)連鑄“一鍵開澆”功能打下了良好的基礎(chǔ)。

1 板坯連鑄機(jī)概況及工藝參數(shù)

廣西盛隆某板坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)包晶鋼、中低碳非包晶鋼、中高碳鋼等鋼種。其基本工藝參數(shù)：

鑄坯厚度：230 mm

鑄坯寬度：1000～1650 mm

穩(wěn)定拉速：1.3 m/Min

扇形段數(shù)目：14

冶金長(zhǎng)度：34 m

結(jié)晶器長(zhǎng)度：900 mm

2 結(jié)晶器鋼水液位控制

結(jié)晶器自動(dòng)開澆控制系統(tǒng)包括結(jié)晶器鋼水液位控制和鑄機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)拉速兩個(gè)部分。結(jié)晶器鋼水液位控制由結(jié)晶器液面檢測(cè)和結(jié)晶器開澆控制構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)備組成架構(gòu)

2.1 結(jié)晶器液面檢測(cè)

目前，結(jié)晶器液位檢測(cè)形式主要有放射同位素法、電磁渦流法、浮子法、熱電偶法、紅外線法等[6-7]，該系統(tǒng)結(jié)晶器液面檢測(cè)選用VUHZ公司的埋入式電磁渦流液面?zhèn)鞲衅?。液面?zhèn)鞲衅鲃?lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)在鋼水和周圍的導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流，渦電流磁場(chǎng)的分布取決于結(jié)晶器里的實(shí)際鋼液高度，這個(gè)磁場(chǎng)在傳感器感應(yīng)線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓在計(jì)算單元中放大和數(shù)字化處理后通過模擬量接口和Prinet通訊傳送給液面控制PLC系統(tǒng)。

傳感器測(cè)量實(shí)際鋼液的高度，不受保護(hù)渣的影響，實(shí)際測(cè)量值與鋼種無關(guān)，傳感器采用雙探頭結(jié)構(gòu)。結(jié)晶器寬度方向上，距傳感器中心線兩側(cè)200 mm處各設(shè)置一個(gè)探頭，每個(gè)傳感器探頭測(cè)量軸線兩側(cè)±200 mm內(nèi)的液位，通常取兩個(gè)探頭測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為液面控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。這種“全局”液位測(cè)量極大的避免了局部半月形液位不穩(wěn)定的影響。傳感器液面高度測(cè)量范圍為結(jié)晶器頂部向下20～180 mm區(qū)間。

2.2 結(jié)晶器開澆控制

結(jié)晶器開澆控制包括液面控制和升速控制兩個(gè)部分。結(jié)晶器液面控制根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式不同分為液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)兩種方式，本項(xiàng)目采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)方式。液面控制配置了一套Siemens S7-1500 PLC控制站、1套Siemens S120 伺服驅(qū)動(dòng)器、1臺(tái)HMI監(jiān)控站以及1個(gè)機(jī)前操作箱。

PLC控制站負(fù)責(zé)完成實(shí)際液面、設(shè)備狀態(tài)等信號(hào)的采集；進(jìn)行液面控制和升拉速控制的邏輯運(yùn)算；邏輯運(yùn)算完成后輸出信號(hào)給現(xiàn)場(chǎng)顯示燈進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)顯示；與液面檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊獲取液面檢測(cè)儀工作狀態(tài)及參數(shù)；與連鑄機(jī)本體系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊獲取中間包狀態(tài)信息和鑄機(jī)狀態(tài)信息；將計(jì)算的升拉速設(shè)定參數(shù)傳送給連鑄機(jī)本體來控制鑄機(jī)拉矯機(jī)電機(jī)。

Siemens S120 伺服驅(qū)動(dòng)器通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸來控制塞棒位置從而控制中包流入結(jié)晶器的鋼水流量；讀取安裝在電動(dòng)缸電機(jī)后部的編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算轉(zhuǎn)換為塞棒實(shí)際位置后傳給PLC。

HMI監(jiān)控站用來監(jiān)控塞棒和液面狀態(tài)以及歷史報(bào)警、曲線等數(shù)據(jù)；進(jìn)行目標(biāo)液位等工藝參數(shù)的設(shè)定、進(jìn)行塞棒零位標(biāo)定和液位傳感器的標(biāo)定操作。

機(jī)前操作箱布置在中包附近，通過操作箱上的操作按鈕，操作人員可以進(jìn)行控制模式選擇、自動(dòng)開澆操作、塞棒位置手動(dòng)操作；同時(shí)通過操作箱上安裝的顯示燈可以觀察當(dāng)前操作狀態(tài)。

3 結(jié)晶器自動(dòng)開澆控制模式及功能

結(jié)晶器自動(dòng)開澆控制按照控制系統(tǒng)功能主要包括杠桿模式控制、手動(dòng)模式控制、液位自動(dòng)模式控制、自動(dòng)開澆模式控制、塞棒抖動(dòng)和調(diào)整渣線控制。另外還有系統(tǒng)標(biāo)定、報(bào)警、數(shù)據(jù)通訊以及系統(tǒng)操作與狀態(tài)監(jiān)控。

3.1 杠桿模式

杠桿模式是由操作人員手動(dòng)操作機(jī)械杠桿來調(diào)節(jié)塞棒位置，控制流入結(jié)晶器中的鋼水流量從而控制結(jié)晶器中鋼水液位，此模式在所有模式中優(yōu)先級(jí)最高，在任何緊急情況下，操作人員可以切換到杠桿模型進(jìn)行操作。

3.2 手動(dòng)模式控制

手動(dòng)模式是塞棒位置PID閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。手動(dòng)模式下，操作人員可以通過機(jī)旁操作箱上的“打開/關(guān)閉”旋鈕來控制塞棒位置的增減，從而控制結(jié)晶器中的鋼水液位。此模式一般在澆注前塞棒動(dòng)作測(cè)試時(shí)或者自動(dòng)開澆初期鋼水填充階段進(jìn)行人工干預(yù)使用。手動(dòng)控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 手動(dòng)控制邏輯圖

3.3 液面自動(dòng)模式控制

液位自動(dòng)控制由塞棒位置PID控制和液面PID控制兩個(gè)閉環(huán)組成，液位PID控制為外環(huán)，塞棒位置PID控制為內(nèi)環(huán)。自動(dòng)控制邏輯圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制邏輯圖

系統(tǒng)將結(jié)晶器液位檢測(cè)儀檢測(cè)的實(shí)際液位與設(shè)定目標(biāo)液位進(jìn)行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的塞棒位置量輸出，作為塞棒位置PID環(huán)的位置設(shè)定值，其與電動(dòng)缸電機(jī)后部安裝的編碼器反饋的塞棒實(shí)際位置比較后進(jìn)行塞棒位置PID運(yùn)算[8-9]。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)塞棒的位置控制鋼水流量完成液面PID閉環(huán)控制,從而保證結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的穩(wěn)定[10-11]。澆注過程中大部分工況應(yīng)用此模式。

澆注過程中出現(xiàn)拉坯速度變化時(shí)在液面PID控制輸入端引入拉速前饋來對(duì)液面進(jìn)行預(yù)控，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確度。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)澆注鑄坯斷面的不同自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)KP、Ki、Kd的在線自整定。此功能不僅保持了常規(guī)PID 控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、使用方便、控制精度好等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、整定性、控制精度更好[12]。

該系統(tǒng)在正常工況下普碳鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)控制在±2 mm,包晶鋼結(jié)晶器液面控制在±3 mm。包晶材的鋼種是碳含量0.07% ～0.16%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，此類鋼材易于在澆鑄的時(shí)候出現(xiàn)液面波動(dòng)的現(xiàn)象，究其原因主要是因?yàn)樵诎Х磻?yīng)的過程中，線收縮可達(dá)38%,結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼不均勻，帶液芯的鑄坯在出結(jié)晶器后發(fā)生鼓肚并被扇形段擠壓[13-15]。

系統(tǒng)可以通過兩種方式轉(zhuǎn)入“自動(dòng)模式”。一種是在結(jié)晶器實(shí)際液位到達(dá)自動(dòng)控制要求的范圍內(nèi)并且控制設(shè)備與檢測(cè)元器件工作正常時(shí)，操作人員將機(jī)前操作箱上的模式選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換至“自動(dòng)模式”；另一種是在自動(dòng)開澆過程中液位到達(dá)鑄機(jī)啟動(dòng)液位時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)投入液面自動(dòng)模式。

3.4 自動(dòng)開澆模式控制

自動(dòng)開澆功能完成初始的結(jié)晶器鋼水填充、液位自動(dòng)閉環(huán)控制和自動(dòng)開始升速拉坯的功能。由于在中包鋼水流入結(jié)晶器的初始階段，從液面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)范圍下限向下約320 mm范圍內(nèi)的鋼水并不能檢測(cè)到，此過程由開澆模型控制完成，模型計(jì)算合適的塞棒開口度來調(diào)節(jié)鋼水流量從而控制液面穩(wěn)步上升。高速的鋼液流股由水口側(cè)孔流出后撞擊結(jié)晶器窄面形成上回流和下回流，過強(qiáng)的上回流會(huì)加劇結(jié)晶器內(nèi)的上液面波動(dòng)從而引起結(jié)晶器內(nèi)鋼水的卷渣，同時(shí)下回流的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致氣泡和非金屬夾雜物隨流股進(jìn)入到結(jié)晶器內(nèi)更深的位置以至于難以去除，嚴(yán)重時(shí)高速鋼液流股沖擊結(jié)晶器窄面使得鑄坯初生凝固坯殼重熔導(dǎo)致漏鋼事故的發(fā)生[16]。鋼水流量不僅與塞棒開口度、中包鋼水重量、浸入式水口結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受鋼種、過熱度等參數(shù)影響，所以模型是參數(shù)可調(diào)的。自動(dòng)開澆的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)塞棒開口度控制中包流入結(jié)晶器中的鋼水量，使鋼水液位上升過程完全可控[17-18]?？偟脑瓌t是使得液面平穩(wěn)上升，在設(shè)定出苗時(shí)間范圍(本項(xiàng)目中根據(jù)鋼種和斷面不同在60～90 s范圍)內(nèi)鋼水液面到達(dá)啟動(dòng)鑄機(jī)的鋼水液面。具體過程如下：

澆鑄模式下，在機(jī)前操作箱上先將液面控制模式選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換至“自動(dòng)模式”，再按下“自動(dòng)開澆”按鈕，安裝在中包上的塞棒自動(dòng)打開，啟動(dòng)了結(jié)晶器鋼水填充過程，開澆模型將鋼水填充過程分為多個(gè)階段，每個(gè)階段的塞棒的開口度和保持時(shí)間按照工藝預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)執(zhí)行，在此過程中操作人員可以根據(jù)實(shí)際觀察的結(jié)晶器液面，通過機(jī)旁操作箱上的塞棒“打開/關(guān)閉”旋鈕實(shí)時(shí)修正塞棒開口度，以保證開澆過程的穩(wěn)定。當(dāng)在設(shè)定的出苗時(shí)間范圍內(nèi)，液面到達(dá)鑄機(jī)啟動(dòng)液位時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入液面自動(dòng)閉環(huán)模式。同時(shí)，鑄機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，拉速按照設(shè)定曲線逐步上升到澆鋼目標(biāo)拉速，至此自動(dòng)開澆功能完成。

開澆液面上升過程示意如圖4所示，其中，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)為結(jié)晶器高度H。t0～t5為工藝設(shè)定塞棒每個(gè)階段保持一定開口度的時(shí)間點(diǎn)，t6為到達(dá)工作液面的時(shí)間；開澆升拉速過程示意圖如圖5所示，其中，橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)為拉坯速度V。t0～t5為工藝設(shè)定拉速每個(gè)階段拉速值發(fā)生變化的時(shí)間點(diǎn)。

圖4 開澆液面上升過程示意圖

圖5 開澆升拉速過程示意圖

3.5 塞棒抖動(dòng)功能

當(dāng)澆注鋁鎮(zhèn)靜鋼等含Al元素高的鋼種時(shí)，在用鋁或鋁合金脫氧時(shí)或者保護(hù)澆注不完善而使鋼水中鋁的二次氧化產(chǎn)生Al2O3，Al2O3絮積在浸入式水口碗部或者塞棒頭部形成“結(jié)瘤”，導(dǎo)致開澆鋼流小[19],通過塞棒開口處的鋼水流量不穩(wěn)定，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了塞棒抖動(dòng)功能，在液面PID控制中的塞棒位置設(shè)定值上附加具有一定頻率和較大振幅的塞棒調(diào)節(jié)量，產(chǎn)生“抖動(dòng)”效果，將粘結(jié)結(jié)瘤抖落。

3.6 調(diào)整渣線控制

浸入式水口由于浸在鋼水中，受到高溫鋼水的侵蝕和沖刷，結(jié)晶器鋼水液面固定，水口的渣線也就固定在一個(gè)位置，造成水口極易損壞，壽命很短。為提高水口壽命，在連鑄生產(chǎn)中需要不斷調(diào)整渣線，使水口均勻腐蝕。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在液面PID控制目標(biāo)液位的基礎(chǔ)上，附加按照設(shè)定幅值和頻率變化的正弦曲線液位值，使結(jié)晶器鋼水液面隨著預(yù)期的方式方向進(jìn)行控制，使水口的渣線不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間固定在一個(gè)位置，從而延長(zhǎng)水口的壽命[20]。

4 結(jié)束語

連鑄裝備電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)式結(jié)晶器自動(dòng)開澆控制系統(tǒng)在某鋼鐵廠板坯連鑄生產(chǎn)線上進(jìn)行了應(yīng)用，在正常工況下普碳鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)控制在±2 mm,包晶鋼結(jié)晶器液面控制在±3 mm，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，自動(dòng)開澆過程控制精確，控制靈活性高，可以適應(yīng)多種異常工況。其提高了鑄機(jī)開澆成功率，縮短開澆過程的使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鑄機(jī)結(jié)晶器開澆全自動(dòng)化、減少了漏鋼事故的發(fā)生，對(duì)連鑄機(jī)生產(chǎn)高品質(zhì)、無缺陷鑄坯起到關(guān)鍵作用，為實(shí)現(xiàn)連鑄“一鍵開澆”功能打下了良好的基礎(chǔ)。