【摘要】介紹了全自動澆鋼技術(shù)在大圓坯連鑄機中的應(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，降低了勞動強度，同時也對提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用，該系統(tǒng)模仿人工開澆的過程，將整個澆鑄過程分為起步、啟動及正常澆鑄三個階段，將中間包液位控制、結(jié)晶器液位檢測、中間包塞棒控制、大包滑動水口系統(tǒng)全面聯(lián)系起來，實現(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)，實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動澆鑄。

1.前言

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

連連續(xù)鑄鋼法是20世紀50年代發(fā)展起來的一項新型鑄鋼技術(shù)，70年代以來得到迅速發(fā)展，并被世界各主要產(chǎn)鋼國家廣泛使用。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年達到30%左右。在開始的冶煉過程中，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，但隨著自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，目前的控制水平也越來越高，現(xiàn)在一級系統(tǒng)、二級系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，人們也正在逐步向三級、四級方向發(fā)展，這也體現(xiàn)了人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求、對市場的依賴也越來越高。

1.2 研究方法

本項目控制技術(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)等先進的自動化控制技術(shù)。

1.3 預(yù)期結(jié)果

特新區(qū)800mm大圓坯連鑄機全自動拉鋼控制系統(tǒng)，將用新工藝、新技術(shù)、新方法開展創(chuàng)新工作，使企業(yè)的設(shè)計自動化、生產(chǎn)過程自動化、設(shè)備智能化的水平有很大提高。在知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排、提升企業(yè)綜合競爭能力及經(jīng)濟與社會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)大圓坯連鑄機為五機五流結(jié)構(gòu)，主要設(shè)備包括升降式大包回轉(zhuǎn)臺、升降式中間包車、結(jié)晶器振動臺、拉矯機、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至大包回轉(zhuǎn)臺，通過大包回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動使大包旋轉(zhuǎn)到澆鑄位置后，通過滑動水口的作用，在大包長水口的引導(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結(jié)晶器中去。結(jié)晶器作為連鑄機的核心設(shè)備之一，在振動臺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，通過拉矯機的拉力，使得鑄坯沿著支撐輥出結(jié)晶器進入冷卻室，在冷卻室進一步噴淋冷卻，進入拉矯機，經(jīng)過脫引錠、定長切割形成鑄坯，送至冷床或者進入軋機軋制成才。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 建立了完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

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

①對于Profibus—DP和以太網(wǎng)通訊，所有超過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，也不影響整個系統(tǒng)的通訊。

③傳動系統(tǒng)的通訊采用了分組設(shè)計的方式，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，會造成停澆等重大事故，帶來巨大損失，同時，如果對一些安全條件得不到確認，還可能造成人身的傷害。為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，開發(fā)了故障診斷系統(tǒng)，并在HMI上進行故障報警。

故障診斷系統(tǒng)包括啟動條件判斷畫面、報警記錄畫面等，在故障診斷畫面中，設(shè)備的所有啟動條件都在HMI上進行了列舉，當滿足啟動條件時，HMI上的啟動條件顯示綠色的“√”，反之，當不具備啟動條件時，顯示紅色的“X”，方便操作人員和維護人員迅速查找故障點。當設(shè)備因某一條件而停止運行時，信號點會顯示為黃色，直到操作人員將其復(fù)位后，方可進行操作，否則會一直保持不滿足運行條件狀態(tài)。

2.2.3 拉速自動調(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 開澆時的自動調(diào)節(jié)拉速

在連鑄系統(tǒng)異地升級改造前，開澆的速度調(diào)節(jié)為全手動模式，澆鋼工靠觀察結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的變化根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)速，這種方式不利于操作的標準化，也不利于鋼坯質(zhì)量的穩(wěn)定。

起步拉速階段：該階段包括啟動階段及啟動完成保持階段。開澆后，大包開始向中間包內(nèi)注入鋼水，當中間包內(nèi)鋼水達到設(shè)定重量時，中間包開澆，待結(jié)晶器內(nèi)液位到達一定高度后，啟動拉矯機，進入起步階段，起步拉速數(shù)值為0.05m/min，當達到起步拉速后，以0.05m/min的拉速保持1分鐘，起步階段完成。

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

2.2.3.2 正常澆鑄時的拉速控制

在滿足連鑄機順利生產(chǎn)和保證不漏鋼的要求下，鑄坯凝固液長度L小于鑄機的冶金長度，出結(jié)晶器時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，根據(jù)中包連續(xù)測溫波動值可以對拉速適當優(yōu)化，進行調(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，因此根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，綜合考慮每個澆次的溫降情況等調(diào)節(jié)，根據(jù)建立的模型，最終確定的自動調(diào)節(jié)拉速方案為：

V=v0-f（△t）

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

2.3 工藝及技術(shù)參數(shù)

詳細分析了目前系統(tǒng)的工藝特點及要求，針對這些問題制定了縝密的控制方案。

2.3.1 中間包液位自動控制

中間包液位檢測采用稱重測量法，稱重傳感器將稱重信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號送入PLC，PLC根據(jù)中間包內(nèi)鋼水重量與設(shè)定重量進行實時比較，利用PID控制技術(shù)實時調(diào)節(jié)滑動水口的開度，使中間包內(nèi)鋼水穩(wěn)定在穩(wěn)定值。

2.3.2 結(jié)晶器液面自動控制

結(jié)晶器液面自動控制是實現(xiàn)自動開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，同時也能夠提高開澆成功率，增加連鑄比，為多爐連澆提供條件。

當鋼液進入中間包并達到預(yù)先的設(shè)定值以后，塞棒打開，進行澆鑄，在每步驟的時間內(nèi)，運動的塞棒快速達到指定位置。當液位到達連鑄機開澆需要的液位時，開始澆鑄。

3.結(jié)論

針對連鑄生產(chǎn)過程當中存在的工藝參數(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)。通過對結(jié)晶器液位的檢測，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中結(jié)晶器液位變化很小，完全滿足技術(shù)要求。

同時因為設(shè)計理念的先進性，現(xiàn)場出現(xiàn)的一些設(shè)備故障可以在生產(chǎn)過程中有效解決，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)省了故障處理的時間，提高了工作效率。