陳 剛，郭慶華，郭 鵬

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠)

前言

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，控制智能化、操作自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)中。傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)處于高溫、高粉塵、高噪音、高勞動(dòng)強(qiáng)度等情況。為提高生產(chǎn)效率、保障安全生產(chǎn)，一些鋼鐵企業(yè)引入工業(yè)機(jī)器人來(lái)代替人工作業(yè)，逐步消除“3D”崗位。

八鋼二煉鋼四臺(tái)板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器加保護(hù)渣原采用人工操作。在實(shí)際生產(chǎn)中，加保護(hù)渣需要做到 “少加、勤加、均勻覆蓋”。依靠人工手動(dòng)加渣，一個(gè)生產(chǎn)班(8小時(shí))需要加入近兩噸的保護(hù)渣，勞動(dòng)強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 加渣的均勻性、穩(wěn)定性很難得到有效控制，水口注流是否偏流、兩側(cè)保護(hù)渣消耗量是否一致也無(wú)法控制。

近年來(lái)，八鋼公司大力推行智慧制造，煉鋼板坯連鑄引入了結(jié)晶器保護(hù)渣機(jī)器人加渣系統(tǒng)，應(yīng)用于生產(chǎn)中并取得顯著效果。

1 結(jié)晶器保護(hù)渣的作用

結(jié)晶器是連鑄機(jī)設(shè)備的心臟，結(jié)晶器保護(hù)渣的潤(rùn)滑在連鑄安全生產(chǎn)中起到關(guān)鍵作用。通過(guò)不斷向結(jié)晶器內(nèi)的鋼液面均勻推入保護(hù)渣，使其受熱熔化后鋪展于鋼液面上形成穩(wěn)定的液態(tài)渣池，液態(tài)渣不斷流入結(jié)晶器銅壁與初生坯殼的間隙中，從而起到絕熱保溫、隔絕空氣防止鋼液二次氧化、潤(rùn)滑鑄坯、減少鑄坯粘結(jié)漏鋼、改善結(jié)晶器傳熱等作用。 連鑄工序的順行和鑄坯質(zhì)量的提高與保護(hù)渣的作用密切相關(guān)。

2 自動(dòng)加渣系統(tǒng)簡(jiǎn)述

2.1 工作原理

八鋼板坯連鑄引進(jìn)機(jī)械人自動(dòng)加渣系統(tǒng)，其工作原理：置于高位的料倉(cāng)中的保護(hù)渣通過(guò)重力自由落入加渣管道內(nèi)，真空輸送機(jī)通過(guò)產(chǎn)生負(fù)壓力，使進(jìn)入管道的保護(hù)渣能一直定量抽入到加渣料倉(cāng)。 當(dāng)系統(tǒng)的 PLC 接收到啟動(dòng)指令時(shí)，通過(guò)人工確認(rèn)，系統(tǒng)投入使用，發(fā)出安全測(cè)檢測(cè)信號(hào)到安全檢測(cè)裝置(報(bào)警器報(bào)警)，移動(dòng)裝置將機(jī)器人移動(dòng)至工作位置。機(jī)器手自動(dòng)加渣系統(tǒng)軟件將根據(jù)操作工從人機(jī)界面選取(或二級(jí)傳送)的澆鑄斷面尺寸、拉速、鋼種和加渣量信息系統(tǒng)軟件將各數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出下次加渣的時(shí)間和加渣量，并將指令發(fā)送到 PLC。機(jī)器人按照指令要求移動(dòng)到工作位置進(jìn)行定量加渣，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋式彈性定量加渣裝置與氣動(dòng)加渣裝置結(jié)合，機(jī)器人將加渣裝置按預(yù)設(shè)的軌跡將保護(hù)渣均勻的加入到結(jié)晶器內(nèi)，以達(dá)到自動(dòng)加保護(hù)渣的目的。加渣完成后，機(jī)器人由移動(dòng)小車(chē)退回到安全位置，等待下一輪加渣。 加渣機(jī)器人自動(dòng)控制原理見(jiàn)圖1。

機(jī)械手自動(dòng)加渣系統(tǒng)以PLC為控制中心，接收觸摸屏指令、面板按鈕操作等，與鑄機(jī)PLC通訊采集必要的信息，與機(jī)器人控制器通信實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的動(dòng)作控制，完成按需自動(dòng)加渣的全過(guò)程。通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)加渣平臺(tái)小車(chē)在待機(jī)位與加渣位之間運(yùn)動(dòng)的精確定位。軟件根據(jù)采集的人機(jī)界面輸入信息計(jì)算出加渣區(qū)域及加渣量。

2.2 加渣系統(tǒng)組成

機(jī)械手自動(dòng)加渣裝置主要組成：機(jī)器人系統(tǒng)、行走裝置、 總控系統(tǒng)和保護(hù)渣存送裝置等，見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)加渣系統(tǒng)組成框圖

2.3 保護(hù)渣存送裝置包括儲(chǔ)料料倉(cāng)、加渣裝置

儲(chǔ)料料倉(cāng)由投渣料倉(cāng)及抽渣料倉(cāng)組成，如圖3。

圖3 投渣料倉(cāng)和加渣料倉(cāng)

加渣時(shí)打開(kāi)投渣料倉(cāng)的料倉(cāng)蓋，用行車(chē)將保護(hù)渣吊至開(kāi)口處，人工劃開(kāi)渣袋使渣子流入料倉(cāng)，料倉(cāng)的下端安裝有控制蝶閥，依靠控制蝶閥的開(kāi)閉來(lái)控制下渣 ，然后通過(guò)真空輸送機(jī)將保護(hù)渣輸送至抽渣料倉(cāng)。 抽渣料倉(cāng)上方安裝真空輸送機(jī)，保護(hù)渣落入抽渣料倉(cāng)后，由電動(dòng)蝶閥控制下渣。切換保護(hù)渣時(shí)，排渣口氣缸動(dòng)作，打開(kāi)插板閥，余渣靠重力排空，稱(chēng)重傳感器感應(yīng)到保護(hù)渣排空后，打開(kāi)對(duì)應(yīng)保護(hù)渣投渣料倉(cāng)閥門(mén)，真空輸送機(jī)動(dòng)作，對(duì)應(yīng)保護(hù)渣進(jìn)入抽渣料倉(cāng)。下方安裝有螺旋定量裝置，控制加渣量大小。

螺旋定量裝置見(jiàn)圖4，自動(dòng)加渣機(jī)器人行走小車(chē)，如圖5所示。

圖4 螺旋定量給料器

圖5 自動(dòng)加渣機(jī)器人行走小車(chē)

3 自動(dòng)加渣系統(tǒng)應(yīng)用效果

2020年8月八鋼煉鋼板坯連鑄開(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人加渣系統(tǒng)，應(yīng)用效果顯著。

3.1 加渣實(shí)現(xiàn)了“均勻覆蓋，液渣層穩(wěn)定”

為了檢測(cè)機(jī)器人加渣的均勻性，針對(duì)Q235B系列鋼種，分別對(duì)人工手動(dòng)加渣和自動(dòng)加渣，各自測(cè)量了15爐鋼的結(jié)晶器渣層厚度數(shù)據(jù)，其中每個(gè)班兩種加渣方式各跟蹤5爐鋼，每爐鋼測(cè)量3次液渣層數(shù)值取平均值，見(jiàn)表1。

表1 不同的加渣方式下液渣層厚度及渣耗

由表1可知，人工加渣過(guò)程中液渣層的厚度偏差為2～5mm，保護(hù)渣消耗波動(dòng)值達(dá)到了0.09kg/t；自動(dòng)加渣時(shí)液渣層厚度偏差為2～3mm，保護(hù)渣消耗波動(dòng)值僅僅為0.02kg/t，自動(dòng)加渣時(shí)形成的液渣層穩(wěn)定，保護(hù)渣消耗量比人工加渣更加穩(wěn)定。

3.2 漏鋼預(yù)報(bào)報(bào)警次數(shù)降低

由于加渣均勻穩(wěn)定，渣層形成穩(wěn)定潤(rùn)滑效果好，漏鋼預(yù)報(bào)報(bào)警次數(shù)降低。

表2是對(duì)低碳鋼、包晶鋼容易發(fā)生粘接報(bào)警的三個(gè)鋼種采取人工推渣和機(jī)器人加渣分別澆注50爐鋼，發(fā)生漏鋼預(yù)報(bào)報(bào)警對(duì)比，可以看出三個(gè)不同鋼種的漏鋼報(bào)警率分別由2%、2%、3%降到了0.7%、1%、1%。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)說(shuō)明，人工推渣改為自動(dòng)加渣后更加保證了保護(hù)渣的傳熱速度穩(wěn)定性，有效改善了保護(hù)渣的鋪展、熔化狀態(tài)和潤(rùn)滑效果。

表2 兩種加渣方式下的漏鋼報(bào)警率對(duì)比 %

3.3 提高了鑄坯表面質(zhì)量

自動(dòng)加渣機(jī)器人添加保護(hù)渣均勻穩(wěn)定，有效改善了保護(hù)渣的鋪展、熔化狀態(tài)和潤(rùn)滑效果，液渣層厚度形成也穩(wěn)定均勻，確保了結(jié)晶器潤(rùn)滑良好，結(jié)晶器彎月面初生坯殼也能均勻生長(zhǎng)，大大減少了初生坯殼生長(zhǎng)厚度不均形成的應(yīng)力所導(dǎo)致的鑄坯表面縱裂。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自2020年8月投用機(jī)器人加渣以來(lái)，鑄坯的表面縱裂率明顯下降，由使用前的0.48%降低到0.19%。為進(jìn)一步驗(yàn)證人工加渣與自動(dòng)加渣對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響，試驗(yàn)跟蹤分析了兩種加渣方式各1000塊Q355B 鑄坯試樣的表面質(zhì)量，進(jìn)行了相應(yīng)低倍硫印檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種加渣方式下鑄坯質(zhì)量檢查結(jié)果塊

表3可以看出采用自動(dòng)加渣方式后，鑄坯表面裂紋和皮下缺陷均有明顯改善， 鑄坯表面縱裂由0.8%降低到0.2%,表面結(jié)疤凹陷的發(fā)生率由0.5%降到了0.2%。

3.4 降低勞動(dòng)強(qiáng)度改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境

采用人工加渣時(shí)，需要頻繁將小袋的保護(hù)渣從大袋中搬運(yùn)到結(jié)晶器位置再打開(kāi)倒到結(jié)晶器保護(hù)渣托盤(pán)上，使用推渣耙頻繁推保護(hù)渣到結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)渣。使用機(jī)器人加渣系統(tǒng)后，只需要用行車(chē)吊起保護(hù)渣袋割破渣袋讓保護(hù)渣流入料倉(cāng)后即可，大幅降低了操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度。

機(jī)器人加渣系統(tǒng)保護(hù)渣存放在專(zhuān)用料斗內(nèi)，無(wú)需提前傾倒在結(jié)晶器蓋板上，避免了保護(hù)渣灑落及揚(yáng)塵的產(chǎn)生；結(jié)晶器周?chē)Ｗo(hù)渣灰塵大幅減少，降低了操作人員吸入渣塵的概率，同時(shí)也避免了結(jié)晶器大蓋板上的保護(hù)量太多影響作業(yè)環(huán)境；另外，防止了較多的保護(hù)渣掉落至0段區(qū)域內(nèi)，減少輥?zhàn)雍蛧娏軛U的結(jié)垢。

3.5 減少保護(hù)渣損耗

自動(dòng)加渣機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)置了專(zhuān)用保護(hù)渣料斗，只在填料時(shí)會(huì)有少許的保護(hù)渣散落，在停機(jī)前根據(jù)剩余鋼水的澆鑄時(shí)間提前停止料倉(cāng)供給，力求將加渣管路中的保護(hù)渣用盡；停機(jī)后，斗內(nèi)未用完的保護(hù)渣不需傾倒，留在斗內(nèi)供下澆次生產(chǎn)同系列鋼種時(shí)使用。人工加渣時(shí)在結(jié)晶器蓋板上一次傾倒多袋保護(hù)渣，停機(jī)時(shí)用不完的保護(hù)渣被打掃扔掉。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用自動(dòng)加渣后保護(hù)渣用量減少了22%。

3.6 對(duì)保護(hù)渣實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制

自動(dòng)加渣機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)定量、連續(xù)不間斷加渣，系統(tǒng)輸入的加渣量可根據(jù)生產(chǎn)的鋼種、拉速需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，相比人工間斷性的加渣方式，該系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了“勤加、少加、勻加”的加渣要求，穩(wěn)定了結(jié)晶器內(nèi)渣層結(jié)構(gòu)及液渣流動(dòng)的均勻性。能夠?qū)崟r(shí)反映保護(hù)渣的消耗量，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)消耗參考值可得出保護(hù)渣的實(shí)際潤(rùn)滑效果，當(dāng)保護(hù)渣消耗異常偏大或偏少?lài)?yán)重影響潤(rùn)滑效果時(shí)可提前做出預(yù)警。

3.7 料斗具有加熱功能，適應(yīng)冬季生產(chǎn)

自動(dòng)加渣系統(tǒng)料斗具有自動(dòng)加熱功能，在冬季可加熱保護(hù)渣，防止加入到結(jié)晶器內(nèi)的保護(hù)渣受潮變性。保護(hù)渣倒入料斗中通過(guò)一段時(shí)間的鼓風(fēng)加熱，可去除其有的水分，避免因保護(hù)渣水分含量過(guò)高等原因而影響到生產(chǎn)鑄坯的質(zhì)量。在新疆寒冷的冬季，防止保護(hù)渣受潮變性非常必要。

4 投用后遇到的典型問(wèn)題及解決方法

4.1 加渣時(shí)中包車(chē)異常狀態(tài)的處理

自動(dòng)加渣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期只是單純實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加渣功能，并沒(méi)有從安全方面考慮在異常情況下怎樣躲避中包車(chē)突然駛離澆注位。加渣機(jī)器人加渣時(shí)遇到中包車(chē)因異常狀態(tài)時(shí)需要緊急駛離澆注位時(shí)加渣機(jī)器人不知道躲避，長(zhǎng)長(zhǎng)的加渣桿易與中包車(chē)發(fā)生碰撞導(dǎo)致?lián)p壞。

解決方法：將原本獨(dú)立運(yùn)行的加渣系統(tǒng)通訊和中包車(chē)運(yùn)行的通訊打通，將二者的PLC程序?qū)嵭辛岁P(guān)聯(lián)，當(dāng)機(jī)器人接收到了中包車(chē)緊急駛離信號(hào)后就會(huì)自動(dòng)收回加渣桿和加渣臂回退到待機(jī)位。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證當(dāng)拍下操作箱上的“緊急駛離”按鈕時(shí)，加渣機(jī)器人可完全執(zhí)行收回加渣桿和機(jī)械臂的指令，回退到待機(jī)位。但是又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題，當(dāng)加渣桿運(yùn)行的位置靠近結(jié)晶器的中部時(shí)，此時(shí)距離中包車(chē)的兩臂距離相對(duì)較遠(yuǎn)，加渣桿的回收和中包車(chē)的同步駛離二者不會(huì)發(fā)生干涉，但當(dāng)加渣桿恰巧移動(dòng)到結(jié)晶器的邊部時(shí)，此時(shí)距離中包車(chē)臂的最短距離只有0.6m，中包車(chē)的運(yùn)行速度是15m/min，按照常規(guī)的回收速度加渣桿就會(huì)和中包車(chē)臂碰撞。為了不發(fā)生碰撞，要求機(jī)器人在2.3秒內(nèi)必須收回加渣桿和加渣臂。為此，又調(diào)整了控制加渣桿和加渣臂的伺服電機(jī)運(yùn)行速度，確保伺服電機(jī)收到信號(hào)后能在2.3秒內(nèi)收回加渣桿和機(jī)械臂。

改進(jìn)后，中包車(chē)異常狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)了安全快速駛離，并經(jīng)過(guò)6次驗(yàn)證，改進(jìn)后運(yùn)行安全可靠。

4.2 料倉(cāng)竄渣導(dǎo)致結(jié)晶器保護(hù)渣加錯(cuò)

加渣系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)保護(hù)渣料倉(cāng)：1#料倉(cāng)專(zhuān)門(mén)盛放普通Q235B系列鋼種保護(hù)渣；2#料倉(cāng)專(zhuān)用盛放SP系列鋼種保護(hù)渣；3#料倉(cāng)專(zhuān)用盛放品種鋼專(zhuān)用保護(hù)渣。開(kāi)機(jī)后根據(jù)澆注的鋼種選擇對(duì)應(yīng)的料倉(cāng)投入自動(dòng)加渣。但在澆注過(guò)程中出現(xiàn)了選擇的是1#料倉(cāng)，但是消耗的卻是2#料倉(cāng)的保護(hù)渣，出現(xiàn)了這種保護(hù)渣竄料倉(cāng)的狀況。

解決方法：經(jīng)過(guò)查找,故障原因是由于1#料倉(cāng)的電磁控制蝶閥未自動(dòng)開(kāi)啟，2#料倉(cāng)的電磁控制蝶閥又未自動(dòng)完全關(guān)閉，所以2#料倉(cāng)的渣子被中轉(zhuǎn)料倉(cāng)在抽取后加入結(jié)晶器中。后來(lái)處了理兩個(gè)料倉(cāng)的蝶閥，該故障得以消除。鑒于此次保護(hù)渣加錯(cuò)的教訓(xùn)，要求操作工投入機(jī)器人自動(dòng)加渣后要定期觀察所選料倉(cāng)保護(hù)渣消耗進(jìn)度，如果無(wú)消耗進(jìn)度，就發(fā)生了料倉(cāng)竄渣，需要檢查確認(rèn)料倉(cāng)控制蝶閥狀態(tài)。

4.3 結(jié)晶器內(nèi)單側(cè)保護(hù)渣消耗量異常

加渣系統(tǒng)可以設(shè)定結(jié)晶器單側(cè)的保護(hù)渣加入量，譬如結(jié)晶器兩側(cè)加渣量都設(shè)置為2.0時(shí)，兩側(cè)的加渣量是一致的，但是在澆注過(guò)程中結(jié)晶器一側(cè)的保護(hù)渣明顯比另一側(cè)消耗量要慢，此時(shí)必須將保護(hù)渣消耗慢的一側(cè)加渣量設(shè)定值相應(yīng)減少。根據(jù)運(yùn)行近一年的參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)單側(cè)的保護(hù)渣加入量低于1.0時(shí)，則可確定浸入式水口發(fā)生了嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象，則需要更換浸入式水口。這種嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象如未引起操作者的重視，保護(hù)渣消耗量少的半邊極易發(fā)生粘接漏鋼。

4.4 加渣桿結(jié)構(gòu)形成加渣盲區(qū)

因機(jī)器人加渣臂、加渣桿結(jié)構(gòu)的限制，加渣桿無(wú)法將保護(hù)渣加到浸入式水口外弧區(qū)域，并且因?yàn)閾?dān)心加渣桿過(guò)于靠近水口會(huì)和水口發(fā)生碰撞導(dǎo)致生產(chǎn)事故等，浸入式水口一周位置變?yōu)楸Ｗo(hù)渣添加盲區(qū)，影響到結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼的整體潤(rùn)滑效果。

解決方法：(1)優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡和加渣參數(shù)，使加渣桿靠近水口。

(2)增加浸入式水口南北兩側(cè)的保護(hù)渣添加的停留時(shí)間，使保護(hù)渣擴(kuò)散至浸入式水口周邊肓區(qū)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，八鋼煉鋼板坯連鑄機(jī)器人自動(dòng)加保護(hù)渣系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行了近一年，僅1#機(jī)出現(xiàn)過(guò)一次料倉(cāng)蝶閥故障影響3天加渣的問(wèn)題，未出現(xiàn)其它故障。

機(jī)器人加保護(hù)渣系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐表明：(1)加渣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加渣過(guò)程順暢，保護(hù)渣覆蓋全面，提高了連鑄過(guò)程自動(dòng)化、智能化控制水平，避免了因保護(hù)渣性能和澆鑄的鋼種不符，造成保護(hù)渣量消耗異常導(dǎo)致漏鋼等生產(chǎn)事故的發(fā)生。

(2)通過(guò)不斷的探索，板坯連鑄單位時(shí)間及區(qū)域內(nèi)的加渣量及加渣時(shí)間更為穩(wěn)固。相較手動(dòng)加渣，“少加、勤加、勻加”的加渣要求進(jìn)一步提升。

(3)加渣機(jī)器人的成功運(yùn)用減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，降低了職工在高溫區(qū)域的作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)化安全，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)連鑄無(wú)人化澆鑄奠定了基礎(chǔ)。