米進周，王旭英，史 偉，高 琦，鐘立雯

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

鋼鐵產業(yè)作為國家的支柱性產業(yè)，根據國務院2015年5月發(fā)布并即將實施的《中國制造2025》，以及工信部2016年11月發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)調整升級規(guī)劃(2016～2020年)》意味著工信部將大力推進鋼鐵行業(yè)的自動化和智能化[1-2]。連鑄生產的自動化和智能化發(fā)展是冶煉高質量鋼鐵的重要環(huán)節(jié)，而結晶器自動開澆正是連鑄生產提高自動化水平、提升生產效率和產品質量的一項關鍵技術。當鋼水澆入結晶器后，為了避免出現溢鋼現象，鋼水液面需始終低于結晶器口約70～100 mm。在鋼水澆鑄過程中，若鋼水液面產生較大波動，則極有可能將渣子卷入，在鑄坯表面形成夾渣，導致產品質量下降。若將鋼水液面波動控制在±3 mm以內，可以有效清除表面夾渣[3]。相對于人工開澆，自動開澆控制技術可以很好的提高鑄機開澆成功率，縮短開澆過程的時間[4]。

中國重型機械研究院股份公司(中國重型院)自主研發(fā)的我國首個高精度結晶器液面控制技術先后成功應用于湖南華菱漣源鋼鐵有限公司(華菱漣鋼)210轉爐廠1#連鑄機和廣西盛隆冶金有限公司的2#、3#板坯連鑄機。實現了鑄機結晶器開澆全自動化、減少了漏鋼事故的發(fā)生，促進了潔凈鋼生產技術[5]，對連鑄機生產高品質、無缺陷鑄坯起到關鍵作用，為實現連鑄“一鍵開澆”功能打下了良好的基礎。

1 板坯連鑄機概況及工藝參數

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

鑄坯厚度：230 mm

鑄坯寬度：1000～1650 mm

穩(wěn)定拉速：1.3 m/Min

扇形段數目：14

冶金長度：34 m

結晶器長度：900 mm

2 結晶器鋼水液位控制

結晶器自動開澆控制系統包括結晶器鋼水液位控制和鑄機自動啟動拉速兩個部分。結晶器鋼水液位控制由結晶器液面檢測和結晶器開澆控制構成，如圖1所示。

圖1 系統設備組成架構

2.1 結晶器液面檢測

目前，結晶器液位檢測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]，該系統結晶器液面檢測選用VUHZ公司的埋入式電磁渦流液面?zhèn)鞲衅?。液面?zhèn)鞲衅鲃畲啪€圈產生磁場，磁場在鋼水和周圍的導體中產生渦流，渦電流磁場的分布取決于結晶器里的實際鋼液高度，這個磁場在傳感器感應線圈里產生感應電壓，感應電壓在計算單元中放大和數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。

傳感器測量實際鋼液的高度，不受保護渣的影響，實際測量值與鋼種無關，傳感器采用雙探頭結構。結晶器寬度方向上，距傳感器中心線兩側200 mm處各設置一個探頭，每個傳感器探頭測量軸線兩側±200 mm內的液位，通常取兩個探頭測量數據的平均值作為液面控制系統的輸入參數。這種“全局”液位測量極大的避免了局部半月形液位不穩(wěn)定的影響。傳感器液面高度測量范圍為結晶器頂部向下20～180 mm區(qū)間。

2.2 結晶器開澆控制

結晶器開澆控制包括液面控制和升速控制兩個部分。結晶器液面控制根據執(zhí)行機構驅動方式不同分為液壓驅動和電動缸驅動兩種方式，本項目采用電動缸驅動方式。液面控制配置了一套Siemens S7-1500 PLC控制站、1套Siemens S120 伺服驅動器、1臺HMI監(jiān)控站以及1個機前操作箱。

PLC控制站負責完成實際液面、設備狀態(tài)等信號的采集；進行液面控制和升拉速控制的邏輯運算；邏輯運算完成后輸出信號給現場顯示燈進行系統狀態(tài)顯示；與液面檢測系統進行數據通訊獲取液面檢測儀工作狀態(tài)及參數；與連鑄機本體系統進行數據通訊獲取中間包狀態(tài)信息和鑄機狀態(tài)信息；將計算的升拉速設定參數傳送給連鑄機本體來控制鑄機拉矯機電機。

Siemens S120 伺服驅動器通過驅動電動缸來控制塞棒位置從而控制中包流入結晶器的鋼水流量；讀取安裝在電動缸電機后部的編碼器數據，計算轉換為塞棒實際位置后傳給PLC。

HMI監(jiān)控站用來監(jiān)控塞棒和液面狀態(tài)以及歷史報警、曲線等數據；進行目標液位等工藝參數的設定、進行塞棒零位標定和液位傳感器的標定操作。

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

3 結晶器自動開澆控制模式及功能

結晶器自動開澆控制按照控制系統功能主要包括杠桿模式控制、手動模式控制、液位自動模式控制、自動開澆模式控制、塞棒抖動和調整渣線控制。另外還有系統標定、報警、數據通訊以及系統操作與狀態(tài)監(jiān)控。

3.1 杠桿模式

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

3.2 手動模式控制

手動模式是塞棒位置PID閉環(huán)調節(jié)模式。手動模式下，操作人員可以通過機旁操作箱上的“打開/關閉”旋鈕來控制塞棒位置的增減，從而控制結晶器中的鋼水液位。此模式一般在澆注前塞棒動作測試時或者自動開澆初期鋼水填充階段進行人工干預使用。手動控制邏輯圖如圖2所示。

圖2 手動控制邏輯圖

3.3 液面自動模式控制

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

圖3 自動控制邏輯圖

系統將結晶器液位檢測儀檢測的實際液位與設定目標液位進行比較，經過PID運算后轉換為相應的塞棒位置量輸出，作為塞棒位置PID環(huán)的位置設定值，其與電動缸電機后部安裝的編碼器反饋的塞棒實際位置比較后進行塞棒位置PID運算[8-9]。系統通過調節(jié)塞棒的位置控制鋼水流量完成液面PID閉環(huán)控制,從而保證結晶器內鋼水液面的穩(wěn)定[10-11]。澆注過程中大部分工況應用此模式。

澆注過程中出現拉坯速度變化時在液面PID控制輸入端引入拉速前饋來對液面進行預控，提高系統的響應速度和準確度。同時，系統根據澆注鑄坯斷面的不同自動調整PID參數值，實現PID 參數KP、Ki、Kd的在線自整定。此功能不僅保持了常規(guī)PID 控制系統原理簡單、使用方便、控制精度好等優(yōu)點，而且具有更大的靈活性、整定性、控制精度更好[12]。

該系統在正常工況下普碳鋼結晶器液面波動控制在±2 mm,包晶鋼結晶器液面控制在±3 mm。包晶材的鋼種是碳含量0.07% ～0.16%的碳素結構鋼，此類鋼材易于在澆鑄的時候出現液面波動的現象，究其原因主要是因為在包晶反應的過程中，線收縮可達38%,結晶器內初生坯殼不均勻，帶液芯的鑄坯在出結晶器后發(fā)生鼓肚并被扇形段擠壓[13-15]。

系統可以通過兩種方式轉入“自動模式”。一種是在結晶器實際液位到達自動控制要求的范圍內并且控制設備與檢測元器件工作正常時，操作人員將機前操作箱上的模式選擇開關轉換至“自動模式”；另一種是在自動開澆過程中液位到達鑄機啟動液位時，系統自動投入液面自動模式。

3.4 自動開澆模式控制

自動開澆功能完成初始的結晶器鋼水填充、液位自動閉環(huán)控制和自動開始升速拉坯的功能。由于在中包鋼水流入結晶器的初始階段，從液面?zhèn)鞲衅鳈z測范圍下限向下約320 mm范圍內的鋼水并不能檢測到，此過程由開澆模型控制完成，模型計算合適的塞棒開口度來調節(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孔流出后撞擊結晶器窄面形成上回流和下回流，過強的上回流會加劇結晶器內的上液面波動從而引起結晶器內鋼水的卷渣，同時下回流的增強會導致氣泡和非金屬夾雜物隨流股進入到結晶器內更深的位置以至于難以去除，嚴重時高速鋼液流股沖擊結晶器窄面使得鑄坯初生凝固坯殼重熔導致漏鋼事故的發(fā)生[16]。鋼水流量不僅與塞棒開口度、中包鋼水重量、浸入式水口結構有關，還受鋼種、過熱度等參數影響，所以模型是參數可調的。自動開澆的關鍵是調節(jié)塞棒開口度控制中包流入結晶器中的鋼水量，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，在設定出苗時間范圍(本項目中根據鋼種和斷面不同在60～90 s范圍)內鋼水液面到達啟動鑄機的鋼水液面。具體過程如下：

澆鑄模式下，在機前操作箱上先將液面控制模式選擇開關轉換至“自動模式”，再按下“自動開澆”按鈕，安裝在中包上的塞棒自動打開，啟動了結晶器鋼水填充過程，開澆模型將鋼水填充過程分為多個階段，每個階段的塞棒的開口度和保持時間按照工藝預先設定好的參數執(zhí)行，在此過程中操作人員可以根據實際觀察的結晶器液面，通過機旁操作箱上的塞棒“打開/關閉”旋鈕實時修正塞棒開口度，以保證開澆過程的穩(wěn)定。當在設定的出苗時間范圍內，液面到達鑄機啟動液位時，自動進入液面自動閉環(huán)模式。同時，鑄機自動啟動，拉速按照設定曲線逐步上升到澆鋼目標拉速，至此自動開澆功能完成。

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

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 塞棒抖動功能

當澆注鋁鎮(zhèn)靜鋼等含Al元素高的鋼種時，在用鋁或鋁合金脫氧時或者保護澆注不完善而使鋼水中鋁的二次氧化產生Al2O3，Al2O3絮積在浸入式水口碗部或者塞棒頭部形成“結瘤”，導致開澆鋼流小[19],通過塞棒開口處的鋼水流量不穩(wěn)定，所以系統設計了塞棒抖動功能，在液面PID控制中的塞棒位置設定值上附加具有一定頻率和較大振幅的塞棒調節(jié)量，產生“抖動”效果，將粘結結瘤抖落。

3.6 調整渣線控制

浸入式水口由于浸在鋼水中，受到高溫鋼水的侵蝕和沖刷，結晶器鋼水液面固定，水口的渣線也就固定在一個位置，造成水口極易損壞，壽命很短。為提高水口壽命，在連鑄生產中需要不斷調整渣線，使水口均勻腐蝕。系統設計在液面PID控制目標液位的基礎上，附加按照設定幅值和頻率變化的正弦曲線液位值，使結晶器鋼水液面隨著預期的方式方向進行控制，使水口的渣線不會長時間固定在一個位置，從而延長水口的壽命[20]。

4 結束語

連鑄裝備電動缸驅動式結晶器自動開澆控制系統在某鋼鐵廠板坯連鑄生產線上進行了應用，在正常工況下普碳鋼結晶器液面波動控制在±2 mm,包晶鋼結晶器液面控制在±3 mm，系統控制穩(wěn)定，自動開澆過程控制精確，控制靈活性高，可以適應多種異常工況。其提高了鑄機開澆成功率，縮短開澆過程的使用時間，實現了鑄機結晶器開澆全自動化、減少了漏鋼事故的發(fā)生，對連鑄機生產高品質、無缺陷鑄坯起到關鍵作用，為實現連鑄“一鍵開澆”功能打下了良好的基礎。