馬鋼四鋼軋總廠結(jié)晶器液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐學(xué)軍

(馬鋼第四鋼軋總廠安徽馬鞍山243000)

摘要：在現(xiàn)代冶金行業(yè)中，結(jié)晶器液位控制在連鑄系統(tǒng)中已經(jīng)顯得越來(lái)越重要，它對(duì)優(yōu)質(zhì)鋼種的質(zhì)量品質(zhì)、澆鑄的安全平穩(wěn)、操作人員的人力資源的合理優(yōu)化都有著重要的意義。但由于在結(jié)晶器液位控制的過(guò)程中存在許多不確定擾動(dòng)因素，其擾動(dòng)可能隨時(shí)不斷變化，并且絕大多數(shù)的擾動(dòng)因素都是非線性的，因此無(wú)法建立準(zhǔn)確的模型，很難使用常規(guī)的控制方法，本文介紹的是馬鋼新區(qū)連鑄機(jī)的結(jié)晶器液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：結(jié)晶器液位檢測(cè)；自動(dòng)控制系統(tǒng)；結(jié)晶器液位控制

中圖分類號(hào)：TP212.1：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2014-11-20

作者簡(jiǎn)介：徐學(xué)軍(1972—)，男，馬鋼第四鋼軋總廠設(shè)備管理室，工程師。

1結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)

在連鑄的生產(chǎn)過(guò)程中，通常使用塞棒來(lái)控制進(jìn)結(jié)晶器的液位，但是塞棒經(jīng)過(guò)鋼水的腐蝕和沖刷，頭部逐漸變形，因此塞棒位置與鋼水流量的特性也在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生不斷的變化，這種變化通常是非線性的，因此無(wú)法用常規(guī)PID控制的方法來(lái)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。針對(duì)以上情況，SMS- DEMAG公司運(yùn)用現(xiàn)代智能控制技術(shù)模糊控制和運(yùn)動(dòng)控制的思想，通過(guò)控制軟件控制塞棒開(kāi)度達(dá)到控制液位的目的。

通過(guò)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)，在自動(dòng)開(kāi)澆和在澆鑄時(shí)可以保持鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面在一個(gè)預(yù)定的恒定液位值。如果反饋值與設(shè)定液面值有偏差，通過(guò)調(diào)節(jié)中包塞棒位置來(lái)改變從中包進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水流量來(lái)補(bǔ)償這個(gè)偏差使液位保持平穩(wěn)。

結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)包括：

-Measurement (level gauge) 測(cè)量單元(VUHZ液位計(jì))

-Control system 控制系統(tǒng)

-Stopper rod actuating system塞棒執(zhí)行系統(tǒng)

1.1　VUHZ液位計(jì)

VUHZ檢測(cè)單元實(shí)際上是電磁式的傳感器，它通過(guò)測(cè)量鋼水通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電流來(lái)確定鋼液面的高度，測(cè)量范圍為0-300 mm。該測(cè)量系統(tǒng)集成于結(jié)晶器的設(shè)計(jì)中。安裝于結(jié)晶器內(nèi)弧側(cè)的頂部。用于結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)采用直接用鑄機(jī)的一次冷卻水閉環(huán)冷卻，安裝簡(jiǎn)便快捷。

工作原理：VUHZ系統(tǒng)用于檢測(cè)實(shí)際的結(jié)晶器液面，由電磁線圈在通電后產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)的電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)分布取決于傳感器的安裝位置，當(dāng)不同液面高度的鋼水進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)在傳感器的二次線圈中感應(yīng)出不同大小的電壓，感應(yīng)電壓由經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大，通過(guò)計(jì)算單元的處理器進(jìn)行處理。計(jì)算單元系將原來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成4 mA-20 mA的模擬量信號(hào)，結(jié)晶器液位控制采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)的邏輯控制功能在運(yùn)動(dòng)控制器(motion controller)內(nèi)完成。

該傳感器由勵(lì)磁線圈S和檢測(cè)線圈L和檢測(cè)線圈R組成。勵(lì)磁采用峰值15V頻率800HZ的信號(hào)。勵(lì)磁產(chǎn)生的電磁信號(hào)可以穿透非金屬的保護(hù)渣層，但不能穿透銅板，因此在傳感器的其使用銅質(zhì)的外殼并且為了保正線圈的正常使用不被高溫?fù)p壞，在外殼和線圈之間通有冷卻水。

在VUHZ系統(tǒng)實(shí)際工作的過(guò)程中，兩個(gè)檢測(cè)線圈因?yàn)闄z測(cè)到的鋼水后產(chǎn)生了電壓差，這個(gè)電壓差與鋼液面的高度是成相對(duì)應(yīng)關(guān)系的，因此經(jīng)過(guò)計(jì)算處理即可得出實(shí)際液面。

1.2　控制系統(tǒng)

結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)由下面幾個(gè)部分組成(圖4)：

(1)微處理器系統(tǒng)給每個(gè)操作模式的選擇和操作提供邏輯控制。

(2)將液位設(shè)定值和實(shí)際值進(jìn)行比較，通過(guò)軟件控制塞棒動(dòng)作來(lái)控制結(jié)晶器的液位。

(3)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件是伺服閥，它通接收系統(tǒng)中給定的動(dòng)作信號(hào)來(lái)控制塞棒的動(dòng)作，塞棒油缸的位置傳感器反應(yīng)的塞棒是實(shí)際開(kāi)度，系統(tǒng)正是不斷的調(diào)節(jié)塞棒的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器液位的控制。

(4)一個(gè)硬連線回路提供塞棒的緊急事故關(guān)斷，即使在失電時(shí)一個(gè)液壓蓄能器提供動(dòng)力用于塞棒關(guān)閉。

(5)當(dāng)中包在預(yù)熱烘烤位時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)控制箱能夠安裝和測(cè)試塞棒驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.3　塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)

塞棒的機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)械-液壓系統(tǒng)來(lái)定位，通過(guò)伺服閥控制一個(gè)液壓缸來(lái)控制塞棒動(dòng)作，用一個(gè)內(nèi)置的位置傳感器檢測(cè)塞棒的實(shí)際位置。在手動(dòng)模式下，打開(kāi)液壓缸的旁通閥，塞棒可通過(guò)手動(dòng)杠桿進(jìn)行操作。對(duì)于自動(dòng)模式，位置控制器接收和比較來(lái)自實(shí)際液位的反饋值和在自動(dòng)開(kāi)澆時(shí)的設(shè)定值，發(fā)出控制指令。位置控制器的輸出作為伺服閥動(dòng)作的基準(zhǔn)值。

1.4　塞棒零位

PLC接收塞棒位置的模擬量信號(hào)。這個(gè)信號(hào)來(lái)自于塞棒油缸中的位置傳感器，它是塞棒閉環(huán)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部分。在開(kāi)澆前，需對(duì)要對(duì)塞棒的初始位置進(jìn)行標(biāo)定，這個(gè)位置就是塞棒的零位。不過(guò)對(duì)于不同的中包，不同的塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，每次的安裝位置都不是完全一致的，因此每次更換中包后，需要重新標(biāo)零。當(dāng)中包車開(kāi)離澆鑄位或中包車在預(yù)熱位的時(shí)候?qū)?biāo)零開(kāi)關(guān)選擇到OFF位，這時(shí)可以復(fù)位前一次的標(biāo)零。

2系統(tǒng)性能

在早期的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)中，采用Co-60來(lái)檢測(cè)結(jié)晶器液面的高度，并且不是用塞棒來(lái)控制液位，而是采用調(diào)節(jié)拉坯的速度來(lái)匹配結(jié)晶器的液位，這種控制方法精度很低，早已不被使用。在目前的板坯連鑄結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)都是采用塞棒來(lái)控制結(jié)晶器的液位，而VUHZ系統(tǒng)的出現(xiàn)，就是為了更好地輔助塞棒控制結(jié)晶器液位的功能。

但塞棒控制液位系統(tǒng)中也存在一定的缺點(diǎn)，比如說(shuō)塞棒動(dòng)作慢，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，在存在外界擾動(dòng)的情況下，甚至還可能出塞棒現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致液位控制的不穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致溢鋼事故的發(fā)生。

影響塞棒控制的主要因素有以下幾類(圖6):

(1)塞棒侵蝕的影響。例如，在澆鑄含鋁元素較多的鋼水時(shí)，中包下水口處容易結(jié)瘤，從而導(dǎo)致鋼水無(wú)法順利的流下，即是所謂的蓄流。

(2)在澆鑄含鈣元素較多的鋼水時(shí)，塞棒及水口被逐漸沖刷、侵蝕而改變鋼流通道的尺寸和形狀，嚴(yán)重影響到塞棒對(duì)剛流控制的精度。

(3)由于生產(chǎn)條件的變化，諸如鋼水溫度變化、中間包水口的鋼流量變化，甚至結(jié)晶器保護(hù)渣的變化都可能會(huì)對(duì)結(jié)晶器液位控制產(chǎn)生影響。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)際的生產(chǎn)中的使用和對(duì)液位控制系統(tǒng)運(yùn)行的狀況分析，在正常情況下，自動(dòng)液面控制時(shí)液面的穩(wěn)定情況要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于手動(dòng)控制。但是，如果鑄坯在出結(jié)晶器后發(fā)生輕微的鼓肚，隨著鑄坯不斷的下拉，鋼水不斷的被向上擠壓也會(huì)產(chǎn)生周期性的，類似正玄波的波動(dòng)，這種在波動(dòng)也是傳統(tǒng)控制手段很難解決的，必須采用精度更高，響應(yīng)速度更快的控制系統(tǒng)來(lái)改善。還有一種情況是由于塞棒吹氬引起的液面波動(dòng)，這是液位控制系統(tǒng)無(wú)法控制和修正的，只能通過(guò)減小吹氬的流量來(lái)緩解。

另外如果對(duì)VUHZ的標(biāo)零不正確，可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)到的液面和實(shí)際的液面位置有所不符。通過(guò)一段時(shí)間的使用，該系統(tǒng)的運(yùn)行還是比較穩(wěn)定可靠的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳蘇州，張炯明. 連鑄浸入式水口結(jié)瘤現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007.12

[2]于小春，霍一君，王鴻盛. 2號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器液位波動(dòng)的研究[J].梅山科技，2006.2

[3]姚海明. 唐鋼薄板坯連鑄結(jié)晶器液位波動(dòng)原因鋼鐵研究學(xué)報(bào)[J].2007.6

[4]孫健， 蔡志軍 馬鋼板坯連鑄結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的失效性分析[J].連鑄，2010.2

Design and Application of Mould Level Measuring System

of Masteel No.4 Steelmaking Plant General

XU Xue-jun

Abstract:With reference to modern metallurgical industry, mould level control has become more and more import in the con-castingsystem, which impose an important effect on the quality of casting blank, smooth operation of casting and optimization of operator’s human resource. But it exists with some unidentified destabilized elements which can’t establish actual model since the characteristics of time invariance and nonlinearity. So the actual model can not be established as well as the normal method of control.The following subject demonstrates the design and applications of VUHZ system in the mould level auto-control with high effective alloy blank at Masteel New Zone.

Key words:model level check；auto-control；mould level control