板坯連鑄機結晶器液位控制系統(tǒng)的分析與應用

江　杰,杜　宇（內蒙古科技大學,內蒙古 包頭 014010）

板坯連鑄機結晶器液位控制系統(tǒng)的分析與應用

江杰,杜宇
（內蒙古科技大學,內蒙古 包頭 014010）

包鋼薄板坯連鑄連軋廠寬厚板連鑄機的結晶器液位控制系統(tǒng)由西門子PLC進行控制，實現(xiàn)澆鑄過程中鋼水液位的穩(wěn)定，保證板坯質量，并保證連續(xù)澆鑄作業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定。本系統(tǒng)通過精確的液位檢測，完善的串級控制算法，精密的執(zhí)行機構，確保了整個生產(chǎn)過程液位始終符合工藝要求。本文旨在對該系統(tǒng)自動液位調節(jié)的工藝、控制原理及起始澆鑄過程的液位調節(jié)過程進行說明。

連鑄；結晶器；液位控制

1　結晶器液位控制技術

1.1結晶器液位控制的重要性

連鑄生產(chǎn)過程中，對于結晶器液位控制的一個基本要求是穩(wěn)定生產(chǎn)操作，避免漏鋼和溢鋼；其次是要盡可能的保持液位穩(wěn)定，提高鑄坯的質量。而能否滿足第二條要求是目前衡量連鑄控制水平的一個重要標志。

結晶器液位控制的重要意義如下：

（1）減少和避免漏鋼、溢鋼，穩(wěn)定生產(chǎn)操作；

（2）防止浮在結晶器液面上的夾雜物卷入鑄坯，避免在鑄坯表面和內部產(chǎn)生夾渣缺陷；

（3）防止結晶器保護渣不均勻流入，避免產(chǎn)生裂紋、爐渣條痕等表面缺陷；

（4）使鑄坯出勤凝固穩(wěn)定、保證在結晶器內部產(chǎn)生均勻的凝固殼；

（5）降低操作人員的勞動強度。

2　液位控制方法及特點

2.1流量型

通過控制中間包內向結晶器內鋼水流量，以保持液位穩(wěn)定，即改變塞棒或滑動水口的位置，或者控制塞棒和滑動水口二者的位置，控制鋼水流量，以達到液位穩(wěn)定的目的。

2.2速度型

即控制拉坯速度以保持液位穩(wěn)定。在這種方法中，固定中間包流入到結晶器中的鋼液量，根據(jù)液位變化修正拉坯控制系統(tǒng)的設定值，以使結晶器液位保持恒定。這種方法噴濺較少，主要用于小方坯連鑄。

2　液位調節(jié)控制過程分析

2.1雙環(huán)PID控制系統(tǒng)

結晶器液位控制系統(tǒng)采用串級控制，由兩個控制環(huán)組成，一個控制環(huán)用于結晶器的液位控制，另一個用于塞棒位置控制。

塞棒位置PID控制器，處于整個結晶器液位控制系統(tǒng)的內環(huán)，根據(jù)液位控制計算出的塞棒目標值與實際值進行PID運算，得到塞棒伺服閥給定值。

結晶器液位控制采用的PID控制器，處于整個結晶器液位控制系統(tǒng)的外環(huán)，其液位目標值由二級系統(tǒng)根據(jù)工藝要求設定，實際值通過液位監(jiān)測裝置測量。

2.2輔助控制系統(tǒng)

除液位調節(jié)功能，本控制系統(tǒng)還提供其他輔助功能，以避免發(fā)生塞棒粘結、結晶器液位無阻尼振動等問題。

（1）水口沖刷；

（2）塞棒顫動；

（3）事故關閉。

3　液位調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1硬件實現(xiàn)

液位調節(jié)系統(tǒng)的上位機采用西門子公司的WINCC軟件，通過其上位機畫面可以設定液位目標值，并監(jiān)視液位、塞棒的實時狀態(tài)和歷史趨勢。下位機為一套西門子S7-400系列的PLC系統(tǒng)，可以讀取液位檢測和塞棒位置的過程值，進行串級PID控制，并向塞棒液壓執(zhí)行器發(fā)出動作命令。

本系統(tǒng)的重要單體設備為液位檢測裝置和塞棒。

3.1.1渦流液位檢測裝置

結晶器液位控制是基于渦流原理。傳感器的初級線圈接受到電流產(chǎn)生高頻磁場。隨即在結晶器內部的金屬上產(chǎn)生渦流電流，傳感器的二次線圈產(chǎn)生感應電壓。結晶器內鋼水液位的變化會導致感應電壓發(fā)生變化。因此二次線圈電壓用于測量液位。采用兩個二次線圈而非一個是為了將結晶器側面的影響最小化。

表1　渦流液位檢測裝置技術參數(shù)

3.1.2塞棒

塞棒用于對從中間包到結晶器的鋼水流量進行整體控制和微調。同時在事故狀態(tài)下可以立即停止鋼水流入結晶器。

塞棒是由帶液壓缸，伺服閥和位置傳感器的液壓執(zhí)行機構進行手動或自動的操作。在自動模式下，塞棒由結晶器液位自動控制系統(tǒng)控制。

表2　塞棒及液壓缸相關技術參數(shù)

3.2軟件實現(xiàn)

液位調節(jié)系統(tǒng)的串級PID控制原理框圖如圖1所示，通過PLC程序實現(xiàn)。

通過控制塞棒位置將結晶器液位控制在設定點，這一控制通過PLC實現(xiàn)的閉路控制器來完成。控制器將實際液位與目標液位進行比較，并由PID進行運算，產(chǎn)生塞棒位置的參考值。這一參考值發(fā)送到第二個PID，這個PID按照位置傳感器測定的塞棒實際位置控制塞棒伺服閥。

有兩種調節(jié)器常數(shù)：（1）自動開澆常數(shù)；（2）調節(jié)器常數(shù)。所有的常數(shù)保存在PLC的一系列數(shù)據(jù)庫中，所有的常數(shù)隨著結晶器尺寸的改變而改變。在澆注期間，為了更好的適應情況，根據(jù)不同響應時間的要求，PID參數(shù)也相應改變。

4　液位調節(jié)啟動過程分析

液位調節(jié)的啟動標志著連鑄澆鑄的正式開始，該過程是保證連鑄能正常、穩(wěn)定生產(chǎn)的最重要環(huán)節(jié)之一，下面就液位調節(jié)的啟動過程進行介紹。

在完成澆鑄前的所有準備，如送引錠桿完成，結晶器開始振動，中包車移動到位等各項準備工作后，系統(tǒng)提示可以進行澆鑄作業(yè)，此時由操作工在現(xiàn)場操縱箱啟動塞棒打開命令，液位調節(jié)正式啟動。每個步驟確認塞棒的一個位置，在執(zhí)行期間，塞棒加速達到要求的位置；并非每個步驟都必須執(zhí)行，一旦液位達到開澆設定值，則系統(tǒng)直接執(zhí)行最后步驟。

當達到目標值則進入自動控制模式，此時根據(jù)目標液位通過串級PID調節(jié)自動實現(xiàn)液位控制，同時啟動夾送輥開始進行連鑄出坯。整個啟動過程如圖2所示，該圖以時間為橫軸，縱向比較塞棒位置，液位，澆鑄速度三個變量在澆鑄啟動過程的變化過程。

5　結束語

結晶器液位控制精度是連鑄生產(chǎn)的一個重要工藝指標，直接影響最終產(chǎn)品的質量。寬厚板連鑄機的液位調節(jié)系統(tǒng)自投用以來，運行正常，穩(wěn)定狀態(tài)下液位調節(jié)精度可達到±0.2mm，滿足了連鑄生產(chǎn)對結晶器液位的控制要求，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和板坯的質量。

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江杰（1959—），男，安徽全椒人，本科，教授級高工，教師，研究方向：智能儀器及儀表。