馬鋼四鋼軋總廠結晶器液位檢測系統的設計與應用

馬鋼四鋼軋總廠結晶器液位檢測系統的設計與應用

徐學軍

(馬鋼第四鋼軋總廠安徽馬鞍山243000)

摘要：在現代冶金行業中，結晶器液位控制在連鑄系統中已經顯得越來越重要，它對優質鋼種的質量品質、澆鑄的安全平穩、操作人員的人力資源的合理優化都有著重要的意義。但由于在結晶器液位控制的過程中存在許多不確定擾動因素，其擾動可能隨時不斷變化，并且絕大多數的擾動因素都是非線性的，因此無法建立準確的模型，很難使用常規的控制方法，本文介紹的是馬鋼新區連鑄機的結晶器液位自動控制系統。

關鍵詞：結晶器液位檢測；自動控制系統；結晶器液位控制

中圖分類號：TP212.1：TP273文獻標識碼：A

收稿日期：2014-11-20

作者簡介：徐學軍(1972—)，男，馬鋼第四鋼軋總廠設備管理室，工程師。

1結晶器液位控制系統

在連鑄的生產過程中，通常使用塞棒來控制進結晶器的液位，但是塞棒經過鋼水的腐蝕和沖刷，頭部逐漸變形，因此塞棒位置與鋼水流量的特性也在這個過程中產生不斷的變化，這種變化通常是非線性的，因此無法用常規PID控制的方法來進行有效調節。針對以上情況，SMS- DEMAG公司運用現代智能控制技術模糊控制和運動控制的思想，通過控制軟件控制塞棒開度達到控制液位的目的。

通過結晶器液位控制系統，在自動開澆和在澆鑄時可以保持鑄機結晶器內的鋼水液面在一個預定的恒定液位值。如果反饋值與設定液面值有偏差，通過調節中包塞棒位置來改變從中包進入結晶器的鋼水流量來補償這個偏差使液位保持平穩。

結晶器液位控制系統包括：

-Measurement (level gauge) 測量單元(VUHZ液位計)

-Control system 控制系統

-Stopper rod actuating system塞棒執行系統

1.1　VUHZ液位計

VUHZ檢測單元實際上是電磁式的傳感器，它通過測量鋼水通過磁場時產生的電流來確定鋼液面的高度，測量范圍為0-300 mm。該測量系統集成于結晶器的設計中。安裝于結晶器內弧側的頂部。用于結晶器液位控制系統冷卻系統采用直接用鑄機的一次冷卻水閉環冷卻，安裝簡便快捷。

工作原理：VUHZ系統用于檢測實際的結晶器液面，由電磁線圈在通電后產生一個靜態的電磁場，電磁場分布取決于傳感器的安裝位置，當不同液面高度的鋼水進入磁場時，會在傳感器的二次線圈中感應出不同大小的電壓，感應電壓由經過放大器進行放大，通過計算單元的處理器進行處理。計算單元系將原來的電壓信號轉變成4 mA-20 mA的模擬量信號，結晶器液位控制采用閉環控制，系統的邏輯控制功能在運動控制器(motion controller)內完成。

該傳感器由勵磁線圈S和檢測線圈L和檢測線圈R組成。勵磁采用峰值15V頻率800HZ的信號。勵磁產生的電磁信號可以穿透非金屬的保護渣層，但不能穿透銅板，因此在傳感器的其使用銅質的外殼并且為了保正線圈的正常使用不被高溫損壞，在外殼和線圈之間通有冷卻水。

在VUHZ系統實際工作的過程中，兩個檢測線圈因為檢測到的鋼水后產生了電壓差，這個電壓差與鋼液面的高度是成相對應關系的，因此經過計算處理即可得出實際液面。

1.2　控制系統

結晶器液位控制系統由下面幾個部分組成(圖4)：

(1)微處理器系統給每個操作模式的選擇和操作提供邏輯控制。

(2)將液位設定值和實際值進行比較，通過軟件控制塞棒動作來控制結晶器的液位。

(3)控制系統中的執行元件是伺服閥，它通接收系統中給定的動作信號來控制塞棒的動作，塞棒油缸的位置傳感器反應的塞棒是實際開度，系統正是不斷的調節塞棒的開度來實現結晶器液位的控制。

(4)一個硬連線回路提供塞棒的緊急事故關斷，即使在失電時一個液壓蓄能器提供動力用于塞棒關閉。

(5)當中包在預熱烘烤位時，在現場控制箱能夠安裝和測試塞棒驅動系統。

1.3　塞棒執行機構

塞棒的機構通過機械-液壓系統來定位，通過伺服閥控制一個液壓缸來控制塞棒動作，用一個內置的位置傳感器檢測塞棒的實際位置。在手動模式下，打開液壓缸的旁通閥，塞棒可通過手動杠桿進行操作。對于自動模式，位置控制器接收和比較來自實際液位的反饋值和在自動開澆時的設定值，發出控制指令。位置控制器的輸出作為伺服閥動作的基準值。

1.4　塞棒零位

PLC接收塞棒位置的模擬量信號。這個信號來自于塞棒油缸中的位置傳感器，它是塞棒閉環控制系統中的一個部分。在開澆前，需對要對塞棒的初始位置進行標定，這個位置就是塞棒的零位。不過對于不同的中包，不同的塞棒執行機構來說，每次的安裝位置都不是完全一致的，因此每次更換中包后，需要重新標零。當中包車開離澆鑄位或中包車在預熱位的時候將標零開關選擇到OFF位，這時可以復位前一次的標零。

2系統性能

在早期的結晶器液位控制系統中，采用Co-60來檢測結晶器液面的高度，并且不是用塞棒來控制液位，而是采用調節拉坯的速度來匹配結晶器的液位，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晶器液位控制系統中，絕大多數都是采用塞棒來控制結晶器的液位，而VUHZ系統的出現，就是為了更好地輔助塞棒控制結晶器液位的功能。

但塞棒控制液位系統中也存在一定的缺點，比如說塞棒動作慢，系統的響應時間長，在存在外界擾動的情況下，甚至還可能出塞棒現無規律波動現象，從而導致液位控制的不穩定性，甚至可能導致溢鋼事故的發生。

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，中包下水口處容易結瘤，從而導致鋼水無法順利的流下，即是所謂的蓄流。

(2)在澆鑄含鈣元素較多的鋼水時，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，嚴重影響到塞棒對剛流控制的精度。

(3)由于生產條件的變化，諸如鋼水溫度變化、中間包水口的鋼流量變化，甚至結晶器保護渣的變化都可能會對結晶器液位控制產生影響。

3結語

通過在實際的生產中的使用和對液位控制系統運行的狀況分析，在正常情況下，自動液面控制時液面的穩定情況要遠遠優于手動控制。但是，如果鑄坯在出結晶器后發生輕微的鼓肚，隨著鑄坯不斷的下拉，鋼水不斷的被向上擠壓也會產生周期性的，類似正玄波的波動，這種在波動也是傳統控制手段很難解決的，必須采用精度更高，響應速度更快的控制系統來改善。還有一種情況是由于塞棒吹氬引起的液面波動，這是液位控制系統無法控制和修正的，只能通過減小吹氬的流量來緩解。

另外如果對VUHZ的標零不正確，可能會導致檢測到的液面和實際的液面位置有所不符。通過一段時間的使用，該系統的運行還是比較穩定可靠的。

參 考 文 獻

[1]吳蘇州，張炯明. 連鑄浸入式水口結瘤現象的研究現狀及發展[J].鋼鐵研究學報，2007.12

[2]于小春，霍一君，王鴻盛. 2號連鑄機結晶器液位波動的研究[J].梅山科技，2006.2

[3]姚海明. 唐鋼薄板坯連鑄結晶器液位波動原因鋼鐵研究學報[J].2007.6

[4]孫健， 蔡志軍 馬鋼板坯連鑄結晶器液位控制系統的失效性分析[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