淺析結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)的改善

楊彬斌

摘 要：隨著科技的持續(xù)發(fā)展，市場對鋼鐵產(chǎn)品的要求越來越高，從原先的普鋼到現(xiàn)在的優(yōu)鋼、特種鋼。而隨著鋼種品級的不斷提高，其所需的技術(shù)要求就更苛刻，所以這就使得我們連鑄機(jī)需要有更高精度的工裝要求以及提高產(chǎn)品質(zhì)量的一些設(shè)備，結(jié)晶器鋼水液面自動(dòng)控制系統(tǒng)由此誕生。本文介紹了結(jié)晶器鋼水液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)的組成及功能、線性化的改善。

關(guān)鍵詞：鋼鐵產(chǎn)品 液面自動(dòng)控制 線性化

中圖分類號(hào)：TF345 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0128-02

我們分廠3#小方坯連鑄機(jī)4機(jī)4流引入結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)已近15年，升級改造3次，現(xiàn)在是極其重要的質(zhì)量控制點(diǎn)設(shè)備，任何鋼種都要求使用液面自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行澆鑄，若某一流系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致液面控制失控，則此流鑄坯全部報(bào)廢。

1 系統(tǒng)的工作原理

Cs137是一種同位素物質(zhì)，其產(chǎn)生的主要射線為γ射線，使用時(shí)放射源被安放在結(jié)晶器一測，同時(shí)放射源按國家防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了安全防護(hù)。通過計(jì)算和實(shí)測，正常情況下，工人所在操作位置上的輻射均在安全范圍內(nèi)。而鋼水的密度對射線有阻擋作用，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的高度不同，對射線阻擋的能力不同，通過鋼水的γ粒子數(shù)量就不同，從而判斷出鋼水的實(shí)際位置。接收器發(fā)出的是脈沖信號(hào)，經(jīng)過液位檢測儀的運(yùn)算，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓信號(hào)輸出。

結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位通過接收器檢測出后，通過液位檢測儀經(jīng)濾波和D/A轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA/0～10V的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)給塞棒控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)將采集的實(shí)際液位值與設(shè)定值進(jìn)行比較，將其差值經(jīng)PID 控制專家運(yùn)算后，輸出控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器，對伺服電動(dòng)缸進(jìn)行控制，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)，從而改變鋼水流入結(jié)晶器的流量，保持鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的液位穩(wěn)定。操作人員可通過操作盤進(jìn)行手/自動(dòng)模式的切換，也可經(jīng)過上位監(jiān)控系統(tǒng)改變各種控制參數(shù)，對澆鑄過程中的鋼水液位進(jìn)行全程控制，并對各種相關(guān)數(shù)值、工作狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行顯示。PLC系統(tǒng)與上位機(jī)通過MPI通訊接口，接收來自上位機(jī)的相關(guān)信號(hào)，對結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控；另一方面將系統(tǒng)工作狀況及時(shí)反饋給上位機(jī)，在事故狀態(tài)下發(fā)出緊急控制信號(hào)。當(dāng)液位高度超出或低于允許控制范圍時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)并且及時(shí)關(guān)閉塞棒，以避免溢鋼或漏鋼事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)的組成及功能

2.1 SC3000液位檢測儀表組

SC3000儀表有三部分：放射源（Cs137）、探測器（一次儀表）、二次儀表。放射源與一次儀表分別放置在結(jié)晶器銅管兩側(cè)，一次儀表通過接受放射源射線的強(qiáng)度來反應(yīng)結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的高度，再傳輸至二次儀表，經(jīng)過二次儀表的過濾和轉(zhuǎn)換后，輸出0～10V或者4～20mA的信號(hào)給PLC系統(tǒng)。

2.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)有Siemens提供的PLC、WinCC HMI等組成。PLC系統(tǒng)由電源PS 307 5A（1只）、CPU 315-2DP（1只）、DI32XDC24V模塊（2只）、DO32XDC24V模塊（2只）、AI8X16bit（2只）、AO8X12bit（2只）構(gòu)成。WinCC HMI控制畫面可以對實(shí)時(shí)設(shè)定值、PID控制參數(shù)等的調(diào)整，塞棒位置反饋信號(hào)、是否沖棒、電動(dòng)數(shù)字缸運(yùn)行溫度及控制曲線實(shí)時(shí)歷史趨勢的顯示及查詢。開澆后P3操作工通過操作現(xiàn)場塞棒的開度，當(dāng)實(shí)際液位值到達(dá)投入自動(dòng)設(shè)定的液位值時(shí)，“自動(dòng)”按鈕燈閃，表示此時(shí)可以切換到自動(dòng)方式。然后按下“自動(dòng)”按鈕，自動(dòng)控制啟動(dòng)。

2.3 現(xiàn)場控制設(shè)備的組成

現(xiàn)場控制設(shè)備由塞棒、塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)數(shù)字缸等組成。在恒拉速的情況下，PLC系統(tǒng)接受到二次儀表給出的實(shí)際液位信號(hào)后，根據(jù)設(shè)定液位進(jìn)行比較、計(jì)算后得出一個(gè)動(dòng)作量，在把這個(gè)動(dòng)作量通過功率放大器傳輸給數(shù)字電動(dòng)缸，控制機(jī)構(gòu)上塞棒的開啟度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)中間包鋼水進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的恒流量，達(dá)到鋼水的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器鋼水液面恒穩(wěn)定控制。其基本原理圖如圖1所示。

3 檢測系統(tǒng)的線性化改造

首先在使用結(jié)晶器液面自動(dòng)控制時(shí)，必須在結(jié)晶器內(nèi)安裝好放射源及一次儀表（探測器），然后進(jìn)行原始技術(shù)值的標(biāo)定。（下面以我分廠3#小方坯連鑄機(jī)的液面自動(dòng)控制為例。）

原始計(jì)數(shù)值：原始計(jì)數(shù)值來源于探測器的輸入模塊，它顯示出探測器所接受到的輻射量。注意，這里的原始計(jì)數(shù)與結(jié)晶器液位高度成反比。當(dāng)鋼水液位升高，放射源的輻射被削弱，檢測到的計(jì)數(shù)值將會(huì)下降，當(dāng)鋼水液位下降時(shí)，放射源的輻射增強(qiáng)，計(jì)數(shù)值將會(huì)上升。此模塊是設(shè)立系統(tǒng)的一個(gè)參照點(diǎn)，當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)為空以及滿狀態(tài)時(shí)，探測器所接受到的原始記數(shù)值。受到放射源的長短及放射源與探測器的安裝位置的影響，3#機(jī)放射源長度為130mm，探測器安裝位置距離結(jié)晶器銅管口60mm，所以探測器所能接受到的實(shí)際范圍為190-60=130mm。將這130mm平均分成10個(gè)等分，包括上下限在內(nèi)，分別對應(yīng)滿量程的0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%進(jìn)行標(biāo)定檢測，這樣就能將檢測范圍線性化。

但是在實(shí)際地生產(chǎn)過程中，探測到結(jié)晶器內(nèi)鋼水的位置與設(shè)定好的數(shù)值有很大的誤差，沒有正好符合上表所示，這就使得系統(tǒng)的精確度大大降低，液面始終在±4mm～±5mm的范圍波動(dòng)，很多高要求的鋼種都無法生產(chǎn)，大大制約了3#機(jī)的生產(chǎn)能力。

可以看出實(shí)際測得的位置與原始的等分值相差很大，根本沒有達(dá)到預(yù)期的線性關(guān)系要求，所以為了系統(tǒng)能夠更好地運(yùn)行，實(shí)際值與顯示值之間的誤差更小，將所檢測到的液位讀數(shù)值稍作修改（進(jìn)行微調(diào)或者在生產(chǎn)過程中根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行微調(diào)），讓其曲線更好地接近線性關(guān)系。

修改之后立竿見影，穩(wěn)定性大大提高，能夠控制液面波動(dòng)范圍在±3mm以內(nèi)，甚至能夠達(dá)到±1mm-±2mm，線性化工作原則上對于同一只結(jié)晶器（銅管未發(fā)生變化）只需一次即可，無需每次使用自動(dòng)控制都做，且在進(jìn)行高、低位校驗(yàn)和線性化工作前，務(wù)必保證結(jié)晶器通水。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在通過線性化的改善以來，經(jīng)過現(xiàn)場的跟蹤調(diào)試，運(yùn)行效果良好，鋼水液面自動(dòng)控制基本在±3mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，極大的提高鑄坯表面及亞表面的質(zhì)量，而且是生產(chǎn)品種鋼、特殊鋼的重要保證。

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