淺析結晶器鋼水液面控制系統的改善

楊彬斌

摘? ?要：隨著科技的持續發展，市場對鋼鐵產品的要求越來越高，從原先的普鋼到現在的優鋼、特種鋼。而隨著鋼種品級的不斷提高，其所需的技術要求就更苛刻，所以這就使得我們連鑄機需要有更高精度的工裝要求以及提高產品質量的一些設備，結晶器鋼水液面自動控制系統由此誕生。本文介紹了結晶器鋼水液面自動控制系統的工作原理，系統的組成及功能、線性化的改善。

關鍵詞：鋼鐵產品? 液面自動控制? 線性化

中圖分類號：TF345? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0128-02

我們分廠3#小方坯連鑄機4機4流引入結晶器液面自動控制系統已近15年，升級改造3次，現在是極其重要的質量控制點設備，任何鋼種都要求使用液面自動控制系統進行澆鑄，若某一流系統出現故障而導致液面控制失控，則此流鑄坯全部報廢。

1? 系統的工作原理

Cs137是一種同位素物質，其產生的主要射線為γ射線，使用時放射源被安放在結晶器一測，同時放射源按國家防護標準進行了安全防護。通過計算和實測，正常情況下，工人所在操作位置上的輻射均在安全范圍內。而鋼水的密度對射線有阻擋作用，鋼水在結晶器內的高度不同，對射線阻擋的能力不同，通過鋼水的γ粒子數量就不同，從而判斷出鋼水的實際位置。接收器發出的是脈沖信號，經過液位檢測儀的運算，將其轉換成標準的電流、電壓信號輸出。

結晶器內的鋼水液位通過接收器檢測出后，通過液位檢測儀經濾波和D/A轉換將信號轉換成4～20mA/0～10V的標準工業信號給塞棒控制系統。控制系統將采集的實際液位值與設定值進行比較，將其差值經PID 控制專家運算后，輸出控制驅動設備的信號到伺服驅動器，對伺服電動缸進行控制，帶動機構的升降運動，從而改變鋼水流入結晶器的流量，保持鋼水在結晶器內的液位穩定。操作人員可通過操作盤進行手/自動模式的切換，也可經過上位監控系統改變各種控制參數，對澆鑄過程中的鋼水液位進行全程控制，并對各種相關數值、工作狀態和報警信號進行顯示。PLC系統與上位機通過MPI通訊接口，接收來自上位機的相關信號，對結晶器液位控制系統進行調控;另一方面將系統工作狀況及時反饋給上位機，在事故狀態下發出緊急控制信號。當液位高度超出或低于允許控制范圍時，系統給出報警信號并且及時關閉塞棒，以避免溢鋼或漏鋼事故發生。

2? 系統的組成及功能

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晶器銅管兩側，一次儀表通過接受放射源射線的強度來反應結晶器內鋼水液面的高度，再傳輸至二次儀表，經過二次儀表的過濾和轉換后，輸出0～10V或者4～20mA的信號給PLC系統。

2.2 自動化控制系統

整個自動控制系統由Siemens提供的PLC、WinCC HMI等組成。PLC系統由電源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）構成。WinCC HMI控制畫面可以對實時設定值、PID控制參數等的調整，塞棒位置反饋信號、是否沖棒、電動數字缸運行溫度及控制曲線實時歷史趨勢的顯示及查詢。開澆后P3操作工通過操作現場塞棒的開度，當實際液位值到達投入自動設定的液位值時，“自動”按鈕燈閃，表示此時可以切換到自動方式。然后按下“自動”按鈕，自動控制啟動。

2.3 現場控制設備的組成

現場控制設備由塞棒、塞棒執行機構、電動數字缸等組成。在恒拉速的情況下，PLC系統接到二次儀表給出的實際液位信號后，根據設定液位進行比較、計算后得出一個動作量，在把這個動作量通過功率放大器傳輸給數字電動缸，控制機構上塞棒的開啟度，從而達到調節中間包鋼水進入結晶器內的恒流量，達到鋼水的穩定，實現結晶器鋼水液面恒穩定控制。其基本原理圖如圖1所示。

3? 檢測系統的線性化改造

首先在使用結晶器液面自動控制時，必須在結晶器內安裝好放射源及一次儀表（探測器），然后進行原始技術值的標定。（下面以我分廠3#小方坯連鑄機的液面自動控制為例。）

原始計數值：原始計數值來源于探測器的輸入模塊，它顯示出探測器所接收到的輻射量。注意，這里的原始計數與結晶器液位高度成反比。當鋼水液位升高，放射源的輻射被削弱，檢測到的計數值將會下降，當鋼水液位下降時，放射源的輻射增強，計數值將會上升。此模塊是設立系統的一個參照點，當結晶器內為空以及滿狀態時，探測器所接收到的原始記數值。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#機放射源長度為130mm，探測器安裝位置距離結晶器銅管口60mm，所以探測器所能接收到的實際范圍為190-60=130mm。將這130mm平均分成10個等分，包括上下限在內，分別對應滿量程的0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%進行標定檢測，這樣就能將檢測范圍線性化。

但是在實際地生產過程中，探測到結晶器內鋼水的位置與設定好的數值有很大的誤差，沒有正好符合上表所示，這就使得系統的精確度大大降低，液面始終在±4mm～±5mm的范圍波動，很多高要求的鋼種都無法生產，大大制約了3#機的生產能力。

可以看出實際測得的位置與原始的等分值相差很大，根本沒有達到預期的線性關系要求，所以為了系統能夠更好地運行，實際值與顯示值之間的誤差更小，將所檢測到的液位讀數值稍作修改（進行微調或者在生產過程中根據實際情況來進行微調），讓其曲線更好地接近線性關系。

修改之后立竿見影，穩定性大大提高，能夠控制液面波動范圍在±3mm以內，甚至能夠達到±1mm-±2mm，線性化工作原則上對于同一只結晶器（銅管未發生變化）只需一次即可，無需每次使用自動控制都做，且在進行高、低位校驗和線性化工作前，務必保證結晶器通水。

4? 結語

該系統在通過線性化的改善以來，經過現場的跟蹤調試，運行效果良好，鋼水液面自動控制基本在±3mm以內，實現了預定目標，極大地提高鑄坯表面及亞表面的質量，而且是生產品種鋼、特殊鋼的重要保證。

參考文獻

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