連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機(jī)系統(tǒng)液位控制方法淺析

胡彥紅， 明 劍

（上海電纜研究所有限公司，上海200093）

0 引 言

1987年，國(guó)內(nèi)第一條自主開發(fā)制造的連鑄連軋生產(chǎn)線在上海冶煉廠投產(chǎn)［1］，此后，國(guó)內(nèi)又投產(chǎn)了多臺(tái)連鑄連軋生產(chǎn)線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，銅、鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平也不斷提高，但是連續(xù)澆鑄水平尤其是連鑄機(jī)系統(tǒng)液位控制技術(shù)卻一直相對(duì)滯后，而連鑄機(jī)系統(tǒng)金屬液位的高度及其穩(wěn)定性，直接影響到鑄錠的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。在連續(xù)澆鑄過程中，金屬液位波動(dòng)一旦超過±10 mm，就可能使保護(hù)渣大量卷入液體中［2］，且會(huì)在鑄坯表面產(chǎn)生夾渣，影響鑄坯質(zhì)量，所以連鑄機(jī)系統(tǒng)的液位穩(wěn)定性在連鑄連軋生產(chǎn)線中非常重要［3］。本文在液位控制原理的基礎(chǔ)上介紹了美國(guó)Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線、意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線以及德國(guó)Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機(jī)系統(tǒng)的金屬液位自動(dòng)控制方式，為連鑄連軋生產(chǎn)線的連鑄機(jī)系統(tǒng)液面自動(dòng)控制國(guó)產(chǎn)化提供參考，并對(duì)國(guó)內(nèi)連鑄連軋生產(chǎn)線的鑄坯澆鑄質(zhì)量的提高起到一定的作用。

1 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理

液位自動(dòng)控制系統(tǒng)基本上是由液位傳感器、以PLC為中心的液位控制器、位置檢測(cè)反饋裝置以及控制塞棒開啟度的伺服系統(tǒng)組成，圖1為塞棒控制液位原理圖。

圖1 塞棒控制液位原理圖

由圖1可知：塞棒控制澆包內(nèi)金屬液體出口處的開啟度，調(diào)節(jié)金屬液體流入結(jié)晶輪的流量，以維持金屬液體液面的穩(wěn)定，塞棒位置信號(hào)來源于液位監(jiān)視器，監(jiān)視器通過液位測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確地測(cè)量澆包內(nèi)液位高度，將信號(hào)提供給塞棒控制器，由控制器再把信號(hào)提供給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)作用于塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制金屬液體流入結(jié)晶輪的流量，是液位—塞棒—澆鑄速率結(jié)合在一起的控制方法［4］。

2 國(guó)外先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

目前美國(guó)Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線、意大利Properzi連鑄連軋生產(chǎn)線和德國(guó)Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線等的應(yīng)用比較廣泛。

其中美國(guó)Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線采用自動(dòng)控制金屬液位，稱為AMPS自動(dòng)澆鑄系統(tǒng)［5］。測(cè)力傳感器將澆包處信號(hào)傳給保溫爐控制系統(tǒng)，控制保溫爐的金屬液體流量，使?jié)舶鼉?nèi)金屬液位穩(wěn)定。結(jié)晶輪處的液位用閉路電視進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由澆嘴處的塞棒控制流入鑄輪輪腔的金屬液。AMPS系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是有效提供了恒定的流量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

工作原理為：攝像頭攝取現(xiàn)場(chǎng)金屬液位圖像信號(hào)傳送給視頻傳感器，視頻傳感器將現(xiàn)場(chǎng)液位圖像信號(hào)送CRT顯示器顯示，并對(duì)金屬液位信號(hào)進(jìn)行處理，液位高度也會(huì)同時(shí)顯示在CRT顯示器上。此外，把處理后的液位信號(hào)傳送到視頻傳感器。智能調(diào)節(jié)器根據(jù)操作開關(guān)的狀態(tài)，主動(dòng)調(diào)節(jié)初始設(shè)定參數(shù)以及金屬液位的實(shí)際高度，及時(shí)準(zhǔn)確地向驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)智能調(diào)節(jié)器所提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，調(diào)節(jié)金屬液體的流量，以達(dá)到金屬液位控制的目的。美國(guó)Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機(jī)系統(tǒng)液面自動(dòng)控制示意圖見圖2。

圖2 美國(guó)Southwire連鑄機(jī)系統(tǒng)液位自動(dòng)控制示意圖

美國(guó)Southwire連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機(jī)的控制過程為：金屬液澆鑄的情況通過高精度攝像頭，實(shí)時(shí)顯示在控制電腦的顯示屏上，在電腦的顯示屏上預(yù)先設(shè)定一條線，線的上下兩個(gè)端點(diǎn)的位置就是預(yù)先設(shè)定的限位線，包括最高液位和最低液位及基準(zhǔn)液位。這些線可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)，當(dāng)金屬液位在設(shè)定的基線上下一定范圍內(nèi)時(shí)，金屬液位浮動(dòng)很小，此時(shí)伺服電機(jī)停止，塞棒位置不動(dòng)。當(dāng)液位達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)（液位過低），通過圖像的實(shí)時(shí)對(duì)比處理發(fā)出信號(hào)，通過伺服電機(jī)控制澆嘴處的塞棒上升，金屬液流量增大，液位開始升高；同樣，當(dāng)液位達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)（液位過高），通過圖像的實(shí)時(shí)對(duì)比處理發(fā)出信號(hào)，控制澆嘴處的塞棒下降，金屬液流量減小，液位開始下降。通過上述控制，保證連鑄機(jī)系統(tǒng)連鑄輪中金屬液的液位始終在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。

在液位正常的情況下，設(shè)定的這條線顯示為綠色；當(dāng)液位達(dá)到上、下限位置時(shí)，線變?yōu)榧t色，電腦發(fā)出信號(hào)，控制塞棒上升或下降，從而控制金屬液的流量。塞棒安裝在澆嘴處并與澆嘴的中心線重合，其端部呈錐形，澆嘴的內(nèi)孔也呈同樣角度的錐形，當(dāng)塞棒上下移動(dòng)時(shí)，塞棒的端部與澆嘴內(nèi)孔之間的間隙變大或變小，從而達(dá)到控制金屬液流量的目的。

可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式控制，當(dāng)自動(dòng)控制發(fā)生故障時(shí)，信號(hào)傳遞到PLC中，可立即切換到手動(dòng)控制。

意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線采用的是浮標(biāo)式液位控制器，見圖3。

圖3 意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄機(jī)系統(tǒng)液位控制示意圖

由圖3可知：在自重作用下金屬液體從上澆包流入中間澆包，金屬液充滿中間澆包后，通過澆嘴處與下澆包浮標(biāo)上的塞錐之間的空隙流入下澆包。隨著下澆包中金屬液的增多，產(chǎn)生的浮力也隨之增大，浮標(biāo)塞錐在金屬液浮力的作用下開啟。塞錐與澆嘴的出液口之間的間隙增大，金屬液流入鑄輪。浮標(biāo)的上下浮動(dòng)可控制澆嘴和塞錐之間的空隙減小或增大，從而可控制澆嘴流入下澆包中的金屬液量，進(jìn)而保證下澆包的金屬液位維持在設(shè)定范圍內(nèi)，鑄輪中的金屬液位也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。浮標(biāo)另一頭的配重起到平衡力的作用，澆嘴與塞錐之間的開啟度取決于配重和小澆包中的金屬液量。

德國(guó)Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線采用的是HAZELETT雙鋼帶連鑄機(jī)，回轉(zhuǎn)鋼帶和擋塊組成截面為長(zhǎng)方形的連鑄機(jī)鑄輪模腔，實(shí)現(xiàn)直線澆鑄，無彎曲鑄造。圖4為德國(guó)Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線液位控制示意圖。

由圖4可知：液位控制采用了EMLI控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)節(jié)保溫爐和流槽內(nèi)的金屬液位，澆包內(nèi)的金屬液由塞棒控制流出，經(jīng)導(dǎo)管流入可移動(dòng)的澆鑄包，注入連鑄機(jī)鑄輪，在下帶輪上表面和連鑄機(jī)入口處都裝有感應(yīng)線圈，生成磁場(chǎng)，測(cè)定連鑄機(jī)鑄輪的金屬液位，當(dāng)液位升高到圖4中b處時(shí)，感應(yīng)線圈發(fā)出信號(hào)，塞棒開啟度減小，進(jìn)而減少導(dǎo)管流入連鑄機(jī)的金屬液體流量；當(dāng)液位下降到a處時(shí)，感應(yīng)線圈同樣發(fā)出信號(hào)，使塞棒開啟度增大，進(jìn)而增大導(dǎo)管流入連鑄機(jī)的金屬液體流量，從而控制中間澆包中液體流入下澆包的量，確保連鑄機(jī)液位的相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 德國(guó)Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線液位自動(dòng)控制示意圖

3 結(jié)束語

金屬液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的作用是控制熔化的金屬連續(xù)流到鑄輪模腔中，并保持模腔內(nèi)的金屬液位在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)波動(dòng)，使?jié)茶T液位穩(wěn)定，有利于提高鑄坯的澆鑄質(zhì)量，減少人為因素的干擾，是銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線上的一個(gè)重要設(shè)備，具有三大特點(diǎn)：澆鑄作業(yè)無人化、消除鑄造差錯(cuò)造成的停機(jī)和鑄坯質(zhì)量均勻化。

目前，國(guó)產(chǎn)設(shè)備和進(jìn)口設(shè)備價(jià)格相差較大，與進(jìn)口設(shè)備相比，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械制造部分差距正在逐漸縮小，但是輔助配套設(shè)施相差懸殊，不僅液位控制部分、電氣控制部分和輔助系統(tǒng)（連鑄機(jī)冷卻水輔助系統(tǒng)、軋機(jī)潤(rùn)滑油輔助系統(tǒng)、乳化液輔助系統(tǒng)、酒精還原輔助系統(tǒng)及涂蠟輔助系統(tǒng)）等更是差距懸殊。本文對(duì)國(guó)外幾種銅、鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線中連鑄機(jī)部分的金屬液位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)分析和比較，為連鑄連軋生產(chǎn)線的連鑄機(jī)液位自動(dòng)控制國(guó)產(chǎn)化提供參考，亦對(duì)國(guó)內(nèi)連鑄連軋生產(chǎn)線的鑄坯澆鑄質(zhì)量的提高起到一定的作用。