圓坯連鑄機(jī)自動澆注故障及其解決方案

宋振雷SONG Zhen-lei

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江陰 214400）

1 概述

分廠圓坯連鑄機(jī)于2009 年6 月投產(chǎn)，由中冶京誠負(fù)責(zé)整臺連鑄機(jī)的工廠設(shè)計(jì)及供電、傳動、自動化的基本、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及供貨調(diào)試。圓坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)為三機(jī)三流，由于在現(xiàn)代煉鋼企業(yè)中，連鑄工藝已經(jīng)占主導(dǎo)地位，多數(shù)煉鋼企業(yè)都是以連鑄工藝為核心，在連續(xù)澆注工藝過程中，為保證連鑄機(jī)的正常穩(wěn)定的澆注，必須時(shí)刻控制結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面保持在設(shè)定的高度范圍內(nèi)。結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面一般設(shè)定為幾個(gè)厘米，僅憑連鑄澆鋼工的肉眼來觀察結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面高度，手動調(diào)節(jié)塞棒開度和拉澆速度，很容易造成漏鋼事故和影響產(chǎn)品的內(nèi)、外部質(zhì)量，因此采用結(jié)晶器鋼水液面自動控制是連鑄工藝生產(chǎn)的必然方向。鑒于此，圓坯連鑄機(jī)每流結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制系統(tǒng)都是完整而獨(dú)立的自動控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與各自鑄流進(jìn)行通訊以完成數(shù)據(jù)交換，該系統(tǒng)由上海滬邑智能科技有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)及供貨，液面檢測方式采用渦流型：渦流傳感器中的電磁信號在結(jié)晶器鋼水表面產(chǎn)生渦電流，渦電流強(qiáng)度隨結(jié)晶器鋼水表面與渦流傳感器的距離而變化，傳感器測得此信號發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)強(qiáng)度來讀取液面高度；控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC 和科爾摩根S600 伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制；執(zhí)行系統(tǒng)采用上海滬邑智能科技有限公司自主研發(fā)的SEA803-011 型電動機(jī)構(gòu)。投用以來一直穩(wěn)定運(yùn)行，澆注率達(dá)到99%，波動范圍小于±1.5mm。

2 存在問題

①自動澆注過程中液面突然下降；②液面下降的同時(shí)塞棒開度持續(xù)上升。如圖1。

圖1 液面突然下降，黑線；塞棒開度連續(xù)上升，灰線

近期在連鑄生產(chǎn)的初期，當(dāng)鋼水液面自動澆注剛剛投入正常，液面已經(jīng)完全穩(wěn)定時(shí)，一、二流鋼水液面頻繁出現(xiàn)突然下降，并且是塞棒設(shè)定開度和塞棒實(shí)際開度完全吻合的情況下出現(xiàn)的，塞棒跟隨性完全正常；緊接著后來還發(fā)生了鋼水液面突然下降的同時(shí)伴隨著塞棒開度持續(xù)上升的現(xiàn)象，這兩種自動澆注異常導(dǎo)致鑄坯挑坯降級、報(bào)廢、澆次爐數(shù)減少、生產(chǎn)被迫中斷等，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)計(jì)劃的正常進(jìn)行，生產(chǎn)連續(xù)的不可預(yù)測性對排產(chǎn)者、生產(chǎn)工人以及設(shè)備維護(hù)各專業(yè)人員都造成了極大的心理影響及負(fù)擔(dān)，為了迅速找出異常產(chǎn)生的原因，及時(shí)扭轉(zhuǎn)對生產(chǎn)造成的不利影響，特成立臨時(shí)公關(guān)組分析、解決近期一、二流頻繁出現(xiàn)的液面自動澆注異常問題。

3 初步問題分析及對應(yīng)的日常檢查、處理工作

①第一流在本澆次澆注初期就出現(xiàn)了液面無任何預(yù)兆的突然下墜：也就是在正常的澆注生產(chǎn)過程中，實(shí)際液面突然出現(xiàn)較大幅度偏離（小于）設(shè)定液面的情況。經(jīng)過查看液面曲線分析，發(fā)現(xiàn)塞棒實(shí)際開度跟隨設(shè)定開度無任何異常。

②接下來中間包快換的一個(gè)澆次，第一流、第二流液面控制投入自動后不久，鋼水液面也出現(xiàn)了不同程度的液面下墜，同時(shí)伴隨著塞棒開度不斷增大的現(xiàn)象。

經(jīng)過初步分析，圍繞上述問題，總結(jié)并制訂了具體確認(rèn)事項(xiàng)，對自動澆注日常影響因素的工作明細(xì)進(jìn)行一一排除及確認(rèn)，具體確認(rèn)工作內(nèi)容如表1。

表1 初步確認(rèn)的工作明細(xì)

經(jīng)過對第一、二流液面自動澆注控制系統(tǒng)上述工作的現(xiàn)場確認(rèn)及完善復(fù)核后，一、二流液面自動澆注仍不能完全正常使用，生產(chǎn)操作人員重復(fù)地在液面手動澆注和自動澆注模式之間來回切換，盡最大可能地維持生產(chǎn)，保證塞棒開度在液面自動澆注控制系統(tǒng)允許的開度范圍之內(nèi)，長澆次的生產(chǎn)還是無法正常進(jìn)行，為了攻克掉這個(gè)難題，只有從液面自動澆注控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念中找出解決問題的思路和方法。

4 系統(tǒng)介紹及異常、故障產(chǎn)生的主要原因和機(jī)理

結(jié)晶器鋼水液位塞棒自動控制系統(tǒng)，設(shè)備上主要由三大部分組成：檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，這三大部分是整個(gè)液位塞棒控制系統(tǒng)的核心。這三個(gè)核心部分中任何一個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定都會導(dǎo)致結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的內(nèi)部失衡，而且導(dǎo)致的情形往往比較嚴(yán)重。與此同時(shí)，系統(tǒng)外的一些因素，如拉矯機(jī)、引錠桿、鋼水流動性、中包耐材砌筑、中間包烘烤、塞棒的結(jié)瘤沖刷等等，也會對系統(tǒng)造成擾動沖擊，從而造成鋼水液面波動。從本質(zhì)上來說，真實(shí)的結(jié)晶器鋼水液面波動就是進(jìn)、出結(jié)晶器的鋼水量沒有達(dá)到平衡，即進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水量≠離開結(jié)晶器的鋼水量。分廠結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制系統(tǒng)的控制原理框圖及硬件配置如圖2。

圖2 自動澆注控制原理框圖及硬件配置

根據(jù)結(jié)晶器液面自動控制系統(tǒng)的控制原理，基于上述兩種現(xiàn)象：

①針對液面突然下降，按照正常的生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備運(yùn)行邏輯及管理經(jīng)驗(yàn)分析，一般只有在連鑄開澆冷啟動的情況下，由于引錠桿本身的連接結(jié)構(gòu)、拉矯機(jī)上下輥液壓壓力系統(tǒng)作用在引錠桿的壓力的波動，或者中間包本身的耐材砌筑異常等原因才會導(dǎo)致該現(xiàn)象，但是這種現(xiàn)象不會像本文中描述的產(chǎn)生這么早、快，這么頻次高，一般在正常生產(chǎn)初期、中期，鑄坯還沒有和引錠桿脫離的情況下，才會發(fā)生液面無任何預(yù)兆的突然下墜。像這種個(gè)別的、鋼水液面出現(xiàn)突然下降的情況本身就很少出現(xiàn)，即使出現(xiàn)鋼水液面波動的情況，鋼水實(shí)際的液面波動也是雙向的，即鋼水實(shí)際液面是圍繞鋼水設(shè)定液面上下波動的，出現(xiàn)單方向這么大的鋼水液面低于鋼水設(shè)定液面現(xiàn)象很少見，除非作用在拉矯機(jī)引錠桿的壓力猛然向下，同時(shí)又有較大壓力波動的情況才會出現(xiàn)鋼水液面突然下降，或者是由于引錠頭、引錠桿過渡段經(jīng)過某臺拉矯機(jī)，引錠桿引起該臺拉矯機(jī)的速度產(chǎn)生變化，致使力矩突變而導(dǎo)致的，但經(jīng)過回查拉矯機(jī)引錠桿的壓力和拉矯機(jī)的力矩變化曲線，拉矯機(jī)實(shí)際壓力和力矩平穩(wěn)，并沒有任何波動。

②針對液面下降的同時(shí)伴隨著塞棒開度持續(xù)上升的現(xiàn)象，在有些情況下的某些鋼種，由于鋼水純凈度原因和在自動澆注的后期，在拉速不變的情況下，由于塞棒頭上粘結(jié)了一定的氧化物造成進(jìn)入結(jié)晶器的鋼水量＜離開結(jié)晶器的鋼水量，會造成塞棒開度不斷打開，造成持續(xù)上升的現(xiàn)象，但這種情況也不會這么早、這么快地出現(xiàn)，即使出現(xiàn)這種現(xiàn)象也是三流同時(shí)發(fā)生，可以通過塞棒的結(jié)瘤沖刷和后面的鋼水質(zhì)量改善來杜絕。因此，經(jīng)過系統(tǒng)分析以及與現(xiàn)場各專業(yè)論證，已排除結(jié)晶器、二冷室內(nèi)異常，排除拉矯機(jī)本體驅(qū)動、引錠桿異常、拉矯機(jī)上輥壓力波動、輥道頂坯、鋼水質(zhì)量、塞棒的結(jié)瘤等因素；檢查更換塞棒控制系統(tǒng)的接地、驅(qū)動器、標(biāo)定及更換渦流傳感器等，仍然沒有太多改善，這樣已排除了塞棒自動控制系統(tǒng)之檢測部分的異常。因此只有另查原因，希望從塞棒自動控制系統(tǒng)的控制和執(zhí)行部分找到問題的蛛絲馬跡。

③通過對電動機(jī)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造的解體查看（圖3），分析塞棒自動控制系統(tǒng)塞棒開度的算法，兩者結(jié)合：塞棒自動控制系統(tǒng)投入后，結(jié)晶鋼水實(shí)際液面是每時(shí)每刻按照塞棒自動控制系統(tǒng)的要求圍繞鋼水設(shè)定液面上下波動，簡單地說，在拉速沒有變化的情況下，當(dāng)某時(shí)刻實(shí)際液面上升有高于設(shè)定液面的趨勢時(shí)，塞棒控制PLC 發(fā)出命令讓伺服驅(qū)動器控制電機(jī)向關(guān)閉塞棒的方向運(yùn)動，同時(shí)也發(fā)出命令讓電動機(jī)構(gòu)內(nèi)部的離合器得電吸合，以達(dá)到跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)動驅(qū)使塞棒本體向下動作關(guān)小中間包塞棒水口的目的，來維持結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面的最小變化，與此同時(shí)，安裝在電機(jī)尾部的旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)據(jù)回饋參與塞棒控制PLC 中塞棒開度變小的計(jì)算，這些動作、計(jì)算理論上都是瞬時(shí)、滿效率、不丟數(shù)據(jù)的情況下實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)某時(shí)刻實(shí)際液面下降有低于設(shè)定液面的趨勢時(shí)，塞棒控制的動作及計(jì)算機(jī)理如上所述同理。綜合此次發(fā)生的情況分析：之所以結(jié)晶器鋼水液面出現(xiàn)不同程度的液面下墜，同時(shí)伴隨著塞棒開度不斷增大的現(xiàn)象，只有在電動機(jī)構(gòu)內(nèi)部的離合器的動作異常時(shí)，才有可能造成該次結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制系統(tǒng)的異常現(xiàn)象。

圖3 電動機(jī)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造

5 解決方案及實(shí)施

①檢查所有電動機(jī)構(gòu)內(nèi)部的離合器的狀態(tài)，接線是否有異常、線路是否老化、離合器間隙是否符合規(guī)范要求、磨損是否超標(biāo)等等。

②檢查離合器的供電及控制，離合器的供電電源有無異常、自動澆注PLC 對離合器控制的輸出到中間繼電器的元器件及線路是否異常等。該澆次后，組織設(shè)備人員對自動澆注塞棒控制系統(tǒng)的電源供電進(jìn)行分析：每流自動澆注控制柜內(nèi)2 臺中包車的塞棒控制系統(tǒng)電源原設(shè)計(jì)使用同一電源，當(dāng)其中一臺中包車澆注時(shí)，另一臺中包車在塞棒測試時(shí)可能會對正在澆注的電動機(jī)構(gòu)形成干擾；現(xiàn)場操作箱輸入輸出信號共用其中一流的電源也對另外兩流自動澆注產(chǎn)生影響。改造后，將中包車每一流的塞棒控制系統(tǒng)電源獨(dú)立改造，彼此互不影響；將現(xiàn)場操作箱輸入輸出信號的電源也完全獨(dú)立，避免各流間互相影響。

③更換每一流自動澆注PLC 柜至車上離合器的供電電纜、車上相關(guān)離合器至電動機(jī)構(gòu)本體插頭電纜等。

④跟蹤電動機(jī)構(gòu)的輸出軸的長度變化，在輸出軸上做記號，驗(yàn)證PLC 計(jì)算的塞棒開度和電動機(jī)構(gòu)輸出軸的變化情況，結(jié)論是：PLC 計(jì)算出的理論值大于電動機(jī)構(gòu)輸出軸的實(shí)際變化量。

6 方案實(shí)施效果及驗(yàn)證

①經(jīng)過上述處理后，第一流、第二流的液面自動澆注恢復(fù)正常。

②后經(jīng)過逐步恢復(fù)解決方案中電纜及插頭，確認(rèn)是離合器供電電源性能老化引起。

③為了避免同樣問題產(chǎn)生，更換第三流液面自動澆注PLC 電動機(jī)構(gòu)離合器的供電電源。

④根據(jù)設(shè)備壽命管理要求，經(jīng)過定期更換相關(guān)電氣設(shè)備元器件和材料后，分廠圓坯連鑄機(jī)液面自動控制系統(tǒng)經(jīng)過一年的運(yùn)行跟蹤，結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制系統(tǒng)整體狀態(tài)完全正常，存在的液面自動澆注異常問題得到了圓滿的解決，自動澆注液面實(shí)際效果如圖4。

圖4 液面曲線完好，塞棒開度穩(wěn)定

7 結(jié)束語

結(jié)晶器鋼水液面自動澆注控制系統(tǒng)處理問題的方法最終是通過利用專業(yè)的電氣知識，結(jié)合存在的異常現(xiàn)象，通過確認(rèn)控制邏輯和設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的分析判斷，很快地找出了故障點(diǎn)，費(fèi)用投入低，減輕了檢修工人的勞動強(qiáng)度，處理速度快，將生產(chǎn)損失降低到了最小。雖然這次設(shè)備異常確認(rèn)是由于電動機(jī)構(gòu)離合器的供電電源老化引起的故障并進(jìn)行了更換，但是隨著設(shè)備使用年限的增加，設(shè)備老化將越來越嚴(yán)重，設(shè)備定期更換勢在必行，必須分批分次做好設(shè)備定期更換，保證設(shè)備的整體狀態(tài)和功能完好。