全自動澆鋼技術在萊鋼800mm大圓坯連鑄機中的研究與應用

【摘要】介紹了全自動澆鋼技術在大圓坯連鑄機中的應用，指出了這一技術替代了操作人員完成澆鑄工作，提高了作業率，降低了勞動強度，同時也對提升產品質量具有重要作用，該系統模仿人工開澆的過程，將整個澆鑄過程分為起步、啟動及正常澆鑄三個階段，將中間包液位控制、結晶器液位檢測、中間包塞棒控制、大包滑動水口系統全面聯系起來，實現系統的集中控制，從而將結晶器液面穩定在10mm誤差范圍內，實現系統的全自動澆鑄。

1.前言

1.1 國內外現狀分析

連連續鑄鋼法是20世紀50年代發展起來的一項新型鑄鋼技術，70年代以來得到迅速發展，并被世界各主要產鋼國家廣泛使用。1970年世界鋼鐵工業連鑄比僅為6.2%，1975年上升到13.2%，1979年又增至24.1%，1980年達到30%左右。在開始的冶煉過程中，由于控制系統比較落后，生產節奏比較緩慢，生產的產品質量也非常差，但隨著自動化技術的迅速發展，目前的控制水平也越來越高，現在一級系統、二級系統的應用已經非常普遍，人們也正在逐步向三級、四級方向發展，這也體現了人們對產品質量的要求、對市場的依賴也越來越高。

1.2 研究方法

本項目控制技術涉及PLC控制技術、變頻控制技術、網絡技術、過程控制技術、監控、在線儀表控制等，我們還在控制系統中采用了雙閉環PID控制技術等先進的自動化控制技術。

1.3 預期結果

特新區800mm大圓坯連鑄機全自動拉鋼控制系統，將用新工藝、新技術、新方法開展創新工作，使企業的設計自動化、生產過程自動化、設備智能化的水平有很大提高。在知識創新、技術創新、節能減排、提升企業綜合競爭能力及經濟與社會效益等方面均能取得可喜的效果。

2.研發思路及技術方案制定

2.1 生產線主要概況

特新區大圓坯連鑄機為五機五流結構，主要設備包括升降式大包回轉臺、升降式中間包車、結晶器振動臺、拉矯機、電磁攪拌系統及輥道、火切系統組成。

其生產工藝流程為：將裝有鋼水的鋼包運至大包回轉臺，通過大包回轉臺轉動使大包旋轉到澆鑄位置后，通過滑動水口的作用，在大包長水口的引導下將鋼水注入中間包，中間包再由浸入式水口將鋼水分配到各個結晶器中去。結晶器作為連鑄機的核心設備之一，在振動臺的作用下使鑄坯與結晶器脫離，并在冷卻水的作用下使鋼水迅速冷卻成形并迅速凝固結晶，通過拉矯機的拉力，使得鑄坯沿著支撐輥出結晶器進入冷卻室，在冷卻室進一步噴淋冷卻，進入拉矯機，經過脫引錠、定長切割形成鑄坯，送至冷床或者進入軋機軋制成才。

2.2 技術方案

2.2.1 建立了完善的網絡系統

為保證整個工程的通訊質量，在該項目中，采用了網絡冗余技術及環網技術，并對距離較遠的網絡采取了光纖通訊方式，具體如下：

①對于Profibus—DP和以太網通訊，所有超過50米的網絡均采用了光纖通訊方式，保證了通訊的質量，杜絕了信號干擾的發生。

②以太網絡采用了以太環網通訊方式，即使中間發生斷路，也不影響整個系統的通訊。

③傳動系統的通訊采用了分組設計的方式，即同一組設備掛靠在不同的Profibus-DP網絡上，即使一條網絡發生斷路也不會影響到正常的生產，提高了系統的可靠性。

2.2.2 建立了完善的故障診斷系統

連鑄機系統設備結構復雜，一旦發生故障而且處理不及時，會造成停澆等重大事故，帶來巨大損失，同時，如果對一些安全條件得不到確認，還可能造成人身的傷害。為提高系統的安全性和可靠性，開發了故障診斷系統，并在HMI上進行故障報警。

故障診斷系統包括啟動條件判斷畫面、報警記錄畫面等，在故障診斷畫面中，設備的所有啟動條件都在HMI上進行了列舉，當滿足啟動條件時，HMI上的啟動條件顯示綠色的“√”，反之，當不具備啟動條件時，顯示紅色的“X”，方便操作人員和維護人員迅速查找故障點。當設備因某一條件而停止運行時，信號點會顯示為黃色，直到操作人員將其復位后，方可進行操作，否則會一直保持不滿足運行條件狀態。

2.2.3 拉速自動調節控制

正確控制拉速是確保順利澆鑄、充分發揮連鑄機生產能力、改善鑄坯質量的關鍵因素之一。拉速的提高受鋼水凝固速度的限制，特別是結晶器一次冷卻的限制，若拉速太快，會使晶器出口坯殼太薄，容易產生拉漏事故，拉坯速度受澆鑄的鋼種、鑄坯的斷面、中間包液面高度、鋼液溫度等影響。

2.2.3.1 開澆時的自動調節拉速

在連鑄系統異地升級改造前，開澆的速度調節為全手動模式，澆鋼工靠觀察結晶器內鋼水液面的變化根據經驗進行調速，這種方式不利于操作的標準化，也不利于鋼坯質量的穩定。

起步拉速階段：該階段包括啟動階段及啟動完成保持階段。開澆后，大包開始向中間包內注入鋼水，當中間包內鋼水達到設定重量時，中間包開澆，待結晶器內液位到達一定高度后，啟動拉矯機，進入起步階段，起步拉速數值為0.05m/min，當達到起步拉速后，以0.05m/min的拉速保持1分鐘，起步階段完成。

啟動拉速階段：在第一階段（起步拉速階段）完成后，開始加速增大拉速，拉速達到啟動拉速的數值后，以啟動拉速的速度保持一段時間，啟動拉速階段完成。其中啟動拉速的速度值、加速度及保持時間通過HMI設定，或者二級系統根據鋼種和澆鑄段面計算獲得，啟動完成后，逐漸轉入正常澆鑄。

2.2.3.2 正常澆鑄時的拉速控制

在滿足連鑄機順利生產和保證不漏鋼的要求下，鑄坯凝固液長度L小于鑄機的冶金長度，出結晶器時的坯殼厚度大于安全厚度。并且在煉鋼——連鑄生產周期匹配時，根據中包連續測溫波動值可以對拉速適當優化，進行調整。

根據生產要求，連鑄盡量保持拉速穩定，不應作頻繁變動，因此根據現場生產工藝，綜合考慮每個澆次的溫降情況等調節，根據建立的模型，最終確定的自動調節拉速方案為：

V=v0-f（△t）

式中，f（△t）是與過熱度相關的拉速調整函數；v0是過熱度25℃時的基準拉速；△t是過熱度。

2.3 工藝及技術參數

詳細分析了目前系統的工藝特點及要求，針對這些問題制定了縝密的控制方案。

2.3.1 中間包液位自動控制

中間包液位檢測采用稱重測量法，稱重傳感器將稱重信號轉換成4～20mA電流信號送入PLC，PLC根據中間包內鋼水重量與設定重量進行實時比較，利用PID控制技術實時調節滑動水口的開度，使中間包內鋼水穩定在穩定值。

2.3.2 結晶器液面自動控制

結晶器液面自動控制是實現自動開澆控制不可缺少的環節，結晶器液面控制的好壞關系著能否獲得質量穩定的優質連鑄坯，同時也能夠提高開澆成功率，增加連鑄比，為多爐連澆提供條件。

當鋼液進入中間包并達到預先的設定值以后，塞棒打開，進行澆鑄，在每步驟的時間內，運動的塞棒快速達到指定位置。當液位到達連鑄機開澆需要的液位時，開始澆鑄。

3.結論

針對連鑄生產過程當中存在的工藝參數復雜、設備多、信息量大等綜合復雜性，該項目集成了多套系統間的聯網、通訊、控制，提出了利用雙閉環PID調節等控制技術。通過對結晶器液位的檢測，發現生產過程中結晶器液位變化很小，完全滿足技術要求。

同時因為設計理念的先進性，現場出現的一些設備故障可以在生產過程中有效解決，豐富了HMI監控系統，增加了故障判斷系統，一些故障可以直接從HMI上獲取，大大節省了故障處理的時間，提高了工作效率。