板坯连铸机结晶器液位控制系统的分析与应用

江　杰,杜　宇（内蒙古科技大学,内蒙古 包头 014010）

板坯连铸机结晶器液位控制系统的分析与应用

江杰,杜宇
（内蒙古科技大学,内蒙古 包头 014010）

包钢薄板坯连铸连轧厂宽厚板连铸机的结晶器液位控制系统由西门子PLC进行控制，实现浇铸过程中钢水液位的稳定，保证板坯质量，并保证连续浇铸作业的生产稳定。本系统通过精确的液位检测，完善的串级控制算法，精密的执行机构，确保了整个生产过程液位始终符合工艺要求。本文旨在对该系统自动液位调节的工艺、控制原理及起始浇铸过程的液位调节过程进行说明。

连铸；结晶器；液位控制

1　结晶器液位控制技术

1.1结晶器液位控制的重要性

连铸生产过程中，对于结晶器液位控制的一个基本要求是稳定生产操作，避免漏钢和溢钢；其次是要尽可能的保持液位稳定，提高铸坯的质量。而能否满足第二条要求是目前衡量连铸控制水平的一个重要标志。

结晶器液位控制的重要意义如下：

（1）减少和避免漏钢、溢钢，稳定生产操作；

（2）防止浮在结晶器液面上的夹杂物卷入铸坯，避免在铸坯表面和内部产生夹渣缺陷；

（3）防止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷；

（4）使铸坯出勤凝固稳定、保证在结晶器内部产生均匀的凝固壳；

（5）降低操作人员的劳动强度。

2　液位控制方法及特点

2.1流量型

通过控制中间包内向结晶器内钢水流量，以保持液位稳定，即改变塞棒或滑动水口的位置，或者控制塞棒和滑动水口二者的位置，控制钢水流量，以达到液位稳定的目的。

2.2速度型

即控制拉坯速度以保持液位稳定。在这种方法中，固定中间包流入到结晶器中的钢液量，根据液位变化修正拉坯控制系统的设定值，以使结晶器液位保持恒定。这种方法喷溅较少，主要用于小方坯连铸。

2　液位调节控制过程分析

2.1双环PID控制系统

结晶器液位控制系统采用串级控制，由两个控制环组成，一个控制环用于结晶器的液位控制，另一个用于塞棒位置控制。

塞棒位置PID控制器，处于整个结晶器液位控制系统的内环，根据液位控制计算出的塞棒目标值与实际值进行PID运算，得到塞棒伺服阀给定值。

结晶器液位控制采用的PID控制器，处于整个结晶器液位控制系统的外环，其液位目标值由二级系统根据工艺要求设定，实际值通过液位监测装置测量。

2.2辅助控制系统

除液位调节功能，本控制系统还提供其他辅助功能，以避免发生塞棒粘结、结晶器液位无阻尼振动等问题。

（1）水口冲刷；

（2）塞棒颤动；

（3）事故关闭。

3　液位调节系统实现

3.1硬件实现

液位调节系统的上位机采用西门子公司的WINCC软件，通过其上位机画面可以设定液位目标值，并监视液位、塞棒的实时状态和历史趋势。下位机为一套西门子S7-400系列的PLC系统，可以读取液位检测和塞棒位置的过程值，进行串级PID控制，并向塞棒液压执行器发出动作命令。

本系统的重要单体设备为液位检测装置和塞棒。

3.1.1涡流液位检测装置

结晶器液位控制是基于涡流原理。传感器的初级线圈接受到电流产生高频磁场。随即在结晶器内部的金属上产生涡流电流，传感器的二次线圈产生感应电压。结晶器内钢水液位的变化会导致感应电压发生变化。因此二次线圈电压用于测量液位。采用两个二次线圈而非一个是为了将结晶器侧面的影响最小化。

表1　涡流液位检测装置技术参数

3.1.2塞棒

塞棒用于对从中间包到结晶器的钢水流量进行整体控制和微调。同时在事故状态下可以立即停止钢水流入结晶器。

塞棒是由带液压缸，伺服阀和位置传感器的液压执行机构进行手动或自动的操作。在自动模式下，塞棒由结晶器液位自动控制系统控制。

表2　塞棒及液压缸相关技术参数

3.2软件实现

液位调节系统的串级PID控制原理框图如图1所示，通过PLC程序实现。

通过控制塞棒位置将结晶器液位控制在设定点，这一控制通过PLC实现的闭路控制器来完成。控制器将实际液位与目标液位进行比较，并由PID进行运算，产生塞棒位置的参考值。这一参考值发送到第二个PID，这个PID按照位置传感器测定的塞棒实际位置控制塞棒伺服阀。

有两种调节器常数：（1）自动开浇常数；（2）调节器常数。所有的常数保存在PLC的一系列数据库中，所有的常数随着结晶器尺寸的改变而改变。在浇注期间，为了更好的适应情况，根据不同响应时间的要求，PID参数也相应改变。

4　液位调节启动过程分析

液位调节的启动标志着连铸浇铸的正式开始，该过程是保证连铸能正常、稳定生产的最重要环节之一，下面就液位调节的启动过程进行介绍。

在完成浇铸前的所有准备，如送引锭杆完成，结晶器开始振动，中包车移动到位等各项准备工作后，系统提示可以进行浇铸作业，此时由操作工在现场操纵箱启动塞棒打开命令，液位调节正式启动。每个步骤确认塞棒的一个位置，在执行期间，塞棒加速达到要求的位置；并非每个步骤都必须执行，一旦液位达到开浇设定值，则系统直接执行最后步骤。

当达到目标值则进入自动控制模式，此时根据目标液位通过串级PID调节自动实现液位控制，同时启动夹送辊开始进行连铸出坯。整个启动过程如图2所示，该图以时间为横轴，纵向比较塞棒位置，液位，浇铸速度三个变量在浇铸启动过程的变化过程。

5　结束语

结晶器液位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标，直接影响最终产品的质量。宽厚板连铸机的液位调节系统自投用以来，运行正常，稳定状态下液位调节精度可达到±0.2mm，满足了连铸生产对结晶器液位的控制要求，保证生产的稳定和板坯的质量。

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江杰（1959—），男，安徽全椒人，本科，教授级高工，教师，研究方向：智能仪器及仪表。