结晶器钢水液位自动控制在板坯连铸的应用分析

周林

摘要：结晶器钢水液位自动控制是板坯连铸工艺运行中的关键模块，对板坯连铸工艺运行安全性、生产效率及质量具有直接的影响。基于此，文章以板坯连铸中结晶器钢水液位自动控制的原理为入手点，简要介绍了板坯连铸中结晶器鋼水液位自动控制的应用技术指标及系统组成，并对板坯连铸中结晶器钢水液位自动控制的应用方案设计及应用效果进行了进一步分析。

关键词：结晶器;钢水;液位自动控制;板坯连铸

前言：板坯连铸中结晶器钢水液位自动控制的实现，可以保证结晶器内钢水液位始终恒定，或按照一定规则均匀变化。现阶段通过控制塞棒升降高度调节流入板坯连铸中结晶器钢水流量的流量型液位自动控制法应用较为普遍，且已经形成了较为成熟的理论体系。基于此，对流量型结晶器钢水液位自动控制法在板坯连铸中的应用进行适当分析具有非常重要的意义。

一、结晶器钢水液位自动控制在板坯连铸的应用原理

在板坯连铸工艺运行过程中，中间包内部钢水注入结晶器为浇铸起始点，在进入浇铸环节后，结晶器内钢水液位会随着浇铸速度的变化而变化。然而，板坯连铸工艺要求结晶器内钢水始终保持液位的平衡稳定。这种情况下，利用调节塞棒的方式调节浸入式水口的有效面积，可以在钢水达到一定液位时启动板坯连铸机器，根据结晶器液位设定值，进行钢水液位的自动控制[1]。而在板坯连铸机器停止运行时，可以停止液位调节。特殊情况下，也可以通过调节塞棒，实现板坯连铸工艺的紧急制动。

二、结晶器钢水液位自动控制在板坯连铸的应用

1、技术指标及过程

板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制指标主要包括液位控制范围（距离结晶器上口80mm～160mm）、动态液位控制精度（±10.0mm）及其他生产工艺要求的指标。同时要求板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制可以实现手动、自动开浇、电动控制，可以实现上下限液位报警及危急时刻应急自动处理。

板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统主要包括交流无刷永磁伺服控制系统、中间包塞棒开启机构、单回路控制器、PLC、结晶器钢水液位测量仪及记录仪等。其中中间包塞棒开启机构主要用于进行中间包流入结晶器钢水流量的调节。即通过塞棒的上升、下降，对浸入式水口有效面积进行适当调整，由此达到调节流量的作用。在结晶器钢水液位自动控制系统中，塞棒系统主要以电气（交流无刷永磁伺服控制系统）为驱动源，变频器为开关速度主要调节装置，电动机械执行机构可以控制塞棒的上升、下降动作;单回路控制器主要是作为操作人员、工程师站点，执行画面监控操作、数据存储、数据修改等任务，并对结晶器钢水液位自动控制系统进行开发、维护[2]。单回路控制器主要配置IPC-660系列工控机及中文版Windows7专业版操作软件、STEP10开发软件，配合监控软件WINCC，进行过程组态、画面开发、程序编辑;PLC主要配置了SIEMENS的SIMATIC系列可编程控制器及CPU315-2DP，其中一DP口与单回路控制器相连，另一端与工业以太网相连，实现中包钢水温度、铸机拉速、设定液位、结晶器钢水液位等数据交换;结晶器钢水液位测量仪及记录仪主要采用Cs137放射源检测法，包括接收器、放射源、分析仪表几个部分，放射源、接收器分别位于结晶器两侧。放射源所发出的射线可以穿过结晶器铜壁、钢水，被接收器接收。接收器可以根据射线强度，进行钢水液位计算。一般钢水液位与穿越结晶器射线量成反比。

2、控制方案设计

板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统主要包括自动控制、手动控制、电动控制几种模式，每一种模式控制方案均不同。以电动（或手动）开始浇铸且结晶器内钢水液位维持恒定后切换至自动控制为例，操作者将切换开关切换至自动控制过程中，需要通过过程计算机，进行钢水液位值设置（一般经PLC输出至单回路控制器作为设定值）。此时，单回路控制器采样“LADAR”板坯连铸工艺中结晶器钢水液位测量仪及记录仪所获得的实际液位信号、输出信号可分别作为反馈值、串级设定值。同时由光电编码器输出高频率脉冲信号，经PLC内转换模块，转化为低频率脉冲信号（代表中间包塞棒位置或流入结晶器内钢水量）、交流伺服电机正转信号、反转信号，被单回路控制器接收并进行串级PI运算[3]。运算结果获得后输出给交流无刷永磁伺服控制系统，经控制交流伺服电机正转速度、反转速度，进行中间包塞棒的上升、下降控制，保证板坯连铸工艺中结晶器钢水液位恒定，且与过程计算机上设定液位值相同，

如在2018年09月15日浇铸时，结晶器尺寸为75.0mm*550.0mm，保护渣为灰色S4LA，钢种为A3，过程计算机设定液位值及记录仪记录速度分别为58mm（结晶器上口为零点）、每分钟25mm，测量仪设定响应时间及锁定时间、允许公差量程分别为150.0ms、1.5s、12.0mm、580mm。拟决定全部应用电动、手动、自动三种操作方式，从16点56分05秒开始利用电动起浇模式，2分50秒后拉速、液位恢复至稳定状态，切换至自动控制，浇铸9分钟后，由于大包浇铸完毕且中间包钢水液位逐步下降，切换至手动控制并持续4分05秒后停止浇铸。

3、控制方案实现及效果

在板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统应用方案设计的基础上，为了更好的减小结晶器钢水液位干扰，可以采用串级PID控制的模式，串级PID控制包括主回路、副回路两个回路，分别对应主控制器、副控制器。相关人员可以主回路PID控制作为结晶器钢水液面调节主要用手段，以结晶器钢水液位目标值、滤波后结晶器钢水液位值分别作为PID调节设定值、PID调节反馈值。主要程序为：L #PID_SP //PID 设定值、反馈值误差计算;L #ST_PID _COEFF.KI //KI*R比例输出、积分输出;L #PID_PV //PID反馈值/前一周期反馈值;T #ST_D_OUT//微分输出。

在板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统功能实现之后，将其投入某特种钢铁冶炼厂1#连铸机中应用。运行一段时间后发现，结晶器中铸造钢坯加渣、包渣现象发生概率明显减少，特种钢铁铸造钢坯质量、钢水收得率得到了有效提升。同时板坯连续铸造工艺实施阶段结晶器遗漏事故发生风险有效下降，保证了板坯连续铸造工艺实施安全性。而板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统特有的自动化管控模式及可视化操作界面，也可以实现结晶器钢水液位的数字化、远距离调节，有效的减轻了现场操作压力[4]。

总结：

综上所述，板坯连铸工艺中结晶器钢水液位自动控制系统利用了电动缸交流伺服驱动装置、串级PID控制方法，可以通过网络传送联锁控制信号，最大限度降低硬件连接量，故障点较少，且成本较低，可以保障板坯连铸工艺中结晶器钢水液位的稳定，为板坯连铸工艺实施提供强有力的保障。因此，相关人员应正确认识流量型钢水液位自动控制优势，陆续将流量型钢水液位自动控制技术推广到其他设备中，切实提升板坯连铸工艺运行效益。

参考文献：

[1] 谢基表， 王诗， 杨国明，等. 薄板坯连铸机结晶器液位控制原理与应用[J]. 河北冶金， 2018，000（8）：25-30.

[2] 张开天， 刘建华， 崔衡，等. 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响[J]. 北京科技大学学报， 2018， 040（006）：697-702.

[3] 付鹤鸣， 郑世辰. 运用大数据及设备剖析提高结晶器钢水液位检测系统的控制精度[J]. 河北冶金， 2018， 000（011）：64-68.

[4] 高勇， 谌智勇， 孟保仓，等. 包钢大方坯连铸结晶器液位稳定性控制研究[J]. 包钢科技， 2019， 045（003）：19-21.