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    方  雄：華菱漣鋼薄板有限公司熱軋板廠

    1  引言

    在現(xiàn)代板坯連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器鋼水液位自動(dòng)控制在減少漏鋼、溢鋼、開澆失敗、提高鑄坯質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)過程中起到十分關(guān)鍵的作用。特別是在CSP（Compact Strip Product）薄板連鑄機(jī)中成為不可缺少的關(guān)鍵工藝之一。原因在于：（1）CSP薄板結(jié)晶器厚度通常小于90mm，其對鋼流量的擾動(dòng)緩沖能力有限，小的鋼流擾動(dòng)很容易產(chǎn)生大的液面波動(dòng)；（2）薄板連鑄機(jī)普遍采用高拉速，以漣鋼2005年為例，年平均拉達(dá)4.3m/min，在如此高的拉速條件下，液位控制必須可靠穩(wěn)定，操作者目測實(shí)現(xiàn)十分困難；（3）必須有自動(dòng)開澆功能，人工目測開澆的成功率低，難以滿足生產(chǎn)的要求。因此華菱漣鋼薄板有限公司2004建成投產(chǎn)的CSP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線全套引進(jìn)了德國SMSD公司的結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)，以下簡稱MLC系統(tǒng)（Mold level control）。該系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)連鑄機(jī)自動(dòng)開澆，在澆鑄期間控制和保持結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位穩(wěn)定，為生產(chǎn)穩(wěn)順創(chuàng)造有利條件。

    2  主要設(shè)備組成
MLC系統(tǒng)主要由3部分組成，即伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的塞棒機(jī)構(gòu)；以Co60為放射源的液位檢測系統(tǒng)；TCS控制器。系統(tǒng)布置如圖1所示。

1-中間包；2-塞棒；3-塞棒機(jī)構(gòu)；4-伺服驅(qū)動(dòng)器；5-TCS控制器；
6-二次儀表；7-Co60源；8閃爍計(jì)數(shù)器；9-浸入式水口；10-結(jié)晶器
圖1 結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)布置示意圖

    2.1 塞棒機(jī)構(gòu)

    漣鋼CSP連鑄機(jī)采用了雙機(jī)兩流，每流配備兩臺(tái)中間包車，一臺(tái)澆鋼時(shí)，另一臺(tái)烘烤，準(zhǔn)備下一個(gè)澆次。每一個(gè)中間包上安裝一套塞棒機(jī)構(gòu)。塞棒機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、電動(dòng)缸、升降臂構(gòu)成。伺服傳動(dòng)裝置控制電機(jī)通過電動(dòng)缸的精密絲桿驅(qū)動(dòng)升降臂，由升降臂帶動(dòng)塞棒上下移動(dòng)，絲桿的實(shí)際位移由集成在電機(jī)上的增量式編碼器檢測。

    2.2 液位檢測系統(tǒng)

    液位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用放射源Co60，放射源置于結(jié)晶器活動(dòng)側(cè)的水箱預(yù)置孔中，通過安裝在對面的閃爍計(jì)數(shù)器（探測器）接收射線，并轉(zhuǎn)化為脈沖信號送主控制室的二次儀表LB352。經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為4~20mA電流信號送TCS控制器的模擬量信號接收模塊。

    2.3 TCS控制器

    TCS控制器是SMSD公司開發(fā)的一套成熟而可靠的工藝控制器，基于VME總線、采用多微處理器結(jié)構(gòu)，具有任務(wù)分散控制、信息集中管理的特點(diǎn)。所有的微處理器采用Internel公司的PentiumIII800以上CPU，運(yùn)行速度快，可以處理1ms以下的控制任務(wù)。在TCS控制程序中將MLC功能作為一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與管理，并將其任務(wù)分配給其中的一塊CPU板，從而保證整個(gè)液位控制系統(tǒng)的控制周期在3ms以內(nèi)。

    3  系統(tǒng)的功能與控制策略

    MLC系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)由兩個(gè)串級的控制環(huán)構(gòu)成，一個(gè)用于結(jié)晶器液位控制具有延時(shí)微分單元的比例積分微分（PIDT1）控制環(huán)，一個(gè)用于塞棒位置控制的比例（P）控制環(huán)。

圖2  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    3.1 實(shí)際液位的檢測與計(jì)算
 
    放射源的幅射強(qiáng)度通過一個(gè)閃爍計(jì)數(shù)器（scintillation counter）測量，放射源與計(jì)數(shù)器之間的輻射吸收度由結(jié)晶器液位高度決定，在輻射強(qiáng)度與結(jié)晶器液位之間呈近似的線性關(guān)系。若沒有鋼流在結(jié)晶器中，射線僅被銅板、結(jié)晶器水箱吸收，澆鑄時(shí)射線被銅板、水箱及鋼水吸收。因此計(jì)數(shù)器檢測到的脈沖數(shù)與結(jié)晶器鋼水液位之間的關(guān)系可表示：

    f(x)=A0-kx                                                                     （1）

    式(1)中A0為指沒有鋼流情況下計(jì)數(shù)器檢測到的脈沖數(shù)，k為線性因子，x為鋼水高度。
k值由標(biāo)定得到，每次更換結(jié)晶器或澆次，必須重新進(jìn)行“空位”（0%）與“滿位”（100%）的標(biāo)定。由式(1)容易得到：

    k=(f(滿)-f(空))/100 

    標(biāo)定完成后二次儀表自動(dòng)計(jì)算出這個(gè)k值，并保存下來，實(shí)際澆鋼過程中再利用式（1）計(jì)算出結(jié)晶器中鋼水液位。Berthord液位檢測系統(tǒng)在檢測與轉(zhuǎn)換過程中，考慮了瞬間干擾因素對測量值的影響以及射線測量本身具有的非線性，對測量結(jié)果采用移動(dòng)平均與插值算法進(jìn)行了預(yù)處理，最后將處理結(jié)果作為實(shí)際測量值送TCS控制器。

    3.2 液位PIDT1控制

    結(jié)晶器實(shí)際液位和系統(tǒng)設(shè)定參考液位值比較得到的液位偏差做為PIDT1控制器的輸入，并經(jīng)過該控制器計(jì)算，輸出位置調(diào)節(jié)量給下一級塞棒P控制器。為了改善在液位波動(dòng)較大的情況下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，防止溢鋼，液位控制器還引入了比例系數(shù)在線自適應(yīng)功能。系統(tǒng)首先將液位偏差值傳給比例參數(shù)自適應(yīng)模塊，由該模塊根據(jù)液位偏差的程度計(jì)算出用于PIDT1控制器的P參數(shù)。

    3.3 塞棒位置動(dòng)態(tài)預(yù)設(shè)定

    塞棒P控制器的輸入由三部分組成，如圖2所示，其中一部分來自液位PIDT1控制器的輸出，一部分來自塞棒位置預(yù)設(shè)定功能模塊的輸出，剩下部分來自于塞棒調(diào)節(jié)系統(tǒng)自身的位置反饋值。在生產(chǎn)過程中，塞棒的位置參考值受到塞棒幾何尺寸、安裝精度以及水口形狀等靜態(tài)因素的影響，同時(shí)也受到一些不斷變化的因素如拉速、液芯壓下、在線調(diào)寬調(diào)錐以及鋼水流動(dòng)差異性等動(dòng)態(tài)因素的影響，如何盡可能地減小這些動(dòng)態(tài)因素對液位的影響正是塞棒位置動(dòng)態(tài)預(yù)設(shè)定功能的設(shè)計(jì)初衷與設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)中集成的塞棒動(dòng)態(tài)位置預(yù)設(shè)定功能模塊通過綜合考慮中間包鋼水的高度、水口形狀、拉速、結(jié)晶器實(shí)際寬度、鑄坯實(shí)際厚度（主要針對液芯壓下）等因變量、計(jì)算出塞棒節(jié)流口通鋼量所需的等效面積S，并由下述模型計(jì)算出塞棒的預(yù)設(shè)定位置值：

    f預(yù)(s)=As3+Bs2+Cs+D  

    其中A，B，C，D為模型系數(shù)，s為塞棒節(jié)流口通鋼量的等效面積。

    3.4 自動(dòng)開澆

    如果各項(xiàng)開澆條件準(zhǔn)備好，中間包內(nèi)鋼水達(dá)到指定液位，操作人員按下自動(dòng)開澆按鈕，結(jié)晶器液位控制進(jìn)入自動(dòng)開澆模式。在自動(dòng)開澆模式下，塞棒按照開澆曲線動(dòng)作（開環(huán)控制），對結(jié)晶器進(jìn)行填充，當(dāng)系統(tǒng)檢測到10%的鋼水液位，塞棒立即由開環(huán)控制切換到閉環(huán)控制，并向PLC系統(tǒng)發(fā)出設(shè)備啟動(dòng)信號，鑄機(jī)傳動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)開澆控制結(jié)束并轉(zhuǎn)入正常的澆鑄自動(dòng)控制模式。若在自動(dòng)開澆模式選擇后，一個(gè)或多個(gè)條件丟失或鋼水填充時(shí)間超出規(guī)定時(shí)間，則立即進(jìn)入急停模式，自動(dòng)開澆失敗，在HMI上顯示報(bào)警與故障信息。

    4  系統(tǒng)的應(yīng)用效果

    系統(tǒng)投入運(yùn)行后，表現(xiàn)出了可靠性高、液位控制平穩(wěn)、超調(diào)小、響應(yīng)快的特點(diǎn)。圖3中a~d分別顯示了薄板坯鑄機(jī)生產(chǎn)過程中四種最惡劣操作條件下的MLC控制波形。
圖3(a)是曲型的開澆過程，結(jié)晶器液位在10秒左右由0%上升到參考液位70%，波形曲線顯示MLC系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)小，控制平穩(wěn)。

    圖3(b)是漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)檢測到漏鋼，啟動(dòng)緊急降速漏鋼愈合模式，拉速在3秒內(nèi)從當(dāng)前拉速3.8m/min下降到1m/min。曲線中顯示液位僅有一個(gè)2%的小波。

    圖3(c)是結(jié)晶器在線調(diào)寬，鑄坯寬度由1556mm迅速減小到1531mm過程，曲線十分平穩(wěn)。

    圖3(d)是扇形段在進(jìn)行液芯壓下（LCR）的波形，扇形1段底部的出口厚度由72mm減薄到65mm，液位波形穩(wěn)定。

a  開澆過程

(上曲線：液位，下曲線：拉速)

b  BPS事故降速

(上曲線：液位，下曲線：拉速)

c  結(jié)晶器在線調(diào)寬

(上曲線：液位，下曲線：坯寬度)

    以上四個(gè)波形圖反映了MLC系統(tǒng)的整體性能，表明了應(yīng)用塞棒位置動(dòng)態(tài)預(yù)設(shè)定來補(bǔ)償PID控制輸出，效果良好；在開澆、拉速改變、在線變寬、變厚等工藝操作條件下能顯著改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，從而保持液位穩(wěn)定。

    5  結(jié)束語

    以液位PIDT1控制器與塞棒位置P控制器為基礎(chǔ)，附加比例參數(shù)自適應(yīng)與塞棒位置動(dòng)態(tài)預(yù)設(shè)定功能構(gòu)成的結(jié)晶器鋼水液位控制系統(tǒng)，在實(shí)踐應(yīng)用中，表現(xiàn)出良好的抗擾動(dòng)能力，系統(tǒng)超調(diào)小，響應(yīng)快，能保持結(jié)晶器鋼水液位穩(wěn)定在±3mm以內(nèi)，滿足了薄板坯連鑄生產(chǎn)的工藝要求，從投產(chǎn)至今為漣鋼CSP生產(chǎn)線的穩(wěn)順運(yùn)行創(chuàng)造了良好的工藝條件，取得了巨大的效益。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 徐清，楊兵 MLC控制在馬鋼CSP連鑄中的應(yīng)用[J].冶金動(dòng)力.2004,(4):75-81.

    [2 ] 李建科 連鑄機(jī)結(jié)晶器的液位自動(dòng)控制[J].山東冶金.2004,26(1):44-46.