連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)探析

陳喬明

（天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北056404）

0 引言

煉鋼廠連鑄工藝環(huán)節(jié)運用鋼水液面控制系統(tǒng)，對于提高生產(chǎn)管理效率具有重要作用，也是降本增效采取技術(shù)革新的重要途徑。鋼水液面控制原理是：當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器后，為了避免出現(xiàn)溢鋼現(xiàn)象，鋼水液面需始終低于結(jié)晶器口約70～100 mm。在鋼水澆鑄過程中，若鋼水液面產(chǎn)生較大波動，則極有可能將渣子卷入，在鑄坯表面形成夾渣，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。若將鋼水液面波動控制在±3 mm 以內(nèi)，可以有效清除表面夾渣。

鋼水液面自動控制系統(tǒng)一般分為如下3 類：

（1）通過塞棒的升降調(diào)節(jié)結(jié)中包水口，也稱恒拉速，即保持拉矯機的拉速不變，用塞棒控制中包水口的流量，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水保持在設(shè)定位置內(nèi)。

（2）通過控制拉坯速度，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水量能夠保持穩(wěn)定，也稱恒液面，即控制拉矯機的拉速，使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水保持在一定位置范圍內(nèi)。

（3）前兩種的復(fù)合類型。

目前新天鐵公司煉鋼廠2 號連鑄機采用復(fù)合型控制，1、3 號連鑄機采用第（2）種類型，同為衡陽鐳目公司的鋼水液面控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

1 連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)的作用

生產(chǎn)中，運用好連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)十分重要。鋼水液面控制系統(tǒng)作為煉鋼連鑄生產(chǎn)的核心技術(shù)，其主要控制方式為調(diào)節(jié)鋼水澆鑄速度與入流量，確保結(jié)晶器內(nèi)的鋼水能夠始終保持恒定，避免出現(xiàn)溢鋼漏鋼事故，還可以提升連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量。連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)可以確保生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，降低鑄件表面可能存在的夾渣缺陷，防止因保護渣不均勻的流入而出現(xiàn)裂紋。

煉鋼在連鑄生產(chǎn)環(huán)節(jié)時，結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面高度極易因外界因素而出現(xiàn)較大的涌動現(xiàn)象，這些會對鋼坯質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。液面波動較大的主要原因為：結(jié)晶器中鋼水流入的速度出現(xiàn)較大變化，當(dāng)液面波動匯合時便會產(chǎn)生碰撞涌動；結(jié)晶器中鋼水內(nèi)所形成的氣泡在上升過程中引發(fā)的波動。在連鑄時產(chǎn)生的波動主要是因為鋼水流速變化較大，而連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)，則可以有效解決此問題。此系統(tǒng)運用于連鑄生產(chǎn)線上的主要作用有以下幾點：

連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，維持并穩(wěn)定結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面，避免出現(xiàn)溢鋼漏鋼現(xiàn)象，再通過充分的冷卻來提高連鑄生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量。

連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)可以優(yōu)化鑄坯的表面結(jié)構(gòu)，減少生產(chǎn)后的鋼坯表面處理工藝，有效實現(xiàn)節(jié)能降耗的生產(chǎn)目標。

連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)操作簡單，生產(chǎn)速度較快，既可以降低工人的生產(chǎn)勞動強度，還能夠提高企業(yè)效益。

2 連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)分析

當(dāng)鋼水澆入結(jié)晶器后，隨著澆鑄速度及流量的變化，結(jié)晶器的液面也會隨之發(fā)生改變。連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)需要確保鋼水液面的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)塞棒來控制鋼水流入速度與流入量。

2.1 結(jié)晶器鋼水液面檢測系統(tǒng)

鋼水液面控制系統(tǒng)最核心的問題是鋼水液面在結(jié)晶器中的位置及控制。隨著科技的不斷進步，有很多結(jié)晶器鋼水液面檢測方法，如放射源法、雷達檢測法、激光法等，它主要根據(jù)連鑄生產(chǎn)的規(guī)格及類型進行確定。大部分的鋼鐵廠所采用的為放射源法，以Co60 和Cs137 放射源為主。Cs137 的使用較為廣泛，檢測結(jié)構(gòu)包括Cs137 放射源、信號接收器及分析儀表，放射源與信號接收器位于結(jié)晶器的兩側(cè)，當(dāng)放射源的射線穿過結(jié)晶器后會被接收器接收，之后接收器會對所獲得的γ 射線信號進行處理，將其轉(zhuǎn)換為不同的電信號并計算出鋼水液面的實際高度。鋼水液面越高，則穿過的放射源信號越少，反之信號會越多，從而控制鋼水在設(shè)定位置。

圖1 為鋼水液面檢測系統(tǒng)。放射源主要存放在保護罩內(nèi)，它的作用是防止放射源所產(chǎn)生的γ射線對外界產(chǎn)生污染與影響。保護罩的一側(cè)會開有小口，只允許少量的γ 射線發(fā)射出去并被接收器接收。信號接收后由分析儀表進行處理，其主要作用在于接受放射源所產(chǎn)生的電信號，并將其轉(zhuǎn)換為PLC 可識別的電信號。

2.2 塞棒控制系統(tǒng)

塞棒在鋼水液面控制系統(tǒng)中具有重要作用，它也是調(diào)節(jié)結(jié)晶器鋼水流量及速度的關(guān)鍵。通過控制塞棒的升降，可以改變水口的有效面積，進而達到調(diào)節(jié)鋼水流量的目的。如電氣驅(qū)動的塞棒系統(tǒng)，它的開關(guān)速度由直流伺服電機來控制，執(zhí)行結(jié)構(gòu)位于中間包上。

圖2 為塞棒控制系統(tǒng)。塞棒系統(tǒng)的主要設(shè)備由電動執(zhí)行器、塞棒及手動操作桿等組成。電動執(zhí)行器主要通過直流伺服電機進行控制，安裝于中間包上，通過專用螺栓進行連接，可以根據(jù)使用情況需求進行拆裝調(diào)整。鋼水液面控制系統(tǒng)的塞棒調(diào)節(jié)方式主要通過PLC 收到的液面位置電信號，經(jīng)過分析處理，再向直流伺服電機發(fā)出驅(qū)動指令，從而控制電動缸的伸縮，達到自動調(diào)節(jié)目的，確保塞棒能夠始終處于合適的位置，還可以通過操作箱上的按鈕進行手動調(diào)整，避免自動調(diào)節(jié)失效或其它特殊情況而影響塞棒調(diào)節(jié)效果。若出現(xiàn)電氣傳動故障問題，可通過操作人員控制手動操作桿，確保連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

2.3 結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)目標分析

首先，鋼水液面控制系統(tǒng)需要確保結(jié)晶器液面的穩(wěn)定，對于精度的要求非常高。通常情況下，結(jié)晶器液面的波動期望應(yīng)為±3 mm 內(nèi)，所以對系統(tǒng)的自動化要求很高。其次，由于鋼水在澆鑄過程中受到的影響因素較多，若采用單一的控制方法，無法有效解決鋼水液面波動問題，因此需要根據(jù)實際情況選擇不同的控制方法。如當(dāng)液面信號出現(xiàn)故障問題時，控制系統(tǒng)無法做出自動調(diào)節(jié)，那么自動澆鑄時則需要進行停澆處理；控制系統(tǒng)在進行自動調(diào)節(jié)時，若結(jié)晶器的液面大于或小于允許液位，則會影響正常的連鑄生產(chǎn)，當(dāng)液面較低時需要緊急關(guān)閉塞棒，而當(dāng)較高時則可以通過更改設(shè)定的方式來降低液面高度；當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)區(qū)域停電故障問題時，需要進行緊急處理，這時PLC 發(fā)信號至急停系統(tǒng)進行停澆處理。

3 連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)設(shè)計原則

鋼鐵廠在連鑄生產(chǎn)過程中，塞棒系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，面對特殊情況，塞棒系統(tǒng)需要迅速做出反應(yīng)，避免出現(xiàn)安全事故，因此對于系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與安全性有著較高的要求，在控制系統(tǒng)設(shè)計時也需要充分考慮這些因素。

圖1 鋼水液面檢測系統(tǒng)

圖2 塞棒控制系統(tǒng)

3.1 可靠性原則

可靠性原則是連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)設(shè)計的首要原則，系統(tǒng)若不可靠，則極易出現(xiàn)設(shè)備損壞及安全事故。如PLC 系統(tǒng)必須可靠，確保此系統(tǒng)能夠在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定運行，還應(yīng)能夠承受高溫、潮濕等惡劣環(huán)境。

3.2 穩(wěn)定性原則

PLC 控制系統(tǒng)除了需要具有可靠性，若信號不穩(wěn)定而出現(xiàn)無法判斷的情況，將會對連鑄生產(chǎn)造成巨大的影響。首先，需要確保信號穩(wěn)定，PLC 需要通過收集器獲取信號，同時需要對現(xiàn)場的各種設(shè)備發(fā)出指令，如塞棒的調(diào)節(jié)等。其次，還要確保通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要包括PLC 系統(tǒng)與上位機之間的通聯(lián)，避免因通訊故障而出現(xiàn)停澆現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

綜上所述，連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)對于鋼鐵廠的連鑄生產(chǎn)具有重要的作用。其控制系統(tǒng)作為鋼鐵廠連鑄生產(chǎn)的重要技術(shù)，可以確保連鑄機的穩(wěn)定安全運行，優(yōu)化生產(chǎn)操作步驟，切實提高鑄坯質(zhì)量。因此，操作和維護人員在使用過程中應(yīng)加強對連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)的了解，充分認識系統(tǒng)的作用及原理并對其不斷優(yōu)化創(chuàng)新，以此來提高連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制系統(tǒng)的運行效率，減少操作失誤和設(shè)備故障，確保生產(chǎn)活動能夠順利進行。