【正文】 策略共同組成了結(jié)晶器內(nèi)液位自動控制系統(tǒng)。 結(jié)晶器液位自動控制系統(tǒng)中的液位檢測技術(shù)是阻礙我國在連續(xù)鑄鋼領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的生產(chǎn)過程的問題之一。結(jié)晶器鋼水檢測技術(shù)常見的主要包括使用放射性同位素檢測法、熱電偶檢測法、渦電流法和超聲波法。現(xiàn)在在國內(nèi)只有沈陽市的東北大學(xué)和核工業(yè)部 260 廠分別設(shè)計并且制造成利用超聲波的液位計和用 Co60 為放射性源的結(jié)晶器的液位測量儀，但一直沒有廠商正規(guī) 的在生產(chǎn)中使用過。在液位檢測器使用中，日本生月鐵公司、武鋼第五煉鋼廠和太原鋼鐵 2 號鑄造鋼廠的某幾個連鑄機使用是渦電流方法，德德國阿爾卡特米爾公司伏蘭克林廠和西安鋼鐵廠使用具有放射性的同位素法，日本東升月公司第 4 號板坯連鑄機采用熱電偶的處理方法，中國寶鋼也用過這種方法。此外，有電磁感應(yīng)的方法，激光照射法，紅外線測量法和工廠專用電視攝影法等等，這些方法各自有各自的的特征。使用起來在全世界都比較理想并且較為成熟的結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位的檢測方法是采用具有放射性的同位素的方法。其精確度能夠達到 5 毫米，穩(wěn)定性也很可靠、進 行安裝操作也比較人性化、能夠長時間使用不會損壞、價格便宜并且在實際中易于使用，各種類型的連鑄機都可以進行使用，特別是對于方坯連續(xù)鑄造機。然而，由于輻射對于人類的身體有非常大的傷害，現(xiàn)在這種方法已經(jīng)消失在絕大部分工廠中。例如曾經(jīng)使用過同位素放射性法的鞍山鋼鐵，目前開始切換到熱電偶和電磁感應(yīng)的測量方法。隨著渦流法的成熟度和精度的提高，目前國內(nèi)已經(jīng)越來越廣泛使用。 到現(xiàn)在結(jié)晶器鋼水液位控制系統(tǒng)主要執(zhí)行操作機構(gòu)包括：低慣量交流無刷伺服電動機、高精度氣動數(shù)字缸、電氣交流無刷伺服電機執(zhí)行機構(gòu)、液壓執(zhí)行機構(gòu)，其中執(zhí)行機 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 構(gòu) 的第一、第二方式因為運行穩(wěn)定，使用過程出現(xiàn)問題維修起來非常方便，吸引更多的廠商開始采用這種方式。 關(guān)于控制處理器，因為連續(xù)鑄鋼車間內(nèi)的條件非常的苛刻，高溫多塵。目前世界范圍內(nèi)大部分都使用的是具有很高可靠性的可編程控制器作為控制處理器，而且德國的西門子研制生產(chǎn)的 PLC 是占據(jù)著非常大的市場范圍。 關(guān)于液位控制的策略，由于僅僅在某種條件下達到有效的結(jié)晶器液位控制的傳統(tǒng)比例積分微分的控制策略，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，因此出現(xiàn)了有多種以 PI（ D）為基礎(chǔ)的鋼水高度控制方法、智能鋼液控制方法以及配置零極點的液位控制方法。然而，對于 系統(tǒng)的穩(wěn)定性這幾種控制方法只是在一定程度上達到了提高，不存在一個通用方法可以有效地處理鋼水液位的控制問題，并在受制對象和系統(tǒng)參數(shù)之間的聯(lián)系程度也相當(dāng)密切，不易實現(xiàn)通一使用。因此，液位控制策略仍然是目前研究的關(guān)鍵。 總之，結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)涉及到多個領(lǐng)域的技術(shù)，其中包括：計算機控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等，其作為連鑄控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)化和智能化是結(jié)晶器液位控制技術(shù)的必然趨勢。 課題要求及其主要工作要求 通過對結(jié)晶器液位控制現(xiàn)狀及趨勢和意義的了解，以此為基礎(chǔ)主要使用可編程控制器（ PLC）對結(jié)晶器控制系統(tǒng)的軟硬件進行設(shè)計，使其能夠可靠穩(wěn)定的進行工作。具體的要求如下： 1） .以 遷鋼板坯連鑄機 結(jié)晶器作為研究對象，根據(jù)實際中對結(jié)晶器在液位控制系統(tǒng)的要求，決定采用電渦流技術(shù)和伺服電動機技術(shù)相互配合，實現(xiàn)結(jié)晶器的鋼水液位自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的，在進行系統(tǒng)設(shè)計的時候決定采用西門子S7200 系列 PLC 進行該控制系統(tǒng)的設(shè)計。 2．選擇合適的 PLC 型號和擴展模塊的型號，熟練使用編程軟件 step7，完成上下位機的軟硬件的設(shè)計、編程及調(diào)試。實現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)液位的 PI 閉環(huán)控制，使其能夠在 一般的工藝條件下能夠進行穩(wěn)定的液位控制。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 2 連鑄工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的介紹 連鑄工藝 連鑄技術(shù)是由英國人于 1986 提出的。該技術(shù)的工作原理是將液態(tài)金屬通過特殊的冷卻裝置、牽引裝置、連鑄輸送裝置等進行不間斷的澆鑄，形成一定形狀和尺寸的鑄坯。第二十世紀三十年代連鑄技術(shù)開始在一些有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用。連續(xù)鑄造真正應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)是在上世紀六十年代。隨著連鑄技術(shù)的向前發(fā)展，連鑄工藝成為鋼鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的極為核心的組成。從開始直接煉鋼再到軋鋼，在這中間扮演著重要的角色。連續(xù)鑄造的過程中能否穩(wěn)定連續(xù)的進行，不僅影響煉 鋼廠家生產(chǎn)指標，且會沖擊到鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量與成品率。連鑄技術(shù)不斷促進冶金工業(yè)的快速發(fā)展。 連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)線系統(tǒng)主要包括輸送設(shè)備、中間包、中間包車、結(jié)晶器、結(jié)晶器的振蕩裝置、二次的冷卻裝置、鋼坯的矯正系統(tǒng)、切割裝置和鋼坯輸出機構(gòu)等部分。生產(chǎn)線工作時，鋼水先通過煉鋼爐煉出，再通過爐外精煉設(shè)備處理后才能夠合格。通過運載鋼液的鋼包輸送設(shè)備旋轉(zhuǎn)、減速、停止。通過控制鋼包的回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)度，將鋼包置于中間罐上方，通過鋼包上面的長水口將鋼水流入到中間包，再經(jīng)中間包上面的水口，該水口是浸入式的。最后注入結(jié)晶器。澆鑄時，塞棒打開以后 ，鋼液進入能夠?qū)崟r測量其液位高低的結(jié)晶器，鋼水液面的高度通過傳感器進行檢測并傳送到鋼水液面的自動控制系統(tǒng)，通過伺服驅(qū)動的塞棒的運動，實現(xiàn)對鋼水液面的調(diào)節(jié)控制。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)部邊沿冷凝成還殼，當(dāng)結(jié)晶器出口的還殼厚度達到一定值時，啟動后面的導(dǎo)向裝置和結(jié)晶器振動裝置，使中心部位還是液體鋼水的鑄還進入由很多夾輯組成的弧形導(dǎo)向段 。鑄坯在這個位置在下行的過程中經(jīng)受二次冷卻，在其周圍有許多的噴嘴，不斷的噴出的霧化水，就是通過這種冷卻方式是將其冷卻，使中心鋼液溫度降低成鑄還。 當(dāng)鑄還進入矯直區(qū)域以后，鑄還在此處被矯直，但此時 鑄還有可能仍未完全凝固，處于液心狀態(tài)。當(dāng)矯直完畢 而且中心再無鋼液的時候，通過鋼坯的切割裝置在水平的位置上的移動，將鑄坯按照工業(yè)生產(chǎn)要求切割分成指定的長度，由橫移臺將切割好的鑄坯拖運離開，整個連續(xù)鑄鋼線的生產(chǎn)過程是連續(xù)不間斷的進行的。 該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖 。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在連續(xù)鑄鋼線的自動控制系統(tǒng)中所起到的作用以及按照不同的部件，可以分為以下五個區(qū)域： 平臺的控制區(qū)域、鑄流的控制域、后區(qū)的控制區(qū)域、液壓及潤滑區(qū)域、儀的表控制區(qū)域。（修改到處） 連鑄機結(jié)構(gòu) 連鑄機按 照形狀連鑄機又可分為板坯連鑄機、小方坯連鑄機和大方坯連鑄機等，這其中小方坯連鑄機大約占 50％。還可以分為立式、垂直多點立彎式、弧型、立彎式以及水平型等不同的機型，這些機型中弧形連鑄機占 60％以上。 一臺完整的連鑄機構(gòu)主要是由盛鋼桶、中間包、結(jié)晶器、結(jié)晶器的振動裝置、液位自動控制裝置、二次冷卻裝置、矯直裝置、切割裝置和鑄坯裝置等部分組合而成的，如 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 圖 。 圖 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 鑄鋼時，通過盛鋼桶的運載裝置，將盛有鋼水的盛鋼桶，運送至連鑄機的上方，鋼水通過盛鋼桶底部的流鋼孔注入到中間罐內(nèi)。當(dāng)打開滑動水 口后。鋼水流進到結(jié)晶器，結(jié)晶器的下口用引錠桿頭堵塞并能上下振動。結(jié)晶器周邊的溫度較低，鋼液沿其周邊冷凝成坯殼。當(dāng)坯殼在結(jié)晶器下端出口處有一定厚度時，在拉坯機驅(qū)動下使帶有液心并和引錠裝置連在一起的鑄坯沿著由弧形排列的夾輥支撐下移。同時，在二次冷卻裝置的作用下鑄坯將會被進一步冷卻并繼續(xù)凝固。當(dāng)引錠裝置進入拉矯機后脫去引錠鑄坯，使得鑄坯在全部凝固或帶有液心狀態(tài)下被矯直。在水平位置上隨后將會被切割成定尺長度，置放于運坯裝置上，進而運送到規(guī)定地點。上述整個生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的 [4]。 弧型連鑄機的主要設(shè)備： 1） 液 鋼供給裝置：連鑄煉鋼精煉爐出的用合格的鋼水倒入鋼水罐，通過吹氫調(diào)節(jié)溫度或真空脫氣處理后，鋼水罐送到至中間罐上方，準備澆注。有三種方式承托鋼水罐：固定座架，門型罐車和液鋼旋轉(zhuǎn)臺。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 2 中間包和中間包車：中間包車是用來支持、運送中間包，并用來更換中間包的設(shè)備，將中間包從預(yù)熱的位置運送到鑄鋼的位置，以及向相反方向運送。一般連鑄機配備兩部中間包車，中間包車配有兩臺電機，并和齒輪箱進行連接，電機配備有一體型的抱閘裝置。中間包用于鋼液澆鑄的過渡裝置，它位于鋼包與結(jié)晶器之間，主要起著澆鑄生產(chǎn)緩沖的作用，某個鋼包的鋼水當(dāng) 流空以后，鋼包回轉(zhuǎn)臺當(dāng)旋轉(zhuǎn)一定的角度，使另一個臂上的鋼水包旋轉(zhuǎn)至澆鑄位，準備時間需要數(shù)分鐘。其次是凈化鋼水，給注入中間包內(nèi)鋼水中的雜質(zhì)提供了一個上浮的時間。 3 結(jié)晶器：結(jié)晶器是連鑄機構(gòu)是核心部件，連鑄生產(chǎn)過程的主體想法就是將液態(tài)的鋼水直接冷卻鑄造成成型的特定產(chǎn)品，結(jié)晶器就是液態(tài)的鋼水冷卻成固態(tài)鋼坯的關(guān)鍵部件，鋼坯的外形取決于結(jié)晶器的形狀。其作用就是急劇降溫并形成鋼坯的初始形狀，并進行凈化鋼水中的雜志，通過水冷銅壁裝置降低液態(tài)的鋼水的溫度，使其進行凝固，同時鋼水在結(jié)晶器時，雜質(zhì)將會上浮，通過保護渣吸收成塊 ，由現(xiàn)場工人清理除去。 4 結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)：一次冷卻系統(tǒng)的目的是帶走液態(tài)鋼水通過結(jié)晶器銅管傳遞過來的熱量。冷卻系統(tǒng)為水處理閉環(huán)回路，每一流有一獨立的流量控制回路，而且結(jié)晶器出口溫度測量在出口部分，進水溫度的測量共用于所有的流。二次冷卻系統(tǒng)主要作用于二冷區(qū)域的鑄還。直接接受來自結(jié)晶器的高溫薄殼鑄還，但內(nèi)部仍為液態(tài)鋼水。采用直接噴水冷卻帶有液芯的鑄還，使其迅速冷卻至完全凝固，避免鑄還產(chǎn)生鼓肚變形。二冷裝置的夾輯則起到支撐和導(dǎo)向鑄還和引徒桿的作用，防止其跑偏。開路水用于冷卻并與設(shè)備冷卻水集中在一起，在處 理罐內(nèi)進行除油除雜質(zhì)處理，再次使用之前，回到水處理站進行處理。至控制區(qū)域的水流量可以通過安裝在水流量控制區(qū)域前面的主進口閥來實現(xiàn)開關(guān)。 5 電磁攪拌器：結(jié)晶器中電磁攪拌器的作用是通過鋼水運動可以對凝固殼表層區(qū)的夾雜物和氣泡進行清洗，可以有效的提升鑄坯表面質(zhì)量。同時也對熱度的降低非常有力，通過適當(dāng)提高鋼水過熱度，有利于去除夾雜物，提高鑄坯清潔度。鋼水運動可把樹枝晶打碎，改善鑄坯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)晶器鋼渣界面是經(jīng)常更新，利于保護渣吸收上浮運動的夾雜物。 6 拉矯裝置：用以啟動澆鑄過程，移動與存放引 鍵桿、控制熱鋼流速度以及在饒鑄末端推動鋼流的設(shè)備，位于二次冷卻區(qū)尾部，用于繞鋼期間拉出熱鋼還，同時將鑄還從弧形曲面矯直后送入中間輯道；在澆鑄準備期間用于將引錠桿經(jīng)二冷室導(dǎo)向插入結(jié)晶 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 器中和結(jié)晶器銅管形成鑄型。在連鑄中，由于鋼種不同，要求繞鑄的速度不同，拉矯機的拉速也不同。 7 切坯裝置：鑄坯從拉矯機中連續(xù)不斷拉出，應(yīng)按成品規(guī)格及后步工序的要求切成規(guī)定的長度。由于在澆注過程中進行鑄坯的剪切，因此剪切機必須和鑄坯保持同步進行。 8 引錠裝置：澆注前結(jié)晶器的下口由引錠桿的引錠頭來堵住，這樣在開澆時才不會使鋼水漏 出。在結(jié)晶器中鋼水和在引錠桿上端的引錠頭凝結(jié)在一起，在拉輥的牽引，使鑄坯緩慢的向下運行，當(dāng)引錠桿被拉出拉矯機后，引錠的工作完成，此時把引錠桿脫去，進入正常拉坯狀態(tài)。 本科畢業(yè)設(shè)計 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁 3 結(jié)晶器液位自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計 控制系統(tǒng)總體方案 本章主要介紹結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成。以此為基礎(chǔ)研究最優(yōu)的結(jié)晶器液位自動控制方案。 連鑄機結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 如圖 ，主要由三部分組成分別是：液位檢測傳感器、液位控制器、執(zhí)行機構(gòu)。不同的控制方法可以采用不同的控制策略，例如可以采用通過調(diào)