高效连铸机的自动化控制

Abstract: The automation configures and process technical control system of the high-efficiency continuous casting imported by Shagang are simply introduced. This system has realized overall automation control and been high-efficiently operated with safe and stability since start-up in Sept.2000. And all technical indexes have met the requests.
Keywords: High-efficiency continuous casting Automatic control Quality control system
[中图分类号] TF34 [文献标识码] B 文章编号 1606-5123(2002)-10-0040-03
1 引言
随着中国入世步伐的不断加快，冶金行业只有不断进行技术改造，提高产品档次，降低生产成本，才能在市场中争得一席之地。由于高效连铸机具有金属收得率高，能耗低，单流产量高，铸坯质量好，机械化、自动化程度高等优点，使发展高效连铸机成为钢铁企业技术进步一个重要标志。江苏沙钢集团在研究了国际国内市场后，果断引进一套生产优钢的高效连铸机，年生产能力达100万吨。本文中介绍了基础自动化的系统结构和主要功能、过程质量管理系统的主要功能，并给出了自动化系统的控制效果。
连铸机是钢铁厂承上启下的设备，其主要作用是将高温钢水转化为铸坯，然后送到轧机轧成市场上所需的钢材。连铸机主要由大包、中间包、结晶器、二次冷却、拉坯矫直、切割等部分构成。钢水由大包进入中间包，在结晶器和二次冷却区凝固，然后定长切割(如图1所示)。

2 自动化的系统结构和主要功能
2.1 系统结构
自动化系统由基础自动化和过程自动化系统组成。过程自动化系统由实现生产和质量管理功能的L2服务器和L2工作站构成，通过以太网与基础自动化系统连接;基础自动化系统由实现控制功能的PLC和实现人机交互功能的PC工作站构成，通过工业以太网实现数据通信和信息共享。控制用PLC共有8套，一套用于公用部份，五套用于每流部分，二套用于塞棒控制。公用PLC选用S7-400，每流PLC选用S7-300。每套PLC配有远传输入/输出模块，通过Profibus总线通讯，这样便于安装、调试和维修。人机接口系统共有三个PC工作站:二个放在主控制室，一个放在出坯控制室。每个屏幕可分成两部分:一是操作和显示区域，二是报警区域。自动化系统图如图2所示。
2.2 主要功能
(1) 公用PLC控制
—排蒸风机、大包回转台、钢包盖机械手、中间包车、称重系统、移钢小车、翻转冷床、集中润滑站、液压系统、钢水测温、结晶器自动液面控制、打号机。
(2) 每流PLC控制
—结晶器振动、拉矫机、辅助拉矫装置、引锭杆存放架、剪切装置、定尺装置、输出辊道、终端档板、结晶器冷却系统、喷淋冷却系统、设备冷却系统、电磁搅拌。
(3) 塞棒PLC控制
—塞棒控制
(4) 工作站人机界面
a) 开始和菜单显示;
b)“开浇具备”条件，这个显示给出设备“开浇具备”条件的状况;
c) 设备控制;
d) 公用和每流的显示，这些显示给出设备和控制的设定点和工作状况;
e) 结晶器冷却水，显示给出结晶器冷却水实际值的基本状况;
f) 二冷水，显示给出自动喷淋冷却水的实际值和设定点;
g) 报警，这个屏幕显示相关的报警状况包括声音信号;
h) 趋势显示，趋势显示允许在屏幕上显示不同的浇铸变化曲线。

3 二级质量管理系统
二级系统作为工艺管理计算机主要用于生产管理和质量管理，以便能使生产经理有效地对连铸的生产质量进行管理。
炼钢是一个多工艺、复杂化的生产流程，连铸坯的质量受到钢水纯净度以及浇铸过程状态的直接影响，即使采用了先进的工艺、设备和技术，但由炼钢和连铸生产工艺特点所决定，炉次交接、设备故障及操作不稳定等都会不可避免地使生产过程出现波动、产生异常，从而使铸坯质量受到不同程度的损害。存在缺陷的铸坯对后道轧钢工序和最终产品质量的影响是不容忽视的，可能影响钢板的表面质量和加工使用性能、形成次品或废品，也可能引发轧制断带、停机等生产事故，给企业造成经济和产品信誉的损失。
3.1 质量管理功能
控制和建议参数:钢水温度、钢水过热度、优化拉速、优化冷却曲线、设定二冷水控制、电磁搅拌控制参数、结晶器冷却水量、结晶器振动程度、每炉界面跟踪所有数据的基本参数。
3.2 质量保证
由计算机对连铸生产过程的异常事件进行自动判别，对品质正常与异常的铸坯进行区别管理，结合不同钢种的品质要求，根据产生异常的不同程度对铸坯进行相应处置，从而消除缺陷、提高输出铸坯的实物质量。连铸生产过程“异常”主要包括结晶器液位波动大、拉速变动大、钢水二次氧化、耐材及保护渣卷入等情况，它们都会在一定程度上对连铸坯的表面和内部质量造成危害。
在生产过程中出的事故可能直接影响最终产品质量，而这个问题需同下列因素做成标记:拉坯速度偏差;中间包重量低;结晶器搅拌值的偏差;一冷段和二冷段水量、水压偏差;塞棒清扫周期;拉矫辊压力;操作人员输入—钢包保护套故障、浇铸套管故障、结晶器有渣故障。
3.3 质量事故处置
品质异常判断对生产过程超出正常范围的现象进行判别，确定各种异常对铸坯质量的影响程度和相应的处置办法。工艺技术人员根据产品质量标准和用户要求，将品质异常判定和管理标准分别输入过程计算机进行管理和维护。在连铸生产过程中，基础自动化负责收集铸造过程数据，过程计算机系统对收集的铸造过程数据信息进行优化处理并判定是否有品质异常发生;有异常发生时，确定异常的开始和结束位置，并给相应铸坯段赋予品质异常代码，分为能标注但不影响质量、质量影响但无缺陷、次品三种情况。异常处置代码指示操作人员，对品质异常坯进行下线，并实施清理和降级等管理，同时将板坯品质异常及其处置信息进行存储，生成过程实绩报表。
此外，过程自动化系统还具有以下功能:
(1) 生产管理
—生产计划、连铸机状况报告、浇铸时间(现有炉次)、坯子长度、班次。
(2) 生产报告
—生产坯子数量、每一根长度、进入冷床、进入轧钢加热炉。
(3) 时间管理
—钢包在回转台上时间、钢包结束时间、浇铸过程时间、每一流连铸机准备浇铸时间、浇铸结束预期时间。
(4) 质量信息(每炉)
—目标分析、实际分析、中间包温度、平均浇铸速度、平均喷水量(每个喷嘴/流)。
(5) 设备寿命
—钢包、中间包、结晶器。
(6) 长度优化
—头部长度、尾部长度。
(7) 设定每炉界面(THI)
THI的功能是帮助操作人员区分一炉和另一炉坯子，而后将这些坯子在浇铸过程中发生的事件做成报告。
连浇时，一炉钢是假定同下炉钢区分开来的，这样有可能出现同以前分析不一样的情况，因此在检查质量时区分钢坯是哪一炉的非常有用。实际上，在第二个钢包或更高炉次的钢包打开进行连浇时，在中间包内钢水已混合，这时已很难判断钢坯是属于哪一炉的。于是，THI跟踪钢水到每一流火焰切割机进行区分，当第一流的THI到达火焰切割机前面时，系统就通知操作人员，从这以后剪切的坯子是新一炉的。
(8) 重量计算
—进入连铸机的总钢水量、生产多少公斤的坯子、每根坯子的重量、每分钟坯子生产量(kg/min)、钢包起始重量、渣子重量。
(9) 报告打印及3级系统交互
—生产计划、连铸机状况、炉报表、生产报告、设备寿命。

4 应用效果
该套连铸机自热调试以来共生产合格连铸坯130多万吨，从调试情况看，由于该套连铸机电气设计合理，所以只用了一个月时间产量就达到了设计要求。在生产过程中，由于有了基础自动化系统和2级质量管理系统，再加上根据生产实际情况，工艺参数不断优化，产品质量得到了控制及提高，结晶器液面波动范围从3.5%控制到2.5%。具体质量参数如下:
4.1 尺寸公差
—边长公差不超过正常断面的±2.0mm;
—菱形浇注断面的最大菱形<2.5%;
—不垂直性在翻转冷床末端测坯子不垂直性不大于6mm/m;
—扭转度在翻转冷床末端冷坯的扭转度不大于10/m;
—长度在冷却后坯子长度误差±30mm。
4.2 表面质量
碳素钢/低合金钢不带有害缺陷，如:纵向/横向表面裂纹，结疤和表面夹渣。
优钢表面裂纹:最大缺陷深度0.8mm，表面无夹渣。
4.3内部质量
—宏观夹杂的数量不超过0.8/dm2;
—铸坯不含有害的内部裂纹;
—中心偏析/缩孔。
中心偏析比率 等轴结构 碳含量%
1.12 20% 0.28-0.38max
1.14 20% 0.38-0.63max
1.16 25% 0.63-0.75max
4.4 中心气孔
最大中心气孔不超过3mm(130mm2)

5 下一步打算
为了进一步提高产量，提高连铸坯内在质量，降低生产成本，我们正着手准备增加一个中间包车，从而可以快换中间包以提高连浇率。在每流上增加一套末端电磁搅拌，以提高规格钢种质量控制的稳定性;在冷床区域增加一台移钢小车以使得热坯不经过冷床冷却，直接通过辊边送轧钢加热炉，以达到热坯热送热装，进一步降低生产成本的目的。

6 结论
现在世界各国都在开发、研制高效连铸机，相对来说，我国起步较晚，设计能力较差。很多机械设备国内完全能做，但由于设计能力跟不上，所以我们在引进设备的同时，一定要注重自动化系统及一些技术诀窍的引进，这样才能提高高效连铸机的操作水平，才能保证生产出高质量的连铸坯来。

参考文献
[1] 顾武安. 低合金钢连铸工艺研究. 第12届全国炼钢学术会议论文集，上海，2002.6 :405-409
[2] 李作鑫. 济钢一炼钢高效连铸及铸坯热送的工艺优化. 第12届全国炼钢学术会议论文集，上海，2002.6:394-397

作者简介
钱王平(1967-) 男 高级工程师，主要从事电炉、精炼炉、连铸机自动化的研究工作。
联系电话:0512-58566366