浅析结晶器钢水液面控制系统的改善

杨彬斌

摘   要：随着科技的持续发展，市场对钢铁产品的要求越来越高，从原先的普钢到现在的优钢、特种钢。而随着钢种品级的不断提高，其所需的技术要求就更苛刻，所以这就使得我们连铸机需要有更高精度的工装要求以及提高产品质量的一些设备，结晶器钢水液面自动控制系统由此诞生。本文介绍了结晶器钢水液面自动控制系统的工作原理，系统的组成及功能、线性化的改善。

关键词：钢铁产品  液面自动控制  线性化

中图分类号：TF345                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0128-02

我们分厂3#小方坯连铸机4机4流引入结晶器液面自动控制系统已近15年，升级改造3次，现在是极其重要的质量控制点设备，任何钢种都要求使用液面自动控制系統进行浇铸，若某一流系统出现故障而导致液面控制失控，则此流铸坯全部报废。

1  系统的工作原理

Cs137是一种同位素物质，其产生的主要射线为γ射线，使用时放射源被安放在结晶器一测，同时放射源按国家防护标准进行了安全防护。通过计算和实测，正常情况下，工人所在操作位置上的辐射均在安全范围内。而钢水的密度对射线有阻挡作用，钢水在结晶器内的高度不同，对射线阻挡的能力不同，通过钢水的γ粒子数量就不同，从而判断出钢水的实际位置。接收器发出的是脉冲信号，经过液位检测仪的运算，将其转换成标准的电流、电压信号输出。

结晶器内的钢水液位通过接收器检测出后，通过液位检测仪经滤波和D/A转换将信号转换成4～20mA/0～10V的标准工业信号给塞棒控制系统。控制系统将采集的实际液位值与设定值进行比较，将其差值经PID 控制专家运算后，输出控制驱动设备的信号到伺服驱动器，对伺服电动缸进行控制，带动机构的升降运动，从而改变钢水流入结晶器的流量，保持钢水在结晶器内的液位稳定。操作人员可通过操作盘进行手/自动模式的切换，也可经过上位监控系统改变各种控制参数，对浇铸过程中的钢水液位进行全程控制，并对各种相关数值、工作状态和报警信号进行显示。PLC系统与上位机通过MPI通讯接口，接收来自上位机的相关信号，对结晶器液位控制系统进行调控;另一方面将系统工作状况及时反馈给上位机，在事故状态下发出紧急控制信号。当液位高度超出或低于允许控制范围时，系统给出报警信号并且及时关闭塞棒，以避免溢钢或漏钢事故发生。

2  系统的组成及功能

2.1 SC3000液位检测仪表组

SC3000仪表有三部分：放射源（Cs137）、探测器（一次仪表）、二次仪表。放射源与一次仪表分别放置在结晶器铜管两侧，一次仪表通过接受放射源射线的强度来反应结晶器内钢水液面的高度，再传输至二次仪表，经过二次仪表的过滤和转换后，输出0～10V或者4～20mA的信号给PLC系统。

2.2 自动化控制系统

整个自动控制系统由Siemens提供的PLC、WinCC HMI等组成。PLC系统由电源PS 307 5A（1只）、CPU 315-2DP（1只）、DI32XDC24V模块（2只）、DO32XDC24V模块（2只）、AI8X16bit（2只）、AO8X12bit（2只）构成。WinCC HMI控制画面可以对实时设定值、PID控制参数等的调整，塞棒位置反馈信号、是否冲棒、电动数字缸运行温度及控制曲线实时历史趋势的显示及查询。开浇后P3操作工通过操作现场塞棒的开度，当实际液位值到达投入自动设定的液位值时，“自动”按钮灯闪，表示此时可以切换到自动方式。然后按下“自动”按钮，自动控制启动。

2.3 现场控制设备的组成

现场控制设备由塞棒、塞棒执行机构、电动数字缸等组成。在恒拉速的情况下，PLC系统接到二次仪表给出的实际液位信号后，根据设定液位进行比较、计算后得出一个动作量，在把这个动作量通过功率放大器传输给数字电动缸，控制机构上塞棒的开启度，从而达到调节中间包钢水进入结晶器内的恒流量，达到钢水的稳定，实现结晶器钢水液面恒稳定控制。其基本原理图如图1所示。

3  检测系统的线性化改造

首先在使用结晶器液面自动控制时，必须在结晶器内安装好放射源及一次仪表（探测器），然后进行原始技术值的标定。（下面以我分厂3#小方坯连铸机的液面自动控制为例。）

原始计数值：原始计数值来源于探测器的输入模块，它显示出探测器所接收到的辐射量。注意，这里的原始计数与结晶器液位高度成反比。当钢水液位升高，放射源的辐射被削弱，检测到的计数值将会下降，当钢水液位下降时，放射源的辐射增强，计数值将会上升。此模块是设立系统的一个参照点，当结晶器内为空以及满状态时，探测器所接收到的原始记数值。受到放射源的长短及放射源与探测器的安装位置的影响，3#机放射源长度为130mm，探测器安装位置距离结晶器铜管口60mm，所以探测器所能接收到的实际范围为190-60=130mm。将这130mm平均分成10个等分，包括上下限在内，分别对应满量程的0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%进行标定检测，这样就能将检测范围线性化。

但是在实际地生产过程中，探测到结晶器内钢水的位置与设定好的数值有很大的误差，没有正好符合上表所示，这就使得系统的精确度大大降低，液面始终在±4mm～±5mm的范围波动，很多高要求的钢种都无法生产，大大制约了3#机的生产能力。

可以看出实际测得的位置与原始的等分值相差很大，根本没有达到预期的线性关系要求，所以为了系统能够更好地运行，实际值与显示值之间的误差更小，将所检测到的液位读数值稍作修改（进行微调或者在生产过程中根据实际情况来进行微调），让其曲线更好地接近线性关系。

修改之后立竿见影，稳定性大大提高，能够控制液面波动范围在±3mm以内，甚至能够达到±1mm-±2mm，线性化工作原则上对于同一只结晶器（铜管未发生变化）只需一次即可，无需每次使用自动控制都做，且在进行高、低位校验和线性化工作前，务必保证结晶器通水。

4  结语

该系统在通过线性化的改善以来，经过现场的跟踪调试，运行效果良好，钢水液面自动控制基本在±3mm以内，实现了预定目标，极大地提高铸坯表面及亚表面的质量，而且是生产品种钢、特殊钢的重要保证。

参考文献

[1] 冯捷.连续铸钢生产[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[2] 王雅贞.新编连续铸钢原理与与设备[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[3] 杜维.过程检测技术及仪表[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4] 张宏建.自动检测与装置[M].北京：化学工业出版社，2004.