京唐连铸机的结晶器液位调节技术京唐连铸机的结晶器液位调节技术李辉（北京首钢自动化信息技术公司京唐运行事业部，100041）摘要：京唐钢铁公司炼钢作业部 4 号连铸机的结晶器液位调节系统由西门子 PLC 进行控制，实现浇铸过程中钢水液位的稳定，保证板坯质量，并保证连续浇铸作业的生产稳定本系统通过精确的液位检测，完善的串级控制算法，精密的执行机构，确保了整个生产过程液位始终符合工艺要求本文旨在对该系统自动液位调节的工艺、控制原理及起始浇铸过程的液位调节过程进行说明关键词：连铸；液位调节；串级控制；开浇过程 Mould Level adjustment for Conticaster in Jingtang steelworkLiHui(Jingtang Maintenance Department, Beijing ShouGang Automation Technology Co.,Ltd.)Abstract：：The mould level adjustment system of the No.4 conticaster in Jingtang Iron & Steel Co.’ steelworks uses Siemens PLC as system controller, to keep mould level steady during continuous casting and ensuring quality of the slab. By the cooperation with accurate level detector, valid cascade control and exact executing agency,the system is able to control mould level working under technological requirements. This article stresses to explain technology、automation and starting casting’s process of mould level adjustment. Key words：continuous casting，level adjustment，cascade control，start casting0 概述概述板坯连铸生产过程中，结晶器内钢水液位自动控制的性能，对提高板坯质量、保持恒定拉速、开发新钢种、稳定生产过程起着关键的作用。
结晶器液位控制的目的在于：1）防止夹杂物卷入铸坯，避免铸坯表面和内部产生夹杂缺陷；2）防止结晶器保护渣的不均匀流入，避免产生裂纹；3）使铸坯初期的凝固状态比较稳定，保证在结晶器内部产生均匀的凝固坯壳；4）减少和避免漏钢、溢钢等事故，稳定生产操作首钢京唐钢铁公司 4 号 1650mm 连铸机结合了世界最先进技术理论，由北京首钢自动化信息技术有限公司自主研发，于 2010 年 8 月正式投产其结晶器液位调节系统采用当前最先进的双 PID 串级调节技术，使液位在整个浇铸过程中始终工作在工艺要求的范围内，保证4 号连铸机自投产以来生产的稳定，并满足对板坯质量的要求1 结晶器液位调节工艺介绍结晶器液位调节工艺介绍结晶器是连铸机的关键部件，是一个强制水冷的无底钢锭模，被比喻为连铸机的“心脏” 其作用是使钢液在其内均匀冷却并凝固，出结晶器下口时形成所需要的形状和尺寸、并有足够的坯壳厚度的铸坯结晶器液位即钢水在结晶器中的液面高度，该值是连铸生产过程中一个重要参数，若液位发生波动，则会严重影响连铸生产，既增加了生产时间，还造成钢坯内部结构缺陷结晶器液位控制，指通过调节侵入式水口开度，即塞棒的位置大小，控制流入结晶器的钢水量，保持结晶器液位始终工作在目标值内，以保证连铸作业能稳定生产。
2 液位调节控制过程分析液位调节控制过程分析2.1 双环 PID 控制系统结晶器液位控制系统采用串级控制，由两个控制环组成，一个控制环用于结晶器的液位控制，另一个用于塞棒位置控制塞棒位置 PID 控制器，处于整个结晶器液位控制系统的内环，根据液位控制计算出的塞棒目标值与实际值进行 PID 运算，得到塞棒伺服阀给定值结晶器液位控制采用的 PID 控制器，处于整个结晶器液位控制系统的外环，其液位目标值由二级系统根据工艺要求设定，实际值通过液位监测装置测量2.2 辅助控制系统除液位调节功能，本控制系统还提供其他辅助功能，以避免发生塞棒粘结、结晶器液位无阻尼振动等问题2.2.1水口冲刷水口冲刷循环用于水口堵塞时应急处理操作者可以通过铸流操作箱上的相应按钮完成该作业水口冲刷过程：塞棒打开，塞棒完全关闭，重新达到塞棒的计算位置2.2.2塞棒颤动为了去除附着物，塞棒可以颤动，颤动时间为100ms，颤动幅度为0-2mm，该值可在上位画面进行设定2.2.3事故关闭通过按操作箱上的铸机事故停止蘑菇按钮，操作工可以紧急关闭塞棒3 液位调节系统实现液位调节系统实现3.1 硬件实现液位调节系统的上位机采用 Wonderware®公司的 InTouch 软件，通过其上位画面可以设定液位目标值，并监视液位、塞棒的实时状态和历史趋势。
下位为一套西门子 S7-400 系列的 PLC 系统，可以读取液位检测和塞棒位置的过程值，进行串级 PID 控制，并向塞棒液压执行器发出动作命令本系统的重要单体设备为液位检测装置和塞棒涡流法液位检测装置：本系统的液位检测装置采用涡流法原理，在结晶器上装有一个特殊的传感器，在发射线圈里加一个交变励磁，在结晶器壁里产生涡流，从而产生二次磁束钢液面变化时，二次磁束及接收线圈的感应电势发生变化，由此可检测出结晶器液位的变化涡流法不受保护渣的影响液位检测精度可达 ±0.005mm塞棒：塞棒是用来控制由中包进入结晶器的钢水流量并监测控制结晶器液面，塞棒的动作由液压缸来控制一旦液压出现故障，也可以通过手柄进行手动控制图1 液压塞棒和液位检测器典型布置Fig1 arrangementc of the stopper rod and level detector3.2 软件实现液位调节系统的串级PID控制原理框图如图2所示，通过PLC程序实现图2 塞棒液位控制原理图Fig.2 Control block diagram of stopper rod and mould level通过控制塞棒位置将结晶器液位控制在设定点，这一控制通过PLC实现的闭路控制器来完成。
控制器将实际液位与目标液位进行比较，并由PID进行运算，产生塞棒位置的参考值这一参考值发送到第二个PID，这个PID按照位置传感器测定的塞棒实际位置控制塞棒伺服阀有两种调节器常数：- 自动开浇常数- 调节器常数所有的常数保存在 PLC 的一系列数据库中，所有的常数随着结晶器尺寸的改变而改变在浇注期间，为了更好的适应情况，根据不同响应时间的要求，PID 参数也相应改变4 液位调节启动过程分析液位调节启动过程分析液位调节的启动标志着连铸浇铸的正式开始，该过程是保证连铸能正常、稳定生产的最重要环节之一，下面就液位调节的启动过程进行介绍在完成浇铸前的所有准备，如送引锭杆完成，结晶器开始振动，中包车移动到位等各项准备工作后，系统提示可以进行浇铸作业，此时由操作工在现场操纵箱启动塞棒打开命令，液位调节正式启动启动步骤如下图所示第5步 塞棒位置给定为20mm 塞棒调节速度为1000mm/S通过现场操作箱给出命令启 动命令，且自动条件满足延时3S第0步 塞棒位置给定为23mm 液位调节速度为8mm/S延时7S第1步 塞棒位置给定为18mm 塞棒调节速度为20mm/S第2步 塞棒位置给定为22mm 塞棒调节速度为100mm/S延时20S塞塞棒棒自自动动启启动动步步骤骤第3步 塞棒位置给定为21mm 塞棒调节速度为100mm/S延时20S第4步 塞棒位置给定为19mm 塞棒调节速度为100mm/S液位大于40mm打打开开关关闭闭打打开开打打开开等等待待液液位位达达 到到设设定定值值切切换换成成自自动动图3 连铸机开始浇铸的顺序框图 Fig3 sequence diagram when caster start cast每个步骤确认塞棒的一个位置，在执行期间，塞棒加速达到要求的位置；并非5个步骤都必须执行，一旦液位达到开浇设定值，则系统直接执行最后步骤。
当达到目标值则进入自动控制模式，此时根据目标液位通过串级PID调节自动实现液位控制，同时启动夹送辊开始进行连铸出坯整个启动过程如下图所示，该图以时间为横轴，纵向比较塞棒位置，液位，浇铸速度三个变量在浇铸启动过程的变化过程图4 连铸机开始浇铸的结晶器液位动作过程 Fig4 mould level adjustment’s procedure when caster start cast5 5 结束语结束语结晶器液位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标，直接影响最终产品的质量4 号连铸机的液位调节系统自投用以来，运行正常，未发生因该系统造成的停浇或断浇故障液位调节精度可达到±0.01mm，满足了连铸生产对结晶器液位的控制要求，保证生产的稳定和板坯的质量与同类连铸机比较，减少因液位调节系统问题影响生产故障 14 次/年，累计增加板坯产量约 2300t参考文献参考文献[1]干勇.现代连续铸钢实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2010.[2]史宸兴. 实用连铸冶金技术 [M].北京：冶金工业出版社，2007.[3]蔡开科.连续铸钢技术丛书 连铸结晶器[M].北京：冶金工业出版社，2008.[4]蔡开科 程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，2008.[5]崔坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社，2005.[6]崔坚. STEP 7 V5.4 编程 [M].北京：机械工业出版社，2006. [7]曾小洋.西门子 PLC 与 InTouch 综合应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.。