鑄機自動開澆控制系統的改進

孟慶輝，富君普

（1.本鋼集團北營煉鋼廠；2.本鋼集團本鋼煉鋼廠，遼寧本溪 117000）

前言

本鋼煉鋼廠連鑄三車間6#鑄機是2008 年從意大利引進的一機兩流寬板坯鑄機，板坯最大產品寬度為1 900 mm,主要用于汽車板生產。由于原設計的鑄機自動開澆功能一直未能投入使用，只能采取手動方式開澆，給生產操作帶來了一定的困難，同時由于每個生產操作人員的操作水平和判斷能力不同，直接影響到鑄機開澆質量的穩定性。為提升鑄機自動化控制水平，穩定開澆質量，煉鋼廠技術人員對6#鑄機自動開澆功能進行技術攻關，經過5個月的技術攻關，實現了6#鑄機自動開澆功能，并進行了一定的功能優化。

1 鑄機自動開澆工作原理

鑄機自動開澆系統是由中包控制系統、液位檢測控制系統、塞棒控制系統、拉矯控制系統組成。當大包上機開澆后，鋼水流入中包，由中包控制系統檢測中包鋼水的重量。當中包鋼水重量達到25 t時，中包塞棒自動打開，鋼水進入結晶器，中包塞棒控制系統根據工藝所設定的塞棒開口度值及其所對應開口度運行時間進行塞棒自動控制[1]。當結晶器中鋼水液位達到40 mm 時，結晶器振動和鑄機拉矯電機同時啟動，結晶器液位上漲，當液位上升到60 mm 時，結晶器液位控制由開澆曲線控制切換到液位PID 控制，結晶器液位目標設定值為120 mm，液位經自動調節上升到目標值，鑄機自動開澆功能完成。在整個自動開澆過程中，PLC 控制系統是控制大腦，程序邏輯關系正確與否是自動開澆功能否成功的關鍵[2]。

自動開澆控制方式下塞棒位置曲線如圖1所示。

圖1 鑄機自動開澆原理曲線

由圖1可以看出，自動開澆時，塞棒首先以20 mm/s的速度在t1時刻打開到9 mm 位置，此時液態鋼水開始注入到結晶器中，結晶器中鋼水液面逐漸上升,保持40 s。接下來，在t2時刻塞棒以10 mm/s 速度打開到14 mm 的位置，并保持10 s，這時結晶器中的液態鋼水接近目標液位。在t3時刻，塞棒繼續以10 mm/s的速度關閉到10 mm位置，并保持10 s。最后在t4時刻，塞棒以10 mm/s 速度關閉到8 mm 位置。結晶器液位上升過程中，當液位達到40 mm時，結晶器振動電機和拉矯電機啟動，液位持續上升，當結晶器液位達到60 mm 時，由開澆控制曲線控制轉換到液位PID 自動控制，液位在PID 自動控制下持續上升到設定目標液位120 mm，保持穩定運行，鑄機自動開澆過程完成[3]。

2 鑄機自動開澆功能的實現

自6#鑄機投產以來，自動開澆功能一直沒有實際使用，也沒能進行過任何試驗。要恢復此功能，需要從鑄機自動開澆冷、熱試兩個方面入手。冷試成功是熱試的前提，只有在冷試沒有任何問題的情況下才能進一步開展熱試工作。

2.1 液位變化過快問題的分析

利用定修時間，對鑄機自動開澆功能進行模擬試驗，模擬鑄機自動開澆過程，但在模擬過程中，當塞棒轉為自動方式后，從塞棒打開，到鋼水進入結晶器，僅用幾秒時間，結晶器的液位就達到了最大值，導致塞棒自動關閉，自動開澆過程失敗。模擬自動開澆失敗情況下的開澆曲線如圖2 所示，其中紅色曲線為模擬液位曲線，綠色曲線為中包塞棒位置曲線，黑色曲線是鑄機拉速。

圖2 鑄機模擬自動開澆失敗情況下的開澆曲線

由圖2 可以看出，液位快速上漲的同時塞棒快速關閉，而圖中代表結晶器模擬液位的紅色曲線在開澆前的正負兩個尖峰值，是由于自動液位檢測控制系統在每次開澆前自動校正液位檢測系統零點形成的。通過分析程序和模擬液位曲線可知，模擬液位上漲過快是導致模擬自動開澆過程失敗的主要原因。在模擬過程中，塞棒轉為自動控制方式后，由于結晶器模擬液位上漲過快導致塞棒控制曲線中各分步驟動作沒有執行，結晶器液位就已經達到液位設定最大值，這時塞棒快速關閉，液位快速下降，當液位下降到低位時，塞棒再次打開，由于塞棒自動控制能力有限，無法再控制液位平穩上升，從而導致鑄機模擬自動開澆失敗。

根據模擬自動開澆過程試驗所積累的數據，全面分析鑄機自動開澆程序，發現結晶器液位參數每秒變化量設置過大，引起結晶器內模擬液位填充值過快，導致液位快速上漲。因此需要修改液位填充系數。液位填充系數是指每毫米塞棒開口度在每秒時間內所流過的鋼水重量，此值過大會造成結晶器內鋼水填充速度過快，不能正確執行鑄機自動開澆曲線。

2.2 液位變化過快問題的解決

鑄機模擬過程與實際熱澆鑄過程是相同的，只是大包、中包及結晶器鋼流的參數是根據正常生產過程設定的虛擬值，因此液位填充系數需要合理才能保證模擬過程正常。我們通過分析程序對液位填充系數進行修改并試驗，將填充系數由0.1 改為0.01，再次進行鑄機自動開澆模擬試驗，結晶器液位上漲過程平穩，塞棒動作正常，鑄機自動開澆冷試車成功。

2.3 實際值與目標值偏差過大問題分析

解決了鑄機自動開澆冷試過程中存在的問題，接下來進行了多次、多斷面自動開澆熱試試驗。熱試過程中又發現2個新問題。

（1）當液位上升到40 mm 時，結晶器振動起振，拉矯起步，幾秒鐘后塞棒發生自動關閉現象，生產操作人員為了能繼續澆鋼只能轉為手動控制模式，避免斷澆事故發生。

（2）當液位上升到60 mm時，結晶器液位控制由曲線控制轉為PID 自動控制，但由于塞棒動作幅度、頻率波動過大，液面上漲不穩定，無法穩定控制液面，生產操作人員被迫將結晶器液位控制轉為手動控制模式，避免開澆失敗。

根據PLC 自動開澆程序及歷史數據，分析得出以下結論。

問題原因是結晶器正常設定目標液位為120 mm，而在程序中設定當實際液面上升到40 mm 時，結晶器振動起振、拉矯起步，這時塞棒動作控制值仍然是自動開澆曲線里對應的設定目標值，而按照程序邏輯要求，結晶器液位應在5 s內快速達到允許的最低液位55 mm。如果控制參數設定不合理，就會造成結晶器液位不能在5 s 內快速達到允許的最低液位，塞棒會因自動保護而緊急關閉。

當液面上升到60 mm 時，液位控制由曲線控制轉為PID 液位自動控制方式，即塞棒動作值來自PID 計算結果，此時實際液面在60 mm 左右，目標液位是120 mm，偏差為60 mm 左右，生產工藝要求目標液面與實際液位偏差應小于20 mm，液位PID 控制系統因液位實際值與目標值偏差過大，給塞棒發出的動作指令幅度、頻率過大，造成液面上漲不穩定，液面波動大。

通過以上分析，結晶器液位控制參數存在問題，不能滿足鑄機自動開澆要求，需進行參數優化。

2.4 實際值與目標值偏差過大問題的解決

結晶器液位控制系統采用串級控制，有2 個控制環，一個控制環用于結晶器液面控制，另一個控制環用于塞棒位置控制。結晶器液位控制器是一個PID 控制器，其中比例調節作用是按比例反映系統偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，能迅速反映偏差，從而減小偏差，但是比例控制不能消除穩態誤差。過大的比例系數，會使系統穩定性下降，甚至造成控制系統振蕩。積分調節作用是使系統消除穩態誤差，提高無差度，只要系統有誤差存在，積分調節就始終工作，積分控制器不斷地積分，輸出控制量，直至無差時積分調節才停止工作。因此只要有足夠時間，積分控制將能完全消除偏差，從而消除穩態誤差。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小積分作用就越強，但積分作用太強會使系統超調增大，也會使系統出現振蕩，反之Ti越大則積分作用越弱[4]。

根據鑄機開澆熱試過程數據，分析液位控制PID 參數，結合實際情況，修改液位控制PID 參數。修改前、后的液位PID控制器參數如表1所示。

表1 液位PID控制器參數表

對Kp、Ki、Kd參數進行多次調整和試驗，解決了問題一，而問題二僅得到了一定改善，仍不夠理想。將曲線控制轉換到PID 控制時，液位設定值由60 mm 提高至80 mm 后，結晶器液位才開始平穩上升。經過多鋼種、多斷面進行試驗，鑄機自動開澆功能最終熱試成功[5]。

3 鑄機自動開澆功能優化

為了更好地方便生產操作人員控制鑄機自動開澆過程，在本地操作位置增加了移動式操作手柄盒，同時修改程序實現這一功能。在自動開澆過程中，生產操作人員可以任意控制塞棒的開口度，讓液位上升更加平穩，減少對板坯質量的影響。

自動開澆熱試成功曲線如圖3 所示，圖3 中紅色曲線為熱試時實際液位曲線，粉色曲線為中包塞棒控制曲線。由圖3可以看出，液位上升非常平穩。

圖3 鑄機模擬自動開澆成功的試驗曲線

4 結論

（1）鑄機自動開澆功能的成功實現，減少了由于生產操作手動開澆的不確定性，有效降低了鑄機開澆失敗或開澆漏鋼問題的發生率。

（2）鑄機自動開澆功能的成功實現，解決了生產操作人員在開澆過程不規范操作對板坯頭坯質量穩定性的影響。