方  雄：華菱漣鋼薄板有限公司熱軋板廠

    1  引言

    在現代板坯連鑄生產過程中，結晶器鋼水液位自動控制在減少漏鋼、溢鋼、開澆失敗、提高鑄坯質量和穩定生產過程中起到十分關鍵的作用。特別是在CSP（Compact Strip Product）薄板連鑄機中成為不可缺少的關鍵工藝之一。原因在于：（1）CSP薄板結晶器厚度通常小于90mm，其對鋼流量的擾動緩沖能力有限，小的鋼流擾動很容易產生大的液面波動；（2）薄板連鑄機普遍采用高拉速，以漣鋼2005年為例，年平均拉達4.3m/min，在如此高的拉速條件下，液位控制必須可靠穩定，操作者目測實現十分困難；（3）必須有自動開澆功能，人工目測開澆的成功率低，難以滿足生產的要求。因此華菱漣鋼薄板有限公司2004建成投產的CSP薄板坯連鑄連軋生產線全套引進了德國SMSD公司的結晶器液位控制系統，以下簡稱MLC系統（Mold level control）。該系統用于實現連鑄機自動開澆，在澆鑄期間控制和保持結晶器內鋼水液位穩定，為生產穩順創造有利條件。

    2  主要設備組成
MLC系統主要由3部分組成，即伺服電機驅動的塞棒機構；以Co60為放射源的液位檢測系統；TCS控制器。系統布置如圖1所示。

1-中間包；2-塞棒；3-塞棒機構；4-伺服驅動器；5-TCS控制器；
6-二次儀表；7-Co60源；8閃爍計數器；9-浸入式水口；10-結晶器
圖1 結晶器液位控制系統布置示意圖

    2.1 塞棒機構

    漣鋼CSP連鑄機采用了雙機兩流，每流配備兩臺中間包車，一臺澆鋼時，另一臺烘烤，準備下一個澆次。每一個中間包上安裝一套塞棒機構。塞棒機構由伺服電機、電動缸、升降臂構成。伺服傳動裝置控制電機通過電動缸的精密絲桿驅動升降臂，由升降臂帶動塞棒上下移動，絲桿的實際位移由集成在電機上的增量式編碼器檢測。

    2.2 液位檢測系統

    液位檢測系統設計采用放射源Co60，放射源置于結晶器活動側的水箱預置孔中，通過安裝在對面的閃爍計數器（探測器）接收射線，并轉化為脈沖信號送主控制室的二次儀表LB352。經處理轉化為4~20mA電流信號送TCS控制器的模擬量信號接收模塊。

    2.3 TCS控制器

    TCS控制器是SMSD公司開發的一套成熟而可靠的工藝控制器，基于VME總線、采用多微處理器結構，具有任務分散控制、信息集中管理的特點。所有的微處理器采用Internel公司的PentiumIII800以上CPU，運行速度快，可以處理1ms以下的控制任務。在TCS控制程序中將MLC功能作為一個子系統進行設計與管理，并將其任務分配給其中的一塊CPU板，從而保證整個液位控制系統的控制周期在3ms以內。

    3  系統的功能與控制策略

    MLC系統控制結構框圖如圖2所示，該系統由兩個串級的控制環構成，一個用于結晶器液位控制具有延時微分單元的比例積分微分（PIDT1）控制環，一個用于塞棒位置控制的比例（P）控制環。

圖2  控制系統結構框圖

    3.1 實際液位的檢測與計算
 
    放射源的幅射強度通過一個閃爍計數器（scintillation counter）測量，放射源與計數器之間的輻射吸收度由結晶器液位高度決定，在輻射強度與結晶器液位之間呈近似的線性關系。若沒有鋼流在結晶器中，射線僅被銅板、結晶器水箱吸收，澆鑄時射線被銅板、水箱及鋼水吸收。因此計數器檢測到的脈沖數與結晶器鋼水液位之間的關系可表示：

    f(x)=A0-kx                                                                     （1）

    式(1)中A0為指沒有鋼流情況下計數器檢測到的脈沖數，k為線性因子，x為鋼水高度。
k值由標定得到，每次更換結晶器或澆次，必須重新進行“空位”（0%）與“滿位”（100%）的標定。由式(1)容易得到：

    k=(f(滿)-f(空))/100 

    標定完成后二次儀表自動計算出這個k值，并保存下來，實際澆鋼過程中再利用式（1）計算出結晶器中鋼水液位。Berthord液位檢測系統在檢測與轉換過程中，考慮了瞬間干擾因素對測量值的影響以及射線測量本身具有的非線性，對測量結果采用移動平均與插值算法進行了預處理，最后將處理結果作為實際測量值送TCS控制器。

    3.2 液位PIDT1控制

    結晶器實際液位和系統設定參考液位值比較得到的液位偏差做為PIDT1控制器的輸入，并經過該控制器計算，輸出位置調節量給下一級塞棒P控制器。為了改善在液位波動較大的情況下的系統動態性能，防止溢鋼，液位控制器還引入了比例系數在線自適應功能。系統首先將液位偏差值傳給比例參數自適應模塊，由該模塊根據液位偏差的程度計算出用于PIDT1控制器的P參數。

    3.3 塞棒位置動態預設定

    塞棒P控制器的輸入由三部分組成，如圖2所示，其中一部分來自液位PIDT1控制器的輸出，一部分來自塞棒位置預設定功能模塊的輸出，剩下部分來自于塞棒調節系統自身的位置反饋值。在生產過程中，塞棒的位置參考值受到塞棒幾何尺寸、安裝精度以及水口形狀等靜態因素的影響，同時也受到一些不斷變化的因素如拉速、液芯壓下、在線調寬調錐以及鋼水流動差異性等動態因素的影響，如何盡可能地減小這些動態因素對液位的影響正是塞棒位置動態預設定功能的設計初衷與設計思想。系統中集成的塞棒動態位置預設定功能模塊通過綜合考慮中間包鋼水的高度、水口形狀、拉速、結晶器實際寬度、鑄坯實際厚度（主要針對液芯壓下）等因變量、計算出塞棒節流口通鋼量所需的等效面積S，并由下述模型計算出塞棒的預設定位置值：

    f預(s)=As3+Bs2+Cs+D  

    其中A，B，C，D為模型系數，s為塞棒節流口通鋼量的等效面積。

    3.4 自動開澆

    如果各項開澆條件準備好，中間包內鋼水達到指定液位，操作人員按下自動開澆按鈕，結晶器液位控制進入自動開澆模式。在自動開澆模式下，塞棒按照開澆曲線動作（開環控制），對結晶器進行填充，當系統檢測到10%的鋼水液位，塞棒立即由開環控制切換到閉環控制，并向PLC系統發出設備啟動信號，鑄機傳動啟動，自動開澆控制結束并轉入正常的澆鑄自動控制模式。若在自動開澆模式選擇后，一個或多個條件丟失或鋼水填充時間超出規定時間，則立即進入急停模式，自動開澆失敗，在HMI上顯示報警與故障信息。

    4  系統的應用效果

    系統投入運行后，表現出了可靠性高、液位控制平穩、超調小、響應快的特點。圖3中a~d分別顯示了薄板坯鑄機生產過程中四種最惡劣操作條件下的MLC控制波形。
圖3(a)是曲型的開澆過程，結晶器液位在10秒左右由0%上升到參考液位70%，波形曲線顯示MLC系統響應快、超調小，控制平穩。

    圖3(b)是漏鋼預報系統檢測到漏鋼，啟動緊急降速漏鋼愈合模式，拉速在3秒內從當前拉速3.8m/min下降到1m/min。曲線中顯示液位僅有一個2%的小波。

    圖3(c)是結晶器在線調寬，鑄坯寬度由1556mm迅速減小到1531mm過程，曲線十分平穩。

    圖3(d)是扇形段在進行液芯壓下（LCR）的波形，扇形1段底部的出口厚度由72mm減薄到65mm，液位波形穩定。

a  開澆過程

(上曲線：液位，下曲線：拉速)

b  BPS事故降速

(上曲線：液位，下曲線：拉速)

c  結晶器在線調寬

(上曲線：液位，下曲線：坯寬度)

    以上四個波形圖反映了MLC系統的整體性能，表明了應用塞棒位置動態預設定來補償PID控制輸出，效果良好；在開澆、拉速改變、在線變寬、變厚等工藝操作條件下能顯著改善系統的動態性能，從而保持液位穩定。

    5  結束語

    以液位PIDT1控制器與塞棒位置P控制器為基礎，附加比例參數自適應與塞棒位置動態預設定功能構成的結晶器鋼水液位控制系統，在實踐應用中，表現出良好的抗擾動能力，系統超調小，響應快，能保持結晶器鋼水液位穩定在±3mm以內，滿足了薄板坯連鑄生產的工藝要求，從投產至今為漣鋼CSP生產線的穩順運行創造了良好的工藝條件，取得了巨大的效益。

    參考文獻

    [1] 徐清，楊兵 MLC控制在馬鋼CSP連鑄中的應用[J].冶金動力.2004,(4):75-81.

    [2 ] 李建科 連鑄機結晶器的液位自動控制[J].山東冶金.2004,26(1):44-46.