结晶器液位检测系统的设计与应用

结晶器液位检测系统的设计与应用

摘要：在现代冶金行业中，结晶器液位控制在连铸系统中已经显得越来越重要，它对优质钢种的质量品质、浇铸的安全平稳、操作人员的人力资源的合理优化都有着重要的意义。但由于在结晶器液位控制的过程中存在许多不确定扰动因素，其扰动可能随时不断变化，并且绝大多数的扰动因素都是非线性的，因此无法建立准确的模型，很难使用常规的控制方法，本文介绍的是马钢新区连铸机的结晶器液位自动控制系统。

关键词：结晶器液位检测 自动控制系统 结晶器液位控制 一、 结晶器液位控制系统

在连铸的生产过程中，通常使用塞棒来控制进结晶器的液位，但是塞棒经过钢水的腐蚀和冲刷，头部逐渐变形，因此塞棒位置与钢水流量的特性也在这个过程中产生不断的变化，这种变化通常是非线性的，因此无法用常规PID控制的方法来进行有效调节。针对以上情况，SMS- DEMAG公司运用现代智能控制技术模糊控制和运动控制的思想，通过控制软件控制塞棒开度达到控制液位的目的。

图1 塞棒位置与钢水流量的特性关系

通过结晶器液位控制系统，在自动开浇和在浇铸时可以保持铸机结晶器内的钢水液面在一个预定的恒定液位值。如果反馈值与设定液面值有偏差，通过调节中包塞棒位置来改变从中包进入结晶器的钢水流量来补偿这个偏差使液位保持平稳。

结晶器液位控制系统包括：

-Measurement (level gauge) 测量单元（VUHZ液位计）

-Control system 控制系统

-Stopper rod actuating system 塞棒执行系统

图2 VUHZ液位控制系统示意图

1.1 VUHZ液位计

VUHZ检测单元实际上是电磁式的传感器，它通过测量钢水通过磁场时产生的电流来

确定钢液面的高度，测量范围为0～300mm。该测量系统集成于结晶器的设计中。安装于结晶器内弧侧的顶部。用于结晶器液位控制系统冷却系统采用直接用铸机的一次冷却水闭环冷却，安装简便快捷。

工作原理：VUHZ系统用于检测实际的结晶器液面，由电磁线圈在通电后产生一个静态的电磁场，电磁场分布取决于传感器的安装位置，当不同液面高度的钢水进入磁场时，会在传感器的二次线圈中感应出不同大小的电压，感应电压由经过放大器进行放大，通过计算单元的处理器进行处理。计算单元系将原来的电压信号转变成4-20mA的模拟量信号，结晶器液位控制采用闭环控制，系统的逻辑控制功能在运动控制器（motion controller）内完成。

图3传感器内部基本结构原理

该传感器由励磁线圈S和检测线圈L和检测线圈R组成。励磁采用峰值15V频率800HZ的信号。励磁产生的电磁信号可以穿透非金属的保护渣层，但不能穿透铜板，因此在传感器的其使用铜质的外壳并且为了保正线圈的正常使用不被高温损坏，在外壳和线圈之间通有冷却水。

在VUHZ系统实际工作的过程中，两个检测线圈因为检测到的钢水后产生了电压差，这个电压差与钢液面的高度是成相对应关系的，因此经过计算处理即可得出实际液面。

1.2 控制系统

结晶器液位控制系统由下面几个部分组成（图4）：

图4 VUHZ液位控制系统原理图

（1）微处理器系统给每个操作模式的选择和操作提供逻辑控制。

（2）将液位设定值和实际值进行比较，通过软件控制塞棒动作来控制结晶器的液位。

（3）控制系统中的执行元件是伺服阀，它通接收系统中给定的动作信号来控制塞棒的动作，塞棒油缸的位置传感器反应的塞棒是实际开度，系统正是不断的调节塞棒的开度来实现结晶器液位的控制。

（4）一个硬连线回路提供塞棒的紧急事故关断，即使在失电时一个液压蓄能器提供动力用于塞棒关闭。

（5）当中包在预热烘烤位时，在现场控制箱能够安装和测试塞棒驱动系统。

1.3 塞棒执行机构

塞棒的机构通过机械-液压系统来定位，通过伺服阀控制一个液压缸来控制塞棒动作，用一个内置的位置传感器检测塞棒的实际位置。在手动模式下，打开液压缸的旁通阀，塞棒可通过手动杠杆进行操作。对于自动模式，位置控制器接收和比较来自实际液位的反馈值和在自动开浇时的设定值，发出控制指令。位置控制器的输出作为伺服阀动作的基准值。

图5 塞棒执行机构

1.4 塞棒零位

PLC接收塞棒位置的模拟量信号。这个信号来自于塞棒油缸中的位置传感器，它是塞棒闭环控制系统中的一个部分。在开浇前，需对要对塞棒的初始位置进行标定，这个位置

就是塞棒的零位。不过对于不同的中包，不同的塞棒执行机构来说，每次的安装位置都不是完全一致的，因此每次更换中包后，需要重新标零。当中包车开离浇铸位或中包车在预热位的时候将标零开关选择到OFF位，这时可以复位前一次的标零。

二、 系统性能

在早期的结晶器液位控制系统中，采用Co-60来检测结晶器液面的高度，并且不是用塞棒来控制液位，而是采用调节拉坯的速度来匹配结晶器的液位，这种控制方法精度很低，早已不被使用。在目前的板坯连铸结晶器液位控制系统中，绝大多数都是采用塞棒来控制结晶器的液位，而VUHZ系统的出现，就是为了更好地辅助塞棒控制结晶器液位的功能。

但塞棒控制液位系统中也存在一定的缺点，比如说塞棒动作慢，系统的响应时间长，在存在外界扰动的情况下，甚至还可能出塞棒现无规律波动现象，从而导致液位控制的不稳定性，甚至可能导致溢钢事故的发生。

影响塞棒控制的主要因素有以下几类（图6）:

图6 结晶器液位控制原理

(1)塞棒侵蚀的影响。例如，在浇铸含铝元素较多的钢水时，中包下水口处容易结瘤，从而导致钢水无法顺利的流下，即是所谓的蓄流。

(2)在浇铸含钙元素较多的钢水时，塞棒及水口被逐渐冲刷、侵蚀而改变钢流通道的尺寸和形状，严重影响到塞棒对刚流控制的精度。

(3)由于生产条件的变化，诸如钢水温度变化、中间包水口的钢流量变化，甚至结晶器保护渣的变化都可能会对结晶器液位控制产生影响。

结语

通过在实际的生产中的使用和对液位控制系统运行的状况分析，在正常情况下，自动液面控制时液面的稳定情况要远远优于手动控制。但是，如果铸坯在出结晶器后发生轻微的鼓肚，随着铸坯不断的下拉，钢水不断的被向上挤压也会产生周期性的，类似正玄波的波动，这种在波动也是传统控制手段很难解决的，必须采用精度更高，响应速度更快的控制系统来改善。还有一种情况是由于塞棒吹氩引起的液面波动，这是液位控制系统无法控制和修正的，只能通过减小吹氩的流量来缓解。

另外如果对VUHZ的标零不正确，可能会导致检测到的液面和实际的液面位置有所不符。通过一段时间的使用，该系统的运行还是比较稳定可靠的。

Design and Application of Mould Level Measuring System

of Masteel No.4 Steelmaking Plant General

Xu Xue-jun

Abstract: With reference to modern metallurgical industry, mould level control has become more and more import in the con-casting system, which

impose an important effect on the quality of casting blank, smooth operation of casting and optimization of operator’s human resource. But it exists with some unidentified destabilized elements which can’t establish actual model since the characteristics of time invariance and nonlinearity. So the actual model can not be established as well as the normal method of control.The following subject demonstrates the design and applications of VUHZ system in the mould level auto-control with high effective alloy blank at Masteel New Zone.

Key words: model level check auto-control mould level control

参考文献：

〔1〕吴苏州，张炯明. 连铸浸入式水口结瘤现象的研究现状及发展

钢铁研究学报2007年12月第12期

〔2〕于小春，霍一君，王鸿盛. 2号连铸机结晶器液位波动的研究

梅山科技2006年第2期

〔3〕姚海明. 唐钢薄板坯连铸结晶器液位波动原因

钢铁研究学报2007年6月第19卷第6期