连铸机结晶器熔钢液面控制.doc

压力容器无损检测技术的原理及应用

系别：化工机械系
班级：11级过程
姓名：黄广伟
学号：1120302020
日期：2014.10.26

连铸机液面自动检测与控制
青海大学 11级过程装备与控制工程 黄广伟 邮编：810016

摘要：文章介绍了连铸机液面的自动控制系统，以结晶器熔钢液面为例，介绍了常用的的三种检测方法，比较了它们的特点。重点讨论了结晶器熔钢液面的控制系统，从理论与实践上总结了实现结晶器熔钢液面稳定控制的方法。
关键词：液面控制 自动控制 熔钢液面 结晶器 连铸机
一、连铸机液面自动检测与控制的目的和意义
随着社会对钢材品种，规格，质量的要求越来越高，轧钢对连铸坯的质量要求也越来越高。如果不能稳定，可靠地控制结晶器的熔钢液面，要想连续生产出高质量的铸坯是不可能的。
为了提高连铸的生产率，很自然要提高拉速度，但是这样一来拉漏跑钢的事故发生率明显上升，这是一个值得研究的问题。开发漏钢预知技术，准确有效地控制结晶器四壁冷却效果，保证铸坯初期凝固稳定，这是高效连铸机安全生产的重要保证。
二、 连铸机液面自动检测与控制在我国的现状
连续铸钢法是20世纪50年代发展起来的一项新型铸钢技术，70年代以来得到迅速发展，并被世界各主要产钢国家广泛使用。1970年世界钢铁工业连铸比仅为6.2%，1975年上升到13.2%，1979年又增至24.1%，1980年达到30%左右。
中国钢铁工业的连铸比1979年为4.8%，1980年为6.7%，1981年为7.5%，1982年为9%。并且逐年增长，到2014年技术已经是相当先进。
三、连铸机液面自动检测与控制采用的技术路线和原理
3.1、结晶器熔钢液面的检测
结晶器熔钢液面的检测方式多种多样：热电偶埋入法，工业电视法，周期性电极插入法，放射性同为素法，涡流法，电池感应法和激光法等等。目前板坯连铸机结晶器上广泛采用的方法是放射性同为素法，涡流法和激光法。
3.1.1放射性同为素法
目前连铸机采用最多的是放射性同位素Co60测液面仪。其原理是安装在结晶器一侧的柱状Co60放射线源连续不断地放射出一定强度的γ 射线。结晶器钢液面在柱状放射线源的尺寸范围内上下波动，利用钢液对γ射线的吸收程度来反 映 钢液液面的高度。安装在结晶器另一侧的闪烁计数器用来检测γ射线穿透结晶器后强度的变化。当熔钢液面高时接受的γ射线强度就小，反之则大。闪烁计数器由闪烁体，光电倍增管及前置放大器组成。当射线作用于闪烁体时，其被激的原子和分子即射出光电子，光电子经光电倍增管收集，加速，放大后在倍增管的阳极上形成脉冲。单位时间所产生的脉冲数称为技术率，它正比被接收的射线强度。将该脉冲经过鉴别器消除干扰噪声信号，再经过整形器将脉冲整形为幅度与宽度相等的矩形脉冲，经过积分器将脉冲信号转换为与脉冲频率成比例的直流积分电压，经过一系列处理以后可获得一模拟电压，其大小比例于接受的射线强度/。此信号再经过结晶器上下振动的补偿，尔后送往微机控制系统。日本住友株式会社和奥钢联所产生的连铸机即采用上述方式。住友所用Co60放射线源的强度为686MBq,泄露量小于5mSv/年，符合我国环保部门规定的卫生标准。但是工厂方面多有疑虑而不欢迎。其测量范围为0~150mm,精确度为±5mm。
1、激光法 激光法是光电的LADAR测量系统，基于激光测距技术。激光发射器是一个红外光发射极，发射一个非常短的红外激光迈冲2X10-12S。激光脉冲通过测管经反光镜直色结晶器钢液表面，而后反射回来引导至接收器。它利用在发射与接收脉冲之间的时间延迟与传感部件至钢液面的距离成正比的原理，测量信号转换成电量信号，即转换成脉宽调制的电气脉冲，这个测量信号进一步处理，得到一个与最终熔钢液面成比例的输出信号。LADAR装置的测量精度与动态响应的时间常数有关，时间常数选取值可从20~10230ms。当时间常数ι为20ms时，检测精确度为±5mm;当ι为2000ms以上时，精确度为±1mm。测量范围可为0~900mm，甚至更广。激光法的特点是比放射性同位素法安全、测量范围宽、反应快和精确度高。其缺点在于：要在结晶器上方设一个激光测管，保护渣的厚薄影响测量值，测管内的一个反射镜是一个易污的消耗件，需要经常更换，不过这小片反光镜易于制造，价格低廉。德国迪马克公司推荐采用激光法，该装置提供的测量范围为0-900mm，精确度为±1mm
2、涡流法 涡流法的依据是电池感应原理。用涡流法检测结晶器熔钢液面的装置（如图1所示），其探测头由3个线圈组成，一次线圈和两个关联的二次线圈，二次侧的两个线圈缠绕方向相反。将工频50Hz交流电供给一次线圈时，其中产生一个交频磁场，在钢液表面产生磁涡流。该涡流又产生一个新磁场，并在二次侧线圈中感应产生一个差分电压。该差分电压的大小反映了线圈与熔钢液面之间的距离，从而测得钢液液面的高度。此检测信号经放大器处理送往控制系统。这种检测方式的特点是安全、无放射性危害问题，测量值不受结晶器中保护渣的影响，反应快,精确高.缺点是在结晶上方没有探测线圈,线圈会被高温烧坏.日本神户制钢所推荐采用涡流法检测结晶器的熔钢面.其测量范围为0—150mm.精确度为±2mm

鞍钢的板坯连铸机是从日本神户制钢所引进的,结晶器熔钢液面检测液面检测采用涡流法.结晶器熔钢液面计的型号为SB-060E-1,是NKK日本钢管珠式会社的产品.日本钢管从1978年开始开发NKK涡流式熔钢液面计.这种液位计首先用于板坯连铸机,后来又开发了一种用于坯连铸机的小型涡流式熔钢液位机.如今日本钢管株式会社的9台连铸机全部安装了这种液位计.鞍钢板坯连铸机结晶熔钢液面机的检出装置(见图2)

装在结晶器上方.当上装引锭杆或更换结晶器时可以方便地装置挪开,在浇注开始时再将检测装置放上即可.实践证明,这种NKK涡流式熔钢液位计长期运行可靠.准确.方便.
使用结果表明,NKK涡流式熔钢液位计有如下特点:
①检测精确度高,响应速度快,是非接触测量方式;
②不受结晶器保护渣的影响;
③有较宽的测量范围:－～0mm;
④易于安装,方便操作和维护;
⑤适应范围广,可适用于板坯、大方坯和小方坯连铸机;
⑥对于已建成的连铸机可以方便地再装此熔钢液面计;
⑦受电磁干扰影响很小.
3.2 、 结晶器熔钢液面的控制系统
可靠的结晶器液面控制系统允许结晶器内保持稳定的.比较高的熔钢液位,这样比较地发挥一次冷却的作用,从而能够增连铸机的产量.
结晶器熔钢液面自动控制可以减轻操作者的紧张劳动,节省能源.
结晶器熔钢液面的稳定控制可以改进铸坯表面的质量.有了稳定、良好的铸坯表面质量才产生了铸坯无须冷却、无须检测、无须处理的工艺;由此又产生了直送铸坯到直接轧制的可能性.
当不改变结晶器钢液注入量时,其液面可以通过改变拉坯速度保持恒定.众所周知,用改变拉速控制结晶器熔钢液面恒定首先用于小截面的方坯连铸机.对于大截面的板坯连铸机和质量要求较高的钢种采用控制钢液注入量是常用的方法,而塞棒或滑动水口的位置调节并不灵活方便,高温和机械磨损,以及时而钢渣阻塞势必给控制系统带来各种各样的干扰.这种控制系统希望不要频繁地驱动伺服结构.因此,这种控制系统必须能够预先考虑各方面的干扰因素.
四、连铸机液面自动检测与控制的重点和难点
采用先进的微型计算机能够适应结晶器熔钢液面控制的复杂过程.为了有效地控制结晶器钢液面恒定除了要检测钢液面高度作为控制系统的主反馈信号外,还必须考虑对液面控制有影响的各种干扰因素:
① 结晶器振动频率和幅度变化对检测器的影响;
② 结晶器宽度变化(结晶器宽度可调)对控制系统的影响;
③ 中间罐内熔钢重量变化对控制系统的影响;
④ 连铸机拉坯速度变化对控制系统的影响.
第①种干扰可以在熔钢液面计检测信号处理时加上适当的滤波环节来克服.第②～④种干扰要通过将干扰信号经适当的计算处理输入控制系统作为控制系统的前馈信号,这种系统将有效地克服各种干扰,保持结晶器熔钢液面的稳定.从控制器功能框图可以看到处理的步骤和方法.首先将中间罐熔钢重量信号开方处理,因为滑动水口的钢水注入流量大小与中间罐的熔钢液面高度的开方成正比.而后把拉坯速度的信号与中间罐熔钢重量的开方信号相加再乘以系数K输入到控制系统的前馈通道。结晶器宽度信号反映了结晶器容积的变化，影响控制系统的放大倍数，因此用结晶器宽度信号调整控制系统的比例带参数P。控制系统通过上述方法克服第②～④种干扰因素（见图3）

① 前馈补偿
当中间罐熔钢重量的平方根值的变化率超过变化率设定值时，进行液面的输出值补偿。
补偿值＝
式中：——中间罐熔钢重量平方根值，大小为0.0～8.37（8.37=）
——补偿系数，取值范围－1.0～+1.0
——变化率设定值，取值范围0.0～8.37
连铸机的浇铸速度最大值为1.8m/min，当浇铸速度的变化率超过变化率的设定值时，进行液面调节计的输出补偿。
补偿值＝
式中: ——浇铸速度，取值范围0.0～1.8
——补偿系数，取值范围－1.0～＋1.0
——变化率设定值，取值范围0.0～1.8
② 增益（比例带）补偿
连铸机结晶器的宽度调节范围是900～1550mm ，根据结晶器的宽度变化进行调节计的增益补偿：

式中：——补偿后的增益
——结晶器的宽度
——（）时的增益
——补偿系数
增益G与比例带P的关系：P=100/G

③ 钝化处理
为了减少滑动水口的频繁大幅度动作，在结晶器钢液面的过程值PV与设定值SV偏差较小的情况下引入等价偏差的概念。如图4所式，设置一个小偏差的死区，在死区的偏差值乘以小于1的系数β，使得原来较小的偏差进一步减小成为等价偏差，从而减小控制器的输出值，使伺服机构钝化。钝化系数β可以选取0.0、0.25或0.5。

伺服机构的钝化还可以通过改变控制器的积分时间Ti的办法达到。如图5所示，根据结晶钢液面偏差信号的大小选取不同的积分时间。积分时间变化曲线可以由10段折线组成，偏差小时自动选用较长的积分时间；反之，选用较小的积分时间。

连铸机结晶器熔钢液面控制系统投入自动前先进行手动遥控，当结晶器熔钢液面测量值PV接近设定值SV时，即可投入自动控制（编者注：限于篇幅，控制系统图略。读者若有兴趣，可与作者联系）。系统投入自动之前必须具备结晶器液位计工作正常、滑动水口状态良好、引锭装入完毕、浇注准备工作结束、只一个中间罐在浇注位置、液位调节计的输入和输出值均未越限等6个条件。当熔钢液位高于上限值H1或低于下限值L1时将发出报警信号。当偏差（PV-SV）越限时也向计算机发送信息。

积分时间T
偏差：（PV－SV）
图5 控制器积分时间变化曲线
等价偏差（控制演算）
间隙增益β=0、0.25、0.5
偏差：（PV－SV）
α α
图4 小偏差钝化曲线

五、小结
结晶器熔钢液面的稳定控制往往面临一些随机的干扰因素。滑动水口的机械磨损将使得控制回路的总增益发生变化。为了不断适应变化了的新情况，有必要开发自适应控制系统。开发一个综合的能够自学习、自适应的控制系统将是防止高速连铸机拉漏跑钢，提高铸坯质量的现代化控制系统的新目标。
六、 设计时间和分配
第四周，通过书籍查阅和上网查阅，找到合适的论文题目，并做初步的了解。
第五周，进一步了解并熟悉内容为论文正文做好充分的准备，并且写出写此论文的目的和意义，把摘要和关键词写出来。
第六周到第八周，运用大量的时间，把工作重心放到论文的正文上面，尤其在论文的重点和难点上面话费了两周的时间。
第九周，收尾工作，写小结，把所查阅的书籍名整理出来，写成参考文献，最后做好封面并填好日期打印装订。

七、参考文献
[1] 杨叔子，杨克冲。《机械工程控制基础》 [第六版].华中科技大学出版社 2011

[2] 翁维勤, 周庆海. 《过程控制系统及工程》[M].北京化学工业出版 2010

[3] 邹广华，刘强。《过程装备制造与检测》.化学工业出版社 2003 

[4] 李友善. 《自动控制原理》[M].三版.北京：国防工业出版社 2005

[5] 吴中俊、黄永红编.《可编程序控制器原理及应用》.机械工业出版社.2004. 

[6] 杨平,翁思义,郭平. 《自动控制原理》[M]. 中国电力出版社2006 

[7] 陈来九. 《热工过程自动调节原理和应用》. 水利电力出版社2010 

[8] 胡寿松.《自动控制原理[M]》.5版.北京：科学出版社 2007

[9] 王毅，张早校 .《过程装备控制技术及应用》.第二版.化学工业出版社 2010

[10] 王显正，莫锦秋，王旭永，《控制工程基础》[M].2版.北京：科学出版社 2007

八、英文翻译
The title:
Caster level automatic detection and control
The keyword:
Liquid level control The automatic control Molten steel level crystallizer Continuous casting machine
Content in this paper：
This paper introduces the automatic control system for continuous caster level, mould molten steel level, for example, this paper introduces the commonly used three kinds of detection methods, compares their characteristics.Discusses the mould molten steel level control system, from theory and practice, summed up the mould molten steel level stability control method.

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