结晶器液位控制.doc

内蒙古科技大学
过程控制课程设计

题 目：结晶器液位控制
学生姓名：……………………
学 号：……………………
专 业：测控技术与仪器
班 级：……………………
指导教师：……………………

2009 年 09 月 02 日

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内蒙古科技大学课程设计论文
结晶器液位控制系统课程设计
摘 要
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。
在结晶器液位控制的过程中最重要的是结晶器页面高度的稳定：浇注过程中，当结晶器的钢液面不稳定而发生波动时，应采用调节拉坯速度或调节钢水注入量来进行液面高度控制。当液面过高后有 升高的趋势时，应加快拉速或减小流注，使刚液面恢复正常，当液面过低或降低高的趋势时，应减小拉速或加大流注。如果浇注过程中，钢液面平稳适中，可采用液面自动控制来控制结晶器液面。

关键词：结晶器 液位控制器 塞棒开度 拉坯速度
目 录
摘 要 II
第一章 结晶器 1
1.1 结晶器简介 1
1.1.1 结晶器的作用及类型 1
1.1.2结晶器的结构及组成 3
1.1.3 结晶器的材质 4
1.2 本设计主要完成的任务 5
第二章 结晶器液位控制及设计 6
2.1结晶器液位控制 6
2.1.1 结晶器液位控制的组成 6
2.1.2 结晶器液位控制系统的基本原理及功能 6
2.2 工艺对控制系统的要求 7
2.2.1 结晶器液位控制的浇注方法 8
2.2.1浇注方法简介 8
2.3 结晶器液位控制系统的控制方法 9
2.3.1控制中间包向结晶器内钢水的流入量 9
2.3.2结晶器控制系统的保护 12
2.4 仪表选型 12
附录 14
参考文献 15

内蒙古科技大学课程设计论文
第一章 结晶器
1.1结晶器简介
1.1.1 结晶器的作用及类型
1. 结晶器的作用
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，也称为连铸机的“心脏” 。其作用是使钢液在结晶器内均匀冷却，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。结晶器应具有下列性能：
1)有较好的导热性；
2)有较好的结构刚性，且便于拆装和调整，易于加工制造；
3)有较好的耐磨性及抵抗热应力的性能；
4)质量要轻，以便在振动时具有较小的惯性力。
结晶器的长度一般为700nlm左杆。近来随着拉坯速度的提高，结晶器的长度逐渐增加到90umn、．也有少数连铸机采用1200mm的长结晶器，它的作用为：
（1） 是钢液逐渐凝固成岁序规格、形状的坯壳；
（2） 通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢；
（3） 通过调整结晶器的参数，事铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷：
（4） 保证坯壳均匀稳定的生长。保证坯壳均匀稳定的生长。
2.结晶器的性能
在中间包内钢水连续注入结晶器的过程中，结晶器受到钢水的静压力、摩擦力、钢水的热量等因素影响，工作条件极差。为了保证坯壳质量，顺利进行连铸生产，结晶器应具备的性能：
(1)为使钢水迅速凝固，结晶器壁应具有良好的导热性和水冷条件；
(2)为使凝固的初生坯壳与结晶器内壁不粘结，摩擦力小，在浇注过程中结晶器应做上下往复运动并加润滑剂；
(3)为使铸坯形状准确，避免因结晶器变形而影响拉坯，结晶器应有足够的刚性及较高的再结晶温度；
(4)结晶器的结构要简单，易于制造、装拆和调试，重量要轻，以减少振动时产生的惯性力，振动平稳可靠，寿命要足够长。
3. 结晶器的类型
(1)结晶器的类型按其内壁形状，可分为直形及弧形等：
1)直形结晶器。直形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈垂直形，因此导热性良好，坯壳冷却均匀。该类结晶器还有利于提高坯壳的质量和拉坯速度、结构较简单、易于制造、安装和调试方便；夹杂物分布均匀；但铸坯易产生弯曲裂纹，连铸机的高度和投资增加。直形结晶器用于立式、立弯式及直弧形连铸机。
2)弧形结晶器。弧形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈圆弧形，因此铸坯不易产生弯曲裂纹；但导热性比直形结晶器差；夹杂物分布不均，偏向坯壳内弧侧。弧形结晶器用在全弧形和椭圆形连铸机上。
(2)按铸坯规格和形状，可分圆坯、矩形坯、方坯、板坯及异型坯等。
(3)按其结构形式，可分整体式、套管式、组合式及水平式等。
1)整体式。整体式结晶器用一块钢锭制成，靠内腔表面四周钻出很多冷却水通道。特点是：刚度大，不易变形，制造成本高，难以维修。
2)管式结晶器。主要应用于方坯和圆坯，按冷却方式分为：喷淋冷却和水套冷却两种，特点是结构简单，易于制造与维护，铜管寿命长，成本低。
3)组合式。主要应用于板坯、大方坯、薄板坯，由4块带有冷却水通道的铜板组合而成。
4)水平式。水平连铸机的结晶器是不能振动的固定式结晶器；中间包与结晶器密封连接。结晶器内钢水静压力比弧形连铸机高5—6倍，因此成形的凝固坯壳紧贴结晶器内壁，传热效果好；但铸坯与结晶器壁问的摩擦阻力较大。
1.1.2 结晶器的结构及组成
结晶器的结构主要由内壁、外壳、冷却水装置及支撑框架等零部件组成。
1. 整体式结晶器
结晶器内壁和外壳部分都采用同一材料，即用整块紫铜或铸造黄铜，然后经机械加工而成，并在其内壁周围钻削许多小孔，用以通水冷却钢水和坯壳。结晶器内壁的形状和大小，取决于铸坯断面的形状和尺寸。整体式结晶器具有刚性好、强度高、寿命较长、导热性较好等优点，但耗铜量大，制造成本较高，维修困难。
2. 套管式结晶器结构组成
套简式结晶器的结构 结晶器的外壳是圆筒形，用钢材经机加工而成，结晶器的内壁用冷拔元缝铜管制成。在结晶器的下部安装辊子，其目的是减少铸坯塌方，使铸坯得到规整的外形尺寸，整个结晶器通过支撑板安装在振动装置上。结晶器的冷却过程是：冷却水通过结晶器下方的入口流入，沿着由钢管组成的水套缝隙高速流动，连续均匀冷却铜质内壁，使钢液逐渐凝固，然后带着热量的水从结晶器上方的出口排出。
3. 组合式结晶器
组合式结晶器由4块复合壁板组合而成。每块复合壁板都是由铜质内壁和钢质外壳组成的。在与钢壳接触的铜板面上铣出许多沟槽形成中间水缝。复合壁板用双螺栓连接固定。冷却水从下部进入，流经水缝后从上部排出。4块壁板有各自独立的冷却水系统。在4块复合壁板内壁相结合的角部。垫上厚3.5mm并带45°倒角的铜片，以防止铸坯角裂。
4. 多级结晶器
随着连铸机拉坯速度的提高，出结晶器下口的铸坯坯壳厚度越来越薄。为了防止铸坯变形或出现漏钢事故，采用多级结晶器技术。它还可以减少小方坯的角部裂纹和菱形变形。
1.1.3 结晶器的材质
结晶器的材质主要是指结晶器内壁铜板所使用的材质。结晶器的内壁由于直接与高温钢液接触，工作条件恶劣。所以，内壁材料应具有以下性能：导热系数高，膨胀系数小，足够的高温强度，较高的耐磨性、塑性和可加工性。
目前，结晶器内壁使用的材质主要有以下几种：
(1)铜。结晶器的内壁大多由铜来制作。它的导热系数高，加工性能好，价格便宜，但铜的膨胀系数高，耐磨性能差，工作寿命短，而且铜磨损后造成铸坯表面铜的局部富集，导致星状裂纹。
(2)铜合金。在纯铜中加入铬、镍、银、铬、铝、锌、钻、磷等元素，可以提高铜的高温强度，延长使用寿命。例如使用M7(Cr)＝0．5％—0．8％的铜合金时，结晶器的最低硬度达到HBl30，如果采用CM—Cr—zr合金(川(Cr)＝0．7％和Mj(zr)＝0．既％)，则可将结晶器的硬度提高到HBl60。180，大大提高了铜的耐磨性。在铜中加入含量为M(Ag)＝0．08％—0．12％的银，就能提高结晶器内壁的高温强度和耐磨性，在铜中加入含量为M2(Cr)＝0．5％的铬或加入一定量的磷，可显著提高结晶器的使用寿命。还可以使用CM—Cr—zr—As合金或Cu—zr—Mg合金制作结晶器内壁，效果都不错。
(3)铜板镀层。在结晶器内壁铜合金板上镀层可以提高结晶器使用寿命，防止铜表面与铸坯表面直接接触，改善铸坯质量：
1)单一镀层。在结晶器内壁铜板表面镀厚为0．1—0．15mm铬或镍的镀层，能提高耐磨性。
2)复合镀层。采用镍、镍合金和铬3层复合镀层及Ni—Co镀层，这种复合镀层比单独镀镍寿命可提高5—7倍，N5—w—Fe镀层，由于钨和铁的加入，提高了镀层的强度和硬度，高温强度稳定性好，适合高拉速连铸机。
3)渗层。国外已有将镀层材料通过特殊工艺渗透到铜合金里，其结晶器的使用寿命比复合镀层的提高许多倍。
(4)另外，在结晶器弯月面处镶嵌低导热性材料，减少传热速度，可以改善铸坯表面质量，称为热项结晶器。镶嵌的材料有镍、碳铬化合物和不锈钢。
1.2 本设计主要完成的任务
通过上学期的生产实习参观，联系自己所学习的理论知识，根据自己感兴趣的课题，设计一个与参观工厂现场可使用的系统。该系统能够正常工作，并且在出现一场的情况下，能够进行连锁保护，保证系统正常进行工作。
本课题主要的工作有：
(1)了解结晶器的结构、用途及工作原理，重点是结晶器的液位控制需要那些系统结构相互协调控制的；
(2)根据查阅大量的资料，分析研究结晶器工作的基本功能，明确控制结晶器液位的设计思路，选定设计方案；
(3)通过所学的知识和所及的资料对该设计进行合理而且使用的设计。
第二章 结晶器液位控制及设计
2.1结晶器液位控制
2.1.1结晶器液位控制的组成
系统主要由上位siemens公司提供的plc、wincc HMI（人机界面）及现场检测设备、液压系统等组成。
2.1.2结晶器液位控制系统（MLC）基本控制原理及功能
结晶器液位控制系统（MLC）采用串级控制，有两个控制环，一个控制环用于结晶器的液位控制，另一个控制环用于塞棒位置控制，结晶器液位控制器是一个PID控制器。结晶器液位控制增加控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器震动截止频率过滤器等进行功能补偿一优化控制，在浇注过程中具有自适应能力。塞棒位置控制器P控制器。。塞棒位置控制器增加摩擦力补偿器进行前馈补偿。
a. 塞棒位置控制器：
塞棒位置控制器P控制器，处于整个结晶器液位控制系统的内环，其被控对象涉及到液压缸活塞运动、塞棒流量特性等，简言之，即为伺服阀输入信号U与塞棒实际位置S之间的动态关系。它采用 siemens S7中提供的P控制标准模块实现。
P控制器的传递函数： U=K*e 式中K为比例增益；e为偏差信号。
b . 结晶器液位控制器：
结晶器液位控制器是PID控制器，处于整个结晶器液位控制系统的内环，它采用 siemens S7中提供的P控制标准模块实现。结晶器是一个典型的容积对象，流出量模型。
PID控制器传函： G（S）=K*（1+1/TiS+TdS）/(1+1/KiTiS+TdS/Kd)
c. 串级控制：
结晶器液位控制系统（MLC）由于其本身工艺要求控制精度高、参数间相互关系复杂等特点，传统的简单单回路控制系统已经不能满足其控制要求，故我们引入复杂控制系统中比较常见的串级控制来解决这一问题。在串级控制系统中，采用了两级控制器，即本系统中控制结晶器液位的PID控制器和控制塞棒液压位置的P控制器，形成双闭环控制这样在调节过程中，副回路即塞棒液压位置控制回路起“粗调“作用，即能有效的克服二次干扰、改善调节对象的动态特性、提高整个系统的工作频率以及增大主回路即结晶器液位控制回路中PID控制器的增益。
2.2 工艺对控制系统的要求
结晶器夜位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标，直接影响最终产片的质量。整个结晶器夜位控制系统的被控对象由夜压伺服系统、水口执行机构两部分组成，机理复杂难于建模。系统中存在塞棒粘结、结晶器夜位无阻尼振动、拉速、鼓肚效应等各种干扰，对结晶器夜位产生错杂的影响。本系统通过摩擦力补偿器、控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器震动截止频率过滤器等进行功能补偿一优化控制有效的降低了上述干扰对结晶器夜位的影响，取得良好的效果。
2.2.1结晶器夜位控制浇注方法
为了保证恒粒速浇注，必须要个控制结晶器钢水夜位，包钢股份不锈钢公司连铸机结晶器夜位控制系统通过位置传感器检测塞棒位置信号，通过涡流传感器检测结晶器钢水液位。利用钢水液位调节塞棒位置控制钢水进入结晶器的钢水流量。
浇注的操作模式有：手动方式（操作工操作塞棒控制杆）、塞棒关闭方式、自动方式、手动方式、测试方式、自动开始浇注方式等。
2.2.2 浇注方法简介
1. 塞棒关闭方式：按下“塞棒关闭”按钮，塞棒立即关闭。在控制器发生故障时，塞棒也立即关闭。塞棒关闭方式控制级别高于其他所有操作方式。在自动方式时，结晶器夜位为高高报警液位或者低低报警液位时，塞棒自动关闭。
2. 自动开始浇注方式：自动开始浇注方式与自动开始方式或者手动方式自锁，包括两种操作方式：
a . 带曲线自动开始浇注方式：首先操作工在HMI面选择开始浇注曲线和预选择带曲线开始浇注方式，然后按下“自动开始浇注”按钮，塞棒按照开始设定的开始浇注曲线动作，当结晶器液位实际值到达MLC 投入自动的最小液位值，MLC切换为自动方式，当前的液位值就作为初始的设定值用于自动控制，通过预设定的上升斜率到达结晶器的预设定值。在结晶器液位上升过程中时，当结晶器液位实际值达到流浇注开始液位值时，流驱动启动。
b . 无曲线自动开始浇注方式：首先操作工在HMI面选择无曲线开始浇注方式，然后按下“自动开始浇注”按钮，此时不管是否在自动方式，塞棒开度通过操作现场塞棒液压缸控制，当结晶器液位实际值达到MLC 投入自动的最小液位值，MLC切换为自动方式，当前的液位值就作为初始的设定值用于自动控制，通过预设定的上升斜率到达结晶器的预设定值。在结晶器液位上升过程中时，当结晶器液位实际值达到流浇注开始液位值时，流驱动启动。通过按“自动开始浇注”按钮，从手动方式或者塞棒关闭方式切换到自动开始浇注方式，同时塞棒关闭方式被校正，假如在本次自动开始浇注时，塞棒自动控制发生故障，则塞棒自动关闭或者切换到手动，而且不能自动开始浇注，为了自动开始浇注，塞棒必须为手动方式。
2.3 结晶器液位控制系统的控制方法
连铸机结晶器液面控制是连铸设备实现自动化的关键性环节，因此必须十分重视，具体控制的方法为：
(1)人工控制。操作人员凭肉眼观察结晶器液面井做出判断，然后调节拉速来实现液面控制。这种方法控制液面显然滞后且误差较大，不利于连铸机的自动控制。
(2)自动控制。采用磁感应法、热电偶法、红外线法和同位素法等来监测并控制液面。红外线法是对结晶器液面进行红外摄像，再经计算机做出图像处理和分析，判断结晶器液面，它配有直观的图像显示。但由于液面有油雾遮挡、保护渣影响和捞渣的干扰，这一方法还需进一步完善。用热电偶控制结晶器液面，其精确性也较强，但测量值的滞后时间较长。同位素法是精度高、稳定性强的方法，我国的很多厂家都采用了Cs同位素控制方法[6]。
为了达到控制结晶器液位的目的，人们想到了两种方法：一是控制拉坯速度；一是控制中间包向结晶器中钢液的流入量。
2.3.1控制中间包向结晶器中钢液的流入量
结晶器液位控制设备由控制系统、液位检测系统和执行机构系统组成。
结晶器液位控制系统（MLC）由于其本身工艺要求控制精度高、参数间相互关系复杂等特点，传统的简单单回路控制系统已经不能满足其控制要求，故我们引入复杂控制系统中比较常见的串级控制来解决这一问题。在串级控制系统中，采用了两级控制器，即本系统中控制结晶器液位的PID控制器和控制塞棒液压位置的P控制器，形成双闭环控制图一所示。这样在调节过程中，副回路即塞棒液压位置控制回路起“粗调“作用，即能有效的克服二次干扰、改善调节对象的动态特性、提高整个系统的工作频率以及增大主回路即结晶器液位控制回路中PID控制器的增益。
控制中间包向结晶器中钢液的流入量的原理图如图2-1
图2-1 控制中间包钢水流量流程图
基本原理：浇注过程中，当结晶器的钢液面不稳定而发生波动时，应调节拉坯速度或调节钢水注入量来进行液面高度控制。当液面升高，或有升高趋势时，应加快拉速或减小注流使钢液面恢复正常。当液面过低时，应减小拉速或适当加大注流。如浇注过程中钢液面平稳适当，可采用液面自动控制来控制结晶器液面。
(1)采用塞棒调节和滑动水口调节。当拉速一定时，结晶器内钢液面升高，中间包水口可关小些；钢液面降低时，水口可开大一些。
(2)采用定径水口。连铸小方坯普遍采用定径水口，钢水流量决定于水口孔径和中间包钢水深度，一般用调节拉速控制结晶器液面。当液面升高时，应提高拉速；液面太低，则放慢拉速，以保证液面始终保持在规定范围内。
该系统是有串级控制系统组成，主回路是由液位控制系统构成，而副回路是由l拉坯的速度来控制塞棒的位置。实际方框图如图2-2所示
图2-2 系统的方框图
结晶器液位控制系统的流程图，如图2-3所示，它的工作过程是：当拉坯速度作为扰动干扰控制结晶器液位的稳定性时：当拉坯的速度不在处于正常的工作状态时，结晶器液位变送器检测到的信号会送给结晶器液位控制器，进而转送到电机，电机通过得到的信号来控制塞棒的位置，稳定结晶器液位的高度。在啦苏不变的情况下，当结晶器的液位高度处于非正常的工作状态时，结晶器的液位控制器会通过电机来控制塞棒的位置，来稳定结晶器液位的高度。
图2-3 结晶器液位控制系统原理图
2.3.2 结晶器液位控制系统的保护
为防止因操作失误或系统故障而导致结晶器的液面高度不稳定，尤其是结晶器液位或者拉坯的速度过快而造成结晶器的液位高于正常工作液位。拉坯速度过快会使结晶器出口处的钢壳厚度不够，以坯壳被拉裂甚至拉漏，出现漏钢的现象。
系统结晶器液位的连锁保护系统的工作过程：当结晶器的液位高于正常的液位时，结晶器控制器的输出信号为低信号（结晶器控制器的反作用），所以选择器选择“低”选器 。控制塞棒的位置来稳定液位的高度。
2.4 仪器仪表的选型
1. 控制器的选择：对于副环的塞棒控制器的选择，希望副环对干扰能作出快速放应，控制器选择“P”控制器。当液位高度过高时，希望塞棒的位置下降，速度控制器为“正”，选择“反”作用。对于主环的液位控制器，保证总的放大倍数为正，所以控制器为“+”，液位“反”作用。
2. 变送器的选择：对于液位的测量来选择差压变送器，用压力信号来得出压力信号。测得液位的高度。液位的高度不高于结晶器高度的90%。
JCJ3351DR差压变送器,采用差动电容为测量原理，构成差压电容式变送器，可测0～1.5kPa 差压,变送输出标准电压或电流信号,JCJ3351DR差压变送器,主要是对各种环境中的差压测量。
差压变送器工作原理：  来自双侧导压管的差压直接作用于变送器传感器双侧隔离膜片上，通过膜片内的密封液传导至测量元件上，测量元件将测得的差压信号转换为与之对应的电信号传递给转换器，经过放大等处理变为标准电信号输出。
3. 执行器的选择 液压机
液压传动是机械设备中广泛采用的—种传动方式。它以液体作为工作介质，通过动力元件液压泉将原动机(如电动机)的机械能转换为液体的压力能，然后通过管道、控制元件(液压阀)将有压液体输柱执行元件(液压缸或液压马达)，将液体的压力能又转换为机械能，以驱动负载其现直线或间转运动，完成动力传递。
连铸机液压传动系统主要参数
压力 ： 0 ～14MPa 位置检测器检测行程： 120mm
流量 ： 75dm3／min
规格型号： 100mm× 45mm×100mm 容量
工作压力： 0～14MPa
预充氮气压力： 7～8MPa

附录

参考文献
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[6] 张宏建等主编，自动检测与装置. 北京：化学工业出版社，2004
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