小方坯连铸机大包滑动水口自动控制应用

孙清川

（日照钢铁有限公司，山东 日照276800）

随着钢铁工业的发展，小方坯连铸自动控制也得到了迅速的发展。大包滑动水口是连铸机关键设备之一，滑动水口是安装在钢包底部的装置。1000多度的钢水通过滑动水口流入中间包内，滑动水口可以随时开闭，起到稳定钢流、控制钢水温度的作用，保护着钢包下方设备和人员安全。而手动控制滑动水口的开度已严重制约连铸生产节奏。为了提升生产效率，保障生产顺行，根据中间包内部钢水液位的变化，自动调节大包滑动水口的开度，维持中间包内钢水液面平稳变化，以便保障铸机拉速稳定。

1 更换液压控制方式

目前大包滑动水口由液压缸来控制开度变化，通过开闭液压电磁阀来控制液压缸的伸缩。开闭各有一个液压电磁阀控制，在浇注时手动控制液压电磁阀通电和断电。通过手动操作按钮按压给电时间的长短，来控制大包滑动水口动作的开度变化。给电时间长，动作时间长；给电时间短，动作时间短。

在供油管路阀台上设计为2组（如图1），两组阀分别供油大包滑动水口液压缸的有杆腔和无杆腔，从而控制大包滑动水口打开和闭合。每组阀台又分为快速和慢速开闭。符合事故断电或其他异常因素，紧急关闭水口的功能。

图1

2 中包液位检测原理

为了检测中包液位变化，需增设中包称重控制系统。每台中包车增设4只中包称重传感器，并通过接线盒将称重信号传输至称重显示表。由称重显示表输出4～20mA模拟量信号传输至PLC中，以便实时检测中包重量的变化情况。根据中包重量的变化，达到控制中包液位变化的目的。同时在操作室合适的位置装设大屏显示器，以便操作工能方便观察中包重量的数据。

（1）设定中包重量上限：手动操作增大滑动水口开度，使中间包钢水液面上升，在钢水液面达到排渣位置，此时观察中包重量的数值，此数值可设置为中包重量的上限值。保障在正常生产时，中包重量不能超过上限值。

（2）设定中包重量下限：在中包车去皮结束后，中间包内的钢水量必须满足连铸机拉速需求。通过试验连铸机不同的钢种和铸坯的规格，钢水的液面在满足最低的要求，此时的重量设定为中包重量下限值。

（3）设定中包稳定拉速动态变化量：观察中包重量与拉速的匹配关系，选取合适的重量变化范围，能有效的稳定拉速需求。把此重量变化值设定为中包稳定拉速偏差量，即为中包重量死区范围。中包钢水重量在此死区范围内变化时，大包滑动水口的开度保持不变。

3 涉及相关安全因素

大包中的钢水流入中间包实现连铸机连续生产，原有的大包滑动水口存在如下问题：（1）手动控制比较随意，大包所处任何位置，手动都能控制滑动水口的开闭。（2）即使接包位的操作手柄，也能控制浇注位的滑动水口的开闭。（3）浇注位的大包出现意外事故进行事故转包时，大包滑动水口也不能自动关闭，严重危害现场设备和操作人员的安全，危险系数较高。（4）在人员操作方面，大包或中包未在浇注位时，均有可能由于人为误操作，会导致大包水口打开钢液流出，炽热的钢水所到之处，必然会导致现场设备损坏，甚至会造成人员伤亡。

针对以上问题，在大包滑动水口自动控制设计时，必须考虑包含手动控制在内的安全因素的影响，达到本质安全要求，避免危险因素的发生。大包滑动水口的开闭需要判定，大包、中包所处的位置。在大包旋至浇注位、中包车运行到浇注位，大包滑动水口操作箱条件允许指示灯亮，才能控制在浇注位的大包滑动水口的开闭。绘制监控Wincc联锁、解锁画面，在现场限位出现异常情况下，通过人为观察现场安全条件满足时，可进行强制解锁操作，避免由于异常现场导致大包滑动水口不能打开。

在大包浇注完毕或由于特殊因素转包时，自动关闭大包滑动水口。避免在旋转过程中滑动水口处于打开状态，导致钢液飞溅。在中包热换时，在浇位的中包车离开浇注区时，大包滑动水口会自动关闭。避免由于中包车不在浇注位打开大包水口，造成设备或人员伤亡。当热换中包结束后，烤包区的中包车进入浇注区后，中包车浇注位条件满足，具备大包水口开闭的中包在浇注位的条件。如果此时其他安全联锁条件均满足后，可开闭大包滑动水口。

4 大包水口自动与手动控制方式

原大包滑动水口的控制方式仅为手动控制，在人员操作安全的位置有一个手动控制操作箱，在浇注位和接包位各有一个移动式的操作手柄。通过选取操作箱的转换开关，来选择浇注位或者接包位的操作手柄，并做到控制相应的大包滑动水口的作用。

在原操作箱上增设自动/手动转换开关，信号均进入PLC模块。根据现场情况做好相应切换。通过编制PLC程序在手动控制时，液压阀选择为快速阀。自动控制时根据中包重量变化范围，自动选择快速阀或慢速阀。

4.1 手动控制方式：

将操作箱上的转换开关旋至手动位置，在现场满足生产和安全条件时，人为观察中间包内钢液的变化，通过手动操作手柄控制大包水口的开闭。

通过编制PLC程序，手动控制也必须满足安全联锁要求，且做到安全可靠。接包位与浇注位的移动式操作手柄，不能相互控制对方的滑动水口。在任何一侧移动式操作手柄出现故障或者电缆损坏时，为了保障生产的连续性，可以手动选择操作箱的转换开关，来进行控制损坏侧的大包滑动水口。在出现紧急情况手动转包时，自动关闭大包滑动水口，避免大包内钢液流出，造成安全事故。在设备检修时，如果要手动测试大包滑动水口开闭，可将待试验的大包旋转至浇注位或接包位，用对应的操作手柄进行手动操作。

4.2 自动控制方式

手动控制为开环控制方式，通过人眼的观察中间包内钢水的液面变化，来操作控制滑动水口的开闭，将大包内钢液流入中间包内。此控制方式没有自动检测元件，不能及时有效的控制滑动水口的开度。由于人为操作性强，易由于人为的精神恍惚，导致出现操作失误，造成安全或设备事故。

闭环控制系统是指：把控制系统输出量的一部分或全部，通过一定方法和装置反送回系统的输入端，然后将反馈信息与原输入信息进行比较，再将比较的结果施加于系统进行控制，避免系统偏离预定目标，闭环控制系统利用的是负反馈。在闭环控制系统中，不论是输入信号的变化、干扰的影响，还是系统内部参数的改变，只要是被控量偏离了规定值，都会产生相应的作用去消除偏差。因此，闭环控制抑制干扰能力强。

通过开环控制与闭环控制的对比，发现闭环控制系统在控制上具有以下特点：由于输出信号的反馈量与输入量作比较产生偏差信号，利用偏差信号实现对输出量的控制或者调节，系统的输出量能够自动地跟踪输入量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。除此之外，负反馈构成的闭环控制系统还有其他的优点：引入反馈通路后，使得系统对前向通路中元器件参数的变化不灵敏，从而使系统对于前向通路中元器件的精度要求不高；反馈作用还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏。

基于闭环控制方式的优势（图2），通过中间包称重系统的反馈，建立的自动控制系统，由控制器、受控对象和反馈通路组成。比较环节是用来将输入与输出相减，给出偏差信号，这一环节在此系统中由PLC设置相应的控制程序来实现。在此控制系统中，受控对象为中间包；输出变量为中间包内实际检测的钢水重量；输入变量为设定的钢水重量。由于中间包装设了称重控制系统，设定重量与实时检测重量相比较，两者的差值经PLC设定相应的控制程序，来控制大包滑动水口的开度变化，调节大包钢水的流出量，从而保障中间包内部钢水重量的稳定。

图2

在确定好采用闭环控制方式后，就必须设计必要的控制条件，条件满足后可进行自动控制。自动控制条件：大包、中包在浇注位，中间包内钢水重量满足上下限要求，中包重量在3秒范围内满足稳定拉速动态变化量的要求。

连铸机在开浇前，中包车停靠在烤包位对中包进行烤包作业。在将要开浇时，手动操作中包车，运行至中包浇注位。在中包车浇注位信号满足后，由于此时中间包内没有钢水，将此时中包的重量在PLC程序中自动设置为皮重。在大包水口手动打开后，钢水流入中间包内，每隔3秒自动检测中间包重量的变化，将此重量设定为毛重。毛重与皮重的差值是中间包内钢水净重。同时为了避免由于中包车浇注位限位信号异常，在监控画面设置手动去皮和手动设置皮重功能。

在待浇大包旋至浇注位，中包车运行至浇注位。手动打开大包滑动水口，钢液流入中间包内，观察中间包内钢水液面在允许转换自动条件时，可将转换开关旋至自动位置。在自动控制条件满足，且转换开关旋至自动位置的瞬间，将此时中间包内钢水的重量，在PLC程序中自动设置为钢水净重基准值。通过设定中包稳定拉速动态变化量，在基准值的变化量范围内，保障大包滑动水口的开度稳定。在生产状况发生变化时，连铸机拉钢工会根据生产节奏的需求，调整铸机拉速的变化。在超过或低于动态变化量时，PLC控制器会根据中间包内钢水重量的变化，自动调整大包滑动水口的开闭，以便于调整中间包内钢水的流入量。在PLC控制逻辑中，设定启动液压快速阀和慢速阀重量的分界线。在中间包内钢水重量偏差大时，自动选取液压快速阀进行动作，并通过液压慢速阀进行补充。当中间包内钢水重量偏差较小时，可自动选取液压慢速阀动作，控制大包滑动水口的动作。以此控制逻辑来合理控制大包滑动水口的开度，保障中间包内钢水重量的稳定。

5 改造后效果

在对大包滑动水口控制方式升级时，根据现场实际增设了相应的安全逻辑。在安全程序投用后，通过现场的试验，完全满足设计要求。避免了由于突发异常状况，引起钢水喷洒导致的生产停浇事故。同时在大包滑动水口自动控制改造后，经过实际使用验证，性能稳定可靠。与原来的手动控制相比，降低了生产劳动力、保障了人员安全性，减少了漏钢和冒钢现象。可以根据中包重量自由设定中包液面的高度，保障了钢液平稳和铸机拉速稳定。