连铸连轧生产线连铸机系统液位控制方法浅析

胡彦红， 明 剑

（上海电缆研究所有限公司，上海200093）

0 引 言

1987年，国内第一条自主开发制造的连铸连轧生产线在上海冶炼厂投产［1］，此后，国内又投产了多台连铸连轧生产线。随着计算机技术的迅猛发展，铜、铝及铝合金连铸连轧生产线的自动化水平也不断提高，但是连续浇铸水平尤其是连铸机系统液位控制技术却一直相对滞后，而连铸机系统金属液位的高度及其稳定性，直接影响到铸锭的质量及生产效率。在连续浇铸过程中，金属液位波动一旦超过±10 mm，就可能使保护渣大量卷入液体中［2］，且会在铸坯表面产生夹渣，影响铸坯质量，所以连铸机系统的液位稳定性在连铸连轧生产线中非常重要［3］。本文在液位控制原理的基础上介绍了美国Southwire铜连铸连轧生产线、意大利Continuus-Properzi铝及铝合金连铸连轧生产线以及德国Contirod连铸连轧生产线连铸机系统的金属液位自动控制方式，为连铸连轧生产线的连铸机系统液面自动控制国产化提供参考，并对国内连铸连轧生产线的铸坯浇铸质量的提高起到一定的作用。

1 液位自动控制系统原理

液位自动控制系统基本上是由液位传感器、以PLC为中心的液位控制器、位置检测反馈装置以及控制塞棒开启度的伺服系统组成，图1为塞棒控制液位原理图。

图1 塞棒控制液位原理图

由图1可知：塞棒控制浇包内金属液体出口处的开启度，调节金属液体流入结晶轮的流量，以维持金属液体液面的稳定，塞棒位置信号来源于液位监视器，监视器通过液位测量系统准确地测量浇包内液位高度，将信号提供给塞棒控制器，由控制器再把信号提供给伺服电机，伺服电机作用于塞棒执行机构，从而控制金属液体流入结晶轮的流量，是液位—塞棒—浇铸速率结合在一起的控制方法［4］。

2 国外先进技术现状

目前美国Southwire铜连铸连轧生产线、意大利Properzi连铸连轧生产线和德国Contirod连铸连轧生产线等的应用比较广泛。

其中美国Southwire铜连铸连轧生产线采用自动控制金属液位，称为AMPS自动浇铸系统［5］。测力传感器将浇包处信号传给保温炉控制系统，控制保温炉的金属液体流量，使浇包内金属液位稳定。结晶轮处的液位用闭路电视进行监测，由浇嘴处的塞棒控制流入铸轮轮腔的金属液。AMPS系统最大的优点是有效提供了恒定的流量，提高了产品质量。

工作原理为：摄像头摄取现场金属液位图像信号传送给视频传感器，视频传感器将现场液位图像信号送CRT显示器显示，并对金属液位信号进行处理，液位高度也会同时显示在CRT显示器上。此外，把处理后的液位信号传送到视频传感器。智能调节器根据操作开关的状态，主动调节初始设定参数以及金属液位的实际高度，及时准确地向驱动器提供驱动信号。驱动器根据智能调节器所提供的驱动信号，控制执行机构动作，调节金属液体的流量，以达到金属液位控制的目的。美国Southwire铜连铸连轧生产线连铸机系统液面自动控制示意图见图2。

图2 美国Southwire连铸机系统液位自动控制示意图

美国Southwire连铸连轧生产线连铸机的控制过程为：金属液浇铸的情况通过高精度摄像头，实时显示在控制电脑的显示屏上，在电脑的显示屏上预先设定一条线，线的上下两个端点的位置就是预先设定的限位线，包括最高液位和最低液位及基准液位。这些线可根据现场情况调节，当金属液位在设定的基线上下一定范围内时，金属液位浮动很小，此时伺服电机停止，塞棒位置不动。当液位达到最低点时（液位过低），通过图像的实时对比处理发出信号，通过伺服电机控制浇嘴处的塞棒上升，金属液流量增大，液位开始升高；同样，当液位达到最高点时（液位过高），通过图像的实时对比处理发出信号，控制浇嘴处的塞棒下降，金属液流量减小，液位开始下降。通过上述控制，保证连铸机系统连铸轮中金属液的液位始终在预先设定的范围内。

在液位正常的情况下，设定的这条线显示为绿色；当液位达到上、下限位置时，线变为红色，电脑发出信号，控制塞棒上升或下降，从而控制金属液的流量。塞棒安装在浇嘴处并与浇嘴的中心线重合，其端部呈锥形，浇嘴的内孔也呈同样角度的锥形，当塞棒上下移动时，塞棒的端部与浇嘴内孔之间的间隙变大或变小，从而达到控制金属液流量的目的。

可实现手动、自动两种方式控制，当自动控制发生故障时，信号传递到PLC中，可立即切换到手动控制。

意大利Continuus-Properzi铝及铝合金连铸连轧生产线采用的是浮标式液位控制器，见图3。

图3 意大利Continuus-Properzi铝及铝合金连铸机系统液位控制示意图

由图3可知：在自重作用下金属液体从上浇包流入中间浇包，金属液充满中间浇包后，通过浇嘴处与下浇包浮标上的塞锥之间的空隙流入下浇包。随着下浇包中金属液的增多，产生的浮力也随之增大，浮标塞锥在金属液浮力的作用下开启。塞锥与浇嘴的出液口之间的间隙增大，金属液流入铸轮。浮标的上下浮动可控制浇嘴和塞锥之间的空隙减小或增大，从而可控制浇嘴流入下浇包中的金属液量，进而保证下浇包的金属液位维持在设定范围内，铸轮中的金属液位也会相对稳定。浮标另一头的配重起到平衡力的作用，浇嘴与塞锥之间的开启度取决于配重和小浇包中的金属液量。

德国Contirod连铸连轧生产线采用的是HAZELETT双钢带连铸机，回转钢带和挡块组成截面为长方形的连铸机铸轮模腔，实现直线浇铸，无弯曲铸造。图4为德国Contirod连铸连轧生产线液位控制示意图。

由图4可知：液位控制采用了EMLI控制系统，可以自动检测和调节保温炉和流槽内的金属液位，浇包内的金属液由塞棒控制流出，经导管流入可移动的浇铸包，注入连铸机铸轮，在下带轮上表面和连铸机入口处都装有感应线圈，生成磁场，测定连铸机铸轮的金属液位，当液位升高到图4中b处时，感应线圈发出信号，塞棒开启度减小，进而减少导管流入连铸机的金属液体流量；当液位下降到a处时，感应线圈同样发出信号，使塞棒开启度增大，进而增大导管流入连铸机的金属液体流量，从而控制中间浇包中液体流入下浇包的量，确保连铸机液位的相对稳定。

图4 德国Contirod连铸连轧生产线液位自动控制示意图

3 结束语

金属液位自动控制系统的作用是控制熔化的金属连续流到铸轮模腔中，并保持模腔内的金属液位在一个非常小的范围内波动，使浇铸液位稳定，有利于提高铸坯的浇铸质量，减少人为因素的干扰，是铜杆连铸连轧生产线上的一个重要设备，具有三大特点：浇铸作业无人化、消除铸造差错造成的停机和铸坯质量均匀化。

目前，国产设备和进口设备价格相差较大，与进口设备相比，国产设备的机械制造部分差距正在逐渐缩小，但是辅助配套设施相差悬殊，不仅液位控制部分、电气控制部分和辅助系统（连铸机冷却水辅助系统、轧机润滑油辅助系统、乳化液辅助系统、酒精还原辅助系统及涂蜡辅助系统）等更是差距悬殊。本文对国外几种铜、铝及铝合金连铸连轧生产线中连铸机部分的金属液位自动控制系统进行了技术分析和比较，为连铸连轧生产线的连铸机液位自动控制国产化提供参考，亦对国内连铸连轧生产线的铸坯浇铸质量的提高起到一定的作用。