鞍钢连铸加渣机智能化技术发展与应用

柴帅，王成青，刘铁，彭东东，王霖，刘志强，李长传

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

钢铁工业数字化转型推动连铸装备向网络化、自动化、信息化、智能化集成技术发展，其中智能加渣机就是典型代表。鞍钢股份有限公司炼钢总厂 （以下简称 “炼钢总厂”）中薄板连铸车间于2000年12月28日投产，共有2台一机一流中薄板连铸机，设计断面 135 mm×（900～1 550） mm，铸机最大拉速3.3 m/min，年产能240万t，钢种包括：低碳低硅铝镇静钢、中碳钢、低合金钢。2021年10月铸机升级改造，结晶器厚度从135 mm增加至150 mm，铸机达到年产60万t高品质硅钢生产能力。改造后每台连铸机配有鞍钢自主研发的智能加渣机一台，不仅实现了远程集控和无人值守作业，在降低铸坯质量缺陷、降低漏钢预报事故、提高铸坯质量判定准确率方面都取得较好的效果。

1 鞍钢连铸加渣机技术发展历程

1.1 板坯自动加渣机技术的引进

炼钢总厂2013年在中薄板连铸车间安装首台机器人式自动加渣机，见图1所示。

图1 机器人式自动加渣机Fig.1 Robotic Automatic Mould Powder Carrying Machine

该机采用单枪设计，利用机器人轨迹设定实现结晶器定位、布渣、水口规避。主机包括：机器人、真空上料罐、螺旋输送机、系统控制柜、料箱共5个部分。其中机器人与料箱布置在浇注平台地面固定位置，可以在机前独立完成保护渣加料，加渣机投入与控制，停电状态回收；真空上料罐安装在大包浇注平台，使用氮气作为能量介质将保护渣从料箱吸出提升至真空上料罐中，通过下料管依靠保护渣重力对螺旋输送机供料；螺旋输送机送料速度采用档位调节，最小基础值1 kg/min，每级档位0.1 kg/min，最大送料量2.0 kg/min，可以根据结晶器内保护渣消耗速度手动调整档位。

1.2 自主研发的第一代可移动轻便式板坯自动加渣机

2015年，炼钢总厂根据中薄板车间铸坯断面小、保护渣送料控制精度要求高的特点，自主研发了第一代可移动轻便式板坯自动加渣机［1］，见图2。

图2 可移动轻便式板坯自动加渣机Fig.2 Movable and Portable Automatic Mould Powder Carrying Machine for Slabs

该加渣机为回转摆动设计，安装在1#连铸机机前，车体采用两根螺旋输送机布渣，最大单侧布渣宽度200 mm，2016年1月至 2019年10月累计浇注铸坯446万t，输送保护渣2 182 t，保护渣种类包括中空颗粒渣、实心颗粒渣、片状颗粒渣、粉末渣。螺旋输送机出料口在结晶器断面内运行轨迹为弧形，保护渣落点偏向外弧，对于裂纹敏感性钢种，低拉速时铸坯内弧水口部位易发生纵裂。

1.3 自主研发的第二代双枪横向往复运动加渣机

2017年，炼钢总厂在第一代自主加渣机基础上研发了通用型板坯自动加渣机［2］，即双枪横向往复运动加渣机，见图3所示，同步开发了加渣机智能控制系统。

图3 双枪横向往复运动加渣机Fig.3 Double-gun Horizontal Shuttle Mould Powder Carrying Machine

该加渣机安装在2#连铸机机前，采用双枪横向往复运动设计，最大单侧布渣宽度450 mm，双枪横向往复频率0～10 Hz，横向往复设计使螺旋输送机出料口可以完全与结晶器y轴轴线重合移动，保护渣落料点处于结晶器厚度方向中心位置，在结晶器内布料更均匀，消除落料点偏差对结晶器内外弧热流干扰。加渣机每根螺旋输送机送料速率0～2 kg/min，满足鞍钢 135、150、170、230、300 mm等多种厚度大板坯连铸机使用要求。其控制系统由PLC和用户界面两部分组成，具备本地和远程控制2种模式。本地控制模式下，加渣机控制系统PLC执行用户界面指令，PLC驱动变频器，调节左/右螺旋输送机转速和回转往复频率；PLC通信端口与铸机HMI相连，在远程控制模式下可以对加渣机远程操作。

相对于前面两款加渣机，该加渣机布料宽度范围大，往复频率高，相同送料速率下单次加入的渣量少，对保护渣三层结构干扰小，液渣层厚度稳定；双枪同向往复布料运动对称性强，具有自发抑制偏流作用；螺旋输送机出料口在水口区域停留时间可控，增加水口周围保护渣供应量，间接促进水口前后保护渣更新，水口周围区域润滑状态因此得到有效改善，漏钢预报发生率明显降低，铸坯内弧表面中心裂纹得到有效抑制。 2019年10月，1#连铸机也升级为该型加渣机，实现了加渣机的统一管理。

为保证加渣机工艺可操作性，根据生产实际制定了三项设备检测标准，每季度检测一次。

（1）颗粒渣输送粉化率检测。该项检测是将30 kg颗粒完整的保护渣加入料箱，通过加渣机单根螺旋输送机以最大速度排出后，其粉化率＜8%，否则，更换螺旋输送机片叶，保障加渣机不破坏颗粒渣原始物理性能指标（如：堆度、比重、流动性），以免影响其在结晶器内熔融状态。

（2）输送能力与控制精度检测。将加渣机螺旋输送机送料速率调整至 0.4、0.5、0.6 kg/min，记录变频器转速，转速变化与送料速率应为线性关系。

（3）两根螺旋输送机送料速度偏差检测。将加渣机螺旋输送机转速调整至最大，称量每根螺旋输送机30 min送料量，重量偏差应＜2%，防止结晶器偏流的发生。

1.4 自主研发的方坯连铸机加渣机

2019年，炼钢总厂研发了方坯连铸机结晶器加渣机［3］，主要应用在六机六流小方坯连铸机上，可以实现自动上料、间歇供渣、远程控制、渣厚显示等功能。

2 加渣机智能控制系统的功能

该系统独立于加渣机以外，包括主机、结晶器渣厚采集设备、料仓称量秤、通信网络及加渣机PLC。主机由数据库、用户界面、分析程序三部分构成，功能介绍如下。

2.1 保护渣厚度自动控制功能

该功能是加渣机智能控制系统实现的必要条件。保护渣厚度自动控制功能使结晶器内渣厚始终维持在设定值范围内，不受铸机拉速变化或结晶器在线调宽影响，该功能具备结晶器液位波动补偿、渣面燃烧翻滚与烟尘过滤、异物遮挡过滤、手动加渣补偿修正等4项智能算法。保护渣厚度设定值有两种产生方式，第一种为通过主机用户界面输入产生；第二种为智能控制系统通过“保护渣最佳厚度迭代功能”产生。

2.2 布渣形状控制功能

该功能满足结晶器流场需要，在“保护渣厚度自动控制功能”基础上，通过改变加渣机某个区域送料量，从而获得需要的布渣形状。布渣形状控制设定值有两种产生方式，第一种通过主机用户界面输入产生，包括标记区域中心距、标记区域厚度、厚度系统设定值；第二种为智能控制系统通过“保护渣最佳厚度迭代功能”产生，例如低碳低硅铝镇静钢，断面150 mm×1 290 mm，拉速2.4 m/min时的渣厚人工设定参数值见表1。

表1 渣厚人工设定参数值Table 1 Manually-set Parameter Values for Thickness of Mould Powder

2.3 异常报警功能

系统异常报警模块由用户界面进行管理，可以根据生产情况设定报警值的触发条件，主要包括：执行报警，如布渣形状控制过程中出现实际渣面形状失控，某一部位高度不达标，触发报警，系统通过用户界面显示报警原因；质量事件报警，如结晶器内左右渣耗偏差报警［4］；提示报警，如保护渣料仓重量小于30 kg，提示需要添加保护渣；设备故障报警，如结晶器渣面高度采集设备反馈给智能控制系统的数据值中断或持续不更新。

2.4 保护渣最佳厚度迭代功能

保护渣最佳厚度迭代功能属于系统内部核心模块，是指钢种、断面、拉速、保护渣相同的情况下，将使用该加渣机的所有操作设定值进行打分排序，结晶器状态评价最高的保护渣厚度设定值作为最佳厚度执行。该功能建立在操作值和技术评价的基础上，随着生产的进行，保护渣最佳厚度始终在更新迭代。智能控制系统与加渣机配合工作条件下，系统产生的最佳保护渣厚度直接下发给“保护渣厚度自动控制功能模块”，该模块操控加渣机PLC执行操作。智能控制系统与人工推渣配合工作条件下，系统的工作流程不变，智能系统会产生最佳渣厚，同样下发给“保护渣厚度自动控制功能模块”，该模块监测当前结晶器内渣厚，当操作中不能满足最佳渣厚时，该模块向智能控制系统反馈，启动声光报警，提示修正。该功能始终工作，在加渣机人工控制模式下、加渣机人工设定厚度模式下、手动推渣模式下都能对当前保护渣厚度进行评价，更新迭代最佳值。操作者可以通过用户界面随时进行查阅。

3 智能加渣机的应用功能

3.1 保护渣厚度标准化管理

保护渣厚度标准化管理是对钢种、保护渣、断面、拉速等相同生产条件下，由加渣机实现结晶器内渣厚和布渣形状统一，消除人工操作的差异和不可重复性，使技术管理和工艺行为一致，在出现质量异议时，能够对结晶器当时状态情况进行重建分析。加渣机智能控制系统在炼钢总厂中薄板连铸车间已经完成245万t通钢量运行，形成了“工艺操作标准化”与“保护渣厚度标准化”相结合运行模式。

3.2 保护渣物料管理

炼钢总厂中薄板连铸车间保护渣供货企业有6家，11种型号，每种型号有1～2个批号，每批号库存为10～15包。加渣机智能控制系统工作前，首先采集当前料仓内保护渣的企业名称、型号、批号、生产日期、该批号库存包数编号及料仓上料重量（通常为1包，重量1 t，禁止混加）。该批号库存消耗后，加渣机智能控制系统同步列表统计该批号保护渣消耗周期、每台加渣机的使用量、每班组使用量、累计加入量、累计浇注铸坯长度和重量、平均吨钢综合渣耗量、累计漏钢预报次数、废品信息。根据未来生产计划和“平均吨钢综合渣耗量”，可以精确计算保护渣采购量，从而有效压缩保护渣消耗周期，实现物料管理数据化。

3.3 缺陷原因分析与生产回溯

加渣机智能控制系统数据库提供铸坯缺陷原因分析与生产回溯支持。用户通过数据库检索缺陷铸坯ID，查询生产过程中使用保护渣生产厂家、型号、生产日期、批号、结晶器渣厚、布渣形状、结晶器液位波动情况、左/右侧渣耗速度、左/右电机转速，利用铸坯ID在二级系统中检索转炉号、钢种、精炼下料记录、过程成分、过程温度、中间包号、使用回数、中间包重量、中间包覆盖剂型号、中间包温度、拉速、塞棒开度、铸机二冷曲线、生产操作事件备注等信息，实现该块铸坯生产全过程的回溯构建。

3.4 保护渣质量评价

当加渣机完成料仓排空作业后，加渣机智能控制系统同步产生“该包”保护渣质量评价，系统质量评价标识分为“合格”或“不合格”。评价标准包括：综合渣耗、渣条情况、熔融层厚度、漏钢预报、废品信息，这5项参数全部正常为合格；任何一项发生异常为不合格。对不合格保护渣批号自动生成“缺陷原因分析”标记说明，并存档记录。

4 智能加渣机应用效果

2021年12月，鞍钢生产执行系统 （简称“PES”）投入运行，覆盖企业生产全流程，连铸工序通过该系统可以直接查看铸坯在后续加工过程中的质量缺陷，包括：热轧废品、冷轧废品、镀锌线等关键工序质量反馈信息。加渣机智能控制系统通过PES系统信息，实现缺陷原因反向追溯和当前状态判定，即加渣状态智能评价与铸坯质量预报功能。加渣状态智能评价是在“工艺操作标准化”与“保护渣厚度标准化”基础上，通过采集铸机参数，由智能系统进行综合评价，评价结果反馈给“保护渣最佳厚度迭代模块”，并在铸坯长度信息中进行标记，铸坯被切割成定尺后，该信息同步转化为这块定尺的ID信息，保存在加渣机智能控制系统数据库中。铸坯在后续加工过程中，PES系统通过ID号将返回的质量信息录入到加渣机智能控制系统数据库中。智能控制系统在收到每个板卷质量异议信息后，对该ID的加渣状态评价参数进行一次缺陷特征评价，通过1万t铸坯生产大数据统计，该项参数缺陷特征纳入“异常报警功能”模块——质量事件类报警［5］。由加渣机智能控制系统发出声光报警，并在用户界面显示报警原因说明。

在PES系统支持下，智能加渣机系统实现了工艺操作、物料质量、铸坯缺陷的全面回溯。2022年1～10月完成6个型号21个批号的保护渣质量评价，判定不合格3个批号；生成铸坯质量预报提示144条，准确率86.9%；万吨漏钢预报发生次数比2021年下降0.02次；铸坯表面缺陷率下降0.012%。

5 结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂开发了连铸加渣机智能化技术，实现了工艺操作控制、物料质量管理、铸坯质量缺陷的全面回溯，实现了连铸远程集控，万吨漏钢预报发生次数下降0.02次，铸坯表面缺陷率下降0.012%，满足了鞍钢连铸设备智能化、集控化的发展需要。