铸机自动开浇控制系统的改进

孟庆辉，富君普

（1.本钢集团北营炼钢厂；2.本钢集团本钢炼钢厂，辽宁本溪 117000）

前言

本钢炼钢厂连铸三车间6#铸机是2008 年从意大利引进的一机两流宽板坯铸机，板坯最大产品宽度为1 900 mm,主要用于汽车板生产。由于原设计的铸机自动开浇功能一直未能投入使用，只能采取手动方式开浇，给生产操作带来了一定的困难，同时由于每个生产操作人员的操作水平和判断能力不同，直接影响到铸机开浇质量的稳定性。为提升铸机自动化控制水平，稳定开浇质量，炼钢厂技术人员对6#铸机自动开浇功能进行技术攻关，经过5个月的技术攻关，实现了6#铸机自动开浇功能，并进行了一定的功能优化。

1 铸机自动开浇工作原理

铸机自动开浇系统是由中包控制系统、液位检测控制系统、塞棒控制系统、拉矫控制系统组成。当大包上机开浇后，钢水流入中包，由中包控制系统检测中包钢水的重量。当中包钢水重量达到25 t时，中包塞棒自动打开，钢水进入结晶器，中包塞棒控制系统根据工艺所设定的塞棒开口度值及其所对应开口度运行时间进行塞棒自动控制[1]。当结晶器中钢水液位达到40 mm 时，结晶器振动和铸机拉矫电机同时启动，结晶器液位上涨，当液位上升到60 mm 时，结晶器液位控制由开浇曲线控制切换到液位PID 控制，结晶器液位目标设定值为120 mm，液位经自动调节上升到目标值，铸机自动开浇功能完成。在整个自动开浇过程中，PLC 控制系统是控制大脑，程序逻辑关系正确与否是自动开浇功能否成功的关键[2]。

自动开浇控制方式下塞棒位置曲线如图1所示。

图1 铸机自动开浇原理曲线

由图1可以看出，自动开浇时，塞棒首先以20 mm/s的速度在t1时刻打开到9 mm 位置，此时液态钢水开始注入到结晶器中，结晶器中钢水液面逐渐上升,保持40 s。接下来，在t2时刻塞棒以10 mm/s 速度打开到14 mm 的位置，并保持10 s，这时结晶器中的液态钢水接近目标液位。在t3时刻，塞棒继续以10 mm/s的速度关闭到10 mm位置，并保持10 s。最后在t4时刻，塞棒以10 mm/s 速度关闭到8 mm 位置。结晶器液位上升过程中，当液位达到40 mm时，结晶器振动电机和拉矫电机启动，液位持续上升，当结晶器液位达到60 mm 时，由开浇控制曲线控制转换到液位PID 自动控制，液位在PID 自动控制下持续上升到设定目标液位120 mm，保持稳定运行，铸机自动开浇过程完成[3]。

2 铸机自动开浇功能的实现

自6#铸机投产以来，自动开浇功能一直没有实际使用，也没能进行过任何试验。要恢复此功能，需要从铸机自动开浇冷、热试两个方面入手。冷试成功是热试的前提，只有在冷试没有任何问题的情况下才能进一步开展热试工作。

2.1 液位变化过快问题的分析

利用定修时间，对铸机自动开浇功能进行模拟试验，模拟铸机自动开浇过程，但在模拟过程中，当塞棒转为自动方式后，从塞棒打开，到钢水进入结晶器，仅用几秒时间，结晶器的液位就达到了最大值，导致塞棒自动关闭，自动开浇过程失败。模拟自动开浇失败情况下的开浇曲线如图2 所示，其中红色曲线为模拟液位曲线，绿色曲线为中包塞棒位置曲线，黑色曲线是铸机拉速。

图2 铸机模拟自动开浇失败情况下的开浇曲线

由图2 可以看出，液位快速上涨的同时塞棒快速关闭，而图中代表结晶器模拟液位的红色曲线在开浇前的正负两个尖峰值，是由于自动液位检测控制系统在每次开浇前自动校正液位检测系统零点形成的。通过分析程序和模拟液位曲线可知，模拟液位上涨过快是导致模拟自动开浇过程失败的主要原因。在模拟过程中，塞棒转为自动控制方式后，由于结晶器模拟液位上涨过快导致塞棒控制曲线中各分步骤动作没有执行，结晶器液位就已经达到液位设定最大值，这时塞棒快速关闭，液位快速下降，当液位下降到低位时，塞棒再次打开，由于塞棒自动控制能力有限，无法再控制液位平稳上升，从而导致铸机模拟自动开浇失败。

根据模拟自动开浇过程试验所积累的数据，全面分析铸机自动开浇程序，发现结晶器液位参数每秒变化量设置过大，引起结晶器内模拟液位填充值过快，导致液位快速上涨。因此需要修改液位填充系数。液位填充系数是指每毫米塞棒开口度在每秒时间内所流过的钢水重量，此值过大会造成结晶器内钢水填充速度过快，不能正确执行铸机自动开浇曲线。

2.2 液位变化过快问题的解决

铸机模拟过程与实际热浇铸过程是相同的，只是大包、中包及结晶器钢流的参数是根据正常生产过程设定的虚拟值，因此液位填充系数需要合理才能保证模拟过程正常。我们通过分析程序对液位填充系数进行修改并试验，将填充系数由0.1 改为0.01，再次进行铸机自动开浇模拟试验，结晶器液位上涨过程平稳，塞棒动作正常，铸机自动开浇冷试车成功。

2.3 实际值与目标值偏差过大问题分析

解决了铸机自动开浇冷试过程中存在的问题，接下来进行了多次、多断面自动开浇热试试验。热试过程中又发现2个新问题。

（1）当液位上升到40 mm 时，结晶器振动起振，拉矫起步，几秒钟后塞棒发生自动关闭现象，生产操作人员为了能继续浇钢只能转为手动控制模式，避免断浇事故发生。

（2）当液位上升到60 mm时，结晶器液位控制由曲线控制转为PID 自动控制，但由于塞棒动作幅度、频率波动过大，液面上涨不稳定，无法稳定控制液面，生产操作人员被迫将结晶器液位控制转为手动控制模式，避免开浇失败。

根据PLC 自动开浇程序及历史数据，分析得出以下结论。

问题原因是结晶器正常设定目标液位为120 mm，而在程序中设定当实际液面上升到40 mm 时，结晶器振动起振、拉矫起步，这时塞棒动作控制值仍然是自动开浇曲线里对应的设定目标值，而按照程序逻辑要求，结晶器液位应在5 s内快速达到允许的最低液位55 mm。如果控制参数设定不合理，就会造成结晶器液位不能在5 s 内快速达到允许的最低液位，塞棒会因自动保护而紧急关闭。

当液面上升到60 mm 时，液位控制由曲线控制转为PID 液位自动控制方式，即塞棒动作值来自PID 计算结果，此时实际液面在60 mm 左右，目标液位是120 mm，偏差为60 mm 左右，生产工艺要求目标液面与实际液位偏差应小于20 mm，液位PID 控制系统因液位实际值与目标值偏差过大，给塞棒发出的动作指令幅度、频率过大，造成液面上涨不稳定，液面波动大。

通过以上分析，结晶器液位控制参数存在问题，不能满足铸机自动开浇要求，需进行参数优化。

2.4 实际值与目标值偏差过大问题的解决

结晶器液位控制系统采用串级控制，有2 个控制环，一个控制环用于结晶器液面控制，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，其中比例调节作用是按比例反映系统偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，能迅速反映偏差，从而减小偏差，但是比例控制不能消除稳态误差。过大的比例系数，会使系统稳定性下降，甚至造成控制系统振荡。积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度，只要系统有误差存在，积分调节就始终工作，积分控制器不断地积分，输出控制量，直至无差时积分调节才停止工作。因此只要有足够时间，积分控制将能完全消除偏差，从而消除稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小积分作用就越强，但积分作用太强会使系统超调增大，也会使系统出现振荡，反之Ti越大则积分作用越弱[4]。

根据铸机开浇热试过程数据，分析液位控制PID 参数，结合实际情况，修改液位控制PID 参数。修改前、后的液位PID控制器参数如表1所示。

表1 液位PID控制器参数表

对Kp、Ki、Kd参数进行多次调整和试验，解决了问题一，而问题二仅得到了一定改善，仍不够理想。将曲线控制转换到PID 控制时，液位设定值由60 mm 提高至80 mm 后，结晶器液位才开始平稳上升。经过多钢种、多断面进行试验，铸机自动开浇功能最终热试成功[5]。

3 铸机自动开浇功能优化

为了更好地方便生产操作人员控制铸机自动开浇过程，在本地操作位置增加了移动式操作手柄盒，同时修改程序实现这一功能。在自动开浇过程中，生产操作人员可以任意控制塞棒的开口度，让液位上升更加平稳，减少对板坯质量的影响。

自动开浇热试成功曲线如图3 所示，图3 中红色曲线为热试时实际液位曲线，粉色曲线为中包塞棒控制曲线。由图3可以看出，液位上升非常平稳。

图3 铸机模拟自动开浇成功的试验曲线

4 结论

（1）铸机自动开浇功能的成功实现，减少了由于生产操作手动开浇的不确定性，有效降低了铸机开浇失败或开浇漏钢问题的发生率。

（2）铸机自动开浇功能的成功实现，解决了生产操作人员在开浇过程不规范操作对板坯头坯质量稳定性的影响。