用于连铸检测和控制的自动化技术

  
    自上世纪80年代以来，冶金自动化装备技术的可靠性、实用性、可操作性和可维护性都得到极大的改善，不断提高的性能价格比使冶金自动化装备技术得到快速推广应用。目前，连铸自动化系统基本上包括信息级、生产管理级、过程控制级和设备控制级。信息级的主要功能是搜集、统计生产数据供管理人员研究和作出决策；生产管理级主要是对生产计划进行管理和实施，指挥过程计算机执行生产任务；过程控制级接收设备控制级提供的各类数据和设备状态，指导和优化设备控制过程；设备控制级指挥现场的各种设备(如塞棒、滑动水口、拉矫机、切割设备等)按照工艺要求完成相应的生产操作。其中，设备控制级和过程控制级自动化最为关键，直接关系到连铸机生产是否顺畅和连铸坯的质量。目前，在国内外连铸机上已成功应用的检测和控制的自动化技术主要包括以下几种： 

    钢流夹渣检测技术 

    当大包到中间包的长水口或中间包到结晶器的浸入式水口中央带渣子时，表明大包或中间包中的钢水即将浇完，需尽快关闭水口，否则钢渣会进入中间包或结晶器中。目前，常用的夹渣检测装置有光导纤维式和电磁感应式。检测装置可与塞棒或滑动水口的控制装置形成闭环控制，当检测到下渣信号自动关闭水口，防止渣子进入中间包或结晶器。 

    中间包连续测温 

    测定中间包内钢水温度的传统方法是操作人员将快速测温热电偶插人中间包钢液中，由二次仪表显示温度。热电偶为一次性使用，一般每炉测温3至5次。如果采用中间包加热技术，加热过程中需随时监测中间包内钢液温度，则连续测温装置更是必不可少。目前，比较常用的中间包连续测温装置是使用带有保护套管的热电偶，保护套管的作用是避免热电偶与钢液接触。热电偶式连续测温的原理较为简单，关键的问题是如何提高保护套管的使用寿命和缩短响应时间。国外较为成熟的中间包连续测温装置的保护套管的使用寿命可达几百小时。国内有少量连铸机采用国产的中间包连续测温装置，使用性能基本满足中间包测温要求。 

    结晶器液面检测与自动控制 

    结晶器液面波动会使保护渣卷入钢液中，引起铸坯的质量问题，严重时导致漏钢或溢钢。结晶器液面检测主要有同位素式、电磁式、电涡流式、激光式、热电偶式、超声波式、工业电视法等。其中，同位素式液面检测技术最为成熟、可靠，在生产中采用较多。液面自动控制的方式大致可分为三种类型：一是通过控制塞棒升降高度来调节流入结晶器内钢液流量；二是通过控制拉坯速度使结晶器内钢水量保持恒定；三是前两种构成的复合型。 

    结晶器热流监测与漏钢预报技术 

    在连铸生产中，漏钢是一种灾难性的事故，不仅使连铸生产中断，增加维修工作量，而且常常损坏机械设备。粘结漏钢是连铸中出现最为频繁的一种漏钢事故。为了预报由粘结引起的漏钢，国内外根据粘结漏钢形成机理开发了漏钢预报装置。当出现粘结性漏钢时，粘结处铜板的温度升高。根据这一特点，在结晶器铜板上安装几排热电偶，将热电偶测得的温度值输入计算机中，计算机根据有关的工艺参数按一定的逻辑进行处理，对漏钢进行预报。根据漏钢的危险程度不同，可采取降低拉速或暂时停浇的措施，待漏钢危险消除后恢复正常拉速。采用热流监测与漏钢预报系统可大大降低漏钢频率。比利时的Sidmar钢厂板坯连铸机自1991年安装了结晶器热流监测与漏钢预报系统后，粘结漏钢由每年的14次降低为1次。此外，热流监测系统还能够根据结晶器内热流状况预报纵裂发生的可能性以及发生的位置。同时，因为保护渣的性能影响结晶器的热流，故热流监测系统所收集的热流数据可用来比较保护渣的性能，为选择合适的保护渣提供依据。 

    二冷水自动控制

    同一台连铸机在开浇、浇铸不同钢种以及拉速变化时需要及时对二冷水量进行适当调整。早期连铸采用手动调节阀门来改变二冷水量，人为因素影响很大，在改变拉速时往往来不及调整，造成铸坯冷却不均匀。二冷水的自动控制方法主要可分为静态控制法和动态控制法两类。静态控制法一般是利用数学模型，根据所浇铸的断面、钢种、拉速、过热度等连铸工艺条件计算冷却水量，将计算的二冷水数据表存入计算机中，在生产工艺条件变化时计算机按存入的数据找出合适的二冷水控制量，调整二冷强度。静态控制法是目前广泛采用的二冷水控制方法，在稳定生产时基本能够满足要求。根据二冷区铸坯的实际情况及时改变二冷水的控制方法为动态控制。目前能够测得的铸坯温度仅为表面温度，如果能够准确测得铸坯的表面温度，则可根据表面温度对二冷水及时调整。但是，铸坯表面覆盖的一层氧化铁皮、水膜以及二冷区存在的大量水蒸气严重影响测量结果的准确性。因此，在实际生产中根据实测的铸坯表面温度进行动态控制的方法很少被采用。比较可行的方法是进行温度推算控制法。温度推算控制法的思路是将铸坯整个长度分成许多小段，根据铸坯凝固传热数学模型每隔一定时间(例如20秒)计算出每一小段的温度，然后与预先设定的铸坯所要求的最佳温度相比较，根据比较结果给出最合适的冷却水量。在二十世纪80年代中后期，欧洲、日本以及美国的一些先进的连铸机已逐步采用二冷动态控制系统。我国现有的大部分铸机采用静态控制法控制二冷水量，引进的现代化板坯连铸机、薄板坯连铸机等一般采用温度推算动态控制法进行二冷水的调节。
 
    铸坯表面缺陷自动检测 

    连铸坯的表面缺陷直接影响轧制成品的表面质量，热装热送或直接轧制工艺要求铸坯进加热炉或均热炉必须无缺陷。因此，必须进行表面质量在线检测，将有缺陷的铸坯筛选出来进一步清理，缺陷严重的要判废。目前，比较成熟的检测方法有光学检测法和涡流检测法。光学检测法是用摄像机获取铸坯表面的图像，图像经过处理后，去掉振痕及凹凸不平等信号，只留下裂纹信号在显示器上显示，经缩小比例后在打印机上打印出图形，打印纸的速度与铸坯同步。操作人员观察打印结果对铸坯表面质量做出判断，决定切割尺寸并决定是否可直接热送。当裂纹大于预定值时，应调整切割长度，将该部分切除，尽可能增加收得率。涡流检测法利用铸坯有缺陷部位的电导率和磁导率产生变化的原理来检测铸坯的表面缺陷。

    铸坯质量跟踪与判定 

    铸坯质量跟踪与判定系统是对所有可能影响铸坯质量的大量工艺参数进行收集与整理，得到不同钢种、不同质量要求的各种产品的工艺数据的合理控制范围，将这些参数编制成数学模型存入计算机中。生产时计算机对浇铸过程的有关参数进行跟踪，根据一定的规则(即从生产实践中总结归纳出来的工艺参数与质量的关系)给出铸坯的质量指标，与生产要求的合理范围进行对比，给出产品质量等级。在铸坯被切割时，可以在铸机上打出标记，操作人员可以根据这些信息对铸坯进一步处理。 

    动态轻压下控制 

    轻压下是在线改变铸坯厚度、提高内部质量的有效手段，主要用于现代化的薄板坯连铸中。带轻压下功能的扇形段的压下过程由液压缸来完成，对液压缸的控制非常复杂，需要计算机根据钢种、拉速、浇铸温度、二冷强度等工艺参数计算出最佳的压下位置以及每个液压缸开始压下的时间、压下的速度。目前，国内薄板坯连铸机动态轻压下的设备及控制系统均全套引进。 

    总体上讲，我国的连铸自动化水平与欧、美、日等发达国家相比还相当落后。发达国家的连铸机正朝着全自动、智能化、无人浇铸的方向发展。连铸机的操作人员越来越少。例如，奥钢联林茨厂1997年投产的年产量为120万吨的单流板坯连铸机只有5名操作人员(同类铸机为9人)和两个操作站(一般为5个)。开浇、钢包和保护渣等操作、温度测量、机械手取样、缺陷分析、结晶器液面控制、中间包浸入式水口的更换、漏钢预报、火焰切割、打印标记机的操作等所有运行区域的操作都自动运行。国内除了少数引进和近年来新建的连铸机自动化水平较高以外，其它连铸机基本靠常规仪表和一般电气设备进行控制，计算机控制的项目较少，很多靠手动控制。从普及的程度来看，二冷自动配水已为国内大多数铸机所采用，其次为结晶器液面检测与自动控制。近年来，已有少数连铸机采用中间包连续测温技术，但其它如钢流夹渣检测、结晶器热流监测与漏钢预报、铸坯表面缺陷自动检测、铸坯质量跟踪与判定系统等则很少被采用。从总体趋势看，连铸机的产量越来越高，铸坯质量也越来越好，但连铸机的操作人员却越来越少，这是实现自动化控制的必然结果。因此，如何提高连铸机的自动化水平是摆在国内钢铁