方坯结晶器液面波动监控技术的创新与集成

方坯结晶器液面波动监控技术的创新与集成

郝  强

（河钢邯钢生产制造部，邯郸 056003）

摘  要：文章介绍了邯钢自主开发的方坯结晶器液面波动合格率智能统计系统，并集成于现有的质量判定系统，实现了传统趋线监控向数字统计的转变，使指标量化更加直观。在一炼钢厂两台方坯连铸机成功投入使用，利用该系统科学有效的评价液面波动控制水平，提高液面波动合格率，有效地减少漏钢、溢钢事故，提高铸坯质量。

关键词：方坯，结晶器，液面波动，创新

1 引言

结晶器液面自动控制系统的应用，对高效连铸机的发展是个质的飞越。精准稳定的控制范围，可有效减少卷渣、漏钢、溢钢事故，明显改善铸坯质量。各钢厂为了满足客户对钢材质量越来越苛刻的要求，提高市场竞争力，努力提高产品质量，为此都在通过设备改造、技术创新来优化完善结晶器液面自动控制系统的功能，通过监控趋线来观察液面波动情况，但是都无法量化成一个过程指标来评价控制的好与不好。

邯钢一炼钢厂配有150×150mm，200×200mm连铸机各1台，均为8机8流，主要生产线材和棒材，目前正处于向特钢转型期。特钢对铸坯质量要求更为严格，为此，邯钢自主研发了方坯结晶器液面波动合格率智能统计系统，并集成于现有的质量判定系统，实现了传统趋线监控向数字统计的转变，使指标量化更加直观。并在一炼钢厂两台方坯连铸机成功投入使用，利用该系统科学有效的评价液面波动控制水平，提高液面波动合格率，有效地减少漏钢、溢钢事故，提高铸坯质量。

2 项目总体思路

量化结晶器液面波动指标，利用现有的系统软件，通过开发新的软件系统将趋线转化为数字，该系统以浇次浇注时间为统计单位，设定允许波动偏差范围，统计出本浇次波动超过范围的时间，计算出本浇次单流及连铸机综合合格率，最终自动生成报表，实现了系统功能在本地及远程客户端两地的同步应用。

3 结晶器液面波动合格率计算程序的实现

3.1 数据采集

计算模块需要采集的数据有结晶器实际液面、结晶器设定液面、以及浇次开始和结束信号等。结晶器设定液面以及实际液面与浇次开始和结束信号不在一个PLC，需要在原通讯基础上建立新的通讯连接。通讯组态以及数据块如图1、图2所示。

3.2 液位波动合格判断程序

通过采集到的实际结晶器液位、设定液位以及液位允许偏差进行比较计算，通过三个定时器串联来实现液面波动是否合格的判定（图3）。

a：第一次波动时间    

b：第二次波动时间

t1：液面波动由不合格到合格判定时间（T1定时器定时）

t2：液面波动合格时间设定（T3定时器定时）

t1+t2：T2定时器定时

上图所示第一次波动时间a大于t2，所以程序判定液面波动不合格。第二次波动时间b小于t2（设定为2S）程序判定为正常，未发出报警信号。

3.3 合格率计算模块

通过浇次开浇信号累加计算本浇次总浇注时间以及波动超出设定值时间算出本浇次结晶器液面波动合格率。当浇次结束时将本浇次合格率上传二级系统。程序块FB600如图4所示 ：

3.4 HMI操作画面

工艺技术人员可以在操作画面上设定头坯长度、液位偏差设定以及液面波动时间等参数，同时将合格率相关参数做成趋势图，以便于工艺技术人员查看浇次相关数据。HMI画面及趋势图如图5、图6所示：

3.5 实现远程应用

设计了偏差记录本地存储显示和远程应用数据同步方案，将该系统通过网络与“邯钢过程质量集成应用环境”平台相连，实现了系统功能在本地及远程客户端两地的同步应用，自动生成统计报表，便于工程技术人员掌握现场实际情况，极大的提高了工作效率。

4 生产中应用

实际生产中，液面波动合格率作为一项绩效指标，“以点带面”提升炼钢工艺、设备管控水平，从影响结晶器液面波动的因素入手，制定有效的改进措施，指标得到稳步提高。

4.1 工艺方面

炼钢生产中，铝作为重要的脱氧剂不仅能够去除钢种的氧，细化晶粒、改善韧性，防止时效的作用；同时生成的脱氧产物为高熔点的Al2O3夹杂，使钢液流动性变差[1]，在浇注过程中粘附在塞棒和水口内壁，造成水口结瘤，随着浇注的进行，粘附物的不断富集，受到钢流的冲击脱落，引起液面的波动，这个过程会在浇注过程中反复发生。因此控制Al2O3夹杂的产生、促进其上浮，是改善钢水纯净度、减少液面波动的重要途径。因此制定了以下关键控制点：

（1）提高转炉终点碳含量

由C-O平衡可知，转炉终点C含量越高，其O含量就越低，铝的收得率也会提高[2]，也会更加稳定，生成Al2O3的也会相应减少。

（2）控制出钢下渣

转炉渣中含有大量的Fe2O3，一旦随钢水进入钢包中，便会使钢水的氧化性增强，极大的降低铝的收得率。为此要求出钢采用滑板挡渣，回磷控制在0.0030%以内。

（3）白渣操作

精炼过程中快速成白渣，保持熔渣良好的流动性和较高的渣温，炉内有较好的还原气氛，良好的脱硫、脱氧效果，加入的铝制品不易被氧化，可稳定生成Als；同时白渣具有良好的吸附夹杂的能力。

（4）钙处理

由于Al2O3熔点较高，在浇注过程容易发生堵塞水口絮流事故，钙处理可使钢中Al2O3夹杂物变性成低熔点的12CaO·7Al2O3夹杂[3]，熔点只有1455℃，提高钢水的可浇性，同时可进一步脱氧、脱硫。

（5）软吹

通过钙处理生成的低熔点夹杂物、及其它类型夹杂物多数存在于钢液中，只有让这些夹杂物脱离钢液，才能起到净化钢液的作用。软吹可以让夹杂物上浮，被顶渣吸附，同时钢液不能裸露，避免二次氧化。

（6）钢包自开

钢包水口不能自开，必须使用氧枪烧氧才能保证钢水的正常的浇注，这无疑会重度污染钢水，影响钢水的流动性，加大铝损失，同时造成至少半炉钢水降级改判。首先从热修操作入手，严格浇余倒渣、水口清理及引流砂的存储和投放，其次优化生产组织，控制钢水在钢包内滞留时间，提高钢包自开率。

（7）保护浇注

中间包采用整体式包，大包长水口加纤维环，做到炉炉清理更换，同时开启氩封保护，安装氩封流量表，防止钢水与空气接触发生二次氧化。发现水口有掉块、穿孔的及时更换。

4.2设备方面

生产过程中，很多波动都是由于设备运行不稳定引起的，加强设备的点检维护，保证长周期稳定运行也是减少波动的重要方面。

（1）塞棒机构问题引起的液面波动

塞棒对结晶器液面波动的影响主要有两个方面:一是塞棒安装精度，它包括塞棒与水口的垂直对中情况、塞棒丝杠等连接部位的紧固情况;二是塞棒的耐侵蚀情况,都会导致塞棒控流不稳，引起液面波动大。在塞棒安装精度控制方面，通过塞棒丝杠上的球面垫进行调平，确保塞棒垂直对中水口，制定严格的验收制度和考核制度，定期检查，以确保塞棒的安装精度。另外，必须严格控制塞棒耐材质量，加强塞棒质量验收，确保塞棒有足够的耐侵蚀性和抗热振性[4]。

（2）接收器线路问题引起的波动

虽然信号接收线路使用了耐高温电缆，但是由于现场环境恶劣，经常出现线路被烧，控制线绝缘低等故障，影响控制信号的稳定性，引起液面剧烈波动[5]。为此停机检修时，设备技术人员会重点检查接收罐本体和电缆线路是否有烧损现象，接头是否接触良好；及时清理周围的钢屑，减少外界对信号的干扰。

（3）电动杆引起的液面波动

电动杆是指内置于中包执行机构内的伺服电机系统，其对液面波动的影响主要有两个方面:一是电动杆本身故障引起，如电动杆线路故障、电动杆滑动性不好造成卡阻等;二是操作人员对电动杆安装不到位造成的松动，如电动杆上下固定螺栓未锁紧、电动杆卡扣未卡紧等[4]。对此，定期对电动杆进行维护检查，加强润滑维护，可大幅度降低电动杆故障造成的液面波动。

（4）其他设备引起的液面波动

在实际生产中，拉矫机、切割小车夹持装置、铸坯输送辊道、结晶器振动运行稳定性等均对液面波动有一定影响。因此，定期对这些设备点检维护保养是必不可少的，有针对性的建立起关键设备的点检运转记录和考核制度，保证设备长周期稳定运行，减少液面波动。

5 应用效果

   该系统自2015年6月份上线投入使用，把液面波动合格率作为一项绩效指标，带动工艺、设备双管齐下，强化基础管理，铸机液面波动综合合格率由96.5%提高到了98.5%。

6 结语

该系统的开发与技术创新，实现了传统趋线监控向数字统计的转变，使指标量化更加直观。利用该系统科学有效的评价液面波动控制水平，提高液面波动合格率，有效地减少漏钢、溢钢事故，提高铸坯质量。取得了良好的经济效益和社会效益，为邯钢向特钢转型奠定了良好的基础。

参考文献

[1] 胡文豪. 酸溶铝在钢中行为的探讨.钢铁，2003，38(7)：42-44

Hu Wen hao. Acid soluble behavior in the steel.steel,2003，38(7)：42-44

[2] 李家斌.低碳铝镇静钢AL2O3夹杂物分析与控制.现代冶金，2011,39(4)：13-15

Li Jia bin. Low-carbon aluminium killed steel al2o3 inclusion analysis and control. Modern metallurgy, 2011,39(4)：13-15

[3] 刘立德.冷镦钢SWRCH22A炼钢工艺优化研究.冶金设备，2013,202: 29-32

Liu Li de. Cold heading steel swrch22a steelmaking process optimization study. Metallurgical equipment, 2013,202: 29-32

[4] 卢飞.方坯结晶器液面波动的分析与解决.第十七届全国炼钢学术会议文集，2013,576-580

Lu Fei. Billet mold level fluctuation analysis and resolution.The 17th national conference on steelmaking corpus,2013,576-580

[5] 张卫娟，杜奇超，小方坯连铸机液面自动控制系统，沿海企业与科技，2010,119（4）：63-64

Zhang Wei juan,Du Qi chao, Small billet caster level automatic control system. Coastal enterprises with technology, 2010,119（4）：63-64