方  雄：华菱涟钢薄板有限公司热轧板厂

    1  引言

    在现代板坯连铸生产过程中，结晶器钢水液位自动控制在减少漏钢、溢钢、开浇失败、提高铸坯质量和稳定生产过程中起到十分关键的作用。特别是在CSP（Compact Strip Product）薄板连铸机中成为不可缺少的关键工艺之一。原因在于：（1）CSP薄板结晶器厚度通常小于90mm，其对钢流量的扰动缓冲能力有限，小的钢流扰动很容易产生大的液面波动；（2）薄板连铸机普遍采用高拉速，以涟钢2005年为例，年平均拉达4.3m/min，在如此高的拉速条件下，液位控制必须可靠稳定，操作者目测实现十分困难；（3）必须有自动开浇功能，人工目测开浇的成功率低，难以满足生产的要求。因此华菱涟钢薄板有限公司2004建成投产的CSP薄板坯连铸连轧生产线全套引进了德国SMSD公司的结晶器液位控制系统，以下简称MLC系统（Mold level control）。该系统用于实现连铸机自动开浇，在浇铸期间控制和保持结晶器内钢水液位稳定，为生产稳顺创造有利条件。

    2  主要设备组成
MLC系统主要由3部分组成，即伺服电机驱动的塞棒机构；以Co60为放射源的液位检测系统；TCS控制器。系统布置如图1所示。

1-中间包；2-塞棒；3-塞棒机构；4-伺服驱动器；5-TCS控制器；
6-二次仪表；7-Co60源；8闪烁计数器；9-浸入式水口；10-结晶器
图1 结晶器液位控制系统布置示意图

    2.1 塞棒机构

    涟钢CSP连铸机采用了双机两流，每流配备两台中间包车，一台浇钢时，另一台烘烤，准备下一个浇次。每一个中间包上安装一套塞棒机构。塞棒机构由伺服电机、电动缸、升降臂构成。伺服传动装置控制电机通过电动缸的精密丝杆驱动升降臂，由升降臂带动塞棒上下移动，丝杆的实际位移由集成在电机上的增量式编码器检测。

    2.2 液位检测系统

    液位检测系统设计采用放射源Co60，放射源置于结晶器活动侧的水箱预置孔中，通过安装在对面的闪烁计数器（探测器）接收射线，并转化为脉冲信号送主控制室的二次仪表LB352。经处理转化为4~20mA电流信号送TCS控制器的模拟量信号接收模块。

    2.3 TCS控制器

    TCS控制器是SMSD公司开发的一套成熟而可靠的工艺控制器，基于VME总线、采用多微处理器结构，具有任务分散控制、信息集中管理的特点。所有的微处理器采用Internel公司的PentiumIII800以上CPU，运行速度快，可以处理1ms以下的控制任务。在TCS控制程序中将MLC功能作为一个子系统进行设计与管理，并将其任务分配给其中的一块CPU板，从而保证整个液位控制系统的控制周期在3ms以内。

    3  系统的功能与控制策略

    MLC系统控制结构框图如图2所示，该系统由两个串级的控制环构成，一个用于结晶器液位控制具有延时微分单元的比例积分微分（PIDT1）控制环，一个用于塞棒位置控制的比例（P）控制环。

图2  控制系统结构框图

    3.1 实际液位的检测与计算
 
    放射源的幅射强度通过一个闪烁计数器（scintillation counter）测量，放射源与计数器之间的辐射吸收度由结晶器液位高度决定，在辐射强度与结晶器液位之间呈近似的线性关系。若没有钢流在结晶器中，射线仅被铜板、结晶器水箱吸收，浇铸时射线被铜板、水箱及钢水吸收。因此计数器检测到的脉冲数与结晶器钢水液位之间的关系可表示：

    f(x)=A0-kx                                                                     （1）

    式(1)中A0为指没有钢流情况下计数器检测到的脉冲数，k为线性因子，x为钢水高度。
k值由标定得到，每次更换结晶器或浇次，必须重新进行“空位”（0%）与“满位”（100%）的标定。由式(1)容易得到：

    k=(f(满)-f(空))/100 

    标定完成后二次仪表自动计算出这个k值，并保存下来，实际浇钢过程中再利用式（1）计算出结晶器中钢水液位。Berthord液位检测系统在检测与转换过程中，考虑了瞬间干扰因素对测量值的影响以及射线测量本身具有的非线性，对测量结果采用移动平均与插值算法进行了预处理，最后将处理结果作为实际测量值送TCS控制器。

    3.2 液位PIDT1控制

    结晶器实际液位和系统设定参考液位值比较得到的液位偏差做为PIDT1控制器的输入，并经过该控制器计算，输出位置调节量给下一级塞棒P控制器。为了改善在液位波动较大的情况下的系统动态性能，防止溢钢，液位控制器还引入了比例系数在线自适应功能。系统首先将液位偏差值传给比例参数自适应模块，由该模块根据液位偏差的程度计算出用于PIDT1控制器的P参数。

    3.3 塞棒位置动态预设定

    塞棒P控制器的输入由三部分组成，如图2所示，其中一部分来自液位PIDT1控制器的输出，一部分来自塞棒位置预设定功能模块的输出，剩下部分来自于塞棒调节系统自身的位置反馈值。在生产过程中，塞棒的位置参考值受到塞棒几何尺寸、安装精度以及水口形状等静态因素的影响，同时也受到一些不断变化的因素如拉速、液芯压下、在线调宽调锥以及钢水流动差异性等动态因素的影响，如何尽可能地减小这些动态因素对液位的影响正是塞棒位置动态预设定功能的设计初衷与设计思想。系统中集成的塞棒动态位置预设定功能模块通过综合考虑中间包钢水的高度、水口形状、拉速、结晶器实际宽度、铸坯实际厚度（主要针对液芯压下）等因变量、计算出塞棒节流口通钢量所需的等效面积S，并由下述模型计算出塞棒的预设定位置值：

    f预(s)=As3+Bs2+Cs+D  

    其中A，B，C，D为模型系数，s为塞棒节流口通钢量的等效面积。

    3.4 自动开浇

    如果各项开浇条件准备好，中间包内钢水达到指定液位，操作人员按下自动开浇按钮，结晶器液位控制进入自动开浇模式。在自动开浇模式下，塞棒按照开浇曲线动作（开环控制），对结晶器进行填充，当系统检测到10%的钢水液位，塞棒立即由开环控制切换到闭环控制，并向PLC系统发出设备启动信号，铸机传动启动，自动开浇控制结束并转入正常的浇铸自动控制模式。若在自动开浇模式选择后，一个或多个条件丢失或钢水填充时间超出规定时间，则立即进入急停模式，自动开浇失败，在HMI上显示报警与故障信息。

    4  系统的应用效果

    系统投入运行后，表现出了可靠性高、液位控制平稳、超调小、响应快的特点。图3中a~d分别显示了薄板坯铸机生产过程中四种最恶劣操作条件下的MLC控制波形。
图3(a)是曲型的开浇过程，结晶器液位在10秒左右由0%上升到参考液位70%，波形曲线显示MLC系统响应快、超调小，控制平稳。

    图3(b)是漏钢预报系统检测到漏钢，启动紧急降速漏钢愈合模式，拉速在3秒内从当前拉速3.8m/min下降到1m/min。曲线中显示液位仅有一个2%的小波。

    图3(c)是结晶器在线调宽，铸坯宽度由1556mm迅速减小到1531mm过程，曲线十分平稳。

    图3(d)是扇形段在进行液芯压下（LCR）的波形，扇形1段底部的出口厚度由72mm减薄到65mm，液位波形稳定。

a  开浇过程

(上曲线：液位，下曲线：拉速)

b  BPS事故降速

(上曲线：液位，下曲线：拉速)

c  结晶器在线调宽

(上曲线：液位，下曲线：坯宽度)

    以上四个波形图反映了MLC系统的整体性能，表明了应用塞棒位置动态预设定来补偿PID控制输出，效果良好；在开浇、拉速改变、在线变宽、变厚等工艺操作条件下能显著改善系统的动态性能，从而保持液位稳定。

    5  结束语

    以液位PIDT1控制器与塞棒位置P控制器为基础，附加比例参数自适应与塞棒位置动态预设定功能构成的结晶器钢水液位控制系统，在实践应用中，表现出良好的抗扰动能力，系统超调小，响应快，能保持结晶器钢水液位稳定在±3mm以内，满足了薄板坯连铸生产的工艺要求，从投产至今为涟钢CSP生产线的稳顺运行创造了良好的工艺条件，取得了巨大的效益。

    参考文献

    [1] 徐清，杨兵 MLC控制在马钢CSP连铸中的应用[J].冶金动力.2004,(4):75-81.

    [2 ] 李建科 连铸机结晶器的液位自动控制[J].山东冶金.2004,26(1):44-46.