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    寶鋼薄帶連鑄試驗(yàn)機(jī)組控制技術(shù)
    • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:電源     行業(yè):電梯    
    • 點(diǎn)擊數(shù):2252     發(fā)布時(shí)間:2005-07-06 09:58:53
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    薄帶連鑄連軋技術(shù)是冶金行業(yè)最先進(jìn)的前沿技術(shù)之一,寶鋼集團(tuán)在國家85攻關(guān)的研究成果的基礎(chǔ)上,在集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和推動下,從2001年開始籌建一條薄帶連鑄連軋?jiān)囼?yàn)線,該試驗(yàn)機(jī)組的一期工程于2003年4月4日開始第一次熱試,目前已進(jìn)入計(jì)劃性試驗(yàn)階段。 本論文主要介紹了薄帶連鑄工藝過程的控制策略、鑄造速度的控制方案以及熔池鋼水的液位控制。



    1. 概述
       
    近10年中,以BHP、Castrip、Eurostrip以及POSCO等技術(shù)實(shí)力強(qiáng)勁的企業(yè)為代表,世界上很多研究組皆在從事帶鋼鑄造的研究。美國的NUCOR公司已經(jīng)從Castrip獲得全世界的第一個(gè)薄帶連鑄生產(chǎn)技術(shù)的許可證,并且在2002年在該公司在美國印第安納的鋼鐵基地建成薄帶連鑄生產(chǎn)車間。在中國,寶鋼集團(tuán)的薄帶連鑄試驗(yàn)機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)轉(zhuǎn)。

        本薄帶連鑄生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)過程可以被分為三個(gè)主要部分:平臺設(shè)備部分,主要包括大包、中間包、塞棒、長水口、布流器等,負(fù)責(zé)為鑄機(jī)提供鋼水;鑄機(jī)部分(鑄機(jī)又通稱為結(jié)晶輥或主機(jī)),主要包括結(jié)晶輥、側(cè)封板等,負(fù)責(zé)生產(chǎn)鑄帶;后續(xù)部分,主要包括糾偏夾送輥、穩(wěn)定輥、卷取機(jī)夾送輥、卷取機(jī)等,負(fù)責(zé)對鑄帶的引導(dǎo)、輸送、卷取等。


    圖1 控制系統(tǒng)簡圖

        總的控制系統(tǒng)(見圖1)由許多小的控制系統(tǒng)組成,例如熔池液位控制、結(jié)晶輥輥縫控制、側(cè)封板控制、結(jié)晶輥速度控制、活套控制、線速度/張力控制等。本文主要介紹了薄帶連鑄工藝過程的控制策略、鑄造速度的控制方案以及熔池鋼水的液位控制。

    2. 控制策略
       
    形成薄帶的關(guān)鍵技術(shù)集中在鋼水在熔池中的凝固問題上,所以控制系統(tǒng)的核心是對結(jié)晶輥的控制。凝固過程開始于鋼水流經(jīng)大包、中間包、布流器進(jìn)入熔池后與結(jié)晶輥輥面接觸的瞬間,大約0.2秒后,鋼水在結(jié)晶輥表面凝固形成的兩片鋼殼(固定輥、移動輥輥面各有一片)經(jīng)過結(jié)晶輥的輥壓軋制形成薄帶離開結(jié)晶輥。鋼水的凝固速度與結(jié)晶輥輥縫和結(jié)晶輥轉(zhuǎn)速相關(guān)。鋼水開始凝固后即在結(jié)晶輥的兩個(gè)輥?zhàn)又g產(chǎn)生趨向于使輥?zhàn)臃蛛x的力,這個(gè)力也被稱為軋制力。如果結(jié)晶輥輥縫過大或速度過塊,凝固點(diǎn)就可能低于結(jié)晶輥兩個(gè)輥?zhàn)拥膰Ш宵c(diǎn),此時(shí)軋制力過低會斷帶;如果輥縫過小或速度過慢,凝固點(diǎn)就會過高,此時(shí)軋制力就會很大。可見,結(jié)晶輥輥縫、鑄速和軋制力是影響凝固的主要因素,其中軋制力是結(jié)晶輥輥縫和鑄速相互作用的結(jié)果。對結(jié)晶輥輥縫、鑄速和軋制力三個(gè)控制參數(shù)組合會形成多種控制策略。本項(xiàng)目將恒定軋制力作為控制目標(biāo)。鑄速由軋制力-速度控制器控制,詳細(xì)情況參見軋制力-速度控制器一節(jié)。

        影響軋制力的另一因素是熔池液位,因?yàn)槿鄢匾何桓叨戎苯佑绊懙侥踢^程的結(jié)晶弧長,也就是在結(jié)晶輥速度不變的前提下的凝固時(shí)間。所以熔池液位控制在控制系統(tǒng)中亦相當(dāng)重要。

    3. 全線速度控制
       
    如圖2所示,整條生產(chǎn)線的速度隨著鑄速(結(jié)晶輥的線速度)的變化而變化。但鑄速不是全線的速度基準(zhǔn)。工藝要求在結(jié)晶輥和糾偏夾送輥(糾偏輥)之間建立活套,以便于鑄帶能夠在自由狀態(tài)下離開結(jié)晶輥。所以糾偏輥的速度以鑄速為基準(zhǔn),根據(jù)活套量疊加相應(yīng)的超前速度或滯后速度。糾偏輥之后的輥道、穩(wěn)定輥、卷取機(jī)夾送輥及卷取機(jī)則以糾偏輥為速度基準(zhǔn),根據(jù)帶鋼的運(yùn)行疊加相應(yīng)的超前率或滯后率。

        使用HMD(熱金屬檢測器)對帶鋼進(jìn)行位置確認(rèn),根據(jù)HMD及其它外圍信號,按既定的控制方案計(jì)算輸出結(jié)晶輥速度給定信號。


    圖2 全線速度控制模型示意圖

        對輥道(交流電機(jī))的速度控制精度要求不高,采用了V/F無脈沖編碼器的控制方式。其他部分均安裝脈沖編碼器作為速度反饋,以提高速度控制精度。

    4. 軋制力-速度控制器
       
    為了使?jié)茶T過程中的軋制力穩(wěn)定,進(jìn)而控制住凝固點(diǎn),開發(fā)了軋制力-速度控制器(參見圖3)。其控制思想是根據(jù)軋制力的變化量,實(shí)時(shí)計(jì)算出相應(yīng)的鑄速變化量,通過控制結(jié)晶輥的轉(zhuǎn)速控制軋制力(凝固點(diǎn))。

        開始澆鑄前結(jié)晶輥根據(jù)設(shè)定初速度運(yùn)轉(zhuǎn)。澆鑄的初期軋制力-速度控制器不投入,結(jié)晶輥根據(jù)設(shè)定的升速曲線升速。當(dāng)熔池液位建立后,軋制力觀測功能投入。一旦軋制力進(jìn)入控制死區(qū)或小于設(shè)定值,結(jié)晶輥立即停止升速,并輸出當(dāng)時(shí)的速度實(shí)際值作為結(jié)晶輥轉(zhuǎn)速的基值,此時(shí)投入軋制力-速度控制器。軋制力-速度控制器的參數(shù)通過L2或L1的操作畫面設(shè)定。

        軋制力-速度控制器的輸入?yún)?shù)有:軋制力給定值、開始加速軋制力設(shè)定值、軋制力控制死區(qū)設(shè)定、軋制力反饋值;結(jié)晶輥初速度、加速目標(biāo)速度、加速時(shí)間、鑄速實(shí)際值;軋制力偏差對應(yīng)的速度變化率;控制器的速度輸出限幅值。軋制力-速度控制器的輸出參數(shù)有:結(jié)晶輥速度給定值。


    圖3 軋制力-速度控制器原理圖

        圖3中的軋制力偏差-速度增/減量模塊根據(jù)軋制力偏差計(jì)算需要的速度變化率。計(jì)算公式如下,ΔP表示軋制力偏差,ΔV表示速度增/減量,K表示軋制力偏差對應(yīng)速度變化率,Vb表示結(jié)晶輥速度基值,Vs表示結(jié)晶輥速度給定值。 

        當(dāng)軋制力偏差在軋制力控制死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)輸出為0;當(dāng)軋制力偏差在死區(qū)之外時(shí)按上述公式計(jì)算速度變化率;當(dāng)積分器的輸出值在限幅范圍外時(shí),輸出限幅值。

    5. 熔池鋼水液位控制

        結(jié)晶輥熔池液位檢測及控制系統(tǒng)的組成見圖4。


    圖4 熔池液位控制系統(tǒng)示意圖

        薄帶連鑄的工藝過程特殊,渦流傳感器的安裝環(huán)境溫度高達(dá)1300℃-1350℃,且鋼水表面無保護(hù)渣,故渦流傳感器外殼采用了多層隔離加上空氣冷卻的方法。根據(jù)工藝要求,結(jié)晶器液位的控制范圍為與輥?zhàn)拥妮S心成45o-50o的夾角。渦流傳感器的最大檢測范圍為150mm,保證控制點(diǎn)有一定的可調(diào)范圍。同時(shí)為了忽略布流器溢留口等環(huán)境對液位檢測的影響,在開澆以后,根據(jù)工藝給定的結(jié)晶輥起始速度、加速斜率和目標(biāo)速度等參數(shù)值,設(shè)置了1-3秒的屏蔽時(shí)間,在這個(gè)時(shí)間到了以后,液位檢測才加以投入。

        當(dāng)結(jié)晶輥熔池液位建立以后,即檢測液位達(dá)到設(shè)定液位±5mm的范圍,該系統(tǒng)將由渦流傳感器檢測,二次表處理的液位信號作為液位反饋信號,同時(shí)引入結(jié)晶輥實(shí)際拉速作為補(bǔ)償量,由數(shù)控電動缸驅(qū)動中間包的塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)熔池鋼水液位的閉環(huán)控制。

    6. 結(jié)束語
       
    對帶鋼鑄造的研究涉及機(jī)械、材料、制造、工藝、自動控制等多個(gè)學(xué)科,需要一個(gè)認(rèn)識和提高的過程。一個(gè)穩(wěn)定及功能較為完善的控制系統(tǒng)僅是大規(guī)模的科技創(chuàng)新試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之一,通過過程計(jì)算機(jī)按爐次進(jìn)行工程數(shù)據(jù)管理及實(shí)績收集,加上先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具軟件包的采用,其試驗(yàn)進(jìn)程將被大大縮短。

    [參考文獻(xiàn)]

    [1] Richard L. Weshsler, John J. Ferriola, “The Castrip Process for Twin-Roll Casting of Steel Strip”, AISE Steel Technology, Sep. 2002, pp. 69-74.
    [2] Hee-Kyung Moon, Dong-Kyun Choo, “The Status of Twin Roll Strip Casing Process for Steel in POSCO/RIST”, Proceedings, Electric Furnace Conference, 2002, pp. 499-508.
    [3] T. Bagsarian, “Strip Casting: Unveiling Project M”, New Steel, Dec. 1998, pp.56.

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