TCS连铸机工艺控制系统_工艺流程控制系统
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TCS连铸机工艺控制系统
（二〇〇六年一月四日）
TCS连铸机工艺控制系统
提要：本文根据国际普遍采用的连铸机工艺控制系统（TCS）的控制要点，对涉及连铸关键的控制技术进行介绍和研究，具有很强的借鉴意义。关键字：连铸机、TCS、控制
一、TCS系统概述
TCS（Technology Control System）既工艺控制系统的简称，该系统从20世纪80年代开始发展，90年代得到推广应用，目前已经日臻完善。连铸机的自动化控制程度要求比较高，通过大量采用计算机及PLC软件、硬件的集成控制，使其整个生产过程基本上做到全自动操作。如采用自动开浇、自动跟踪、自动检测等技术手段，可以有效地减少靠经验操作带来的包括漏钢、溢钢在内的各种生产事故及质量问题。下面为连铸生产基本流程图（图1）： 钢水罐 钢包回转台 长水口氩气保护 中间罐烘烤 中间罐 浸入式水口 引锭杆小车 结晶器和振动（直线）弯曲段、扇形段 二冷水系统控制 矫直段、水平段 火焰切割前辊道 火焰切割机和辊道 输出辊道 喷号 在线去毛刺机 出坯辊道 检查 缓冷 热送辊道 修磨机 轧钢车间
（图1）
二、连铸工艺控制系统（TCS）发展趋势
在连铸工艺经过50年的研究后，连铸工艺控制系统（TCS）也获得了大幅度的提高。发达国家的铸机正朝着全自动、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）。连铸开浇、钢水浇注、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、打印标记机等操作全部为自动控制。
在连铸工艺控制系统（TCS）系统通讯上，目前普遍采用具有环网冗余控制功能的新型总线控制系统，数据通讯系统则采用工业以太网。通过工业以太网，联入Internet，使其具有远程监控及操作功能。
三、连铸生产过程中的工艺控制系统（TCS）
目前，连铸控制系统基于技术的完整性，将影响工艺控制的关键技术进行软硬件整体集成，称之为TCS系统。例如VAI及SMS的连铸机都有自己的TCS系统。以VAI板坯连铸机为例，该TCS系统所集成的主要功能如下：
(一)结晶器液压振动（DYNAFLEX）控制系统
VAI公司DYNAFLEX结晶器液压振动系统是和新的叶片弹簧导向系统一起开发，能被安装在板坯、大方坯和小方坯连铸机上。该系统为振动参数（振幅、振频、振动方式——正弦或非正弦）的在线调整提供了更高的灵活性，同时提高铸坯的表面质量和设备可靠性，降低漏钢率。其工作原理如图2所示：
1、结晶器液压振动主要是在结晶器两侧装有两个液压缸，这两个液压缸分别由两个液压伺服机构（比例阀）(如图：Hydraulic Actuator)来控制，这样就可以通过液压缸的快速升降从而带动整个结晶器也快速地上下振动。
2、在每个液压缸上装有一个高精度的位置传感器(如图：Cylinder pos feedback)，用于检测液压缸中塞杆的移动位置，从而有效确定塞杆移动的长短，经过控制器的计算，得到振动的振幅。同时在液压缸两侧还装有压力传感器，主要用于测算结晶器与铸坯之间的摩擦力的。
（图2）
3、该系统具有以下的控制及调节特性： 振幅和振动参数的在线调整，如：
—负滑脱和正滑脱； —非正弦因子； —振幅和频率； —高频小振幅；
—优化表面质量和降低渣耗的振动曲线模式；
—高拉速时确保表面质量，减轻振痕； 无磨损，长寿命叶片弹簧导向系统； 最小水平偏移的预应力导向系统； 较低的振动质量；
螺旋弹簧重量支持，降低柱向力； 自动、快速更换连接，减少停机时间； 易于更换组件和进行维修；
技术组合的离线测试，保证连铸机无故障安装、启动和运行。DYNAFLEX结晶器振动系统已经被广泛的应用在各类连铸机上。
(二)结晶器液位检测控制系统
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。如图3所示：
HYDR.VALVE STANDPOSITION CONTROLPOSITION FEEDBACKHYDRAULICUNITSETPOINTPOWERSUPPLYHYDRAULIC ROOMTUNDISH CARCASTING FLOORCONTROL BOXCo 60MOLD LEVELCONTROLINSTRAND PLCUPSPOWERSUPPLYELECTRIC ROOMSIGNALPROCESSINGAMPLIFIERMOLD LEVEL SIGNAL（图3）
1、液面自动控制的方式大致可分为三种类型：
根据液面高度反馈信号，通过控制塞棒升降高度来调节流入结晶器内钢液流量；
根据液面高度反馈信号，通过铸流PLC控制拉坯速度使结晶器内钢水量保持恒定；
前两种构成的复合型，既控制塞棒升降高度又控制拉坯速度。
2、结晶器的液位检测系统主要的控制功能为：自动或者手动设定结晶器液位的高度，通过检测元器件检测出实际液位与目标液位的液位差，根据这个差值的正负来自动控制塞棒升降高度或者控制拉坯速度使结晶器内钢水液位保持恒定，从而有效地防止漏钢及溢钢。
(三)结晶器热流监测与漏钢预报系统
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热流监测与漏钢预报系统。如图4所示：
（图4）
1、在结晶器铜板上有序密排测温传感器，测温传感器自动将测得的温度值变送至远程计算机中，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。
2、当出现粘结性漏钢时，粘结处铜板的温度升高，则在计算机上显示出该区域温度的模拟特性，如颜色变红等。根据这一特性，该控制系统可自动或者手动采取降低拉速或暂时停浇的措施，直至漏钢危险消除后恢复正常拉速。从而保证了浇注的无人值守的可靠性。
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。
(四)结晶器动态调宽控制系统
结晶器调宽控制，主要功能就是控制窄面铜板的距离。在实际操作中，需要先松开宽面铜板，然后再调节窄面铜板，控制方式可分为在线控制及离线控制，同时调节窄面铜板的方式也分为液压式和电动式两种，两种调节方
式虽然不同，但是工作原理相近。以VAI公司HYDROWAM液压式调宽技术为例，其控制原理是如图5所示：
（图5）
1、结晶器调宽控制采用每个窄面由两个液压比例阀各驱动一个液压缸进行控制。目前这种液压控制是一种先进的控制方式，较之电动方式更具有平滑稳定的特点。
2、为了有效地检测窄面的调宽距离，需要在每个液压缸上装有一个位置传感器，通过检测液压缸的位置，计算出窄面的实际距离。
3、将位置传感器检测到的距离信号值转变为电信号，通过特殊的SSD接口电路板传送到独立的控制器中。
4、控制器经过计算后，输出模拟信号直接控制液压执行器即直接控制如图所示的上下左右各一个伺服-比例阀电磁阀。通过电磁阀的控制来调节液压缸的进退，从而控制窄面铜板的距离。
5、该系统具有以下的控制及调节特性：
结晶器宽度调节是高度精确和可重复的，每一边调宽速度冷态时为500mm/min，连铸过程中为500mm/min。
液压缸和控制系统十分紧凑，特别适合于现有结晶器的升级。在大多数情况下，结晶器窄面可以被重复使用；
使用标准液压组件；如果用户需要，现有电磁驱动结晶器调宽系统的组件可以在HYDROWAM结晶器系统中使用；
油的流动特性和纯度没有特殊要求，现有液压站仍然可以使用； 全部设备测试均在使用该设备的现场进行，确保安装和启动无故障。
(五)扇形段远程调辊缝控制系统（SMART）
SMART(Single Minute Adjustment and Restranding Time)，意思是一分钟以内调整和整定)扇形段远程调辊缝控制系统，能够在线改变板坯的厚度。已经证明它是提高产量和铸坯质量的一个决定性因素。SMART扇形段的引入使得动态控制铸坯夹持系统的辊缝成为可能。液压驱动包括性能优越的组件（开／关阀，孔板），成本低，使用安全，易于维修。其控制原理如图6所示：
（图6）
1、实际的辊缝位置由分别安装在4个夹紧液压缸中的超声波位置变送器检测。位置设定值通过主控制器提供给铸流控制单元。使用标准的液压元件使位置液压缸接近设定位置。为减少阀的操作，定义了一个用于位置校正的滞后值。如果扇型段的不对称性超过允许值，则扇型段控制器将检测不对称的程度且停止单个液压缸的运动。
2、如液压系统压力下降、通讯故障等重大干扰事件在生产过程中发生在一个扇型段控制器控制之内，则相应的扇型段将由事故阀液压锁定，扇型段
保持在锁死的位置，直到浇铸结束，位置液压缸不会移动。
3、SMART扇形段和二冷动态控制模型的组合，可根据铸坯的凝固终点位置调节辊缝锥度。由自动铸坯锥度控制功能来自动调节SMART扇形段的设置点，实现最佳的辊缝锥度，甚至改变拉速。
4、该系统具有以下的控制及调节特性：
辊缝／铸坯导向系统的遥控简单快速；
板坯厚度能在一分钟内调节至特殊的设计厚度范围； 能够设置辊缝为平行、全锥度、部分锥度；
SMART扇形段、二冷控制和自自动铸坯锥度控制结合的条件下，软压下能够提高产品质量；
由性能稳定、结实的液压开关阀代替敏感、价格高、维修率高的伺服阀，能够实现较高的设备稳定性；
液压缸内使用简单、可靠、结实的电子传感器提高操作稳定性； 代替现有扇形段，仅需对机械和液压设备作很小的改动。
随着对产品质量、连铸机实用性、产量的要求不断提高。促使新的技术概念不断产生。SMART扇形段能够在结晶器液压振动控制系统的配合下，在线快速改变铸坯厚度，即使在瞬时变化情况下，也能确保特殊钢种的内部质量。通过这种简单优越的解决方案，能在保证内部质量的前提下，实现任何板坯厚度的快速调节控制功能。
六、结束语
本TCS工艺控制系统涵盖连铸控制技术中五项主要功能，经过实际验证，该系统具有很高的可靠性，可操作性，也具备先进的设计理念。但在在具体的TCS设置中，可以根据不同的需要，选择必要的TCS中的控制功能，也可增加如锥度控制等功能，以满足不同企业的生产需求。
参考文献：
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