SMS宽板坯铸机结晶器控制系统解析

【摘 要】结晶器是连铸生产线的核心设备，结晶器的控制是连铸控制工艺的核心，是整个连铸生产线的咽喉。西马克集团（SMS）是一个由多家在钢铁和有色金属工业领域从事机械设计和设备制造业务的跨国公司组成的集团公司，在冶炼、轧制等多个领域处于世界领先地位。在结晶器设计及控制方面拥有多项自己的专利技术。结晶器控制系统主要包括四个方面即：冷却系统、振动系统、液面控制系统、加紧调宽系统。

【关键词】冷却；振动；调宽；液面控制

结晶器顾名思义就是让钢水结晶，其用途是快速的冷却钢水使之形成坯壳，并保证钢坯出结晶器时坯壳的强度和厚度，使之能承受钢坯内部液芯钢水的静压力和扇形段驱动辊的动压力。在钢水注入结晶器逐渐形成一定厚度坯壳的凝固过程中，结晶器一直承受着钢水静压力、摩檫力、钢水热量的传递等诸多因素引起的的影响，使结晶器同时处于机械应力和热应力的综合作用之下，工作条件极为恶劣，在此恶劣条件下结晶器长时间地工作，其使用状况直接关系到连铸机的性能，并与铸坯的质量与产量密切相关。我们厂用的SMS结晶器是垂直的平板式设计，每个结晶器都是由四个面组成，即两个宽面，两个窄面。宽面一个固定，一个可以活动，两个窄面都可以横向移动，用于满足所需要的钢坯宽度。

1.冷却系统

结晶器冷却系统采用的是水冷却，水质是软水，防止内部管路堵塞。结晶器的冷却水是由结晶器底座上的连接管线引入的。SMS设计的结晶器底座和结晶器外罩/设施之间的水连接是通过两个经机械加工过的表面交错自动完成的，在机械加工面凹槽周围的每一部分都用O形环密封，提高冷却水密封强度，延长使用寿命。另外，SMS设计的结晶器放到振动器底座上的时候，销子和垫片能够提供结晶器的自动对中，减少工作量，提高工作效率。

结晶器水冷系统在每个宽面和每个窄面都有独立的进水口，总共有四个进水口，每一对宽面进口和每一对窄面进口都是闭路循环。这样保证了结晶器内钢水可以均匀、强化冷却，保证了板坯质量，减少漏钢率。每一个水供应控制系统都是由一个进口流量传导器，一个流量控制器和一个逆流控制阀组成。

2.振动系统

结晶器振动使结晶器和凝固坯壳之间产生一个相对运动，能够防止结晶器和坯壳的粘结。即使发生了粘结，振动能强制脱模，消除粘结。结晶器振动是浇铸成功的先决条件，是连铸发展的一个重要里程碑。为了防止结晶器粘钢，只有振动还不够，还必须有剂加以调节。在振动着的结晶器和以稳定的拉速运动的铸流坯壳之间所要求的是通过熔融保护渣来完成的。通过结晶器和铸坯之间的相对运动，熔融保护渣被带入到弯月面区域的坯壳和结晶器之间，从而形成渣层。由于渣层的形成，结晶器和铸流之间的摩擦减少，以便薄弱的坯壳能够经受的起拉矫力的作用，同时热量传递也是通过渣层来控制。关于渣层有两个重要的参数即正滑脱和负滑脱时间。负滑脱时间是指一个振动周期内结晶器振动速度高于铸坯拉速的这段时间，此时结晶器和铸坯坯壳之间形成一个很小的间隙，有助于保护渣层的形成。正滑脱时间是指一个振动周期内除去负滑脱时间就是正滑脱时间。

振动的动力选择有液压和电机两种。液压振动可以实现频率和振幅随拉速变化实时调节，还可以实现不同的振动波形曲线，最有名和应用最广的振动波形是正弦波，它可以实现正滑脱和负滑脱参数的任意组合，从而精确吻合不同钢种、断面、拉速下的不同冶金要求。我们使用的SMS结晶器就是采用的液压伺服阀正弦曲线振动方式。

由SMS开发的一种连铸结晶器是共振式结晶器。结晶器连接在振动基础框架上，并且是悬挂在叠板簧上。使用叠板簧能够作自由并且无磨损的运动，并获得更好的导向精度，因此显著降低了铸坯摩擦力。 叠板簧的操作特点是自身重量和惯性力都得到了大约100%的补偿。在共振点，引入到振动系统的驱动能量必须等同于由于铸坯摩擦而失去的部分能量。这项新技术最显著的特点是振动质量大大减少，质量的减少同时也减少了要求的驱动力，改进了振动系统的动力学。

3.液面控制系统

结晶器液位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标，直接影响最终产片的质量。整个结晶器液位控制系统的被控对象由液压伺服系统、水口执行机构两部分组成，机理复杂难于建模。系统中存在塞棒粘结、结晶器液位无阻尼振动、拉速、鼓肚效应等各种干扰，对结晶器液位产生错综复杂的影响。SMS结晶器液面控制系统通过摩擦力补偿器、控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器振动截止频率过滤器等进行功能补偿以优化控制有效地降低了上述干扰对结晶器液位的影响，取得了良好的效果。

SMS宽板坯连铸机装有Berthold系统作为测量结晶器液面的装置。这个系统是以放射源（Co60）和闪烁计数器为基础的，就是用闪烁计数器来测量Co60放射源每秒钟放射出的射线来检查液面。其检测原理是：结晶器没有钢水时，射线只是被铜板，空气和冷却水吸收，脉冲频率非常高。在浇注过程中，增加了钢水和连铸保护渣的吸收，脉冲频率大大减小，再根据开浇前的标定，Berthold系统通过计算其强度分布特性就可以算出液面位置了。生产过程中液面一般控制在70%―80%。

4.加紧调宽系统

加紧装置结构形式有两种即弹簧加紧、液压缸松开和全液压缸加紧。SMS设计的结晶器加紧系统采用的是弹簧加紧、液压缸松开的方式。有突发事故发生时如液压站停了，弹簧可以保证结晶器处在加紧状态，防止漏钢。当结晶器宽度需要改变时，液压缸克服了宽面的弹簧压力，放松了宽面对窄面的夹紧压力，窄面被移动到他们要求的新位置。通过减少液压缸的压力，宽面弹簧夹紧力被重新恢复。

SMS板坯连铸机装备了“远程调节结晶器系统（RAM）”。这个系统可以在浇注中断期间根据生产调度要求调整结晶器宽度。RAM系统是通过在浇注平台上的操作面板或连铸主控室的HMI来操作和控制的。它还能够从二级接受指令并向二级提供信息。每一个结晶器窄面包含两个伺服电机，通过旋转带有一定角度的齿轮箱来横向移动窄面。在每个窄面上都有两个独立的驱动轴，一个和结晶器窄面上口区域相连，另一个连接在结晶器窄面下口区域。每侧的两个电机可以同步动作，这样就能按照要求随意调节宽度。四个电机又可以单独动作，利用这种方法，窄面可以形成一定的锥度，而且这个锥度在浇注过程中可以改变。锥度在浇铸工艺中有着重要的作用。简单的说，由于钢水在结晶器内的凝固，它开始收缩。为了保证凝固坯壳在任何时候都能和结晶器保持接触，结晶器要有锥度即上口的开口比下口的开口大，这就保证了随着钢水的凝固和收缩，坯壳和结晶器充分接触。锥度必须根据所浇注的钢种来设定。

5.小结

结晶器控制系统是整个连铸工艺控制的重点，是保证顺利生产和铸坯质量的关键技术。SMS宽板坯铸机结晶器运用了许多自己研发的专项控制技术。全面系统的学习和掌握结晶器传统控制工艺，再通过对结晶器控制的新技术进行研究和学习，全面提升自己的知识结构和知识深度，对掌握和控制整个连铸生产线有着举足轻重的作用。

参考文献：

[1]《连铸结晶器》，蔡开科，冶金工业出版社，2008

[2]《过程控制》，金以慧，清华大学出版社，1993

[3]《连铸设备三电》，宝钢集团一钢公司不锈钢工程项目组，2003

[4]《结晶器液位建模与控制方法研究》，东北大学硕士学位论文，2000