連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機系統(tǒng)液位控制方法淺析

胡彥紅， 明 劍

（上海電纜研究所有限公司，上海200093）

0 引 言

1987年，國內(nèi)第一條自主開發(fā)制造的連鑄連軋生產(chǎn)線在上海冶煉廠投產(chǎn)［1］，此后，國內(nèi)又投產(chǎn)了多臺連鑄連軋生產(chǎn)線。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，銅、鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線的自動化水平也不斷提高，但是連續(xù)澆鑄水平尤其是連鑄機系統(tǒng)液位控制技術(shù)卻一直相對滯后，而連鑄機系統(tǒng)金屬液位的高度及其穩(wěn)定性，直接影響到鑄錠的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。在連續(xù)澆鑄過程中，金屬液位波動一旦超過±10 mm，就可能使保護渣大量卷入液體中［2］，且會在鑄坯表面產(chǎn)生夾渣，影響鑄坯質(zhì)量，所以連鑄機系統(tǒng)的液位穩(wěn)定性在連鑄連軋生產(chǎn)線中非常重要［3］。本文在液位控制原理的基礎(chǔ)上介紹了美國Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線、意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線以及德國Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機系統(tǒng)的金屬液位自動控制方式，為連鑄連軋生產(chǎn)線的連鑄機系統(tǒng)液面自動控制國產(chǎn)化提供參考，并對國內(nèi)連鑄連軋生產(chǎn)線的鑄坯澆鑄質(zhì)量的提高起到一定的作用。

1 液位自動控制系統(tǒng)原理

液位自動控制系統(tǒng)基本上是由液位傳感器、以PLC為中心的液位控制器、位置檢測反饋裝置以及控制塞棒開啟度的伺服系統(tǒng)組成，圖1為塞棒控制液位原理圖。

圖1 塞棒控制液位原理圖

由圖1可知：塞棒控制澆包內(nèi)金屬液體出口處的開啟度，調(diào)節(jié)金屬液體流入結(jié)晶輪的流量，以維持金屬液體液面的穩(wěn)定，塞棒位置信號來源于液位監(jiān)視器，監(jiān)視器通過液位測量系統(tǒng)準(zhǔn)確地測量澆包內(nèi)液位高度，將信號提供給塞棒控制器，由控制器再把信號提供給伺服電機，伺服電機作用于塞棒執(zhí)行機構(gòu)，從而控制金屬液體流入結(jié)晶輪的流量，是液位—塞棒—澆鑄速率結(jié)合在一起的控制方法［4］。

2 國外先進技術(shù)現(xiàn)狀

目前美國Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線、意大利Properzi連鑄連軋生產(chǎn)線和德國Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線等的應(yīng)用比較廣泛。

其中美國Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線采用自動控制金屬液位，稱為AMPS自動澆鑄系統(tǒng)［5］。測力傳感器將澆包處信號傳給保溫爐控制系統(tǒng)，控制保溫爐的金屬液體流量，使?jié)舶鼉?nèi)金屬液位穩(wěn)定。結(jié)晶輪處的液位用閉路電視進行監(jiān)測，由澆嘴處的塞棒控制流入鑄輪輪腔的金屬液。AMPS系統(tǒng)最大的優(yōu)點是有效提供了恒定的流量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

工作原理為：攝像頭攝取現(xiàn)場金屬液位圖像信號傳送給視頻傳感器，視頻傳感器將現(xiàn)場液位圖像信號送CRT顯示器顯示，并對金屬液位信號進行處理，液位高度也會同時顯示在CRT顯示器上。此外，把處理后的液位信號傳送到視頻傳感器。智能調(diào)節(jié)器根據(jù)操作開關(guān)的狀態(tài)，主動調(diào)節(jié)初始設(shè)定參數(shù)以及金屬液位的實際高度，及時準(zhǔn)確地向驅(qū)動器提供驅(qū)動信號。驅(qū)動器根據(jù)智能調(diào)節(jié)器所提供的驅(qū)動信號，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，調(diào)節(jié)金屬液體的流量，以達到金屬液位控制的目的。美國Southwire銅連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機系統(tǒng)液面自動控制示意圖見圖2。

圖2 美國Southwire連鑄機系統(tǒng)液位自動控制示意圖

美國Southwire連鑄連軋生產(chǎn)線連鑄機的控制過程為：金屬液澆鑄的情況通過高精度攝像頭，實時顯示在控制電腦的顯示屏上，在電腦的顯示屏上預(yù)先設(shè)定一條線，線的上下兩個端點的位置就是預(yù)先設(shè)定的限位線，包括最高液位和最低液位及基準(zhǔn)液位。這些線可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)，當(dāng)金屬液位在設(shè)定的基線上下一定范圍內(nèi)時，金屬液位浮動很小，此時伺服電機停止，塞棒位置不動。當(dāng)液位達到最低點時（液位過低），通過圖像的實時對比處理發(fā)出信號，通過伺服電機控制澆嘴處的塞棒上升，金屬液流量增大，液位開始升高；同樣，當(dāng)液位達到最高點時（液位過高），通過圖像的實時對比處理發(fā)出信號，控制澆嘴處的塞棒下降，金屬液流量減小，液位開始下降。通過上述控制，保證連鑄機系統(tǒng)連鑄輪中金屬液的液位始終在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。

在液位正常的情況下，設(shè)定的這條線顯示為綠色；當(dāng)液位達到上、下限位置時，線變?yōu)榧t色，電腦發(fā)出信號，控制塞棒上升或下降，從而控制金屬液的流量。塞棒安裝在澆嘴處并與澆嘴的中心線重合，其端部呈錐形，澆嘴的內(nèi)孔也呈同樣角度的錐形，當(dāng)塞棒上下移動時，塞棒的端部與澆嘴內(nèi)孔之間的間隙變大或變小，從而達到控制金屬液流量的目的。

可實現(xiàn)手動、自動兩種方式控制，當(dāng)自動控制發(fā)生故障時，信號傳遞到PLC中，可立即切換到手動控制。

意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線采用的是浮標(biāo)式液位控制器，見圖3。

圖3 意大利Continuus-Properzi鋁及鋁合金連鑄機系統(tǒng)液位控制示意圖

由圖3可知：在自重作用下金屬液體從上澆包流入中間澆包，金屬液充滿中間澆包后，通過澆嘴處與下澆包浮標(biāo)上的塞錐之間的空隙流入下澆包。隨著下澆包中金屬液的增多，產(chǎn)生的浮力也隨之增大，浮標(biāo)塞錐在金屬液浮力的作用下開啟。塞錐與澆嘴的出液口之間的間隙增大，金屬液流入鑄輪。浮標(biāo)的上下浮動可控制澆嘴和塞錐之間的空隙減小或增大，從而可控制澆嘴流入下澆包中的金屬液量，進而保證下澆包的金屬液位維持在設(shè)定范圍內(nèi)，鑄輪中的金屬液位也會相對穩(wěn)定。浮標(biāo)另一頭的配重起到平衡力的作用，澆嘴與塞錐之間的開啟度取決于配重和小澆包中的金屬液量。

德國Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線采用的是HAZELETT雙鋼帶連鑄機，回轉(zhuǎn)鋼帶和擋塊組成截面為長方形的連鑄機鑄輪模腔，實現(xiàn)直線澆鑄，無彎曲鑄造。圖4為德國Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線液位控制示意圖。

由圖4可知：液位控制采用了EMLI控制系統(tǒng)，可以自動檢測和調(diào)節(jié)保溫爐和流槽內(nèi)的金屬液位，澆包內(nèi)的金屬液由塞棒控制流出，經(jīng)導(dǎo)管流入可移動的澆鑄包，注入連鑄機鑄輪，在下帶輪上表面和連鑄機入口處都裝有感應(yīng)線圈，生成磁場，測定連鑄機鑄輪的金屬液位，當(dāng)液位升高到圖4中b處時，感應(yīng)線圈發(fā)出信號，塞棒開啟度減小，進而減少導(dǎo)管流入連鑄機的金屬液體流量；當(dāng)液位下降到a處時，感應(yīng)線圈同樣發(fā)出信號，使塞棒開啟度增大，進而增大導(dǎo)管流入連鑄機的金屬液體流量，從而控制中間澆包中液體流入下澆包的量，確保連鑄機液位的相對穩(wěn)定。

圖4 德國Contirod連鑄連軋生產(chǎn)線液位自動控制示意圖

3 結(jié)束語

金屬液位自動控制系統(tǒng)的作用是控制熔化的金屬連續(xù)流到鑄輪模腔中，并保持模腔內(nèi)的金屬液位在一個非常小的范圍內(nèi)波動，使?jié)茶T液位穩(wěn)定，有利于提高鑄坯的澆鑄質(zhì)量，減少人為因素的干擾，是銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線上的一個重要設(shè)備，具有三大特點：澆鑄作業(yè)無人化、消除鑄造差錯造成的停機和鑄坯質(zhì)量均勻化。

目前，國產(chǎn)設(shè)備和進口設(shè)備價格相差較大，與進口設(shè)備相比，國產(chǎn)設(shè)備的機械制造部分差距正在逐漸縮小，但是輔助配套設(shè)施相差懸殊，不僅液位控制部分、電氣控制部分和輔助系統(tǒng)（連鑄機冷卻水輔助系統(tǒng)、軋機潤滑油輔助系統(tǒng)、乳化液輔助系統(tǒng)、酒精還原輔助系統(tǒng)及涂蠟輔助系統(tǒng)）等更是差距懸殊。本文對國外幾種銅、鋁及鋁合金連鑄連軋生產(chǎn)線中連鑄機部分的金屬液位自動控制系統(tǒng)進行了技術(shù)分析和比較，為連鑄連軋生產(chǎn)線的連鑄機液位自動控制國產(chǎn)化提供參考，亦對國內(nèi)連鑄連軋生產(chǎn)線的鑄坯澆鑄質(zhì)量的提高起到一定的作用。