鞍鋼連鑄加渣機智能化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

柴帥，王成青，劉鐵，彭東東，王霖，劉志強，李長傳

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鋼鐵工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型推動連鑄裝備向網(wǎng)絡(luò)化、自動化、信息化、智能化集成技術(shù)發(fā)展，其中智能加渣機就是典型代表。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠 （以下簡稱 “煉鋼總廠”）中薄板連鑄車間于2000年12月28日投產(chǎn)，共有2臺一機一流中薄板連鑄機，設(shè)計斷面 135 mm×（900～1 550） mm，鑄機最大拉速3.3 m/min，年產(chǎn)能240萬t，鋼種包括：低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼、中碳鋼、低合金鋼。2021年10月鑄機升級改造，結(jié)晶器厚度從135 mm增加至150 mm，鑄機達到年產(chǎn)60萬t高品質(zhì)硅鋼生產(chǎn)能力。改造后每臺連鑄機配有鞍鋼自主研發(fā)的智能加渣機一臺，不僅實現(xiàn)了遠程集控和無人值守作業(yè)，在降低鑄坯質(zhì)量缺陷、降低漏鋼預(yù)報事故、提高鑄坯質(zhì)量判定準確率方面都取得較好的效果。

1 鞍鋼連鑄加渣機技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 板坯自動加渣機技術(shù)的引進

煉鋼總廠2013年在中薄板連鑄車間安裝首臺機器人式自動加渣機，見圖1所示。

圖1 機器人式自動加渣機Fig.1 Robotic Automatic Mould Powder Carrying Machine

該機采用單槍設(shè)計，利用機器人軌跡設(shè)定實現(xiàn)結(jié)晶器定位、布渣、水口規(guī)避。主機包括：機器人、真空上料罐、螺旋輸送機、系統(tǒng)控制柜、料箱共5個部分。其中機器人與料箱布置在澆注平臺地面固定位置，可以在機前獨立完成保護渣加料，加渣機投入與控制，停電狀態(tài)回收；真空上料罐安裝在大包澆注平臺，使用氮氣作為能量介質(zhì)將保護渣從料箱吸出提升至真空上料罐中，通過下料管依靠保護渣重力對螺旋輸送機供料；螺旋輸送機送料速度采用檔位調(diào)節(jié)，最小基礎(chǔ)值1 kg/min，每級檔位0.1 kg/min，最大送料量2.0 kg/min，可以根據(jù)結(jié)晶器內(nèi)保護渣消耗速度手動調(diào)整檔位。

1.2 自主研發(fā)的第一代可移動輕便式板坯自動加渣機

2015年，煉鋼總廠根據(jù)中薄板車間鑄坯斷面小、保護渣送料控制精度要求高的特點，自主研發(fā)了第一代可移動輕便式板坯自動加渣機［1］，見圖2。

圖2 可移動輕便式板坯自動加渣機Fig.2 Movable and Portable Automatic Mould Powder Carrying Machine for Slabs

該加渣機為回轉(zhuǎn)擺動設(shè)計，安裝在1#連鑄機機前，車體采用兩根螺旋輸送機布渣，最大單側(cè)布渣寬度200 mm，2016年1月至 2019年10月累計澆注鑄坯446萬t，輸送保護渣2 182 t，保護渣種類包括中空顆粒渣、實心顆粒渣、片狀顆粒渣、粉末渣。螺旋輸送機出料口在結(jié)晶器斷面內(nèi)運行軌跡為弧形，保護渣落點偏向外弧，對于裂紋敏感性鋼種，低拉速時鑄坯內(nèi)弧水口部位易發(fā)生縱裂。

1.3 自主研發(fā)的第二代雙槍橫向往復(fù)運動加渣機

2017年，煉鋼總廠在第一代自主加渣機基礎(chǔ)上研發(fā)了通用型板坯自動加渣機［2］，即雙槍橫向往復(fù)運動加渣機，見圖3所示，同步開發(fā)了加渣機智能控制系統(tǒng)。

圖3 雙槍橫向往復(fù)運動加渣機Fig.3 Double-gun Horizontal Shuttle Mould Powder Carrying Machine

該加渣機安裝在2#連鑄機機前，采用雙槍橫向往復(fù)運動設(shè)計，最大單側(cè)布渣寬度450 mm，雙槍橫向往復(fù)頻率0～10 Hz，橫向往復(fù)設(shè)計使螺旋輸送機出料口可以完全與結(jié)晶器y軸軸線重合移動，保護渣落料點處于結(jié)晶器厚度方向中心位置，在結(jié)晶器內(nèi)布料更均勻，消除落料點偏差對結(jié)晶器內(nèi)外弧熱流干擾。加渣機每根螺旋輸送機送料速率0～2 kg/min，滿足鞍鋼 135、150、170、230、300 mm等多種厚度大板坯連鑄機使用要求。其控制系統(tǒng)由PLC和用戶界面兩部分組成，具備本地和遠程控制2種模式。本地控制模式下，加渣機控制系統(tǒng)PLC執(zhí)行用戶界面指令，PLC驅(qū)動變頻器，調(diào)節(jié)左/右螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)往復(fù)頻率；PLC通信端口與鑄機HMI相連，在遠程控制模式下可以對加渣機遠程操作。

相對于前面兩款加渣機，該加渣機布料寬度范圍大，往復(fù)頻率高，相同送料速率下單次加入的渣量少，對保護渣三層結(jié)構(gòu)干擾小，液渣層厚度穩(wěn)定；雙槍同向往復(fù)布料運動對稱性強，具有自發(fā)抑制偏流作用；螺旋輸送機出料口在水口區(qū)域停留時間可控，增加水口周圍保護渣供應(yīng)量，間接促進水口前后保護渣更新，水口周圍區(qū)域潤滑狀態(tài)因此得到有效改善，漏鋼預(yù)報發(fā)生率明顯降低，鑄坯內(nèi)弧表面中心裂紋得到有效抑制。 2019年10月，1#連鑄機也升級為該型加渣機，實現(xiàn)了加渣機的統(tǒng)一管理。

為保證加渣機工藝可操作性，根據(jù)生產(chǎn)實際制定了三項設(shè)備檢測標準，每季度檢測一次。

（1）顆粒渣輸送粉化率檢測。該項檢測是將30 kg顆粒完整的保護渣加入料箱，通過加渣機單根螺旋輸送機以最大速度排出后，其粉化率＜8%，否則，更換螺旋輸送機片葉，保障加渣機不破壞顆粒渣原始物理性能指標（如：堆度、比重、流動性），以免影響其在結(jié)晶器內(nèi)熔融狀態(tài)。

（2）輸送能力與控制精度檢測。將加渣機螺旋輸送機送料速率調(diào)整至 0.4、0.5、0.6 kg/min，記錄變頻器轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變化與送料速率應(yīng)為線性關(guān)系。

（3）兩根螺旋輸送機送料速度偏差檢測。將加渣機螺旋輸送機轉(zhuǎn)速調(diào)整至最大，稱量每根螺旋輸送機30 min送料量，重量偏差應(yīng)＜2%，防止結(jié)晶器偏流的發(fā)生。

1.4 自主研發(fā)的方坯連鑄機加渣機

2019年，煉鋼總廠研發(fā)了方坯連鑄機結(jié)晶器加渣機［3］，主要應(yīng)用在六機六流小方坯連鑄機上，可以實現(xiàn)自動上料、間歇供渣、遠程控制、渣厚顯示等功能。

2 加渣機智能控制系統(tǒng)的功能

該系統(tǒng)獨立于加渣機以外，包括主機、結(jié)晶器渣厚采集設(shè)備、料倉稱量秤、通信網(wǎng)絡(luò)及加渣機PLC。主機由數(shù)據(jù)庫、用戶界面、分析程序三部分構(gòu)成，功能介紹如下。

2.1 保護渣厚度自動控制功能

該功能是加渣機智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)的必要條件。保護渣厚度自動控制功能使結(jié)晶器內(nèi)渣厚始終維持在設(shè)定值范圍內(nèi)，不受鑄機拉速變化或結(jié)晶器在線調(diào)寬影響，該功能具備結(jié)晶器液位波動補償、渣面燃燒翻滾與煙塵過濾、異物遮擋過濾、手動加渣補償修正等4項智能算法。保護渣厚度設(shè)定值有兩種產(chǎn)生方式，第一種為通過主機用戶界面輸入產(chǎn)生；第二種為智能控制系統(tǒng)通過“保護渣最佳厚度迭代功能”產(chǎn)生。

2.2 布渣形狀控制功能

該功能滿足結(jié)晶器流場需要，在“保護渣厚度自動控制功能”基礎(chǔ)上，通過改變加渣機某個區(qū)域送料量，從而獲得需要的布渣形狀。布渣形狀控制設(shè)定值有兩種產(chǎn)生方式，第一種通過主機用戶界面輸入產(chǎn)生，包括標記區(qū)域中心距、標記區(qū)域厚度、厚度系統(tǒng)設(shè)定值；第二種為智能控制系統(tǒng)通過“保護渣最佳厚度迭代功能”產(chǎn)生，例如低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼，斷面150 mm×1 290 mm，拉速2.4 m/min時的渣厚人工設(shè)定參數(shù)值見表1。

表1 渣厚人工設(shè)定參數(shù)值Table 1 Manually-set Parameter Values for Thickness of Mould Powder

2.3 異常報警功能

系統(tǒng)異常報警模塊由用戶界面進行管理，可以根據(jù)生產(chǎn)情況設(shè)定報警值的觸發(fā)條件，主要包括：執(zhí)行報警，如布渣形狀控制過程中出現(xiàn)實際渣面形狀失控，某一部位高度不達標，觸發(fā)報警，系統(tǒng)通過用戶界面顯示報警原因；質(zhì)量事件報警，如結(jié)晶器內(nèi)左右渣耗偏差報警［4］；提示報警，如保護渣料倉重量小于30 kg，提示需要添加保護渣；設(shè)備故障報警，如結(jié)晶器渣面高度采集設(shè)備反饋給智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)值中斷或持續(xù)不更新。

2.4 保護渣最佳厚度迭代功能

保護渣最佳厚度迭代功能屬于系統(tǒng)內(nèi)部核心模塊，是指鋼種、斷面、拉速、保護渣相同的情況下，將使用該加渣機的所有操作設(shè)定值進行打分排序，結(jié)晶器狀態(tài)評價最高的保護渣厚度設(shè)定值作為最佳厚度執(zhí)行。該功能建立在操作值和技術(shù)評價的基礎(chǔ)上，隨著生產(chǎn)的進行，保護渣最佳厚度始終在更新迭代。智能控制系統(tǒng)與加渣機配合工作條件下，系統(tǒng)產(chǎn)生的最佳保護渣厚度直接下發(fā)給“保護渣厚度自動控制功能模塊”，該模塊操控加渣機PLC執(zhí)行操作。智能控制系統(tǒng)與人工推渣配合工作條件下，系統(tǒng)的工作流程不變，智能系統(tǒng)會產(chǎn)生最佳渣厚，同樣下發(fā)給“保護渣厚度自動控制功能模塊”，該模塊監(jiān)測當前結(jié)晶器內(nèi)渣厚，當操作中不能滿足最佳渣厚時，該模塊向智能控制系統(tǒng)反饋，啟動聲光報警，提示修正。該功能始終工作，在加渣機人工控制模式下、加渣機人工設(shè)定厚度模式下、手動推渣模式下都能對當前保護渣厚度進行評價，更新迭代最佳值。操作者可以通過用戶界面隨時進行查閱。

3 智能加渣機的應(yīng)用功能

3.1 保護渣厚度標準化管理

保護渣厚度標準化管理是對鋼種、保護渣、斷面、拉速等相同生產(chǎn)條件下，由加渣機實現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)渣厚和布渣形狀統(tǒng)一，消除人工操作的差異和不可重復(fù)性，使技術(shù)管理和工藝行為一致，在出現(xiàn)質(zhì)量異議時，能夠?qū)Y(jié)晶器當時狀態(tài)情況進行重建分析。加渣機智能控制系統(tǒng)在煉鋼總廠中薄板連鑄車間已經(jīng)完成245萬t通鋼量運行，形成了“工藝操作標準化”與“保護渣厚度標準化”相結(jié)合運行模式。

3.2 保護渣物料管理

煉鋼總廠中薄板連鑄車間保護渣供貨企業(yè)有6家，11種型號，每種型號有1～2個批號，每批號庫存為10～15包。加渣機智能控制系統(tǒng)工作前，首先采集當前料倉內(nèi)保護渣的企業(yè)名稱、型號、批號、生產(chǎn)日期、該批號庫存包數(shù)編號及料倉上料重量（通常為1包，重量1 t，禁止混加）。該批號庫存消耗后，加渣機智能控制系統(tǒng)同步列表統(tǒng)計該批號保護渣消耗周期、每臺加渣機的使用量、每班組使用量、累計加入量、累計澆注鑄坯長度和重量、平均噸鋼綜合渣耗量、累計漏鋼預(yù)報次數(shù)、廢品信息。根據(jù)未來生產(chǎn)計劃和“平均噸鋼綜合渣耗量”，可以精確計算保護渣采購量，從而有效壓縮保護渣消耗周期，實現(xiàn)物料管理數(shù)據(jù)化。

3.3 缺陷原因分析與生產(chǎn)回溯

加渣機智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供鑄坯缺陷原因分析與生產(chǎn)回溯支持。用戶通過數(shù)據(jù)庫檢索缺陷鑄坯ID，查詢生產(chǎn)過程中使用保護渣生產(chǎn)廠家、型號、生產(chǎn)日期、批號、結(jié)晶器渣厚、布渣形狀、結(jié)晶器液位波動情況、左/右側(cè)渣耗速度、左/右電機轉(zhuǎn)速，利用鑄坯ID在二級系統(tǒng)中檢索轉(zhuǎn)爐號、鋼種、精煉下料記錄、過程成分、過程溫度、中間包號、使用回數(shù)、中間包重量、中間包覆蓋劑型號、中間包溫度、拉速、塞棒開度、鑄機二冷曲線、生產(chǎn)操作事件備注等信息，實現(xiàn)該塊鑄坯生產(chǎn)全過程的回溯構(gòu)建。

3.4 保護渣質(zhì)量評價

當加渣機完成料倉排空作業(yè)后，加渣機智能控制系統(tǒng)同步產(chǎn)生“該包”保護渣質(zhì)量評價，系統(tǒng)質(zhì)量評價標識分為“合格”或“不合格”。評價標準包括：綜合渣耗、渣條情況、熔融層厚度、漏鋼預(yù)報、廢品信息，這5項參數(shù)全部正常為合格；任何一項發(fā)生異常為不合格。對不合格保護渣批號自動生成“缺陷原因分析”標記說明，并存檔記錄。

4 智能加渣機應(yīng)用效果

2021年12月，鞍鋼生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng) （簡稱“PES”）投入運行，覆蓋企業(yè)生產(chǎn)全流程，連鑄工序通過該系統(tǒng)可以直接查看鑄坯在后續(xù)加工過程中的質(zhì)量缺陷，包括：熱軋廢品、冷軋廢品、鍍鋅線等關(guān)鍵工序質(zhì)量反饋信息。加渣機智能控制系統(tǒng)通過PES系統(tǒng)信息，實現(xiàn)缺陷原因反向追溯和當前狀態(tài)判定，即加渣狀態(tài)智能評價與鑄坯質(zhì)量預(yù)報功能。加渣狀態(tài)智能評價是在“工藝操作標準化”與“保護渣厚度標準化”基礎(chǔ)上，通過采集鑄機參數(shù)，由智能系統(tǒng)進行綜合評價，評價結(jié)果反饋給“保護渣最佳厚度迭代模塊”，并在鑄坯長度信息中進行標記，鑄坯被切割成定尺后，該信息同步轉(zhuǎn)化為這塊定尺的ID信息，保存在加渣機智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。鑄坯在后續(xù)加工過程中，PES系統(tǒng)通過ID號將返回的質(zhì)量信息錄入到加渣機智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。智能控制系統(tǒng)在收到每個板卷質(zhì)量異議信息后，對該ID的加渣狀態(tài)評價參數(shù)進行一次缺陷特征評價，通過1萬t鑄坯生產(chǎn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該項參數(shù)缺陷特征納入“異常報警功能”模塊——質(zhì)量事件類報警［5］。由加渣機智能控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并在用戶界面顯示報警原因說明。

在PES系統(tǒng)支持下，智能加渣機系統(tǒng)實現(xiàn)了工藝操作、物料質(zhì)量、鑄坯缺陷的全面回溯。2022年1～10月完成6個型號21個批號的保護渣質(zhì)量評價，判定不合格3個批號；生成鑄坯質(zhì)量預(yù)報提示144條，準確率86.9%；萬噸漏鋼預(yù)報發(fā)生次數(shù)比2021年下降0.02次；鑄坯表面缺陷率下降0.012%。

5 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠開發(fā)了連鑄加渣機智能化技術(shù)，實現(xiàn)了工藝操作控制、物料質(zhì)量管理、鑄坯質(zhì)量缺陷的全面回溯，實現(xiàn)了連鑄遠程集控，萬噸漏鋼預(yù)報發(fā)生次數(shù)下降0.02次，鑄坯表面缺陷率下降0.012%，滿足了鞍鋼連鑄設(shè)備智能化、集控化的發(fā)展需要。