一种结晶器浇注方法与流程

本发明涉及一种结晶器浇注方法，属于冶金行业炼钢生产设备技术领域。

背景技术：

目前，各钢铁企业都采用了中间包水口快换技术的方法，将经预热的下水口送入结晶器中并定位在准备位，利用主推油缸将下水口沿滑道由结晶器的预定位置送至工作位置，并与中间包上的上水口结合，做到尽最大的可能防止事故停浇，保证在1s～2s时间内不断流、不减速、不更换中间包的正常状态下，安全、稳定地以新的水口替换已损坏的旧水口,保持正常浇铸。但是这样就会存在一个问题是：下水口更换完成后，上水口与下水口的结合部位或多或少都会粘有冷钢，不但使得结合面被划伤，还加速了结合面的氧化，造成钻钢事故，甚至发生更大的事故；而且更换的下水口是固定口径，不但不能实时调整中间罐流往结晶器中的流量，更不能实现拉钢生产的自动化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结晶器浇注方法，能够控制中间罐流往结晶器中的流量，实现结晶器液位的精确控制，解决背景技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种结晶器浇注方法，包含中间罐滑动水口机构和中间罐滑动水口液压系统；所述中间罐滑动水口机构包括固定滑板、上水口、滑块、滑动滑板、下水口、承载框架和水口座砖，上水口和下水口上下布置，上水口和下水口之间设有固定滑板和滑动滑板，固定滑板和上水口固定在水口座砖上，滑动滑板通过滑块滑动连接在承载框架上；所述中间罐滑动水口液压系统包含伺服液压缸和设置在伺服液压缸活塞杆上的伺服液压缸位移传感器,工控机控制中间罐滑动水口液压系统通过滑块驱动滑动滑板和固定滑板之间浇注孔的错位实现结晶器的浇注，具体浇注方法包括以下步骤：

a.工控机首先根据生产条件、所要生产钢坯的品种，生成结晶器液位期望轨迹曲线，得到期望轨迹液位高度h，同时工控机计算出要达到结晶器液位高度h伺服液压缸活塞杆的期望轨迹位移l；

b.工控机通过结晶器液位检测器实时检测结晶器内钢水的液位为ha，并通过伺服液压缸位移传感器实时检测伺服液压缸活塞杆的实际轨迹位移为la；

c.如果结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值的绝对值大于等于设定的阈值hv，即︱h-ha︱≥hv，工控机驱动伺服液压缸的活塞杆伸出实际位移la则为零，即：la=0，结晶器停止浇注并输出故障报警信号；

如果结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值绝对值小于设定的阈值hv，即︱h-ha︱＜hv，则进入步骤d；

d.判断伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l之差是否为零，然后根据判断结果选择不同的操作：

1）若l-la=0不成立，伺服液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移l的误差△la，△la=l-la，将△la传输到工控机内的pd处理单元进行pd算法处理，由pd处理单元的输出数据对伺服阀进行调节，从而调节伺服液压缸的活塞杆伸出位移la，直至伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l的误差为零，即△la=l-la=0；

2）若la-l=0成立：

①若ha-h=0不成立，结晶器内钢水期望的液位h与实际液位高度ha差值△ha，△ha=h-ha，将△ha传给pid控制器，通过运算对伺服液压缸期望轨迹位移l进行调节，即为期望轨迹位移l赋新值，跳转到步骤1）；

重复上述控制信号修正过程，直至结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度h误差为零，即△h=ha-h=0；

②若ha-h=0成立，则工控机控制伺服液压缸按照要达到结晶器液位高度h时伺服液压缸活塞杆在期望轨迹位移l下的中间罐滑动水口的开度进行浇注；

e.工控机实时探测结晶器浇注结束信号，如果没有探测到浇注结束信号跳转到b；

f.如果工控机探测到结晶器浇注结束信号，伺服阀控制伺服液压缸推动滑板关闭水口,完成结晶器的浇注。

所述中间罐滑动水口的开度为固定滑板和滑动滑板相对错开后实际浇注孔的大小；当固定滑板和滑动滑板的浇铸孔完全重合时，中间罐滑动水口的开度最大，当固定滑板和滑动滑板的浇铸孔完全错开时，中间罐滑动水口的开度最小，即为零。

所述中间罐滑动水口液压系统还包含液控单向阀一、节流阀、电磁换向阀、液控单向阀二、位移传感器、伺服阀、液控单向阀三、二位四通阀换向阀、减压阀和蓄能器，液控单向阀一、节流阀和电磁换向阀通过减压阀和蓄能器串接构成伺服液压缸的应急控制单元；液控单向阀二、位移传感器、伺服阀、液控单向阀三和二位四通阀换向阀通过减压阀和蓄能器串接构成伺服液压缸的正常生产控制单元。

中间罐滑动水口液压系统中由液控单向阀一、节流阀、电磁换向阀、伺服液压缸组成应急控制单元，液控单向阀一用于应急系统不工作时切断应急系统与伺服阀的管路，节流阀用于调节中间罐滑动水口关闭的速度，蓄能器用于贮存能量，提高系统的响应速度；液控单向阀二、位移传感器、伺服阀、液控单向阀三、二位四通阀换向阀和伺服液压缸组成正常生产控制单元，二位四通阀换向阀用于模式选择，模式选择分为应急控制模式和正常生产模式，液控单向阀二和液控单向阀三用于切断或打开伺服阀工作的油路，伺服阀与伺服液压缸是用于精确控制中间罐滑动水口的主要元件。

本发明采用大闭环和小闭环双重控制，大闭环是结晶器的液位控制闭环，反馈元件为结晶器液位检测器，用于测量结晶器的钢水液位；小闭环是中间罐滑动水口位置控制闭环，反馈元件为水口伺服液压缸的位移传感器，用于检测控制伺服液压缸的位移，采用双闭环控制的设计目的为：通过控制小闭环的稳定输出，减少大闭环控制输出的振荡，提高大闭环系统的稳定性，也即提高结晶器液位的稳定性。

本发明的有益效果是：采用液压系统驱动中间罐滑动水口进行开度控制，能够有效减小现场各种干扰因素所造成的误差，提高结晶器液面控制精度。

附图说明

图1为中间罐滑动水口开度控制工作原理图；

图2为本发明结构示意图；

图3为本发明液压原理图；

图中：中间罐滑动水口机构1、固定滑板2、上水口3、滑块4、伺服液压缸5、滑动滑板6、下水口7、承载框架8、水口座砖9、液控单向阀一10、节流阀11、电磁换向阀12、液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16、二位四通阀换向阀17、减压阀18、蓄能器19。

具体实施方式

以下结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。

参照附图1、2、3，一种结晶器浇注方法，包含中间罐滑动水口机构1和中间罐滑动水口液压系统；所述中间罐滑动水口机构1包括固定滑板2、上水口3、滑块4、滑动滑板6、下水口7、承载框架8和水口座砖9，上水口3和下水口7上下布置，上水口3和下水口7之间设有固定滑板2和滑动滑板6，固定滑板2和上水口3固定在水口座砖9上，滑动滑板6通过滑块4滑动连接在承载框架8上；所述中间罐滑动水口液压系统包含伺服液压缸5和设置在伺服液压缸5活塞杆上的伺服液压缸位移传感器,工控机控制中间罐滑动水口液压系统通过滑块4驱动滑动滑板2和固定滑板6之间浇注孔的错位实现结晶器的浇注，具体浇注方法包括以下步骤：

a.工控机首先根据生产条件、所要生产钢坯的品种，生成结晶器液位期望轨迹曲线，得到期望轨迹液位高度h，同时工控机计算出要达到结晶器液位高度h伺服液压缸活塞杆的期望轨迹位移l；

b.工控机通过结晶器液位检测器实时检测结晶器内钢水的液位为ha，并通过伺服液压缸位移传感器实时检测伺服液压缸活塞杆的实际轨迹位移为la；

c.如果结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值的绝对值大于等于设定的阈值hv，即︱h-ha︱≥hv，工控机驱动伺服液压缸的活塞杆伸出实际位移la则为零，即：la=0，结晶器停止浇注并输出故障报警信号；

如果结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值绝对值小于设定的阈值hv，即︱h-ha︱＜hv，则进入步骤d；

d.判断伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l之差是否为零，然后根据判断结果选择不同的操作：

1）若l-la=0不成立，伺服液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移l的误差△la，△la=l-la，将△la传输到工控机内的pd处理单元进行pd算法处理，由pd处理单元的输出数据对伺服阀进行调节，从而调节伺服液压缸的活塞杆伸出位移la，直至伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l的误差为零，即△la=l-la=0；

2）若la-l=0成立：

①若ha-h=0不成立，结晶器内钢水期望的液位h与实际液位高度ha差值△ha，△ha=h-ha，将△ha传给pid控制器，通过运算对伺服液压缸期望轨迹位移l进行调节，即为期望轨迹位移l赋新值，跳转到步骤1）；

重复上述控制信号修正过程，直至结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度h误差为零，即△h=ha-h=0；

②若ha-h=0成立，则工控机控制伺服液压缸按照要达到结晶器液位高度h时伺服液压缸活塞杆在期望轨迹位移l下的中间罐滑动水口的开度进行浇注；

e.工控机实时探测结晶器浇注结束信号，如果没有探测到浇注结束信号跳转到b；

f.如果工控机探测到结晶器浇注结束信号，伺服阀控制伺服液压缸推动滑板关闭水口,完成结晶器的浇注。

所述中间罐滑动水口液压系统还包含液控单向阀一10、节流阀11、电磁换向阀12、液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16、二位四通阀换向阀17、减压阀18和蓄能器19，液控单向阀一10、节流阀11和电磁换向阀12通过减压阀18和蓄能器19串接构成伺服液压缸5的应急控制单元；液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16和二位四通阀换向阀17通过减压阀18和蓄能器19串接构成伺服液压缸5的正常生产控制单元。

具体实施例：

本方法运用pid控制方法，实现了对系统的高品质控制。连铸机一般是两流或多流，但是每一流的中间罐滑动水口开度控制方法和结晶器的浇注方法都是相同的，本实施例就其中一流进行说明。

该方法所采用的控制装置包括：工控机、中间罐滑动水口机构1、中间罐滑动水口液压系统和结晶器。其中工控机包括具有pid控制器及存储器，能够实现pd算法、控制量存储功能。

连铸机中间罐滑动水口液压控制系统是具有重复运动特点的液压系统，每一次行程中的运行条件是相似的，并且控制目标的要求也是相同的，因此，可以利用工控机的储存功能，将上一个行程的误差信息应用到下一个行程的控制中，使得系统的输出愈来愈接近系统的控制目标，从而可以提高系统的动态响应速度和控制精度，这个过程就是pid控制器的原理，就是通过测量当前伺服液压缸5活塞杆的实际伸出量将这个实际值la与期望值l进行比较，然后根据比较结果来修正输入量，从而使伺服液压缸输出量接近期望值。位移传感器14安装在伺服液压缸5的活塞杆上，用来检测伺服液压缸5活塞杆运动位移的器件。伺服阀15是液压控制的元件，伺服液压缸5是液压系统的执行元件

参照附图2，中间罐滑动水口机构1包括固定滑板2、上水口3、滑块4、伺服液压缸5、滑动滑板6、下水口7和承载框架8，固定滑板2上安装有上水口3，固定滑板2的浇注孔与上水口3连接，滑动滑板6安装有下水口7，滑动滑板6的浇注孔与下水口7连接，当固定滑板2和滑动滑板6的浇注孔重合时，中间罐内钢水可以通过上水口3、固定滑板2、滑动滑板6、下水口7流出，进行浇铸作业。

中间罐的钢水流量就是通过伺服液压缸5驱动承载框架8中的滑动块4使固定滑板2与滑动滑板6相互错位达到调节的作用。当中间罐滑动水口伺服液压缸5的活塞杆伸出长度为最大时，固定滑板2和与滑动滑板6的浇注孔对齐，中间罐滑动水口开度为最大，当中间罐滑动水口伺服液压缸5的活塞杆伸出长度为最小时，固定滑板2与滑动滑板6的浇注孔错开，中间罐滑动水口开度为零，即中间罐滑动水口关闭。

参照附图3，中间罐滑动水口液压系统包括蓄能器9、液控单向阀一10、节流阀11、电磁换向阀12、液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16、二位四通阀换向阀17、减压阀18等，其中液控单向阀一10、节流阀11、电磁换向阀12、伺服液压缸5组成应急控制单元，液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16、二位四通阀换向阀17、伺服液压缸5组成正常生产控制单元。

中间罐滑动水口控制的流程是这样的。

生产准备阶段：

电磁换向阀12的电磁铁1dt、2dt失电，二位四通阀换向阀17的电磁铁3dt失电，中间罐滑动水口液压系统和中间罐滑动水口机构1处于待命状态。

拉钢生产（启用正常生产控制单元）：

中间罐滑动水口液压系统中，启用由液控单向阀二13、位移传感器14、伺服阀15、液控单向阀三16、二位四通阀换向阀17和伺服液压缸5组成的正常生产控制单元。电磁换向阀12的电磁铁1dt、2dt都失电，滑动水口液压系统中的应急控制单元处于非工作状态。

操作人员操控正常拉钢按钮，中间罐滑动水口液压系统的正常生产控制单元中的模式选择阀—二位四通阀换向阀17的电磁铁3dt得电，高压油通过二位四通换向阀17把液控单向阀二13、液控单向阀三16打开，同时工控机首先根据生产条件、所要生产钢坯的品种，生成结晶器液位期望轨迹曲线，得到期望轨迹液位高度h，同时工控机根据各方面参数计算出要达到结晶器液位高度h时滑动水口伺服液压缸活塞杆的伸出位移l，压力油通过伺服阀15驱动伺服液压缸5使滑动水口伺服液压缸活塞杆的伸出位移la,从而调整中间罐滑动水口的开度，在生产过程中，结晶器液位检测器实时检测结晶器内钢水液位的高度ha，通过工控机不断的修正期望轨迹液位高度h，通过计算不断修正达到结晶器液位高度h时滑动水口伺服液压缸活塞杆的期望轨迹位移l；同时伺服液压缸5通过位移传感器14也不断修正滑动水口伺服液压缸活塞杆的实际伸出位移la。

利用工控机的计算和储存功能，通过测量当前结晶器实际液位ha和伺服液压缸活塞杆的实际伸出量la，将这两个实际值与期望值进行比较，然后根据比较结果来修正输入量，反复迭代循环，从而使中间罐滑动水口开度控制在理想状态。

停止拉钢生产（关闭正常生产控制单元）：

操作人员操控“停止拉钢按钮”，伺服阀15接到使工控机的信号，使伺服阀15输出压力油到伺服液压缸5的有杆腔，使伺服液压缸5中活塞杆驱动滑动装置4关闭中间罐滑动水口。同时伺服液压缸5无杆腔中的液压油通过伺服阀15流回到油箱，接着，中间罐滑动水口液压系统正常生产液压系统中的二位四通阀换向阀17的电磁铁3dt失电，液控单向阀二13、液控单向阀三16关闭，伺服阀15的进油管路与通向伺服液压缸5的管路都被切断，正常生产液压系统处于停运状态。

应急生产（启用应急控制单元）：

连铸机在拉钢生产过程中，如果遇到拉漏事故或连浇等特殊生产情况时，先停止正常生产模式，启用应急控制单元，操作人员启动应急系统的“打开水口”按钮，电磁换向阀12的电磁铁2dt得电，1dt失电，高压油由电磁换向阀12通过节流阀11、液控单向阀10进入伺服液压缸5的无杆腔，推动活塞及滑动装置4把中间罐滑动水口打开，操作人员不断点动应急系统的“打开水口”按钮，中间罐滑动水口开度将不断增大，同时伺服液缸5的有杆腔的液压油由节流阀11、液控单向阀10、电磁换向阀12流回油箱。

如果操作人员按应急系统的“关闭水口”按钮，电磁换向阀12的电磁铁1dt得电，2dt失电，高压油由电磁换向阀12通过节流阀11、液控单向阀10进入伺服液压缸5的有杆腔，推动活塞及滑动装置4把中间罐滑动水口关闭，操作人员不断点动应急系统的“关闭水口”按钮，中间罐滑动水口开度将不断减小，同时伺服液压缸5的无杆腔的液压油由节流阀11、液控单向阀10、电磁换向阀12流回油箱。

结晶器浇注方法，包括以下步骤：

a.工控机首先根据生产条件、所要生产钢坯的品种，生成结晶器液位期望轨迹曲线，得到期望轨迹液位高度h，同时工控机根据各方面参数计算出要达到结晶器液位高度h滑动水口伺服液压缸活塞杆的期望轨迹位移l；

b.工控机通过结晶器液位检测器实时检测结晶器内钢水的液位为ha，并通过伺服液压缸位移传感器实时检测滑动水口伺服液压缸活塞杆的实际轨迹位移为la；

c.如果在某一时刻结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值的绝对值大于等于设定的阈值hv，即︱h-ha︱≥hv，工控机驱动伺服液压缸的活塞杆伸出实际位移la为零，即：la=0，结晶器停止浇注并输出故障报警信号；

如果结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值绝对值小于设定的阈值hv，即︱h-ha︱＜hv，则进入步骤d；

d.判断伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l之差是否算为零，然后根据判断结果选择不同的操作：

1）若m-la=0不成立，伺服液压缸的控制方法为：伺服液压缸的活塞杆伸出位移与期望轨迹位移l的误差△la（△la=l-la）传到工控机内的pd处理单元进行pd算法处理，由pd处理单元的输出数据对伺服阀进行调节，从而调节伺服液压缸的活塞杆伸出位移la；

如果l-la=△la＞0,伺服液压缸的活塞杆期望轨迹位移大于实际伸出位移，伺服液压缸的活塞杆期望轨迹位移与实际伸出位移之差△la传到工控机内的pd处理单元进行pd算法处理，由pd处理单元的输出数据对伺服阀进行调节，从而调节伺服液压缸的活塞杆伸出位移la，使la增大，也就是伺服液压缸的活塞杆伸出实际位移增大，滑动水口开度增大，直至伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l的误差为零，即△la=l-la=0，此时中间罐滑动水口开度是工控机根据各方面参数计算出要达到结晶器液位高度h时滑动水口伺服液压缸活塞杆伸出的实际位移l下中间罐滑动水口所打开的开度；

如果l-la=△la<0，工控机的调节原理和l-la=△la＞0时相同；

重复上述控制信号修正过程，直至伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l的误差为零，即△la=la-m=0；

2）若la-l=0成立

①若ha-h=0不成立，结晶器内钢水期望的液位h与实际液位高度ha差值△ha（△ha=h-ha）传给pid控制器，通过运算，对伺服液压缸期望轨迹位移m进行调节，即为期望轨迹位移l赋新值，跳转到步骤1）；

重复上述控制信号修正过程，直至结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度h误差为零，即△h=ha-h=0；

②若ha-h=0，则工控机控制伺服液压缸按工控机根据各方面参数计算出要达到结晶器液位高度h时滑动水口伺服液压缸活塞杆在期望轨迹位移l下中间罐滑动水口的开度进行浇注；

e.工控机实时探测浇注结束信号，如果没有探测到浇注结束信号跳转到步骤b；

f.工控机探测到浇注结束信号，伺服阀控制伺服液压缸推动滑板关闭水口,完成浇注。

其中：

h:为结晶器期望液位高度；ｈ与结晶器类型、结晶器铜管的锥度、拉速、钢种及对拉钢生产结晶器液位高度生产事故分析来决定；

ha:为通过伺服液压缸位移传感器实时检测结晶器内钢水的液位；

hv:结晶器液位检测器检测结晶器内钢水的液位ha与期望液位高度差值的阈值；设计这个阈值主要是为了稳定拉钢，一般由钢种、拉速决定；

△ha：结晶器内钢水期望的液位h与实际液位高度ha差值，△ha=h-ha；

l:工控机根据各方面参数计算出要达到结晶器液位高度h滑动水口伺服液压缸活塞杆的期望轨迹位移；由h来确定l，la=l时，ha=h，是理想状态下的拉钢生产；

la：通过位移传感器检测到的伺服液压缸的活塞杆伸出的实际位移；

△la：伺服液压缸的活塞杆伸出位移la与期望轨迹位移l的误差（△la=l-la）。