CN101349923B - 一种薄带连铸熔池液位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种薄带连铸熔池液位控制方法，通过设定周期性波动的熔池液位设定值，利用熔池上方的液位传感器检测钢水在熔池中的实际液位高度，将实际液位值与熔池液位设定值进行比较并将比较结果发送给液位控制器，液位控制器通过调整数控电动缸的行程控制中间包塞棒的开度，来控制中间包钢水的通钢量，从而消除熔池液位设定值与实际液位高度之间的偏差，形成闭环控制，以使熔池液位在预定的振幅范围进行周期性波动。该方法能使熔池的液位在特定的范围内有规律地周期性波动，既可以解决平静的液面所带来的问题，同时又可以保证浇铸过程的稳定和铸带产品的质量。

Description

一种薄带连铸熔池液位控制方法

技术领域

本发明涉及冶金行业相关工艺和控制领域，特别涉及薄带连铸工艺中熔池液位的控制方法。

背景技术

薄带连铸工艺技术是当今冶金领域的一项前沿性技术，至1865年Henry Bessemer提出这一想法(US Patent：49053)以来，至今发展已经有140多年的历史了，但在当时由于制造技术和控制技术等相关技术发展的不够成熟，使这项技术基本处于停滞状态。直到20世纪中叶才在A1的连续铸轧工艺中得以实现，从而再一次在钢铁制造领域引起了人们的重视。

具体地说，双辊薄带连铸过程典型的示例如图1所示，它直接将热态的钢水从钢包1经过中间包2和浸入式水口3浇注到一个由两个相向旋转的水冷结晶辊5a、5b和侧封装置4a、4b形成的熔池中，经过水冷结晶辊5a、5b的冷却形成1～5mm铸带6，铸带6经过夹送辊7送入在线轧机8中轧制成0.7-2.5mm的薄带，然后通过输送辊道9以及冷却控制装置10，然后经过卷取前的夹送辊11，最后进入卷取机12卷取成热轧钢带。

可见，薄带连铸将连续铸造、轧制、甚至热处理等工序融为一体，使生产的薄带坯稍经冷轧就一次性形成工业成品，大大简化了从钢水到轧卷的生产工序，缩短了生产周期，使钢铁生产流程更紧凑、更连续、更高效、更环保；同时生产成本显著降低，并且生产出的薄带产品质量不亚于传统工艺。因此，薄带连铸技术近年来成为世界各国竞相开发的热点。

在薄带连铸的诸多控制中，熔池内钢水的液位控制是和轧制力控制、结晶辊转速控制等直接相关的，如图1，浇铸过程中熔池钢水的液位突然升高高于目标设定值时，浇铸过程的轧制力就瞬间变大，要保证恒定的轧制力浇铸，就得提高结晶辊的转速，使通钢量增大，从而使熔池液位降低以接近目标设定值；浇铸过程中熔池钢水的液位突然降低低于目标设定值时，浇铸过程的轧制力就瞬间变小，要保证恒定的轧制力浇铸，就得降低结晶辊的转速，使通钢量减少，从而使熔池液位升高以接近目标设定值。可见浇铸过程的稳定性直接反映在熔池液位的稳定性上，从理论上讲，稳定控制了浇铸过程中的熔池液位，就稳定控制了整个浇铸过程。

薄带连铸过程中熔池液位发生变化，将会导致钢液和水冷结晶辊之间接触时间的变化，进而影响钢液的凝固过程，会大大影响所得薄带的质量；而且，即使是熔池液位控制的一次失误，也可能会造成溢钢、漏钢等事故的发生，从而造成昂贵的结晶辊或者其他部件的损坏，因此，必须确保稳定可靠的液位控制。长期以来，研究者在如何使熔池内钢水液位稳定上做了大量的努力，但他们的努力基本上都拘泥于一个目标：就是通过采取各种各样的控制手段和检测手段使得熔池内的液位在浇铸过程中稳定保持(或者尽量保持)在某一特定值上。比如专利WO2006/071039A1针对薄带连铸的熔池钢水液位系统，采用鲁棒控制策略(Robust Control Method)设计了一个液位控制器，以尽量确保液位的输出可以准确地跟踪上设定的目标值。

我们先期在此方面所做的工作也是围绕着上述目标，研究和试验发现，通过控制使浇铸过程中熔池的液位长期维持在一个目标值上，不仅在控制策略上增加了难度，(因为在实际浇铸过程中，由于熔池周围环境相当恶劣，各种干扰因素参杂在一起，使熔池液位的控制长期维持在一个目标值难度相当高)；而且即使采取的措施能接近或者达到这一目标，整个熔池就会相对处于比较平静的状态，我们通过试验研究发现，平静的液面反而容易造成如下严重的后果：

(1)出现“三重点”问题，具体地说就是，在结晶辊5、固定侧封板4的内侧以及金属熔体三种不同介质的交界处形成“三重点”，在该处，由于结晶辊5和侧封板4的材质不同，温度也不同，金属熔体与它们接触，彼此的传热系数就不同，由于液面平静，对该处的传热状况没有改善，会造成持久的凝固先后，靠近侧封板4内侧热传导较结晶辊5缓慢，从而造成靠近侧封板4内侧的钢水不完全凝固，随着结晶辊5的旋转，结果是铸带6的边部出现凹凸形缺陷，严重时形成边丝、边裂甚至会撕裂造成断带；

(2)形成“冷钢”，在上述的“三重点”处，由于结晶辊5的热流密度大，热传导较快，金属熔体会先凝固，先凝固的金属中有一部分金属会随着结晶辊5的旋转形成铸带6，而另一部分先凝固的金属，由于侧封板4是固定在旋转的结晶辊5端部不动的，且侧封板4内侧的温度稍低于钢液温度，会少量地粘在固定的侧封板4上，由于钢水液面是平静的，不会冲刷掉粘在侧封板4上的金属，于是，随着浇铸过程的进行，这些粘在侧封板4内侧上的先凝金属会成为后续金属熔体局部凝固的形核核心，由凝固理论可知，一旦金属熔体有了形核的核心，那么金属熔体在该核心上就会持续形核并长大，这样一块粘在侧封板4上长大到一定尺寸的金属，我们称之为“冷钢”。“冷钢”的出现，其重量达到一定程度时，就会从侧封板4内侧脱落到三角熔池中，由于尺寸较大，而且在熔池中停留的时间非常短，不会马上重熔，随着结晶辊5的旋转，大的“冷钢”会造成对结晶辊辊面的破坏；大的“冷钢”穿过辊缝，会造成轧制力激增，使浇铸过程不平稳；更大的“冷钢”穿过辊缝，使辊缝缝值瞬间增大，造成吻合点(“KISS”点)下移，可能会出现断带风险。通常来说，现象(1)和(2)交替发生。

(3)液面“结壳”，由于钢水液面平静，降低了熔池表层的钢水流动性，钢水通过浸入式水口补充到熔池中，这种内部的补充钢水，并没有完全改善液面钢水的流动性和新鲜程度，很容易造成液面“结壳”现象。有时候这种液面“结壳”现象所造成的影响可能是致命的，主要包括：a)由于液面“结壳”的出现，会对熔池钢水液位检测系统产生干扰，导致无法正确获得液位的实际值；b)由于液面“结壳”的出现，当a)中的情况发生后，熔池钢水液位闭环系统无法正常工作，造成钢水液位的剧烈波动，从而极有可能导致溢钢或漏钢等严重事故的发生。

(4)中间包塞棒口处易结冷块。由于钢水液面平静，中间包塞棒开口变化也势必较为缓慢，导致中间包塞棒口处的温度相对较低，因此很容易在塞棒口处结冷块，导致塞棒口阻塞，以及由于塞棒口处钢块有时会突然脱落，会导致液位闭环系统出现故障。

由此可见，单一地保证熔池内的液位在浇铸过程中稳定保持(或者尽量保持)在某一特定值，会造成上述很多负面影响；从另一角度，众所周知，过大的液位波动会造成铸带表面出现大量横裂纹，更不利于浇铸过程的稳定和铸带产品的质量。因此，我们考虑是否可以设计一种液位控制方法，使得熔池的液位在特定的范围内有规律地波动，这样就既可以解决平静的液面所带来的问题，同时又不至于液位波动过大，可以保证浇铸过程的稳定和铸带产品的质量。本发明就是从这一思路出发的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的薄带连铸液位控制方法，通过调整塞棒系统的工作模式来实现对熔池中钢水液位系统的控制，使熔池中钢水液位在一定范围内进行有规律地周期性波动，从而防止薄带连铸熔池过程中出现“三重点”问题、边部“冷钢”、液面结壳和铸带横裂纹等现象，同时可以避免塞棒口处冷块的发生，保证浇铸过程的稳定和顺利进行，最后获得高质量的铸带产品。

本发明涉及的薄带连铸熔池液位控制方法，能使熔池的液位在特定的范围内有规律地周期性波动，既可以解决平静的液面所带来的问题，同时又可以保证浇铸过程的稳定和铸带产品的质量。

为了达到上述目的，本发明的薄带连铸熔池液位控制方法，设定周期性波动的熔池液位设定值，利用熔池上方的液位传感器检测钢水在熔池中的实际液位高度，将实际液位值与熔池液位设定值进行比较，并传给液位控制器，液位控制器向数控电动缸输出电压，通过调整数控电动缸的行程控制中间包塞棒的开度，来控制中间包钢水的通钢量，从而消除熔池液位设定值与实际液位高度之间的偏差，形成闭环控制，以使熔池液位在预定的振幅范围进行周期性波动。

其中，所述的熔池液位设定值是在一个液位目标值上叠加一个函数，该叠加函数是一个时间周期函数，优选，该周期函数是简谐波函数或锯齿波函数。液位目标值根据实际工艺变化而变化，优选，熔池液位目标值是180～380mm。

所述的简谐波函数是

δ＝ASin(2πft)

或

δ＝ACos(2πft)

其中，

A为振幅，其值是所述液位目标值的2～5％；

f为频率，其值取f＝(0.85～0.95)f_o，f_o是液位闭环控制系统的响应频率；

t为时间。

所述的锯齿波函数是

$\mathrm{\δ}=\left\{\begin{array}{cc}A(4\mathrm{ft}-4k-1)& t\∈[\frac{k}{f},\frac{2k+1}{2f}]\\ A(-4\mathrm{ft}+2k+3)& t\∈(\frac{2k+1}{2f},\frac{k+1}{f}]\end{array}\right.k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·\·\·\·$

其中，

A为振幅，其值是液位设定值的2～5％；

f为频率，取f＝(0.85～0.95)f_o，f_o是液位闭环控制系统的响应频率；

t为时间。

其中，优选，该控制器是PID，即比例-积分-微分控制器。液位控制器也可以是各种改进PID或是模糊算法等。

控制器向数控电动缸输入电压，通过调节数控电动缸的行程控制中间包塞棒的开度。

优选，PID控制器输出的电压值u，其形式为

$u=K_p\mathrm{\δ}+K_i\∫\mathrm{\δdt}+K_d\frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{dt}}$

其中，u为液位控制器输出的电压值，K_p为比例常数，t为时间，K_i为积分常数，∫δdt为函数δ对时间的积分，K_d为微分常数，

为函数δ对时间的微分。从上式可以看出，由于设计的函数δ为一周期性函数，PID控制器就会进行调整，使得输出的电压值u也发生连续的周期性变化。其中，K_p、K_i和K_d值和控制系统的稳定性有关，可以根据闭环控制系统自身的稳定性进行模拟仿真、回归计算再结合一定的工程实测数据得出。

控制器输出的电压值u信号随后被送入数控电动缸的驱动器中，驱动电动缸运行指令，电压值u的大小直接决定了数控电动缸的驱动行程，而数控电动缸和塞棒之间是通过刚性的塞棒执行机构相连的，因此，可以驱动塞棒上下运动。电压值u的连续周期性变化，使得数控电动缸的行程也周期性变化，从而使得塞棒开度h_s也相应周期性变化。

调节液位控制器输出的电压值u，即可调节数控电动缸的行程，数控电动缸和塞棒之间通过塞棒执行机构相连，因此，控制电压值u的周期性变化，使得数控电动缸的行程也周期性变化，即可控制塞棒的开度h_s也相应作周期性变化。

根据本发明，薄带连铸熔池液位控制方法，具体包括如下步骤：

1)设定一个熔池液位的目标值H；

2)选择熔池液位的浮动函数δ；

3)熔池液位的设定值h^*＝H+δ；

4)判断浇注是否结束，当浇注结束时，到步骤8)；当浇注未结束时，进行下一步：

5)计算测定的熔池实际液位高度h＇与设定值h^*的偏差e＝h^*一h＇并发送给液位控制器；

6)控制器通过数控电动缸调整塞棒开度h_s，以消除测定的熔池实际液位高度与设定值的偏差；

7)检测熔池实际液位高度h＇，并回到步骤4)；

8)结束。

在任一过程时刻t时，根据通钢量守恒原理，塞棒开度h_s(t)和该时刻液位高度h(t)存在如下函数关系：

$\frac{\mathrm{dh}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{in}}\mathrm{\α}{h}_s\left(t\right)-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{out}}\mathrm{LG}\left(t\right)v\left(t\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{m}L(2R+G\left(t\right)-2\sqrt{R^2-h^2\left(t\right)})}$

可简写成：h＝f(h_s)

式中，

h为熔池的实际液位高度，p_out为从熔池中铸出的钢带的密度，ρ_in为从中间包流入的钢水的密度，p_m为熔池中钢液糊状区的密度，L为结晶辊的辊身长度，

R为结晶辊半径，G为两个结晶辊之间的辊缝，

为熔池液位高度的变化率，h_s为中间包塞棒开度，v为出带速度，α为增益。

由上式可以看出，一个塞棒开度h_s对应着一个液位高度h，通过有规律地控制塞棒的开度h_s，就可以实现实际液位h的相应变化，由于系统是一闭环控制系统，反过来，通过设定实际液位h使之有规律变化，系统将通过有规律地调整数控电动缸的行程来控制中间包塞棒的开度h_s。

由于熔池钢水液位控制系统是一闭环系统，一旦钢水液位控制设定的目标值h^*发生了变化，为保证通钢量，中间包塞棒的开度h_s就会跟随变化，从而真实液位h的系统输出就会跟随设定值的设计思想进行相应变化。本发明中，钢水液位控制设定的目标值h^*设计为在H上的一个振幅值在一定范围内的时间周期函数，即在H附近进行有规律的简谐式或锯齿形波动，因此，通过上述闭环系统，实现熔池钢水液位的真实值h以一定的频率f进行有规律波动。简言之，通过合理地设计熔池内钢水液位的设定值，可以实现对熔池内真实液位波动的控制。

在设计δ函数的振幅A的时候，A的范围不能过大或者过小。设计的波动振幅A的范围在(2～5)％H时，振幅适中，真实液位波动适中，这种小的波动不会影响带钢的表面质量，使浇铸过程平稳顺利进行。如果振幅A的范围>5％H，振幅较大，真实液位波动过大，这种大的波动不利于浇铸过程的稳定，容易造成断带，同时会使铸带表面产生大量横裂纹，影响铸带产品的质量。如果振幅A的范围<2％H，振幅较小，真实液位波动几乎没有，形成了上面所述的“平静”液面，容易出现“三重点”问题、边部“冷钢”、液面结壳和塞棒口处冷块等现象，也不利于浇铸过程的稳定。

在设计δ函数的频率f的时候，需要考虑液位闭环控制系统的响应频率f_o，其中包括数控电动缸在内的塞棒执行机构是整个系统响应频率的主要制约因素。为了保证系统的稳定，δ函数的频率应略小于f_o，取f＝(0.85～0.95)f_o。f_o可以通过实测系统的响应时间来确定(系统响应频率和响应时间成倒数关系)。

薄带连铸的浇铸过程主要分成三个阶段：开浇阶段、正常浇铸阶段、尾带终浇阶段。其中开浇阶段和尾带终浇阶段由于工艺的特殊要求，需要单独进行控制。因此，本发明是应用在正常浇铸阶段，在液位的控制目标上叠加时间周期函数δ。在实际使用中，正常浇铸阶段的初期，由于整个结晶辊系统的热平衡尚未建立，此时的δ函数的频率f较高，当整个辊系的热平衡建立以后，δ函数的频率f可适当降低，以确保系统的稳定性。

由于液位闭环系统的目标值为一周期性变化量，即使其他的工艺参数保持不变的情况下，控制量塞棒的开口度h_s也必是不断变化的，其周期性的变化与液位的周期保持整体上的一致。

发明的有益效果

(1)解决熔池中出现的“三重点”问题，在结晶辊5、固定侧封板4的内侧以及金属熔体三种不同介质的交界处形成“三重点”，在该处，由于结晶辊和侧封板的材质不同，温度也不同，金属熔体与它们接触，彼此的传热系数就不同，通过本发明，实现了熔池液面的规律性周期波动，有效改善了该处的传热状况，不会造成持久的凝固先后，从而不会造成靠近侧封板内侧的钢水先凝固，结果也就不会造成铸带的边部出现凹凸形缺陷、边丝、边裂甚至撕裂造成断带的风险；

(2)解决“冷钢”问题，通过本发明，实现了熔池液面的规律性周期波动，波动的钢水会不时地冲刷掉粘在侧封板上的“冷钢”，新鲜的钢液会及时地将尺寸和重量较小的“冷钢”熔化掉一起进入辊缝形成铸带，因此，不会出现大的“冷钢”，也就避免了由于“冷钢”的出现带来的辊面破坏、浇铸过程不平稳以及断带等一系列问题和风险。

(3)解决液面“结壳”问题，通过本发明，实现了熔池液面的规律性周期波动，增大了熔池表层的钢水流动性，时刻改善着液面钢水的新鲜程度，很好地解决了液面“结壳”现象，也就解决了由于液面“结壳”带来的熔池钢水液位检测系统干扰、熔池钢水液位闭环系统无法正常工作、钢水液位剧烈波动以及溢钢或漏钢等事故。

(4)有效解决了中间包塞棒口处结冷块问题，通过本发明，实现了熔池液面的规律性周期波动，中间包塞棒口处为了配合液面设定值也势必周期性变化，就不会导致中间包塞棒口处结冷块。

(5)稳定浇铸过程，改善铸带质量，通过本发明，实现了熔池液位的规律性周期波动，而且振幅的大小适中，真实液位波动适中，不会因为真实液位波动过大引起的浇铸过程不稳定、易断带，同时也避免了铸带表面产生横裂纹，改善铸带产品的质量。

(6)本发明涉及的液位控制方法只需在现有的液位控制系统上改变控制策略即可，不必增加其他的硬件设备，可以明显地减少改造成本，降低风险。通过对液位控制系统的目标值进行改造，同时对于液位控制器也要做相应的调整，但由于调整的范围不是很大，因此对于控制系统的稳定性不会造成影响。

附图说明

图1为薄带连铸工艺流程示意图；

图2为本发明的薄带连铸熔池液位模型示意图；

图3为本发明的薄带连铸熔池液位控制系统过程示意图；

图4为本发明的薄带连铸熔池液位控制系统控制流程图；

图5为本发明液位系统中叠加的简谐波函数示意图；

图6为本发明液位系统中叠加的锯齿形波函数示意图；

图7为本发明实施例的熔池钢水液位的实测值；

图8为本发明实施例的中间包塞棒开度的实测值；

图9为熔池液位剧烈波动时液位的实测值；

图10为熔池液位剧烈波动时中间包塞棒开度的实测值；

图11为熔池液位几乎无波动时液位的实测值；

图12为熔池液位几乎无波动时中间包塞棒开度的实测值。

附图标记说明

1   大包              2   中间包

3   浸入式水口        4   侧封板

5   结晶辊            6   铸带

7   夹送辊            8   轧机

9   输送辊道          10  喷淋系统

11  卷曲机夹送辊      12  卷曲机

13   塞棒          14  数控电动钢

15   液位传感器    16  熔池

17   凝固壳        18  吻合(KISS)点

19   塞棒执行机构

具体实施方式

下面结合附图较为详细地介绍本发明的薄带连铸熔池液位控制方法。

图1是双辊薄带连铸工艺流程示意图。

如图1所示，它直接将热态的钢水从钢包1经过中间包2和浸入式水口3浇注到一个由两个相向旋转的水冷结晶辊5a、5b和侧封装置4a、4b形成的熔池中，经过水冷结晶辊5a、5b的冷却形成1～5mm铸带6，铸带6经过夹送辊7送入在线轧机8中轧制成0.7～2.5mm的薄带，然后通过输送辊道9以及冷却控制装置10，然后经过卷取前的夹送辊11，最后进入卷取机12卷取成热轧钢带。

图2是薄带连铸熔池液位模型示意图。

如图2所示，中间包2内设置有塞棒13，塞棒13和数控电动缸14之间通过刚性的塞棒执行机构19相连，调节数控电动缸14的行程可以控制塞棒13的开度h_s，钢液由塞棒13开口处通过浸入式水口3进入到由结晶辊5a、5b形成的熔池16中，钢液在水冷结晶辊5a、5b的表面形成凝固层17，随着结晶辊5a、5b的旋转，两边对称的凝固层17在吻合点18相接触，并经过铸轧形成铸带6，浇铸过程中，采用液位传感器15监视熔池16的上表面层L，我们把上表面层L与两结晶辊的中心连线之间的垂直距离称为实际液位高度h。

值得指出的是，实际熔池液位高度h的真实值并不能知道，是通过熔池液位检测即液位传感器15检测的值h＇来反馈表征的。

图3是熔池液位控制系统框图。

如图3所示，安装在熔池上方的液位传感器15检测到钢水在熔池中的实际液位高度h＇，系统将h＇的值与设定高度h^*做比较，由上所述，PID控制器向数控电动缸14输入电压u，通过调整数控电动缸14的行程来控制中间包塞棒13的开度h_s，即可控制中间包钢水的通钢量，从而消除熔池液位设定值h^*与实际液位高度h之间的偏差，形成闭环控制。

图4是熔池液位控制系统流程图。

1)设定一个熔池液位的目标值H；

2)选择熔池液位的浮动函数δ；

3)熔池液位的设定值h^*＝H+δ；

4)判断浇注是否结束，当浇注结束时，到步骤8)；当浇注未结束时，进行下一步：

5)计算测定的熔池实际液位高度h＇与设定值h^*的偏差e＝h^*—h＇并发送给液位控制器；

6)控制器通过数控电动缸调整塞棒开度h_s，以消除测定的熔池实际液位高度与设定值的偏差；

7)检测熔池实际液位高度h＇，并回到步骤4)；

8)结束。

通过以上步骤的循环，形成熔池钢水液位闭环控制系统，实现液位的周期波动的控制。

在图3、图4中，h^*为液位闭环控制系统设定的目标值，e＝h^*—h＇为液位的设定值h^*与液位的实测值h＇之间的偏差。

在上述熔池钢水液位闭环控制系统中，设计钢水液位设定的目标值h^*为

h^*＝H+δ

上式中，

H为液位的目标值，δ为叠加在H上的一个振幅值在一定范围内的时间周期函数。

这里，δ可以为简谐波函数

δ＝ASin(2πft)

或

δ＝ACos(2πft)

上式中，

A为振幅，A的范围在(2～5)％H，t为时间，f为频率。

图5是钢水液位设定值h^*为简谐波函数时的示意图。

δ也可以为锯齿形波函数

$\mathrm{\&delta;}=\left\{\begin{array}{cc}A(4\mathrm{ft}-4k-1)& t\&Element;[\frac{k}{f},\frac{2k+1}{2f}]\\ A(-4\mathrm{ft}+2k+3)& t\&Element;(\frac{2k+1}{2f},\frac{k+1}{f}]\end{array}\right.k=\mathrm{0,1,2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$

上式中，

A为振幅，A的范围在(2～5)％H，t为时间，f为频率。

图6是钢水液位设定值h^*为锯齿波函数时的示意图。

由于熔池钢水液位控制系统是一闭环系统，一旦钢水液位控制设定的目标值h^*发生了变化，为保证通钢量，中间包塞棒13的开度h_s就会跟随变化，从而真实液位h的系统输出就会跟随设定值的设计思想进行相应变化。本发明中，钢水液位控制设定的目标值h^*设计为在H上的一个振幅值在一定范围内的时间周期函数，即在H附近进行有规律的简谐式或锯齿形波动，因此，通过上述闭环系统，实现熔池钢水液位的真实值h以一定的频率f进行有规律波动。简言之，通过合理地设计熔池内钢水液位的设定值，可以实现对熔池内真实液位波动的控制。

在设计δ函数的振幅A的时候，A的范围不能过大或者过小。设计的波动振幅A的范围在(2～5)％H时，振幅适中，真实液位波动适中，这种小的波动不会影响带钢的表面质量，使浇铸过程平稳顺利进行。如果振幅A的范围>5％H，振幅较大，真实液位波动过大，这种大的波动不利于浇铸过程的稳定，容易造成断带，同时会使铸带表面产生大量横裂纹，影响铸带产品的质量。如果振幅A的范围<2％H，振幅较小，真实液位波动几乎没有，形成了上面所述的“平静”液面，容易出现“三重点”问题、边部“冷钢”、液面结壳和塞棒口处冷块等现象，也不利于浇铸过程的稳定。

在设计δ函数的频率f的时候，需要考虑液位闭环控制系统的响应频率f_o，其中包括数控电动缸在内的塞棒执行机构是整个系统响应频率的主要制约因素。为了保证系统的稳定，δ函数的频率f应略小于f_o，取f＝(0.85～0.95)f_o。f_o可以通过实测系统的响应时间来确定(系统响应频率和响应时间成倒数关系)。

薄带连铸的浇铸过程主要分成三个阶段：开浇阶段、正常浇铸阶段、尾带终浇阶段。其中开浇阶段和尾带终浇阶段由于工艺的特殊要求，需要单独进行控制。因此，本发明是应用在正常浇铸阶段，在液位的控制目标上叠加时间周期函数δ。在实际使用中，正常浇铸阶段的初期，由于整个结晶辊系统的热平衡尚未建立，此时的δ函数的频率f较高，当整个辊系的热平衡建立以后，δ函数的频率f可适当降低，以确保系统的稳定性。

在液位控制器的设计中，可以采用PID(比例-积分-微分控制器)，也可以采用各种改进PID或是模糊算法等。目前工业应用中，最常用的最成熟的是PID控制器，其形式为

$u=K_p\mathrm{\&delta;}+K_i\&Integral;\mathrm{\&delta;dt}+K_d\frac{\mathrm{d\&delta;}}{\mathrm{dt}}$

其中，u为液位控制器输出的电压值，K_p为比例常数，t为时间，K_i为积分常数，∫δdt为函数δ对时间的积分，K_d为微分常数，

为函数δ对时间的微分。从上式可以看出，由于设计的函数δ为一周期性函数，PID控制器就会进行调整，使得输出的电压值u也发生连续的周期性变化。其中，K_p、K_i和K_d值和控制系统的稳定性有关，可以根据闭环控制系统自身的稳定性进行模拟仿真、回归计算再结合一定的工程实测数据得出。

控制器输出的电压值u信号随后被送入数控电动缸的驱动器中，驱动电动缸运行指令，电压值u的大小直接决定了数控电动钢的驱动行程，而数控电动钢和塞棒之间是通过塞棒执行机构相连的，因此，可以驱动塞棒上下运动。电压值u的连续周期性变化，使得数控电动钢的行程也周期性变化，从而使得塞棒开度h_s也相应周期性变化。

由于液位闭环系统的目标值为一周期性变化量，即使其他的工艺参数保持不变的情况下，控制量塞棒的开口度h_s也必是不断变化的，其周期性的变化与液位的周期保持整体上的一致。

下面通过实施例和对比例来说明本发明的有益效果：

图7和图8为实施本发明后，浇铸过程中检测到的一组典型熔池钢水液位实测值h＇以及中间包塞棒开度h_s的实测数据。从图中可见，当采用这种控制方案后，整个浇铸过程稳定，实现整炉浇铸和卷取，液位按照本发明设计思想进行有规律的周期性波动，浇铸过程中未见“三重点”问题、边部“冷钢”、液面结壳等现象，同时塞棒进行有规律地调整开度，避免了塞棒口处结冷块现象的发生；而且铸带表面质量良好，无裂纹、无边裂，大幅度提高了整炉浇铸的成功率。

图9和图10是为了说明本发明，设计的一对比例，设计在浇铸过程的正常浇铸段，液位闭环控制系统中，钢水液位设定的目标值h^*的振幅A＝8％H，图中可见，由于振幅A的范围>5％H，振幅较大，经闭环控制后，输出的真实液位发生剧烈波动，系统无法达到稳定状态，瞬间出现钢液断流现象，当浇铸进行至59秒时，发生断带事故。从浇铸出来的铸带质量来看，表面存在大量横裂纹，铸带质量较差。

图11和图12是为了说明本发明，设计的又一对比例，设计在浇铸过程的正常浇铸段，液位闭环控制系统中，钢水液位设定的目标值h^*的振幅A＝1.2％H，图中可见，由于振幅A的范围<2％H，振幅较小，经闭环控制后，输出的真实液位几乎没有波动，形成了所谓的“平静”液面，钢液在熔池内的“三重点”处出现了大量的“冷钢”，当浇铸进行至86秒时，“冷钢”脱落到熔池中，导致断带，而且塞棒口处也结有大量冷块。从浇铸出来的铸带质量来看，铸带边裂严重，时而有撕裂现象。

以上是通过实施例对本发明进行了较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多其他实施例。

Claims (10)

1.一种薄带连铸熔池液位控制方法，设定周期性波动的熔池液位设定值，利用熔池上方的液位传感器检测钢水在熔池中的实际液位高度，将实际液位值与熔池液位设定值进行比较并将比较结果发送给液位控制器，液位控制器通过调整数控电动缸的行程控制中间包塞棒的开度，来控制中间包钢水的通钢量，从而消除熔池液位设定值与实际液位高度之间的偏差，形成闭环控制，以使熔池液位在预定的振幅范围进行周期性波动。

2.根据权利要求1所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的熔池液位设定值是在一个液位目标值上叠加一个函数，该函数为以一定振幅值上下波动的时间周期函数。

3.根据权利要求2所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的液位目标值是180～380mm。

4.根据权利要求2所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的叠加函数是简谐波函数或锯齿波函数。

5.根据权利要求4所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的简谐波函数是

δ＝ASin(2πft)

或

δ＝ACos(2πft)

其中，A为振幅，其值是所述液位目标值的2～5％；f为频率，其值取f＝(0.85～0.95)f₀，f₀是液位闭环控制系统的响应频率；t为时间。

6.根据权利要求4所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的锯齿波函数是

其中，A为振幅，其值是液位目标值的2～5％；f为频率，取f＝(0.85～0.95)f₀，f₀是液位闭环控制系统的响应频率；t为时间。

7.根据权利要求5-6任一所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的液位控制器是比例-积分-微分控制器。

8.根据权利要求7所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的液位控制器向数控电动缸输入电压，通过调节数控电动缸的行程控制中间包塞棒的开度。

9.根据权利要求7所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述的比例-积分-微分控制器向数控电动缸输入的电压为

其中，u为液位控制器输出的电压值，K_p为比例常数，t为时间，K_i为积分常数，∫δdt为函数δ对时间的积分，K_d为微分常数，

为函数δ对时间的微分。

10.根据权利要求1所述的薄带连铸熔池液位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设定一个熔池液位的目标值H；

2)选择熔池液位的时间周期浮动函数δ；

3)熔池液位的设定值h*＝H+δ；

4)判断浇注是否结束，当浇注结束时，到步骤8)；当浇注未结束时，进行下一步：

5)计算测定的熔池实际液位高度h′与设定值h*的偏差e＝h*-h′并发送给液位控制器；

6)液位控制器通过数控电动缸调整塞棒开度h_s，以消除测定的熔池实际液位高度与设定值的偏差；

7)检测熔池实际液位高度h′，并回到步骤4)；

8)结束。

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